Arduino 项目优化供电方案：从按键开关到电池监测与数据记录

组件与物料

项目简介

Arduino 类单片机通常无需特殊电源管理：接电即运行，断电即停，不像树莓派有 SD 卡损坏风险。但某些场景需要托管式电源管理：如远程传感记录温度，电池耗尽导致日志中断时，无法区分是电量耗尽还是软硬件故障；便携设备需知晓剩余电量与充电时机。

本项目提供多种 Arduino 电源管理方案，含电路、软件与说明，复杂度递增：从简单的按键开关、电池电压监测、低压关机、带电池状态的数据记录，到面向无人值守环境监测的完整记录系统。可按需选用子系统。所有方案统一在标准 setup()/loop() 中添加 arduinoPowerSetup() 与 arduinoPowerMonitor() 两个函数。

思路源自 LiPoPi 与 Pi Power 树莓派电源项目。

概览

系统提供功能：

• 按键开机/关机（长按开、短按关）
• ADC 监测电池电压
• 低压自动关机
• 关机前记录电压与关机信息到文件
• 红/绿 LED 指示电量状态

核心硬件：可充电 LiPo 电池 + Adafruit PowerBoost Charger Shield（充电并升压至 5V）。Adafruit 有三款 PowerBoost，本文以 Shield 版为主，文末简述 Breakout 板用法。

PowerBoost Shield 准备

参考官方指南：焊接排针，**不焊自带滑动开关**；向 Enable 引脚焊接 4 英寸 22AWG 实心线；桥接底部 A0 焊盘以接入电池电压检测。

按键开关电路

长按开机：按下瞬时按钮 → PowerBoost 使能 → Arduino 上电启动 → 程序运行。再次按下并释放 → Arduino 拉低 Enable → PowerBoost 断电 → Arduino 关机。详见原文链接。原理图如下：

注： 若不需记录关机日志，可直接用 Shield 自带滑动开关，但会硬性切电无法执行关机前代码。

监测电池电压

Arduino 6 路 ADC (A0–A5) 量程 0–5V 对应 0–1023。PowerBoost Shield 桥接 A0 后可读取电池电压 (Vbat)。LiPo 满电 ~4.25V，放电截止 ~3.7V。

float maxVoltage = 4.25;
float minVoltage = 3.75;
float arduinoPowerVoltage = float(analogRead(A0)) / 1024.0 * 5.0;
float fractionalVoltage = (arduinoPowerVoltage - minVoltage) / (maxVoltage - minVoltage);

LiPo 放电非线性，但线性近似足以估算剩余电量。通过 RGB LED 指示：绿>50%、黄 20–50%、红<20% 充电。RGB LED 共阳极接法：

实测发现电压读数有抖动，临界点会导致 LED 闪烁。对策：在 A0 与 GND 并联 0.1µF 电容 滤波。

示例草图 arduino_2_voltage_led 实现开关机与 LED 电量指示。代码中拉低 LED 对应引脚点亮，拉高熄灭。取消注释 Serial 调试可观测实测电压（首次读数异常忽略）。

电压数据记录至 SD 卡

使用 Adafruit Data Logging Shield (带 RTC) 以 CSV 格式记录电压与时间戳。保留 LED 指示作为即时反馈。关键点：

• 记录关机日志，区分正常关机与异常复位。
• 监测电压跌破阈值时安全关机并记录原因。

草图 arduino_3_voltage_logging 含时间戳格式化工具函数，无卡时红灯闪烁提示。完整堆叠：UNO + Data Logging Shield + PowerBoost Shield + 面包板。

电压数据示例

约 20 小时放电曲线，近似线性下降。加 0.1µF 电容后（紫线）抖动显著降低，未加电容（蓝线）波动明显。

环境数据记录扩展

计划制作无人值守花园监测箱（温度、土壤湿度等），需检测箱内湿度、极端温度。选用廉价 DHT22 传感器（数字引脚用 5 避开开关中断脚 2）。代码 arduino_4_voltage_temp_humidity_logging 已在面包板验证，后迁移至 Adafruit Proto Shield。DHT22 体积大，可考虑其他厂商小体积模组。

Arduino 低功耗优化

下一阶段将降低功耗延长续航，参考 Adafruit Tony DiCola 的《Low Power Datalogging》教程。

代码与参考

本项目 GitHub

https://github.com/craic/arduino_power

LiPoPi 参考

https://github.com/NeonHorizon/lipopi

Pi Power 参考

https://github.com/craic/pi_power