Arduino PRO MINI スリープモードと消費電流

概要

電池で動かすモノを作ってみようとすると、やはり電池のモチが気になるので、Arduino PRO MINIについてまた調べてみた。WiFiを使うならばESP-WROOM-02がよいのだけど、通信に用がないなら余計なものが載ってないPRO MINIがよさそうと思ったので。

電池で動かす場合、スタンバイ（スリープ）時の消費電流と復帰方法が重要になるだろう。Arduino や WROOM-02ならば、復帰方法として外部要因（スイッチを押す、センサーから電圧を与えるなど）による割込みが使える ( ESP-WROOM-02でもヌルく調査した）。
しかしながら、消費電流についてはデバイスや製品によって決まってしまうから、具合のよさそうなものを選定するしかない。

スリープモードと消費電流の調査

手元に、スイッチサイエンスで扱っているSparkFun社製の製品と、以前アマゾンで入手したArduino PRO MINIをうたう製品（裏面に The Simpleと書いてあるもので、400円未満）があったので、これらに簡単なスケッチを入れて、スリープモード時の消費電流などを測ってみた。残念ながら、いずれも+5V、16MHz動作品。

SparkFun社が掲示している回路図を見る限り、外部から+5Vを与えればボード上のLDOも使われないので、AT-MEGA328PとLEDくらいしか電流を食いそうなものはない。測定といっても、テスターをArduino MEGA ADKの+5V出力とブレッドボードの+5Vの間につないで電流表示を読んだだけなのだけど。

測定時のスケッチ

以下のようなコードを使い、Arduino IDEから送り込んではテスターの表示を読むことを繰り返した。スリープしないときは、sleep_mode(); をコメントアウトして測定。

#include <avr/sleep.h>

#define START_MSG String(__FILE__) + " start."

#define RED_LED 13

void setup() {

Serial.begin(115200);

Serial.println(START_MSG);

pinMode(13, OUTPUT);

digitalWrite(13, 0);

set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);

sleep_mode();

}

void loop() {

delay(10);

}

なお、各製品ともにIOピンのD13にLEDが接続されているので、9行目を digitalWrite(13, 1); としてから　SLEEP_MODE_PWR_DOWN させ、LEDを点灯したままの状態での電流も測定した。

SparkFun製

通常動作時：16.3mA
SLEEP_MODE_PWR_DOWN : 0.7mA
SLEEP_MODE_PWR_DOWN : 9.4mA (LED ON)

LEDオフでスリープに入っても、赤色のPOWER ON LEDが点灯している。このLEDには10kΩの直列抵抗が入っているから、LEDのVF=2Vとすると、3V ÷ 10kΩ = 300μA が常に消費されていることになる。このLEDを外せば、スリープ時の消費電流を0.4mAまで抑えることができるだろう。

D13のLED(緑色)を点灯した場合、8.7mAも増加してしまう。こちらには330Ωが入っているから、緑色LEDのVFが2.1～2.2Vとすれば計算通りだろう。

KB50と書いてあるデバイスがLDO (MIC5205)で、その右側で赤色のPOWER ON LEDがぼんやり光っている。LDOの左の 01C と書かれたチップ抵抗が、おそらくLED用の10kΩ。

The Simple

通常動作時：22.4mA
SLEEP_MODE_PWR_DOWN : 3.6mA
SLEEP_MODE_PWR_DOWN : 6.8mA (LED ON)

消費電流の話に突っ込むことになったのは、The Simpleのスリープ時の消費電流が大きかったから。同じ図面から起こした互換品のはずなのに、こんなに違うのはなぜ？と疑問に思ってしまった。

前にも書いた気がするが、この製品の特徴はLEDがまぶしいくらいに明るいことである。このあたりに理由があるのだろうと思って、LED周辺をほぼ等倍で撮影してみた。

赤く光るPOWER ON LEDの上には、102 と書かれたチップ抵抗が載っている。つまり直列抵抗が 1kΩ なのだった。1つ前の全体像を見ると、右側でD13につながる赤色LEDも光っているが、このLEDにも1kΩがつながっているのが分かる。

こちらは、スリープ前にD13のLEDを点灯したときに 3.2mA増加しており直列抵抗が1kΩだから、LEDのVFは1.8V程度と分かる。おそらくPOWER ON LEDも同等品なので、PON LEDもしくは直列抵抗を基板から外してしまえば、消費電流は3.2mA減って、スリープ時0.4mAとなりSparkFun社製と同程度になるだろう（同じマイコンなので当たり前だが）。

撮影風景

基板に実装されているデバイスを大写しにする、ということで、オリンパスのE-PM2とMZD60mmマクロレンズを使った。なおかつ、フレキシブルアームの先にLEDがついている、マクロアームライト (MAL-1) というのも使った。

E-PM2 + MZD60mm + MAL-1 — E-PM2にマクロアームライトMAL-1

MAL-1は大した光量がなくて滅多に使わないのだけど、小さな陰を消したいときや、小さなものを光らせたいときなんかに役に立つ。レンズ先端にLEDを並べただけでは決まった方向しか照らせないから、フレキシブルアームになっていることに意味がある。

MAL-1 を使うには、カメラにAP-2 (アクセサリポート2) が備わっている必要があるのだが、残念なことにオリンパス社のカラメからは AP-2が消えつつある。現行品で備えているのはOM-D E-M1とPEN E-PL8 という製品くらいか。OM-D E-M5IIにはついていないし、この冬に登場するE-M1の次世代機にも着いてないらしい。

E-M1では大袈裟だし三脚がゆらゆらしたのでE-PM2を使ったのだけど、そろそろ届くはずのMZD30mm/F3.5 マクロレンズとMAL-1を組み合わせて使いたい。また、AP-2のないカメラ向けの製品も期待したい。あるいは、高輝度白色LEDをレンズフードの周りに貼り付けた、とりあえずの近接用照明でも作ってみるか。

きょうのまとめ

ESP-WROOM-02のdeep-sleepが強力でよいのだけど、IOピンが足りない場合はArduino PRO MINIを使うことになるだろう。
The Simpleの消費電流に驚いてざっと調査してみたが、謎が解けてよかった。
スリープ時に400μAまで落とせることは分かったが、クロックを下げて電圧を下げる以外の方法で、もうちょっと下げられないものか。もうちょっと勉強してみます。

追記

The Simple のPower ON LEDを外してみた。それについては別途まとめた。

さらに、実際の赤外線リモコンを作るにあたって、省電力の方法をよりつめて3.3Ｖ電源でスリープ時18μAになった。まだまだできることはありそうな感じ。