通过无线充电复活 HP-25 计算器

或者，将一台 45 年前的计算器带入 21 世纪。

HP-25 在当时是一款革命性的计算器。它于 1975 年推出，是第一款价格实惠的可编程工程计算器。随着时间的推移，开发出了功能更强大的更先进型号。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截然不同的世界：我们都拥有多台强大的计算设备。没有工程师会考虑在计算器上绘图：我们有计算机可以更快更好地完成这项工作。代数运算或符号计算也是如此。然而，我们仍然需要一个好的工程计算器——一个易于访问的设备，可以快速执行简单的计算，并且具有恰到好处的功能数量。

这就是为什么 HP-25 再次变得有吸引力的原因。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符号并执行计算，而手机上简单的计算器应用程序对此来说太有限了。简单的基于按键的可编程性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，只需按一下键即可访问。输入两个电阻值，按 R/S 即可获得结果。HP-25 是由工程师为工程师设计的，当您使用它时就能感觉到。重要的是，它非常适合您的手掌，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）来说是不可能的。

我拥有的 HP-25 是我父亲在我出生前后购买的。我一直很喜欢使用它，但这整个系列的计算器（被称为“Woodstock”）都受到电池组设计的限制。原来的电池组包含两个密封的镍镉电池，显然多年前就失效了。大多数人用新电池替换了镍镉电池，然后用镍氢电池，甚至碱性 AA 电池。这总是有问题的：较新的电池稍大一些，而且永远无法很好地贴合。此外，带有 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：空载时的充电器提供 10V 交流电：这比计算器能承受的电压要高，假设连接的镍镉电池会钳位电压。整个充电电路仅由一个二极管和一个电阻组成！如果您的电池接触不良，或者您在未插入电池组的情况下连接充电器，您的计算器就会烧坏。

我决定做点什么让我的 HP-25 每天都能用。所以我着手设计了一个可充电电池组，它取代了原来的电池组，但使用了现代锂聚合物电池，并具有 Qi/WPC 无线充电功能和 USB 后备功能。

我现在拥有完美的工程计算器，它已经 45 岁了，却能愉快地放在 Qi 充电板上充电。如果没有可用的充电板，我可以取出电池组并使用侧面的 micro-USB 接口充电。但事实证明，实际上并不经常需要充电——以我的使用情况，900mAh 的锂聚合物电池可以提供数周的能量。

设计假设是：

应更换原始电池组
无需修改计算器本身
WPC/Qi 无线充电
用于有线充电的 Micro-USB 连接器
锂聚合物电池，正常使用至少可持续数天
低电量指示器

我在 Fusion 360 中设计了电池组外壳，并测量了原始电池组的尺寸。结果发现这并不简单：原始电池组是为注塑成型设计的，拔模角度使几何形状变得复杂。由于我不打算大规模生产这些，所以我没有费心进行注塑成型设计，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打开方式与原来的不同，可以更好地接触电子设备和电池，但牺牲了注塑成型的能力。

没有使用紧固件：一个简单的弹簧夹足以将盖子固定到位，而且电池组大部分时间都在计算器中使用，因此没有盖子打开的风险。

计算器通常由两节镍镉电池供电，每节电压为 1.2V。我决定产生 2.5V 而不是 2.4V，假设额外的 0.1V 不会有任何坏处（毕竟，许多人一直在使用碱性电池的计算器，其电压为 1.25V），而且增加的电压会使计算器中的升压转换器效率略高。

我决定使用德州仪器（Texas Instruments）的一款现代低功耗降压控制器 (TPS62740)。其 360nA 的低工作静态电流意味着我不必担心是否有开/关开关。还有静态电流更低的控制器（甚至低至 60nA！），但我想要可编程电压输出——请继续阅读以了解原因。

对于 WPC/Qi，我选择了 bq51050B (Texas Instruments) 和 Wuerth Elektronik 的线圈。事实证明这比我想象的要困难得多：设计具有无线充电功能的设备很困难，需要多个原型和我没有的测量设备。最后，我做出的设计决策可能不是最佳的，但在这种情况下（低功耗要求下）提供了可接受的性能。换句话说，我是临场发挥的。由于 bq51050B 的文档令人失望，并没有真正达到 TI 的标准，这使得情况变得更加困难。

该板还有一个用于有线充电的 Micro-USB 端口、一个充电控制器 IC（流行的 MCP73832）、一对用作 USB 电源开关的 MOSFET、一堆用于暴露端子的 ESD 保护，以及一个用于监控电池温度的分立热敏电阻，因为许多廉价的锂聚合物电池没有热敏电阻，或者其热敏电阻与充电 IC 预期的不匹配。

设计低电量指示器是一个有趣的挑战。假设电压代表电池电量（这对于锂聚合物电池来说并不完全正确），如何在不持续消耗电量并在此过程中耗尽电池的情况下测量电压？请记住，我们对此的功率预算是纳安级的：整个设备的静态功耗应低于 1μA。

由于库仑计 IC 器件太贵，而且通常采用不友好的 BGA 封装，再加上我不想让设计过于复杂，所以我不得不寻找更简单的东西。

本来可以设计一个基于微控制器的解决方案，但多年来我第一次想设计一个没有微控制器和软件的设备。

另外，你如何显示结果？你不能点亮 LED，因为那会很快消耗剩余的能量，甚至可能根本没人看指示器。“电池检查”按钮？可能吧，但这会使机械设计变得非常复杂。

花了一段时间，但我确实想出了一个解决方案。

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 屏幕会点亮所有小数点，除了通常应该处于活动状态的那个。通过这种方式“反转”小数点，您仍然可以使用计算器，但您可以清楚地看到需要更换电池。

所以，我使用了一个供电电流为 250nA 的电压（复位）监控器来监控电池电压。如果电压降至 3V 以下，输出变低。该输出连接到 TPS62740 降压稳压器的一个电压选择引脚（这就是为什么我需要一个可编程电压输出元器件），并使其开始产生 2.1V 而不是 2.5V 的电压。换句话说，电池电量低，小数点 LED 亮起，任务完成！