魔法书3：让 Arduino 慢下来 20倍省电

我是潘，曾经是个工程师。这是为 Ardui.Co 制作的 “Arduino 魔法书” 系列的专栏。上节课介绍了怎么让Arduino 全速运行，但大部分时候我们更希望 Arduino 能慢下来，节省更多的电能，让设备在户外数据采集等取电不便的地方，运行的更久。

降低 Arduino 的速度，最简单粗暴的方式就是换一个频率低的晶振（硬件层面），UNO 和Mage2560 默认使用16MHz的晶振，换成8MHz，速度就会降下来一半。对即将进入成品阶段的设计，建议在硬件层面修改，因为这是最可靠稳定的。如果还在验证和开发的阶段呢？软件方式会比较便利。

软件方式就是修改时钟分频寄存器（CLKPR），它决定了CPU 运行的速度。要注意的是， 速度一旦改变，就会影响delay()、millis() 等时间相关的函数，而且会影响ADC、串口等外围设备 。CLKPR 根据下表的值控制CPU的分频比（晶振频率除以分频比，即为CPU运行速度）：

修改CLKPR 需要一个特殊过程，第一步，先将它的第7位（即 CLKCE）设置为1，并将其他位置零；第二步，给CLKPR 赋值。而且这个过程必须在4个周期内完成写入动作 -_-!! 所以过程中，最好禁止所有中断。

/*
  作者：Ardui.co
  效果：改变CPU速度
  版本：1.0
  更新时间：2018年5月29日
*/
void setup() {
  bitSet(DDRB, 5);
  noInterrupts();
  CLKPR = 1 << CLKPCE;
  CLKPR = 8;// 将CPU速度设置为 16MHz / 256
  interrupts();
}
 
void loop() {
  bitSet(PINB, 5); // 翻转
  delay(4);// CPU慢了256倍，所以延迟时间为 4ms * 256
}

由于 CPU 的速度只有原来的1/256，Arduino 的示例程序程序Blink 中，延时函数 delay(1000) ，延迟时间即 1000ms * 256，超过4分种，闪烁实在太慢了，所以这里将延迟函数改为  delay(4)，即1.024秒。

使用USB计量器测量降速后（下图一）和原速（下图二）的功耗，降速后功耗降低了10mA左右，节约了 20% 功耗。

节约10mA 是什么概念呢？计算一下：

原速运行时，Arduino UNO的功耗为 P = 0.05A * 5V = 0.25W

2节AA碱性电池升压（假设转换效率100%），工作在100mA 放电电流时，电量约 Q = 2Ah * 3V = 6Wh

即Arduino 可以运行 Q/P = 6Wh / 0.25A = 24h， 节能后 24h * (1 + 20%) = 28.8h

Arduino UNO 已经在龟速运行了，应该很省电，为什么也就能跑一天多？看来 Arduino 是相当耗电的。

不过，元凶是CPU吗？

其实，最耗电的是Arduino UNO 上的USB模块，而不是CPU。如果换成不带USB模块的 Arduino mini 来重复这个实验 Arduino 省电效果达90%以上，实际测试一下：

去掉 USB 模块后，耗电大幅下降80%以上。降速（上图一）和满速（上图二）的Arduino mini 功耗分别只有 4mA 和 10.55mA！

由于两颗板载 LED 功耗大概2mA * 2左右（其中一颗常亮），也就是说 Arduino mini 上单块 ATmega328P 的功耗只有 <1mA 和 6.5mA，降速后的功耗还不到原来的1/6！与满速的 Arduino UNO 相比不到 1/50 。

Arduino mini 的供电只需 3.3V，降速后的功率为 0.0033W。2节AA电池就可以让其运行 6Wh / 0.0033W = 1818h = 78天，两个多月时间！

但这个数字还不够理想，如果是户外采集数据，我们往往希望电池的寿命在半年、甚至一年以上，即使采用太阳能供电，Arduino 越省电，电池板体积也就能做的越小、成本越低。

另外，耗电的不止Arduino，还有更耗电的外部设备。有没有比降速更省电，同时让外围设备不耗电的方式呢？答案是肯定的。

后面的章节将介绍 Arduino 睡眠模式，不需要工作时，让系统打个盹，甚至睡个懒觉，进入冬眠状态，达到极致省电的状态，甚至2节AA电池就能让它工作2年以上。