用水果供电的AVR单片机——挑战MSP430的低功耗

xiaoxu191 · 发表于 2008-7-17 01:31:55

我本来觉得水果电池驱动LCD只是展示会上的噱头，三片柠檬的电力，应该足够带动LCD的。不过最初当我用Mega8L做了一个电路却不能用水果电池驱动时，我下决心亲自实践一番，看看水果供电的AVR单片机能否成功。这样我可以验证对低功耗单片机设计的一些认识；而我手头上一个用MSP430的项目，样机已经做好多时了，觉得MSP430不爽（不只是贵，我们还要维护两套平台），有心想要改成AVR。那个MSP430功耗真是低，3节五号镍镉电池供电的样机，停停走走用了一年多。

喜欢MSP430做低功耗设计的朋友，欢迎来砸砖。

这是水果电池的电极，阳极是做PCB的覆铜板，阴极是镀锌螺丝。将上述电极浸入滴过醋的三个水杯里，我测到水果电池的容量能达到：空载电压3V，短路电流400uA。这使我有信心演示出水果供电的AVR单片机。

水果电池的电极 (原文件名:IMG_1383b.jpg)

我用Mega8L做了一个电路，驱动静态的笔端式LCD，能够在2～3节电池下工作，却不能用水果电池驱动。原来Mega8L标称的最低工作电压是

2.7V，实际可以工作到2.5V。水果电池电压被拉到1.9V，电流60uA，可见水果电池的容量很小。我没有花时间去改进水果电池，倒是想进一步

改进AVR。

于是我先用Tiny13做了一个闪烁LED的实验，成功的验证了水果对AVR单片机供电的可能。Tiny13是可以工作到1.8V的。LED是Fairchild的

HLMP-D150，小电流时的亮度要比普通LED好。实际上当LED点亮时，绝大部分功耗在LED上。

Tiny13驱动LED闪烁（亮） (原文件名:IMG_1378b.JPG)

Tiny13驱动LED闪烁（灭） (原文件名:IMG_1379b.JPG)

一周以后的水果电池 (原文件名:DSCF0073b.JPG)

我想用Mega88P之类的PicoPower技术的AVR芯片代替Mega8，工作电流比前一代产品小，工作电压可以低到1.8V。终于收到了从Armok那里买的

Mega88。虽然Mega88和Mega8 Pin-pin 兼容，但和Mega8的寄存器略有不同，还得重新为Mega88编译代码。3V下LCD亮了，但是2.3V下LCD已经

完全黯淡无光。原来LCD是设计在5V工作的，于是又装了一个2倍负压电路，用对称的PWM波驱动倍压电路。

Mega88驱动LCD显示数字0～9 (原文件名:DSCF0086b.JPG)

最终能工作的水果供电的AVR单片机的配置如下：
硬件：Mega88，32KHz外部晶振，2倍负压电路由AVR的PWM驱动，LCD是静态的笔端式LCD，用Mega88的IO口直接驱动，没有分时扫描。
软件：在Timer0中断服务程序中每2秒钟刷新LCD显示，平时AVR工作在空闲模式。Timer1提供PWM波形驱动2倍负压电路。

测量数据：
电路工作时水果电池电压2.5V，整机电流30uA，2倍负电压提供电压大约-3V。

参考我们的论坛中的帖子“用水果供电的单片机最小系统[MSP430]”。

xiaoxu191 · 发表于 2008-7-17 01:44:34

Mega88 低功耗的设置和循环显示数字0～9的代码。

Mega88驱动静态LCDourdev_349896.txt(文件大小:4K) (原文件名:m88fruit_1.txt)

schminj · 发表于 2008-7-17 02:17:19

强啊

zcdyyu · 发表于 2008-7-17 02:28:23

牛X......

testcode · 发表于 2008-7-17 06:23:54

整机电流30uA? idle状态还是active状态？
估计active状态应该高于30uA...

mcu5i51 · 发表于 2008-7-17 07:05:44

我用m48时直接驱动动态lcd电流最小时小余20uA,每秒还要进行200Hz的显示扫描，其他什么都不做，测温时30uA(Pt100电阻）；
降低功耗的方法：
关闭电压检测，关闭比用的模块，WDT电流几个uA,管不管随意，使用t2的异步时钟定时唤醒，平常用掉电模式，还有都忘记了自己找吧

xiaoxu191 · 发表于 2008-7-17 07:09:14

我用的是32KHz的晶体，全速工作的时候也只有大约30uA。你可看M88手册，是一致的。
我还有一些地方没处理好，所以active+idle的电流不应该这么大。做了一些改进和尝试。
1）昨天的测试使用的电表不够准，今天用Fluke 15B电表和2.5V稳压电源测的，电流21uA。绝对的电流值仅供参考。
2）禁止CKOUT熔丝，节约2uA
3）PRR= 0xC7，关掉一些模块，节约2uA
4）试着将不用的引脚改为输入和内部上拉，没有电流减少（高电压时有明显的帮助）
5）PWM比较耗电，但是静态显示不能关PWM，可能改成动态刷新会进一步省电。

不管怎样，32KHz全速运行的M88，用水果电池驱动都没有问题。

testcode · 发表于 2008-7-17 08:07:43

从手册上看：

(原文件名:CAP12.jpg)

(原文件名:CAP11.jpg)
全速工作估计也有50uA,再加上LCD~~~

jackiezeng · 发表于 2008-7-17 08:10:30

mark , 楼主厉害~！

xiaoxu191 · 发表于 2008-7-17 08:15:22

testcode请看下图。

(原文件名:active_32KHz.JPG)

bjj9217 · 发表于 2008-7-17 08:27:02

ATmega32 · 发表于 2008-7-17 08:27:30

关注。

也想用AVR替代430。
阿莫置酷吧。

shotstar · 发表于 2008-7-17 08:37:19

LZ强悍

maskiss · 发表于 2008-7-17 08:42:43

牛得很啊,有空看看用几瓶不干净的水也试试看能否产生足够的电能点这LED,如果行,比水果要好,至少不像水果那样放一两天都坏了……

apcfy · 发表于 2008-7-17 09:20:31

有创意！！！

pulan · 发表于 2008-7-17 09:24:49

430出来快10年了吧？

avrkiller · 发表于 2008-7-17 11:09:54

最终能工作的水果供电的AVR单片机的配置如下：
硬件：Mega88，32KHz外部晶振，2倍负压电路由AVR的PWM驱动，LCD是静态的笔端式LCD，用Mega88的IO口直接驱动，没有分时扫描。
软件：在Timer0中断服务程序中每2秒钟刷新LCD显示，平时AVR工作在空闲模式。Timer1提供PWM波形驱动2倍负压电路。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
能不能把那个负压电路贴出来啊，谢谢

shmily · 发表于 2008-7-17 13:05:32

mark

testcode · 发表于 2008-7-17 14:18:41

发现我下载的DataSheet还是旧的版本，新的手册，Atmega88能耗确实改进不少。
谢谢xiaoxu191提示！

friendljy · 发表于 2008-7-17 15:02:19

佩服。

xiaoxu191 · 发表于 2008-7-17 23:49:33

【18楼】 testcode
我手上的M48P/88P/168P的手册，也没有32KHz的图。

关于M48P/88P/168P，我对PicoPower又有新的理解。
从手册上看不出active mode下整体功耗的改进，这可以比较电气指标的各个图得知，也许只是文档本身的修订，指标定得宽松一点，我没有M88P的芯片，无从比较。
但是在power-down mode下，所谓PicoPower技术还是有明显改进的，感觉是冲着MSP430来的。体现在M48P/88P/168P的上，主要有两点：
1）MSP430有零功耗BOD，Atmel说我的BOD虽然有20uA的巨大耗电，但是我反应快，说我电流大，我就允许在掉电模式下彻底关掉BOD来降低功耗，RAM低至VCC=0.3V还能保持，VCC=1V左右产生POR退出掉电模式，自动打开BOD。感觉是个补丁，但比20uA的BOD功耗强呀。
2）Power-save mode下维持32KHz晶振运行的电流降低不少，够小的，只有1uA。这样有助于应用省电模式的低功耗，用Timer2唤醒，像【5楼】那样；做个实时时钟也很好了。

watercat · 发表于 2008-7-17 23:58:17

用M48做微功耗设备很久了，用T24/T25也做过几个了

MSP430相比Mx8/Tx4/Tx5的优势已经很不明显了，而缺点却相当明确：同样速度几乎同样功能，两三倍的差价，用哪个？

另外，我个人认为，目前AVR系列最有竞争力的型号就是Mx8/Tx4/Tx5/PWM3这四个子系列了，其它什么M128、xmega之类的，至少在中国，都纯属扯淡……

kingofkings · 发表于 2008-7-18 00:15:40

【21楼】 watercat
呵呵，是的M128现在的确竞争力在下降，就按Xmega那价格，几乎可以把m128 m64之类的芯片一锅端了，现在M3内核的芯片来势很凶，AVR不升级的确是不行啊，AVR32和Xmega~

xiaoxu191 · 发表于 2008-7-18 00:25:58

【16楼】 avrkiller

供LCD的负电压电路 (原文件名:_2VCC_boost.JPG)

【13楼】 maskiss 火线
不干净的水也能做电解液，我最初是在饮用水里滴了几滴醋。消耗得快的是负极的锌，你看几个小时以后镀锌螺丝就腐蚀成这个样子了。

腐蚀的负极 (原文件名:DSCF0092.JPG)

JJLuo · 发表于 2008-7-18 09:20:37

绝对酷莫老大抓紧置酷啊

armok · 发表于 2008-7-18 09:38:33

Cool !

xdqm · 发表于 2008-7-18 09:42:04

果然是暴强！

bjtuwei · 发表于 2008-7-18 11:37:56

这个好不好还需要市场来说吧。MSP430是16位，Xmega是8位的吧，两者没有直接可比行吧？就像51和ARM一样啦

stephon1 · 发表于 2008-7-18 12:48:12

COOL

atommann · 发表于 2008-7-18 12:53:11

太好玩啦! cool!

jaky80000 · 发表于 2008-7-18 16:21:59

水果电池,那个番茄做的,怎么知道哪个是正极,拿个负极啊,看着那个盘子里的番茄觉得太深奥了!
强!

mikezfq · 发表于 2008-7-18 22:51:03

可否提供下整个原理图？！我对AVR低功耗很有兴趣想了解得更深一点，还有LCD驱动电路！

laoma · 发表于 2008-7-18 23:20:36

不是AVR猛，是水果电池猛

用430做这个，电流估计也就3 - 5uA左右, 用这个电池可以挂一排单片机

Xearo · 发表于 2008-7-19 00:42:02

技术就是辩论，就是严肃的探讨
佩服lz的较真精神！太cool！

wc171170 · 发表于 2008-7-19 01:30:45

30楼想想化学。两种金属比较活泼的是负极，Zn_Cu电池的电动势在0.6V

erving · 发表于 2008-7-19 01:54:24

cool

xiaoxu191 · 发表于 2008-7-19 02:33:17

【31楼】 mikezfq
我还真没有原理图，因为AVR的最小系统，除了MCU和可选的晶振，其它什么都没有了。我手上就有很多自制的AVR的最小系统板，引出一个ISP接口，并将MCU所有的引脚都连到排针上，就可以开发AVR了。至于液晶，我手上正好有两个8字的静态笔段液晶，就是只有一个公共端的引脚，其它各段分别连到各自的引脚的那种，这样的液晶不就和LED数码管一样吗？我都是直接飞线的。如果用到多个公共端的液晶，可以显示更多笔段，需要动态驱动，但是功耗也不会大多少。

【32楼】 laoma
水果电池的负载能力很有限。在动态唤醒MCU的过程中，电池电压会随之波动，还是留点裕量的好。这对受测的MCU的要求是：尽量小的平均工作电流，较低电压下还能工作。
我正想知道MSP430的实际结果。

wxfhw · 发表于 2008-7-19 07:35:01

厉害！
图文并茂。

Tigerjump · 发表于 2008-7-19 08:24:16

有前途!

yanrz · 发表于 2008-7-19 21:09:05

果然牛！！！
佩服！！！！
学习了！！

mikezfq · 发表于 2008-7-20 20:28:37

LZ，关键是LCD的驱动是类似交流驱动，和LED很大不同，请问你是如何做的？！

zxqwork · 发表于 2008-7-22 16:14:18

yibin818 · 发表于 2008-7-22 19:06:19

牛X...

li_xuef · 发表于 2008-7-23 21:20:13

强！！！

huanwuleng · 发表于 2008-7-24 08:32:00

cool!

luojy · 发表于 2008-7-24 10:20:49

wear778899 · 发表于 2008-7-24 15:15:59

想吃

asktutu · 发表于 2008-7-24 16:24:00

水果电池？？？？！！！！！

moming · 发表于 2008-7-27 00:15:11

强人啦！

wsl16805 · 发表于 2008-7-27 15:36:42

强人.

huangjiyue · 发表于 2009-5-5 10:35:13

牛人；太酷了！

l456789 · 发表于 2009-5-8 23:52:00

路过,支持

chenfeng032 · 发表于 2009-5-9 23:23:56

强悍我的 MEGA都是跑在5V的哟惭愧

syh0784 · 发表于 2009-5-23 19:31:01

顶啊，强

xiaoyuanlu · 发表于 2009-5-23 20:31:09

有创意！

Friendz · 发表于 2009-5-23 22:52:54

不知道在海水里面，可否用这种铜-锌电池。如果能用的话，我的水下设备就有无穷的电力了，呵呵呵。

qzzz · 发表于 2009-5-23 23:38:38

LS的潜水艇的干活？

canjany · 发表于 2009-5-24 01:04:56

新能源。居然用水果。不比太阳能差了。

nhlijiaming · 发表于 2009-5-24 12:50:07

要是用250Hz晶振的话..功耗更低了吧?

【57楼】 Friendz
这会不断消耗铜和锌,并且会有铜离子出现....

eydj2008 · 发表于 2009-5-24 12:58:13

好玩对孩子最有用了让他们好奇呀

haeha · 发表于 2009-5-24 13:14:35

厉害厉害

zhang_mike2000 · 发表于 2009-5-24 13:20:35

很有参考价值，但是430迄今为止还不能被解密，只是AVR不能比拟的。

desire · 发表于 2009-5-25 21:20:48

赞一个！！！

Swallow · 发表于 2009-5-29 16:33:53

牛！学习了！

bbi3014 · 发表于 2009-6-5 16:13:09

强悍

lifufeng · 发表于 2009-6-6 00:56:30

厉害啊，楼主化学不错啊...

gaoqiru · 发表于 2009-7-16 21:52:57

楼主西红柿那里买的啊,好象买几个回来吃哈.......下次做水果电池别用这么好的西红柿啊，真的觉得有点浪费了哈哈......顶一个...

lookavr · 发表于 2009-7-16 22:07:02

哈哈,现在西红柿不比普通电池便宜

zsfang0104 · 发表于 2009-8-11 16:37:44

mark

xuehui869 · 发表于 2009-8-29 14:51:33

cool

flyerhacker · 发表于 2009-9-23 13:10:58

来顶一下

hejianji · 发表于 2009-10-10 18:57:37

牛！

wuyacjj · 发表于 2009-10-13 13:13:47

记号一下，努力学习

billowtust · 发表于 2009-10-13 13:57:44

很希望别的IC厂家也赶紧搞出像430这种低功耗的片子来，那就太爽啦，哈哈哈哈……

minipigs · 发表于 2009-10-15 03:17:55

真是开眼见了啊～

xinchangkk · 发表于 2009-10-15 08:25:16

想知道楼主装置坚持显示了多少时间？？？

换成苹果可能会更好些吧

ju748 · 发表于 2009-10-29 03:30:43

原电池啊。。。苹果不行吧，糖分要水解的。。。变成酒精就只能烧了。。。哈

cgc_good · 发表于 2009-12-1 16:16:36

水果还能回收利用少个汤吗？？？哈哈

chenwoli · 发表于 2009-12-1 16:29:21

开眼界了!

zhg_wx · 发表于 2009-12-3 04:01:21

可以尝试换不同的水果，看看哪种水果发电量比较大

gao12345ab · 发表于 2009-12-8 09:56:23

膜拜啊！！！

jnlaok · 发表于 2009-12-8 11:02:40

微小之中见强大！
牛！！！

HTT007 · 发表于 2009-12-18 15:33:32

呵呵做个时钟放到水果摊上，烂掉的水果就当电池用吧呵呵

Yaksa · 发表于 2010-1-3 14:48:51

这个好!

gwh1128 · 发表于 2010-1-3 20:20:49

不错，标记下

lengmo · 发表于 2010-1-3 21:03:30

这儿牛人就像牛身上的毛一样——————多！

h572 · 发表于 2010-1-3 22:20:18

见到过用一节CR2032就能工作2年的东西，MSP430的，
每隔10秒，居然还有LED闪一下！

cooleaf · 发表于 2010-1-25 14:06:48

没有做不到只有想不到哇！！

XA144F · 发表于 2010-1-27 11:14:16

我用盐水，碳棒做正极，铁棒做负极，点亮一个LED没问题，亮度还挺高的……哈哈！

只要能在水中被腐蚀的金属都能做负极，正极用碳棒即可。

XA144F · 发表于 2010-1-27 11:15:08

另外，水果的内阻很大，相当一部分电力消耗在水果上了。

xiaole01 · 发表于 2010-1-28 11:22:34

小时候经常用一个铁片加一铜片放在盐水里试，电流很大的，

zldiy · 发表于 2010-1-29 09:16:15

不错。又懂了很多。

swustlx86 · 发表于 2010-1-31 14:56:13

MARK

iamwei · 发表于 2010-2-21 10:46:50

有味道！

mubird123 · 发表于 2010-2-26 22:48:57

我对楼主的敬佩有如滔滔江水连绵不绝。。。

qjy_chess · 发表于 2010-3-6 12:05:42

太投入了，厉害！我很想知道哪种水果的“电量”更高，呵呵。苹果、柠檬？

XA144F · 发表于 2010-3-10 13:29:42

要无机酸的效果才好，应为酸的电离程度高，有机酸的效果不明显。

或许加点盐可能好一些。

deadiceboy · 发表于 2010-3-11 17:25:25

mark

zbb8637 · 发表于 2010-3-20 10:22:46

强！顶你！

amity · 发表于 2010-3-27 15:38:06

大开眼界

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