ฉันจะทำให้ atmega328 ของฉันทำงานเป็นเวลาหนึ่งปีด้วยแบตเตอรี่ได้อย่างไร

สถานการณ์

ฉันได้สร้างล็อคประตูอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีสำหรับห้องพักหอพักของฉัน ปัจจุบันเป็น Arduino Diecimila ที่มี servo [un] ล็อคประตู มันมีปุ่มกดตัวเลขที่มีปุ่ม 3x4 และ 5 LED (2 ชุดคู่และ LED เดียว) มันยังทำงานบนเครื่องชาร์จโทรศัพท์มือถือ

ตอนนี้ฉันได้ออกแบบใหม่เพื่อให้ทำงานบน Arduino แบบสแตนด์อโลน (ATmega328) แต่ต้องการให้มันทำงานบนแบตเตอรี่ AA หรือแม้กระทั่งแบตเตอรี่ขนาด 9V

สำหรับส่วนซอฟต์แวร์ฉันคิดว่าฉันสามารถsleepโทรหาบางครั้งภายในวิธีวนรอบเพื่อให้การใช้พลังงาน ATmega ต่ำที่สุด และปล่อย "แฟลช" ของ LED ให้นานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

คำถามที่ 1

เมื่อมีการกดปุ่มในช่วงเวลาไม่กี่มิลลิวินาทีที่บอร์ดหลับจะมีการ "จดจำ" / "ถือ" ไว้จนกว่ามันจะออกจากโหมดสลีปแล้วจะถูกเลือกเป็นการกดปุ่มหรือไม่?

อะไรจะเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการจัดการกับการกดปุ่มนี้ในโหมดสลีป ฉันสามารถเขียนโค้ดเพื่อให้ปลุกเมื่อมีการใช้งานปุ่มหรือฉันต้องปล่อยให้โหมดนอนหลับเช่น 10m.s ในทุก ๆ วง?

คำถามที่ 2

ฉันจะเข้าใกล้คณิตศาสตร์ในการคำนวณว่าต้องใช้แบตเตอรี่ AA จำนวนเท่าใดเพื่อเรียกใช้อุปกรณ์นี้เป็นเวลา 10 เดือน

นอกจากนี้ฉันไม่ทราบวิธีการวัดการใช้พลังงานเฉลี่ยต่อนาทีหรืออย่างนั้นเนื่องจากมันสลับอย่างรวดเร็วเป็นต้น

อุปกรณ์

Atmega328 มีโหมดประหยัดพลังงานหกโหมดเรียงลำดับจากน้อยไปหามาก (ยอดการใช้ในปัจจุบันโดยประมาณจากโพสต์ฟอรัมนี้ ):

• SLEEP_MODE_IDLE: 15 mA
• SLEEP_MODE_ADC: 6.5 mA
• SLEEP_MODE_PWR_SAVE: 1.62 mA
• SLEEP_MODE_EXT_STANDBY: 1.62 mA
• SLEEP_MODE_STANDBY: 0.84 mA
• SLEEP_MODE_PWR_DOWN: 0.36 mA

การอ้างอิงคำถามเดิม:

ฉันคิดว่าฉันสามารถsleepโทรหาบางครั้งภายในวิธีลูป "

คุณจะต้องใช้sleep_cpu()หลังจากตั้งค่าโหมดสลีปที่คุณต้องการจากรายการด้านบน Arduino สนามเด็กเล่นมีการโพสต์ที่มีประโยชน์เกี่ยวกับเรื่องนี้

แอปพลิเคชั่นจะต้องถูกขัดจังหวะโดยใช้โหมดสลีปด้านบนอย่างกว้างขวางและปลุกโปรเซสเซอร์ให้ทำงานบนการกดปุ่ม, โอเวอร์โฟลว์ไทม์เมอร์และตัวจับเวลาจ้องจับผิดเพื่อใช้งานจริง

การประหยัดพลังงานเพิ่มเติมสามารถทำได้ผ่านขั้นตอนต่อไปนี้:

• ใช้ออสซิลเลเตอร์ภายในของไมโครคอนโทรลเลอร์และอัตราสัญญาณนาฬิกาต่ำ (8MHz แทน 16) - แต่ให้แน่ใจว่ารหัสที่เกี่ยวข้องกับเวลาและเวลายังคงทำงานตามที่คาดไว้ อาจจำเป็นต้องใช้เวอร์ชันอื่นของ bootloader
• หลีกเลี่ยงการเปิดไฟ LED เป็นเวลานานหากแอปพลิเคชันใช้ การใช้แฟลชคู่อย่างรวดเร็วหรือสองเท่าในช่วงเวลาสั้น ๆ (0.05 วินาทีเปิด, ปิด 0.5 วินาที) โดยมีช่องว่างระหว่างวินาทีทำให้มั่นใจได้ว่ามีข้อบ่งชี้ที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนโดยใช้พลังงานน้อยที่สุด
• ใช้ตัวควบคุมการเปลี่ยนแทนตัวแบบเชิงเส้นหากจำเป็นต้องใช้ตัวควบคุม
• เรียกใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำหากรองรับ 3.0 โวลต์ (เช่น CR2032 ลิเธียมเซลล์ไม่จำเป็นต้องมีตัวควบคุม) หรือ 3.3 โวลต์แทน 5 โวลต์
• ทำตามคำแนะนำในแผ่นข้อมูลสำหรับการตั้งค่าขาเข้าและขาออกที่ไม่ได้ใช้สำหรับการสิ้นเปลืองพลังงานขั้นต่ำ

การรวมคำแนะนำเหล่านี้ช่วยให้สามารถใช้งานแอพพลิเคชั่นไมโครคอนโทรลเลอร์ได้เป็นสัปดาห์หรือเป็นเดือนในเซลล์เหรียญ CR2032 เดียวและปีที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมชนิด LR123 แน่นอนว่าระยะของคุณอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเซ็นเซอร์เอาต์พุตและการประมวลผลที่แอปพลิเคชันของคุณต้องการ

ข้อมูลอ้างอิงที่มีประโยชน์บางประการ:

• ไมโครโปรเซสเซอร์เงียบ… AVR และ Arduino โหมดสลีปพื้นฐาน
• การผจญภัยใน Low Power Land - บทช่วยสอน Sparkfun
• เทคนิคการประหยัดพลังงานสำหรับไมโครโปรเซสเซอร์ (โพสต์ฟอรัม)

ตอนนี้ฉันมี Arduino Pro Mini บนโต๊ะทำงานซึ่งเพิ่งหมดแบตเตอรี AA 2 ก้อนและสามารถใช้งานได้นานกว่าหนึ่งปีถ้าจำเป็น

มีสามด้านของการออกแบบที่ได้รับสิ่งนี้

1. ควบคุมที่แตกต่างกัน

ฉันใช้เครื่องปรับเพิ่มแรงดัน LTC3525 มันมีกระแสไฟฟ้าต่ำนิ่งมาก (7uA) และมีประสิทธิภาพสูง (> 90% @ 0.2mA) สิ่งที่คล้ายกับบอร์ด sparkfun นี้https://www.sparkfun.com/products/8999ควรทำงานที่คล้ายกัน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เชื่อมต่อกับขา 5V บน Arduino ไม่ใช่ VIN เพื่อไม่ให้ใช้ตัวควบคุม Arduino

2. ผู้ดูแล

สัดส่วนเวลาที่อุปกรณ์ใช้งานจะมีขนาดเล็ก สำหรับเวลาที่เหลืออุปกรณ์ควรนอนหลับใน SLEEP_MODE_POWER_DOWN คุณสามารถฐานกิจวัตรนอนหลับของคุณปิดห้องสมุดพลังงานต่ำ Rocketscreem ตามลิงค์นั้นคุณควรจะสามารถลดระดับลงเป็น 1.7uA ด้วย ADC, BOD และ WDT และในโหมดปิดเครื่อง

3. การขัดจังหวะ

อีกครึ่งหนึ่งของการนอนหลับนั้นถูกขัดจังหวะเพื่อปลุกให้ตื่นขึ้น ในโหมดปิดเครื่องขณะนอนหลับระดับการขัดจังหวะในการจับคู่ INT1 และ INT2, TWI เท่านั้นและ WDT จะปลุกให้ทำงาน ดังนั้นคุณต้องมีปุ่มเชื่อมต่อกับทั้ง INT1 หรือ INT2 เพื่อให้การกดปุ่มนั้นจะปลุก

อย่างอื่น:

ปิด LED ทั้งหมดเว้นแต่จำเป็นจริงๆ หากล็อคอยู่ในอาคาร LED ไม่จำเป็นต้องสว่างประหยัดพลังงานมากขึ้น นอกจากนี้หากคุณต้องการให้ MCU ทำงานบางอย่างเป็นประจำให้ใช้ตัวจับเวลา watchdog เพื่อปลุกมันเป็นระยะ

แก้ไข:

วิธีการหนึ่งที่อาจใช้งานได้คือการใช้ไลบรารี่ Low Power ข้างต้นและสลีปเป็นเวลา 60ms ทุกลูปด้วยตัวจับเวลาจ้องจับผิด เมื่อตื่นขึ้นตรวจสอบการกดปุ่ม ฟังก์ชั่นการโทรจะเป็น

LowPower.powerDown(SLEEP_60MS, ADC_CONTROL_OFF, BOD_OFF);

ความคิดเห็นทั้งหมดเหล่านี้เป็นจุดที่ ฉันต้องการเพิ่มข้อเสนอแนะอีกสองสามข้อ:

1) สำหรับไฟ LED ให้ใช้ไฟเอาต์พุตสูง 20 mA นี่คือตรรกะ ให้บอกว่าคุณต้องการไฟ LED แสดงสถานะสลัวที่กะพริบทุก 8 วินาที คุณไม่ต้องการให้มันสว่างดังนั้นคุณใช้ LED สุ่มบางอัน ปัญหาคือสลัว LED ยังคงใช้ 20 mA (หรือมากกว่า) เพื่อส่งออกเพียง 100 mcd ให้รับ LED ที่มีเอาต์พุตสูงซึ่งยังคงให้คะแนนอยู่ที่ 20 mA แต่สามารถส่งสัญญาณออกได้ 4000 mcd (ดูให้แน่ใจว่าคุณมองมุมเอาท์พุทแล้ว ด้วย LED 4000 mcd นี้คุณสามารถเชื่อมต่อกับตัวต้านทาน 3.3 k ohm และรับแสงประมาณ 100 mcd แต่ใช้น้อยกว่า 1 mA ดังนั้นแทนที่จะใช้ 20 mA สำหรับ LED แสดงสถานะคุณกำลังใช้เศษส่วนของ mA เดียว ฉันมักจะตั้งค่าสถานะไฟแฟลช LED ตรงเวลาเพียง 5-15 มิลลิวินาทีซึ่งสามารถประหยัดพลังงานได้มากหากคุณเคยใช้งานแฟลชในเวลา 100 มิลลิวินาที

2) ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ฉันเลือกคือ Microchip MCP1700 ใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 1.6 µA นิ่งและราคาถูกสุด ๆ (ประมาณ $ 0.30 ในปริมาณเล็กน้อย) ข้อ จำกัด เพียงอย่างเดียวคือแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดคือ 6 โวลต์ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถใช้แบตเตอรี่ 9 โวลต์ได้ แต่มันสมบูรณ์แบบสำหรับแบตเตอรี่ขนาด AA 4 ก้อนเซลล์ LiPo เซลล์เดียวหรือเซลล์เหรียญลิเธียมสองก้อน

3) สำหรับจ่ายไฟให้กับวงจร ATmega ที่มีแบตเตอรี่ขนาด AA 4 ก้อนโดยทั่วไปฉันใช้ไดโอด 1N4001 บน VCC เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 6 โวลต์ของแบตเตอรี่ 4 ก้อนเป็น 5.5 โวลต์ นอกจากนี้ไดโอดยังป้องกัน ATmega จากแรงดันย้อนกลับดังนั้นจึงมีวัตถุประสงค์ที่เป็นประโยชน์สองประการ การทำเช่นนี้ฉันสามารถสร้างวงจรขับเคลื่อนแบตเตอรี่ที่สามารถใช้งานได้เพียง 0.1 µA ขณะนอนหลับเนื่องจากไม่มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่กินกระแสไฟฟ้าอยู่ตลอดเวลา

ฉันทำการทดสอบatmega328P-PU ที่เปลือยเปล่าบน breadboard โดยใช้ห้องสมุด RocketScream LowPower

ใช้ร่างนี้:

#include "LowPower.h"

void setup(){}

void loop()
{
    LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);         
    delay(5000);
}

ด้วยทอง uCurrentฉันวัด 7.25 uA เมื่ออยู่ในโหมดปิดเครื่อง

มีคำถามสองข้อที่นี่ แต่มีเพียงคำถามที่สองเท่านั้นที่เป็นส่วนหนึ่งของชื่อคำถามดังนั้นจึงน่าจะดีกว่าถ้าคุณเปิดอีกคำถามหนึ่งสำหรับคำถามการเขียนโปรแกรม Arduino ฉันจะตอบคำถามที่สองที่นี่

แบตเตอรี่อัลคาไลน์ 1.5V AA ระดับบนสุดหนึ่งก้อนมีความจุประมาณ 2600mAh ถ้าคุณไปสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมคุณจะได้รับประมาณ 3400mAh ถ้าคุณโชคดี ไปด้วยตัวเลขนั้นเป็นพื้นฐานสำหรับกรณีที่ดีที่สุดแน่นอน

วิธีที่คุณคำนวณเวลาทำงานสูงสุดตามทฤษฎีสำหรับโหลดก็คือความจุหารด้วยโหลด หากโหลดของคุณคือ 1mA คุณสามารถเรียกใช้เป็น 3400/1 = 3400 ชั่วโมง = 141 วัน = ~ 5 เดือน อย่างไรก็ตามนี่เป็นเพียงค่าสูงสุดทางทฤษฎีเนื่องจากคุณจะเริ่มได้รับแรงดันไฟฟ้าที่สำคัญลดลงประมาณ 65% ในเวลานั้น หากคุณกำลังควบคุมเอาท์พุทคุณจะได้รับเอฟเฟกต์การหลบหนีโดยที่แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่ำลงกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นที่จำเป็นในการรักษาแรงดันไฟฟ้าควบคุมซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่หมดเร็วขึ้น ฉันจะแปลกใจถ้าคุณสามารถรับความจุโฆษณาได้มากกว่า 80% ด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงพอที่จะเรียกใช้อุปกรณ์ของคุณ

สมมติว่าคุณได้รับ 80% ของเวลานั้นหลังจากการปล่อยแรงดันและความไร้ประสิทธิภาพของตัวควบคุม เราจะสมมติว่าคุณทำงานที่ 3.3 โวลต์จากแบตเตอรี่สามก้อนเป็นชุด สิ่งนี้จะยังคงให้ความจุเท่าเดิม แต่แรงดันไฟฟ้าจะเพียงพอสำหรับตัวควบคุม หากอุปกรณ์ของคุณทำงานที่ 15mA (เป็นการประมาณการที่ค่อนข้างอนุรักษ์นิยม) ตัวเลขจะมีลักษณะดังนี้:

• ความจุหลังจากประสิทธิภาพ 80% = 3400 * 0.8 = 2720mAh
• เวลา = 2720/15 = 181 ชั่วโมง = 7.54 วัน

ดังนั้นคุณต้องใช้แบตเตอรี่ลิเธียมประมาณ 144 ชุด (48 ชุดจาก 3) เพื่อใช้งานเป็นเวลาหนึ่งปี ไม่ค่อยดี!

ฉันขอแนะนำให้ใช้แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงที่มีการควบคุมจากแหล่งจ่ายไฟหลักแทน สามารถสำรองแบตเตอรี่ได้ซึ่งง่ายต่อการติดตั้งด้วยรีเลย์ SPDT เพียงต่อขดลวดเข้ากับแหล่งจ่ายไฟหลักและมีหน้าสัมผัส "ปิด" เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ เมื่อ DC ล้มเหลวหน้าสัมผัสจะลดลงและใช้แบตเตอรี่แทน

ยังไม่มีใครพูดถึงบางสิ่ง: คุณต้องมีวิธีปิดการจ่ายไฟ + 5V ที่จ่ายกำลังเซอร์โวเมื่อคุณไม่ได้ใช้งาน แม้ว่าจะไม่เคลื่อนไหวเซอร์โวก็ยังคงดึงพลังงาน

FET ที่มีเกตควบคุมโดยเข็ม I / O จาก arduino เป็นวิธีที่ดีในการทำเช่นนั้น

คุณอาจพิจารณาใช้ตัวควบคุมไมโครที่ปรับให้เหมาะสมโดยเฉพาะสำหรับการใช้พลังงานต่ำสำหรับการออกแบบของคุณต่อไป สำหรับการใช้พลังงานต่ำจำเป็นต้องใช้พลังงานต่ำมากในขณะนอนหลับ สิ่งที่มักถูกมองข้ามคือมันสำคัญเช่นกันที่จะสามารถตื่นจากการนอนหลับนี้ได้เร็ว

สิ่งที่นับได้คือค่าใช้จ่ายเท่าใดจากการนอนหลับลึกที่สุดเพื่อจัดการกับการขัดจังหวะที่เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (เพราะพลังระเบิดจะสั้นมากแล้ว) และกลับไปนอนอีกครั้ง

ตัวอย่างหนึ่งของตัวควบคุมขนาดเล็กคือMSP430จาก Texas Instruments ในเว็บไซต์ของพวกเขาคุณจะพบบันทึกการใช้งานวิธีการอนุรักษ์พลังงานและการประยุกต์ใช้พลังงานจากการเก็บเกี่ยว