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1、avr 单片机的低功耗设计基于 AVR 单片机 atmega48的低功耗系统设计2010-08-25 11:53atmega48单片机低功耗系统设计首要是选择合适的单片机。 atmega48 单片机是一款 8 位微控制器，具有高性能、低功耗的显著特点。由于采用 risc 精简指令集结构，其指令集大多为单周期指令，具有高速运行的特点。 3v 供电时， 未使能内部看门狗的情况下， atmega48 的典型掉电电流小于 1ua 。具体工作电流见图 1。而且该单片机在 1.8v5.5v 的电压范围内均能正常工作，片内自带 4k 字节的 flash 、 256 字节的 e2prom, 以及 512 字节
2、 sram ；并内置 68 路 10 位 ad 转换器、看门狗、 3 个 16 位的定时 /计数器、具有独立振荡器的实时计数器 rtc 和 6 路 pwm 输出。另外还具有五种休眠模式，引脚变化及中断可唤醒 mcu 。图 1 工作电流与系统频率的关系图 2 工作电流与供电电压的关系 (128k)低功耗设计方法以单片机为核心构成的系统，其系统的总能耗是由单片机能耗及其外围电路能耗共同构成。为了降低整个系统的功耗，除了要降低单片机自身的运行功耗外，还要降低外围电路的功耗。对外围电路而言，首先选择低电压低功耗器件，如用 lmv324 代替传统的lm324 ， sp3223eey代替 max232等。
3、其次， cmos 器件输入引脚不能悬空。如果输入引脚悬空，在输入引脚上很容易积累电荷，产生较大的感应电动势，使引脚电位处于0 至 1 间的过渡区域。另外，单片机外围电路应尽量避免采用阻性元件。atmega48单片机的功耗主要与系统频率，工作模式，电源电压及外围模块有关。由图1 和图 2 可知， atmega48单片机的工作电流与其工作频率、工作电压成正比。降低系统时钟频率功耗与工作频率有关。工作频率增加时，功耗也线性的增加。系统工作频率的降低，电路的延时增加导致系统性能下降，因此在利用频率降低系统功耗的时候，要在能耗和速度之间进行权衡。atmega48的时钟源可以选择片内的rc 振荡器，也可以
4、是来自外部时钟。 片内 rc 振荡器提供了可校准的8m 时钟和128k 低功率振荡器。 外部时钟可以选用低功率晶体，满振幅晶体和低频晶振。通过编程flash熔丝位，可以选择所需的时钟源。atmega48 可以通过设置时钟预分频寄存器clkpr 来得到分频的系统时钟。当需要的系统处理能力比较低时可以利用这个特性来降低功耗。预分频对所有时钟源都适用，并且影响 cpu及所有同步外设的时钟频率。单片机的时钟系统主要包括：cpu 时钟， flash 时钟， i/o时钟，异步定时器时钟和adc 时钟。在大多数情况下，这些时钟并不需要同时工作。时钟功耗抑制寄存器prr 提供终止单独外设时钟的方法以降低功耗。
5、通过设置功耗抑制寄存器prr ，将不使用的外围模块关掉，以降低芯片功耗。例如，如果不使用 adc 模块，可以向功耗抑制寄存器prr 中的 pradc位写“ 1”，关闭芯片的adc 模块。同时，为了降低功耗，可以通过使用不同的休眠模式来禁止无需工作的模块。单片机的休眠模式休眠模式可以使应用程序关闭 mcu 中没有使用的模块，从而降低功耗。 avr 具有不同的休眠模式，允许用户根据自己的应用要求实施剪裁。atmega48单片机具有五种休眠模式：空闲模式、 adc 噪声抑制模式、掉电模式、省电模式和等待模式。使用内部 128 khz rc振荡器，其工作电流见表2。在此以空闲模式为例说明如何根据需要选
6、择最低功耗的运行模式。因为这种休眠模式只停止 clkcpu 和 clkflash ，而其他时钟继续工作。 所以当用 sleep 指令使 mcu 进入空闲模式时， cpu 停止运行，而 usart 、模拟比较器、 adc 、两线串行接口、定时器 / 计数器、看门狗和中断系统则继续工作。如果我们只需要其中一种或几种模块运行，还可以启用功耗抑制寄存器关闭其他模块来降低功耗。具体程序如下：ldi r16,$e7sts prr,r16;关闭未用外设ldi r16,$01out smcr,r16;进入掉电模式wait:sleepnoprjmp wait值得注意的是在休眠模式，要使端口引脚配置为最小的功耗模
7、式，必须避免引脚悬空和防止模拟输入电平接近vcc/2 时以消耗太多的电流。当引脚未被使用，将引脚配置为输入，并使能内部上拉，给引脚一个确定的电平。电源电压的选择cmos逻辑电路中的电流与电源电压成正比，功耗与电源电压的平方成正比，因此降低器件的供电电压可以减小功耗。芯片所要求的电源电压为 1.8-5.5v 。由于供电电压与芯片能工作的最大频率有关联，因此应在频率满足处理速度的要求下，尽可能采用低的电源电压。表 1 各种工作模式的典型供电电流值典型设计图 3 是以 Atmega48 为核心的定时控制系统框图。 该系统是油井工具投放机的控制部分。设备匀速从地面向下投放，延时时间控制设备投放的深度。
8、延时时间一到，电机马上启动，使设备投放机停止运行。延时时间由多圈线位器设定。设定值经内部 ad 转换后，在液晶上显示。液晶采用北京青云公司的 lcm061a 模块。该液晶能在 2.7v-5.2v 内工作，且工作电流小。为了加强驱动能力， pb1 、 pb2 并联使用，并通过 tip122 直接驱动直流电机。 考虑到系统时钟越低， 功耗越低，并结合本系统的实际功能要求， 时钟源采用内部 128k低频时钟。在2 节 500ma 可充电电池供电的情况下，系统能可靠的运行14 天。图 3 定时控制系统框图主程序流程图如图4 所示。在主程序中，在程序初始化时，关闭未用到的外设模块，避免消耗过多的电流。
9、io 口初始化时， pd 口为输入口，使能内部上拉。所有悬空的 io 口都使能内部上拉，使之有确定的电平。当检测到有按键按下时，单片机禁用对应 io 口的内部上拉， 避免内部上拉电阻消耗不必要的电流。 (atmega48 的引脚上拉电阻为 30k60k 之间。 )图 4 主程序流程图在单片机完成初始化后，单片机进入空闲模式，cpu 停止运行，定时器/ 计数器和中断系统继续工作。此时，实测消耗电流为 0.14ma 。当定时时间一到， cpu 即被唤醒， 执行响应的程序后继续进入空闲模式。结语本文介绍了 atmega48 单片机低功耗特性，并通过具体实例，说明了在硬件电路设计和编制程序时，应注意的问题和低功耗设计方法，具有一定的参考价值。
avr单片机的低功耗设计
