降低Arduino功耗開(kāi)源分享

描述

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談到便攜式電子產(chǎn)品，最重要的特性之一就是如何最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。用于 SparkFun RedBoard、Arduino Uno 和 Pro Mini 等流行電路板的 ATmega328P 實(shí)際上非常耗電。RedBoard 和 Arduino Uno，最小消耗 15mA 左右，這聽(tīng)起來(lái)并不多，但正如您將在本項(xiàng)目中看到的那樣，我們只需一些技巧就可以大大降低它。在本指南中，我們將看看是否可以通過(guò)一些硬件和軟件技巧將電源電流降低到 10uA 以下。

刪除額外的硬件！

擁有很多組件似乎很困難。不，實(shí)際上 Arduino 板的大部分組件都是用于防止短路、損壞控制等。但是，如果您具有使用 Arduino 的基本知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，那么您可以避開(kāi)這些部件并檢查電路是否有任何問(wèn)題.

那么，讓我們看看我們可以移除什么來(lái)降低自制 Arduino 的功耗。

取下編程器IC

每個(gè)集成電路 (IC) 都需要電源才能運(yùn)行。通過(guò)減少所需的 IC 數(shù)量，您可以節(jié)省一點(diǎn)電力。Arduino Uno 有一個(gè) USB 橋接器，可將 USB 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 Arduino 的通用異步接收器發(fā)送器 (UART) 可以使用的信號(hào)。僅此一項(xiàng)就消耗大約 10mA。稍后我會(huì)告訴您對(duì)微控制器進(jìn)行編程的其他選擇。

沒(méi)有電源 LED！

我們也可以移除電源 LED。它只是為了顯示Arduino 是開(kāi)還是關(guān)。因此，它不會(huì)降低 Arduino 的功能。

拋棄線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器很棒。它們價(jià)格低廉，只需 3 個(gè)引腳（Vin、接地 Vout）即可將較高電壓調(diào)節(jié)為較低電壓。然而，線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓之間存在較大差異，或者消耗大量電流時(shí)，它們會(huì)變得很熱。您可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算以熱量形式浪費(fèi)的功率：

Pwasted = (Vin - Vout) * I

對(duì)于 5V 輸出，7V 輸入作為調(diào)節(jié)器的輸入。表示 Vin - Vout 為 2V，通常消耗的電流為 1A。Pwasted 為 2 瓦。

線性穩(wěn)壓器充其量只有 70% 左右的效率。消耗的電流越大，效率越低。

對(duì)于提供 5V 和 1A 電源，我們可以使用上面列表中提到的電池，也可以使用 3 節(jié) AA 電池。這使得 4.5V 和 ATmega328 可以在 1.8V 到 5.5V 上工作。

降低時(shí)鐘速度

在 Arduino 不需要在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行大量指令的項(xiàng)目中，或者在時(shí)序不是問(wèn)題的項(xiàng)目中，降低微控制器的時(shí)鐘速度可以減少幾毫安的電源當(dāng)前的。例如，在 5V 下運(yùn)行 Arduino 并將時(shí)鐘速度從 16 MHz 降低到僅 8 MHz 可以將所需的電流從 12 mA 降低到大約 8.5 mA。

為了更好地理解時(shí)鐘速度與微控制器的關(guān)系，讓我們看一下下圖。

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如您所見(jiàn)，降低時(shí)鐘速度可以使電池壽命延長(zhǎng)三倍。當(dāng)然，代價(jià)是您將無(wú)法每秒執(zhí)行那么多指令，并且對(duì)于某些應(yīng)用程序，此解決方案不是一個(gè)選項(xiàng)。

要了解如何完成，請(qǐng)單擊此處。

用軟件省電

到目前為止，我們已經(jīng)討論了如何降低 Arduino 的功率，但我們還沒(méi)有討論它為什么要使用它的功率。在 ATmega328P 內(nèi)部，有一系列電路協(xié)同工作以卸載處理器的工作，并且每個(gè)電路都會(huì)消耗一定的電量。

例如， Arduino 的analogWrite() 功能沒(méi)有讓處理器通過(guò)計(jì)算時(shí)鐘周期本身來(lái)創(chuàng)建 PWM 信號(hào)。相反，Arduino 使用內(nèi)置定時(shí)器之一來(lái)計(jì)算時(shí)鐘周期并向處理器發(fā)送中斷請(qǐng)求。從那里，處理器停止它正在做的事情，并通過(guò)切換引腳的狀態(tài)來(lái)處理中斷。通過(guò)卸載一些工作，微控制器能夠同時(shí)做多件事。

ATmega328P 內(nèi)置的其他一些電路包括：

• 3個(gè)定時(shí)器
• 看門(mén)狗定時(shí)器
• 掉電檢測(cè)
• 模數(shù)轉(zhuǎn)換

這些獨(dú)立組件中的每一個(gè)都需要電源才能工作，除非您手動(dòng)禁用它們，否則它們將繼續(xù)消耗電源。掉電檢測(cè)會(huì)主動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)電壓，以確保它不會(huì)降至閾值以下。如果是這樣，控制器將斷電，直到電壓增加到該閾值以上。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 顧名思義，它采用模擬電壓（可以是從 0V 到 VCC 的任何值）并將其轉(zhuǎn)換為微控制器可以使用的數(shù)字值（0-1023對(duì)于 10 位轉(zhuǎn)換器）。如果您的項(xiàng)目不需要使用 ADC，禁用它會(huì)大大減少功耗。

但是，如果您仍然需要 ADC 怎么辦？值得慶幸的是，您可以在其中使用軟件禁用其中一些電路的寄存器。使用軟件可以讓您在需要時(shí)啟用所需的電路，并且在完成后可以再次禁用它們。所有寄存器都在 ATmega328P 的數(shù)據(jù)表中有詳細(xì)記錄，但是，如果直接寫(xiě)入寄存器讓您感到不舒服，您可以從鏈接下載一個(gè)可用的庫(kù)。

該庫(kù)允許您設(shè)置進(jìn)入睡眠模式的時(shí)間，從幾毫秒到無(wú)限期。它還允許您指定要禁用微處理器的哪些部分，使其成為一個(gè)功能強(qiáng)大且用途廣泛的庫(kù)，可滿(mǎn)足您的低功耗需求。

在面包板上制作 Arduino

獲取列表中上面列出的所有內(nèi)容。此外，在制作電路時(shí)，可以方便地獲取 ATmega328P 的引腳映射。

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• 將 ATmega328P 微控制器（如果你有一個(gè)已經(jīng)使用 Arduino UNO 引導(dǎo)加載程序引導(dǎo)加載的更好）放在面包板的中間。
• 現(xiàn)在，將 16 MHz 晶體放在引腳 9 (PB6)和引腳 10 (PB7) 之間。
• 此外，將兩個(gè) 22pF 電容器從引腳9接地 (GND)以及從引腳 10接地 (GND)。[如果你沒(méi)有22 pF的電容，那么，用四個(gè)100 pF的電容串聯(lián)起來(lái)做成25 pF的電容，做兩個(gè)這樣的組合]
• 將 GND 和 VCC 連接到面包板上的電源軌。

而且，它已經(jīng)準(zhǔn)備好了！

將草圖上傳到 Arduino？

惰性方法

只需從面包板上拔下微控制器，然后將其替換為原始 Arduino 板中的微控制器即可。上傳草圖并取出微控制器，然后像最初一樣將其插入面包板。如果你不想記住位置，在設(shè)置電路時(shí)使用28針IC插座插入微控制器。

將微控制器插回后，將面包板的電源線連接到電池端子。如果根據(jù)草圖和引腳映射將其他組件插入引腳，則草圖將在幾秒鐘內(nèi)運(yùn)行。

使用 FTDI 232RL 分線板！

想知道 FT232RL 分線板的所有引腳輸出是什么，只需將其翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)即可！在這種情況下，我將使用 VCC（從 USB 端口向您的電路板提供 5V 電壓）、GND、TXD 和 RXD。[參考示意圖]

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• 從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)時(shí)，該板沒(méi)有接頭。因此，焊接公頭并將其插入面包板。
• 將ATmega芯片的RX連接到板子的TX，將Atmega芯片的TX連接到板子的RX。
• 將 VCC 和 GND 連接到面包板上的電源軌。
• 插入 USB 迷你型 - B 并將其連接到您的計(jì)算機(jī)并上傳草圖。它將從 USB 獲取電源，但在斷開(kāi) USB 后，您可以將電池端子插入面包板的電源軌。

而且，Arduino 已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。現(xiàn)在，如果您在待機(jī)狀態(tài)下檢查我的 ATmega 的電流，它約為 0.07 mA，低于原始 Arduino。

上傳素描！

將附件中給出的代碼作為閃爍程序上傳，觀察 Arduino 將通過(guò)關(guān)閉所有外圍設(shè)備進(jìn)入睡眠模式 8 秒。[記得從 GitHub 安裝 Low Power 庫(kù)，鏈接如下]

您可以訪問(wèn)此鏈接以獲取更多信息：https ://github.com/LowPowerLab/LowPower/tree/master/Examples