使用无线充电技术复兴HP-25计算器

或者，将一台45年的老计算器带入21世纪。

HP-25是其时代的革命性计算器。1975年推出，它是第一款负担得起的可编程工程计算器。随着时间的推移，开发了更多功能更强大的型号。但25在功能、尺寸和易用性之间取得了特别好的平衡。

今天我们生活在一个非常不同的世界：我们都拥有多个强大的计算设备。如今，没有工程师会考虑在计算器上进行图形绘制：我们有能够更快更好完成这项工作的计算机。同样的，对于代数操作或符号计算也是如此。然而，我们仍然需要的是一款好的工程计算器——一款易于获取、能够快速执行简单计算并具有恰到好处的功能数量的设备。

这就是为什么HP-25再次变得有吸引力。如果您从事电子或机械设计工作，您经常需要使用科学或工程记数法进行计算，对于手机上的简单计算器应用程序来说太有限了。简单的按键编程功能意味着您可以快速自动化任务：例如，我经常将并联电阻公式输入为一个程序，使用单个按键即可访问。输入两个电阻，按R/S键，得到结果。HP-25是由工程师为工程师设计的，当您使用它时，您会感受到这一点。重要的是，它很适合您的手掌，可以单手使用，这对于许多其他优秀的后期HP计算器（如Voyager系列：HP-11C和HP-15C）来说并非如此。

我拥有的HP-25是我爸爸在我出生时买的。我一直很喜欢使用它，但这整个系列的计算器（被称为“伍德斯托克”）受到电池组设计的限制。原始电池组包含两个密封的镍镉电池，显然多年前就已经失效。大多数人用新的镍镉电池、然后是镍氢电池，甚至是碱性AA电池替换了它们。这总是有问题的：新电池略大，从未很好地适配。此外，带LED显示屏的计算器的功耗很大，因此需要频繁更换电池。

HP-25随附一个“充电器”（实际上只是一个变压器），但充电电路很糟糕：无负载时充电器提供10V AC：一个比计算器能够处理的更高的电压，假设连接的NiCd电池单元会夹持电压。整个充电电路由一个二极管和一个电阻组成！如果您的电池未能正确接触，或者在未插入电池组的情况下连接了充电器，您的计算器就会报废。

我决定应该做些什么让我的HP-25每天都能使用。所以，我开始设计一个可充电电池组，它替代原装电池组，但使用现代的Li-Po电池，并具有Qi/WPC无线充电和USB备用功能。

我现在有了一个完美的工程计算器，它已经有45年的历史了，但仍然可以愉快地放在Qi充电垫上充电。如果我没有充电垫，我可以取出电池组并使用侧面的micro-USB连接器充电。但事实证明，充电并不是那么经常需要的——一个900mAh的LiPo电池可以为我多周的使用提供足够的能量。

设计假设是：

应替换原始电池组 不对计算器本身进行修改 WPC/Qi无线充电 Micro-USB连接器用于有线充电 Li-Po电池至少能持续多天的正常使用 * 低电量指示器

我在Fusion 360中设计了电池组外壳，测量了原始电池组的尺寸。这并不简单：原始包装是为注塑设计的，倾斜角度使得几何形状复杂。由于我不打算大规模生产这些，我没有考虑为注塑设计，而是假设使用SLS（选择性激光烧结）进行3D打印。这就是为什么我的电池组与原始电池组的开启方式不同，提供了更好的电子和电池访问方式，但牺牲了注塑的能力。

没有使用紧固件：一个简单的弹簧夹就足以固定盖子，而且电池包大部分时间都在计算器中使用，所以盖子打开的风险很小。

计算器通常由两个NiCd电池供电，每个电池的电压为1.2V。我决定产生2.5V而不是2.4V，假设额外的0.1V不会对任何东西造成伤害（毕竟，许多人一直在使用碱性电池为他们的计算器供电，碱性电池的电压为1.25V），并且增加的电压会使计算器中的升压转换器稍微更高效。

我决定使用德州仪器（Texas Instruments）的现代低功耗降压控制器之一（TPS62740）。其低至360nA的工作静态电流意味着我不必担心开/关开关。有些控制器的静态电流更低（甚至降至60nA！），但我想要可编程的电压输出——继续阅读以了解原因。

对于WPC/Qi，我选择了德州仪器的bq51050B和Wuerth Elektronik的线圈。这比我想象的要困难得多：设计带有无线充电的设备很难，需要多个原型和我没有的测量设备。最终，我采取了可能不是最佳的设计决策，但在这种情况下（低功率要求）提供了可接受的性能。换句话说，我凭经验做的。这个过程因为bq51050B的文档令人失望，而且并不真正达到TI的标准，变得有些困难。

该板还有一个Micro-USB端口用于有线充电，一个充电控制器IC（流行的MCP73832），一个作为USB电源开关的MOSFET对，一堆ESD保护用于暴露的端子，以及一个离散的热敏电阻来监测电池温度，因为许多廉价的LiPos没有热敏电阻，或者与充电IC期望的不匹配。

设计低电量指示器是一个有趣的挑战。假设电压是电池电量的代理（对于LiPo电池来说并不完全正确），如何在不持续消耗电力并在此过程中放电的情况下测量电压？请记住，我们的功率预算是纳安：整个设备的静态功耗应低于1μA。

由于库仑计数IC设备价格过高且通常采用不友好的BGA封装，同时我也不想让设计过于复杂，因此我必须找到更简单的方案。

一个基于微控制器的解决方案可以被设计，但多年来我第一次想要设计一个不使用微控制器和软件的设备。

此外，您如何显示结果？您不能点亮一个LED，因为这会迅速消耗剩余的能量，可能没有人会注意到指示灯。一个“电池检查”按钮？可能，但这会大大增加机械设计的复杂性。

花了一段时间，但我确实找到了一个解决方案。

我意识到计算器实际上确实有一个内置的低电量指示器。当电池电压低于阈值（我测量为2.1V）时，LED屏幕会点亮所有的小数点，除了正常应该激活的那个。以这种方式“反转”小数点，您仍然可以使用计算器，但您清楚地看到需要更换电池。

所以，我使用了一个带有250nA供电电流的电压（复位）监视器来监控电池电压。如果它降到3V以下，输出变低。该输出连接到TPS62740降压调节器上的一个电压选择引脚（这就是我需要一个可编程电压输出零件的原因），并导致它开始产生2.1V而不是2.5V。换句话说，电池电量低，小数点LED亮起，任务完成！