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单片机低功耗设计概论

1单片机低功耗设计基础

1.1低功耗设计的重要性

在当今的电子设备中，尤其是移动设备、可穿戴设备和物联网(IoT)设备，

低功耗设计变得至关重要。单片机作为这些设备的核心组件，其功耗直接影响

到设备的电池寿命、工作温度和整体性能。低功耗设计不仅能够延长设备的运

行时间，减少充电或更换电池的频率，还能降低设备的热量产生，提高系统的

稳定性和可靠性。此外，低功耗设计还符合绿色能源和可持续发展的理念，有

助于减少能源消耗和环境污染。

1.2单片机功耗模型解析

单片机的功耗主要由静态功耗和动态功耗两部分组成。

1.2.1静态功耗

静态功耗是指单片机在不执行任何操作时的功耗，主要由漏电流和电源电

压决定。漏电流是由于晶体管的特性，在电源电压作用下，即使晶体管处于关

闭状态，也会有微小的电流通过。电源电压的降低可以减少静态功耗，但同时

可能会影响单片机的性能和稳定性。

1.2.2动态功耗

动态功耗是指单片机在执行操作时的功耗，包括CPU运行、内存访问、外

设操作等。动态功耗与工作频率、电源电压和负载电容有关。提高工作频率会

增加动态功耗，因为更多的操作在单位时间内完成，需要更多的能量。降低电

源电压可以减少动态功耗，但同样可能会影响性能。负载电容越大，动态功耗

也越高，因为每次状态改变时，需要更多的能量来充电或放电。

1.3低功耗设计的基本策略

低功耗设计的基本策略包括：

1.3.1降低电源电压

大多数现代单片机支持可变电源电压，通过降低电源电压可以显著减少功

耗。例如，STM32系列单片机可以通过修改电源管理寄存器来调整电源电压。

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//降低STM32单片机的电源电压

voidsetLowPowerVoltage(void)

{

RCC-CR|=RCC_CR_HSION;//开启内部高速时钟

while(!(RCC-CRRCC_CR_HSIRDY));//等待时钟稳定

RCC-CFGR=~RCC_CFGR_SW;//选择内部高速时钟作为系统时钟

RCC-CFGR|=RCC_CFGR_SWS_0;

PWR-CR|=PWR_CR_LPDS;//选择低功耗模式

PWR-CR|=PWR_CR_VOS;//设置电压范围

}

1.3.2降低工作频率

降低单片机的工作频率可以减少动态功耗。例如，在ArduinoUno上，可

以通过修改预分频器来降低工作频率。

//降低ArduinoUno的工作频率

voidsetLowPowerFrequency(void)

{

cli();//关闭全局中断

TCCR1B=~((1CS12)|(1CS11)|(1CS10));//清除预分频器设置

TCCR1B|=(1CS10);//设置预分频器为1:1

//可以进一步设置为1:8,1:64,1:256,1:1024来降低频率

sei();//开启全局中断

}

1.3.3使用睡眠模式

单片机在不执行关键任务时，可以进入睡眠模式，以减少功耗。例如，

ATmega328P单片机有多种睡眠模式，包括空闲模式和掉电模式。

//进入ATmega328P的掉电模式

voidenterPowerDownMode(void)

{

cli();//关闭全局中断

ADCSRA=~(1ADEN);//关闭ADC

PRR|=(1PRTWI)|(1PRUSART0);//关闭TWI和USART

SMCR|=(1SE);//启用睡眠模式

SMCR|=(1SM1)|(1SM0);//设置为掉电模式

sleep_mode();//进入睡眠

sei();//开启全局中断

}

1.3.4优化代码

优化代码可以减少单片机的运行时间，从而降低功耗。例如，避免使用不

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必要的循环和延迟，使用更高效的算法，减少内存访问等。

//优化代码示例：使用位操作代替if语句

voidtoggleLED(void)

{

//使用位操作

PORTB^=(1PB0);

}

1.3.5选择低功耗外设

选择低功