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外置采集温度_让arduino用2颗5号电池运行1年以上

  • 硬件
  • 2021-03-27
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摘要

 这次讲功耗.

      如果你想把arduino avr类的开发项目用来便携式设置上,不管商业还是个人DIY,那么你头一个要对付的问题就是设备功耗!
我测试atmega328p(大部分arduino 都是基于这个处理器) 最小系统下(16Mhz)运行功耗是10ma,那么如果不对处理器进行任何节电处理的话一块手机1500mah的电池只能不间断运行  1500/10/24=6.5天 ,这个还是在没有任何外围元器件的情况下的运行时间!
    现在物联网非常火,那么物联网正常情况是需要多个节点进行数据采集,然后上报给主机进行联网操作,或者接收主机命令进行对其他电器的操作. 那个问题就出现了,很多时候数据采集的地方是没有电源的,比如外置气象数据采集,这个时候就需要采集设备可以使用电池来驱动,而且不能频繁的更换电池!这就需要用到处理器的节电方案!
   
    下面我将介绍ATMEGA328P的节电解决方案.


     328P有8种节电设置,分别是:



空闲模式
当SM2..0 为000 时， SLEEP 指令将使MCU 进入空闲模式。在此模式下，CPU 停止运
行，而SPI、USART、模拟比较器、ADC、两线串行接口、定时器/ 计数器、看门狗和
中断系统继续工作。这个睡眠模式只停止了clkCPU 和clkFLASH，其他时钟则继续工作。
象定时器溢出与USART 传输完成等内外部中断都可以唤醒MCU。如果不需要从模拟比
较器中断唤醒MCU，为了减少功耗，可以切断比较器的电源。方法是置位模拟比较器控
制和状态寄存器ACSR 的ACD。如果ADC 使能，进入此模式后将自动启动一次转换。



ADC 噪声抑制模式
当SM2..0 为001 时， SLEEP 指令将使MCU 进入噪声抑制模式。在此模式下，CPU 停
止运行，而ADC、外部中断、两线接口地址配置、定时器/ 计数器2 和看门狗继续工作。
这个睡眠模式只停止了clkI/O、clkCPU 和clkFLASH，其他时钟则继续工作。
此模式提高了ADC 的噪声环境，使得转换精度更高。ADC 使能的时候，进入此模式将
自动启动一次AD 转换。ADC 转换结束中断、外部复位、看门狗复位、BOD 复位、两线
接口地址匹配中断、定时器/ 计数器2 中断、SPM/EEPROM 准备好中断、外部电平中断
INT0 或INT1，或外部中断INT2 可以将MCU 从ADC 噪声抑制模式唤醒。


掉电模式
当SM2..0 为010 时， SLEEP 指令将使MCU 进入掉电模式。在此模式下，外部晶体停
振，而外部中断、两线接口地址匹配及看门狗（如果使能的话）继续工作。只有外部复
位、看门狗复位、BOD 复位、两线接口地址匹配中断、外部电平中断INT0 或INT1，或
外部中断INT2 可以使MCU 脱离掉电模式。这个睡眠模式停止了所有的时钟，只有异步
模块可以继续工作。


省电模式
当SM2..0 为011 时， SLEEP 指令将使MCU 进入省电模式。这一模式与掉电模式只有
一点不同：
如果定时器/ 计数器2 为异步驱动，即寄存器ASSR 的AS2 置位，则定时器/ 计数器2 在
睡眠时继续运行。除了掉电模式的唤醒方式，定时器/ 计数器2 的溢出中断和比较匹配中
断也可以将MCU 从休眠方式唤醒，只要TIMSK 使能了这些中断，而且SREG 的全局中
断使能位I 置位。
如果异步定时器不是异步驱动的，建议使用掉电模式，而不是省电模式。因为在省电模式
下，若AS2 为0，则MCU 唤醒后异步定时器的寄存器数值是没有定义的。
这个睡眠模式停止了除clkASY 以外所有的时钟，只有异步模块可以继续工作。



Standby 模式
当SM2..0 为110 时， SLEEP 指令将使MCU 进入Standby 模式。这一模式与掉电模式
唯一的不同之处在于振荡器继续工作。其唤醒时间只需要6 个时钟周期。

扩展Standby 模式
当SM2..0 为111 时， SLEEP 指令将使MCU 进入扩展的Standby 模式。这一模式与省
掉电模式唯一的不同之处在于振荡器继续工作。其唤醒时间只需要6 个时钟周期。




下图是各个模式下关闭的模块


那么我们正常使用的是掉电模式,在掉电模式下328p测试耗电1ua,这是什么概念,2颗5号电池在处理器没有进行其他操作的情况下可以工作79年!
当然了,我们不可能让处理器就这样一直待机不做其他事情,我们需要定期唤醒328P,让他处理事情,比如采集温湿度,PM2.5数据发送给主机.那么如何唤醒呢? 答案是在掉电模式下你只能通过外部中断和看门狗来唤醒328P,外部中断唤醒需要外围电路,我们优先选择WDT看门狗进行唤醒.这里的看门狗不是你们知道的只有重启328P的功能!他也可以配置成中断事件! " ISR(WDT_vect) "中断函数,通过看门狗我们就可以在不添加外围元件的情况设置唤醒时间了!

下面看实例:


  2. #include <avr/sleep.h>
  3. #include <avr/wdt.h>

  5. volatile byte data=0;

  7. void setup() {
  8.   pinMode(13,OUTPUT);
  9.   setup_watchdog(9);
  10. // 0=16ms, 1=32ms,2=64ms,3=128ms,4=250ms,5=500ms
  11. // 6=1 sec,7=2 sec, 8=4 sec, 9= 8sec
  12.   ACSR |=_BV(ACD);//OFF ACD
  13.   ADCSRA=0;//OFF ADC
  14.   Sleep_avr();//Sleep_Mode
  15. }

  17. void loop() {
  18.   
  19. if(data>=7){
  20.   data=0;
  21. //-------------------------------
  22.    digitalWrite(13,HIGH);
  23.   delay(100);                      //此处是到达设置唤醒时间允许的程序
  24.   digitalWrite(13,LOW);
  25. //--------------------------------   
  26. Sleep_avr();
  27. }
  28. else {
  29.   Sleep_avr();  //Continue Sleep
  30. }

  32. }

  34. //Sleep mode is activated
  35. void setup_watchdog(int ii) {

  37.   byte bb;

  39.   if (ii > 9 ) ii=9;
  40.   bb=ii & 7;
  41.   if (ii > 7) bb|= (1<<5);
  42.   bb|= (1<<WDCE);

  44.   MCUSR &= ~(1<<WDRF);
  45.   // start timed sequence
  46.   WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE);
  47.   // set new watchdog timeout value
  48.   WDTCSR = bb;
  49.   WDTCSR |= _BV(WDIE);


  52. }
  53. //WDT interrupt
  54. ISR(WDT_vect) {

  56.   ++data;
  57. // wdt_reset();

  59. }

  61. void Sleep_avr(){
  62.   set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN  ); // sleep mode is set here
  63.   sleep_enable();
  64.   sleep_mode();                        // System sleeps here
  65. }
复制代码



这是一个配置成56秒唤醒一次对5号端口设置高电平100ms的程序,其中if(data>=7)是data(看门狗)超时大于7次就唤醒CPU进行高电平100ms的函数,看门狗超时时间已设置成8秒,你可以调节if(data>=7)设置成你想要的唤醒时间!
通过这样的节电设置以后这个程序可以运行至少几年!

代码用arduino IDE写的,IDE不支持中文注释,英文注释将就看吧,不理解的代码留言解答.

     要改变唤醒时间是改这个函数:
    if(data>=7)
    函数里面7的意思是有7次看门狗8秒超时复位.比如你要设置24秒那就写if(data>=3)
   公式是:3*8=24




使用休眠模式制作了一个外置气象站，使用amtega328P用nrf24l01发送ds18b20采集的数据，每2分钟发生一次，平时待机功耗控制在10ua左右，设计可以使用2颗南孚电池工作超过1年时间

实物图




外置发送硬件先按照328P最小系统搭建，然后连接nrf24l01p与ds1820b.


按照arduino 引脚连接如下表
arduino     nrf24l01p
13->         SCK
12->         MISO     
11->         MOSI
8->           CE
7->           CSN
arduino     ds1820b
4->            数据引脚，其他连接GND  VCC


室内接收机可以使用pro mini 和uno

接线方式如下：
arduino     nrf24l01p

13->         SCK
12->         MISO     
11->         MOSI
9->           CE
8->           CSN

2->                IRQ
注意nrf24l01电源要接3.3v

提供代码下载
 nrf24l01P.rar (13.01 KB, 下载次数: 776)

read_WDT是接收机
WDT_2是室外机


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