STC15单片机-低功耗设计

2023-11-18

低功耗设计

STC15省电模式（数据手册有介绍）

STC15系列单片机可以运行3种省电模式以降低功耗，它们分别是：低速模式，空闲模式和掉电模式。

正常工作模式下，STC15系列单片机的典型功耗是2.7mA ~7mA，而掉电模式下的典型功耗是<0.1uA，空闲模式下的典型功耗是1.8mA

低速模式由时钟分频器CLK_DIV (PCON2)控制，时钟分频器可以对内部时钟进行分频，从而降低工作时钟频率，降低功耗，降低EMI。

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而空闲模式和掉电模式的进入由电源控制寄存器PCON的相应位控制。PCON寄存器定义如下:

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SMOD, SMOD0：与电源控制无关，与串口有关，在此不作介绍。

LVDF：低压检测标志位,同时也是低压检测中断请求标志位。

在正常工作和空闲工作状态时，如果内部工作电压Vcc低于低压检测门槛电压，该位自动置1，与低压检测中断是否被允许无关。即在内部工作电压Vcc低于低压检测门槛电压时，不管有没有允许低压检测中断，该位都自动为1。该位要用软件清0，清0后，如内部工作电压Vcc继续低于低压检测门槛电压，该位又被自动设置为1。

在进入掉电工作状态前，如果低压检测电路未被允许可产生中断，则在进入掉电模式后，该低压检测电路不工作以降低功耗。如果被允许可产生低压检测中断，则在进入掉电模式后，该低压检测电路继续工作，在内部工作电压Vcc低于低压检测门槛电压后，产生低压检测中断，可将MCU从掉电状态唤醒。

POF ：上电复位标志位，单片机停电后，上电复位标志位为1 ，可由软件清0 。

实际应用：要判断是上电复位(冷启动)，还是外部复位脚输入复位信号产生的复位，还是内部看门狗复位，还是软件复位或者其他复位，可通过如下方法来判断:

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GF1,GFO :两个通用工作标志位,用户可以任意使用。

PD：将其置1时，进入掉电模式，可由外部中断上升沿触发或下降沿触发唤醒，进入掉电模式时，内部时钟停振，由于无时钟，所以CPU、定时器等功能部件停止工作，只有外部中断继续工作。可将CPU从掉电模式唤醒的外部管脚有：INT0/P3.2,INT1/P3.3,INT2/P3.6, INT3/P3.7,INT4/P3.0；管脚CCP0/CCP1/CCP2；管脚RxD/RxD2/RxD3/RxD4；管脚T0/T1/T2/T3/T4；有些单片机还具有内部低功耗掉电唤醒专用定时器。掉电模式也叫停机模式，此时功耗<0.1uA。

本次实验就是将PD位置1，让MCU进入掉电模式，减低功耗

IDL:将其置1，进入IDLE模式(空闲)，除系统不给CPU供时钟，CPU不执行指令外，其余功能部件仍可继续工作，可由外部中断、定时器中断、低压检测中断及A/D转换中断中的任何一个中断唤醒。

空闲模式详解

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掉电模式详解（< 0.1uA）

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本项目实验现象

数码管显示PCB板温度；
长按按键1超过2s，系统进入待机模式；
单击按键1，系统退出待机模式，正常运行；
待机电流处于1.1uA左右，其中LDO占了 1uA，单片机占了0.1uA；
用万用表测试到正常运行的电流大概为30、40mA；进入待机模式后，电流为1.1uA

开发板上电后，串口输出初始化信息，数码管显示PCB板的温度，运行指示灯每隔一秒闪烁一次

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将万用表串联在电源线上，量程调到直流mA档，待稳定后，可看到电流在30或40多mA变动

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长按按键1两秒以上，串口输出调试信息，单片机输出停机指示后进入停机模式，数码管不亮，外设电源被切断，运行指示灯不闪

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此时万用表电流

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看万用表仍然有十几mA的电流，原因是虽然单片机和外设都不工作了，但CH340芯片还在耗电，在实际的产品中CH340芯片是没有的，开发板的CH340只是用来调试信息，所以要把CH340芯片的供电去掉，开发板硬件上有做了一个跳线冒，把跳线冒拔掉，则CH340芯片的电源被切断，不再耗电，把万用表的量程调到uA档，此时电流达到最低，理论1.1uA，测量会有些许误差

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在停机模式下单击按键1，唤醒系统，系统退出停机模式，串口重新输出信息，WIFI模块重新初始化，开发板数码管获取温度并显示，运行指示灯闪烁

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万用表电流重新显示30或40多mA

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低功耗设计要点

参考：https://www.elecfans.com/d/1068248.html，这篇文章概述的不错

系统框图

系统框图的设计最重要，这是从总体上来设计低功耗的，决定了低功耗能达到什么水平；低功耗牵涉到了整体，包括硬件和软件，要两者兼具，才能很好的设计出低功耗产品

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首先单片机型号要选择低功耗的，如这款STC15L2K32S2，低功耗电流为0.1uA，或者其他型号的单片机如STM8，MSP430

其次LDO要选择低功耗的，如HT7333-3，250mA 3.3V 高耐压低压差线性三端稳压LDO芯片，低功耗为1uA

然后就控制外设的供电，MP2451并不能将使能脚EN置为低电平来达到低功耗的目的，因为就算使能脚EN关闭了，只是没有给外设供电，但其本身内部的电路仍然是在工作的，有100多uA，所以要在前面设计一个PMOS开关，进入低功耗时就能把电源完全关掉，右边输出0V

最后所有的外设也要进行低功耗设计，如选型，或者引脚配置

元器件选型

单片机，LDO等元器件需要选择低功耗的。本项目的STC15L2K32S2单片机，待机电流0.1uA，HT7333-3型号的LDO静态电流低至1uA，可以满足要求。

在STC15L2K32S2数据手册中，附录A：STC15系列单片机电气特性，可以看到低功耗说明，待机电流小于0.1uA

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LDO芯片HT7333-3的数据手册中可以查看到该型号的静态电流

静态电流指：当芯片输出IOUT为0mA时，芯片本身消耗的电流叫静态电流

可以看到典型值的电流是1uA，这个值受温度的影响

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硬件电路的设计

进入待机模式时，硬件设计需要考虑关闭外设的电源，本项目的MP2451通过PMOS开关控制，NTC温度采集通过NPN晶体管控制，就是基于此考虑

程序设计

需要单片机根据外设类型配置好GPIO的模式以及输出的电平。

不用的引脚，不能输入悬空，可以设置为推挽，输出低电平;
关闭外设的电源；
合理配置GPIO，防止通过外设引脚漏电，比如 WIFI 模块的控制引脚，TM1620 的控制引脚等。控制引脚在低功耗时都配置为低电平

待机模式引脚配置注意点

不能有悬空的引脚，不然这些引脚会存在电流，悬空引脚要全部设置为输出模式，并输出低电平

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防止TM1620漏电

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把MP2451关闭后，Peripheral_3V3 是没有电压的，在TM1620模块中，如果单片机对STB这个引脚输出了高电平，且引脚设为了准双向口，同时单片机内部有上拉电阻，那么这3.3V的电压由于上拉电阻和R1电阻的存在，被分压为1V左右后与Peripheral_3V3 形成了电压差，导致有电流从Peripheral_3V3 流出，就又会给其他外设供电，或者流入GND，这种情况称为漏电现象

存在漏电现象则电流是降不了的，达不到低功耗，所以要对单片机的这些引脚进行配置，都将其输出低电平，防止漏电

防止串口TX漏电

同理，串口TX如果输出高电平的话，比如给到CH340芯片，RS-485芯片，ESP-12S芯片，都会造成芯片内部耗电，所以串口TX引脚也要全都输出低电平

防止串口RX漏电

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因为单片机对于RXD引脚都是配置为高阻输入的，当外设电源断开后，RXD引脚就相当于没接，此时引脚就处于悬空状态了，会有100多uA的电流，所以RXD引脚进入低功耗模式后就要配置为推挽输出，并输出低电平，就不会耗电；

开发板上的RXD（CH340）、RXD1（RS-485）、RXD2（ESP-12S）都先设置为推挽输出，并都输出低电平

防止IIC口漏电

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IIC口同理，SCL和SDA都有上拉电阻，如果为高电平的话，电流就会从引脚流到Peripheral_3V3，造成漏电

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