4. 传感器选型与功耗分析：常用传感器的功耗特性与数字接口影响
好，咱们进入第四章。这一章我打算聊聊传感器选型，以及它跟功耗之间那些「剪不断理还乱」的关系。
做低功耗物联网设备，传感器往往是耗电大户。你想想看，MCU可以睡大觉，但传感器有时候得一直开着。选错了，整个项目的功耗就崩了。我见过太多人，MCU选了个超低功耗的，结果传感器功耗是MCU的几十倍，白忙活一场。
4.1 常用传感器的功耗特性
咱们先看看几种最常见的传感器，它们的功耗到底什么水平。
4.1.1 温湿度传感器
温湿度传感器，几乎是物联网项目的标配。我个人习惯用SHT30和HDC1080这两款。
- SHT30：测量时电流约800μA，待机时只有0.2μA。单次测量大概7ms搞定。
- HDC1080：测量电流约1.3μA（你没看错，比SHT30低很多），待机电流100nA。
这里有个坑。SHT30虽然测量电流大，但它测得快。如果你每秒只测一次，平均功耗其实不高。HDC1080虽然测量电流小，但转换时间稍长。嗯，具体选哪个，得看你采集频率。
4.1.2 加速度传感器
加速度传感器，低功耗场景下首选是ADXL345和LIS3DH。
- ADXL345：测量模式电流约23μA，待机0.1μA。支持FIFO，这个功能很实用。
- LIS3DH：测量模式电流约11μA，待机0.5μA。同样支持FIFO。
为什么我特别强调FIFO？说白了，就是让传感器自己存数据，MCU不用频繁醒来读。我曾经做一个运动检测项目，MCU每10ms读一次加速度数据，功耗高得吓人。后来启用了FIFO，让传感器攒够32个数据再通知MCU，功耗直接降了70%。
4.1.3 气压传感器
气压传感器，常用的有BMP280和LPS22HB。
- BMP280：测量模式电流约2.6μA，待机0.1μA。精度不错，但启动时间有点长。
- LPS22HB：测量模式电流约4μA，待机0.5μA。启动快，适合需要频繁测量的场景。
我记得有个气象站项目，客户要求每10秒上报一次气压。我一开始用了BMP280，结果发现每次启动都要等10ms才能读数，这10ms里电流高达1mA。后来换成LPS22HB，启动时间缩短到3ms，功耗优化了不少。
4.1.4 气体传感器
气体传感器，这个比较特殊。像CCS811这类VOC传感器，功耗普遍偏高。
- CCS811：测量模式电流约30mA（你没看错，是毫安），待机0.5μA。
- SGP30：测量模式电流约48mA，待机0.5μA。
气体传感器是真正的「电老虎」。我的建议是，能不连续测量就别连续测量。我曾经做过一个空气质量监测器，让CCS811每5分钟才测一次，平时直接断电（用MOS管控制VCC），这样平均功耗才降下来。
4.2 数字接口（I2C/SPI）对功耗的影响
接口选I2C还是SPI，对功耗影响其实不小。很多人觉得无所谓，但实际差别挺大的。
4.2.1 I2C接口的功耗特性
I2C是两根线（SCL、SDA），通过上拉电阻拉到VCC。上拉电阻通常选4.7kΩ或10kΩ。
- 优点：引脚少，接线简单。支持多设备挂载。
- 缺点：上拉电阻会持续耗电。总线空闲时，两根线都是高电平，电流通过上拉电阻流到地？不对，是流到设备引脚。实际上，I2C总线空闲时功耗很小，但通信时每翻转一次，都会消耗能量。
我算过一笔账：在3.3V供电下，4.7kΩ上拉电阻，总线空闲时电流约0.7mA（两根线）。如果总线一直空闲，这个功耗其实可以忽略。但如果你频繁通信，每次SCL翻转都会产生动态功耗。
4.2.2 SPI接口的功耗特性
SPI是四根线（MOSI、MISO、SCLK、CS），没有上拉电阻。
- 优点：通信速度快，没有上拉电阻的静态功耗。适合高速、大数据量传输。
- 缺点：引脚多，占空间。每个设备需要独立的CS引脚。
SPI在空闲时，所有线都是高电平或低电平（取决于配置），几乎没有静态功耗。通信时，SCLK翻转产生动态功耗，但因为SPI速度通常比I2C快，所以总能量消耗反而可能更低。
举个例子：读取一个20字节的数据块。I2C在400kHz下需要约500μs，功耗约2mA。SPI在10MHz下只需要约20μs，功耗约3mA。算下来，SPI消耗的总能量只有I2C的1/10左右。
4.3 传感器选型清单
好了，说了这么多，我整理一个选型清单，方便你对照着选。
| 传感器类型 | 推荐型号 | 测量电流 | 待机电流 | 接口 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 温湿度 | SHT30 | 800μA | 0.2μA | I2C | 快速采集，1秒以内间隔 |
| 温湿度 | HDC1080 | 1.3μA | 100nA | I2C | 低功耗，5秒以上间隔 |
| 加速度 | ADXL345 | 23μA | 0.1μA | I2C/SPI | 运动检测，支持FIFO |
| 加速度 | LIS3DH | 11μA | 0.5μA | I2C/SPI | 超低功耗，支持FIFO |
| 气压 | BMP280 | 2.6μA | 0.1μA | I2C/SPI | 高精度，启动慢 |
| 气压 | LPS22HB | 4μA | 0.5μA | I2C/SPI | 快速启动，频繁测量 |
| 气体 | CCS811 | 30mA | 0.5μA | I2C | VOC检测，需预热 |
| 气体 | SGP30 | 48mA | 0.5μA | I2C | VOC+CO2检测，需预热 |
4.4 选型时的几个关键原则
最后，我总结几条选型原则，都是血泪教训换来的。
- 先看待机电流，再看测量电流。 因为大部分时间传感器都在待机。待机电流差一个数量级，整机续航就差很多。
- 能选数字接口就别选模拟接口。 模拟传感器需要ADC，ADC本身也耗电。而且模拟信号容易受干扰，后期调试很麻烦。
- 优先选带FIFO的传感器。 这个前面说过了，FIFO能大幅减少MCU的唤醒次数，是低功耗设计的利器。
- 注意启动时间。 有些传感器启动慢，启动期间电流很大。如果你频繁开关，启动功耗可能比测量功耗还高。
- 气体传感器要谨慎。 功耗高、预热时间长，不是所有场景都适合。能用其他方式替代（比如用MOS管控制供电），就别让它一直开着。
好，这一章就到这里。下一章咱们聊聊电源管理芯片的选型，那又是一个大坑。到时候我讲讲怎么选DCDC和LDO，以及怎么避免「电源纹波把传感器搞死」这种尴尬事。