超低功耗倾角测量仪的设计制作

编号 编号 2012 年山东省大学生电子设计竞赛年山东省大学生电子设计竞赛 超低功耗倾角测量仪设计超低功耗倾角测量仪设计 学 校 参赛学生 专 业 指导教师 1 超低功耗倾角测量仪设计超低功耗倾角测量仪设计 摘要 摘要 本系统采用 TI 公司生产的 MSP430 芯片作为控制核心 实现了便携 式超低功耗倾角测量仪 测量并显示沿 X Y Z 方向重力加速度分量及倾斜角 其测角范围为 0 90 度 显示分辨率为 0 1 度 精度为 5 度 其主要模块包 括 430 单片机系统 LCD 段码显示模块 升压模块 稳压模块 倾角测量传感 器 键盘模块等部分组成 关键字 关键字 MSP430 单片机 BMA150 传感器 段式液晶显示 倾角测量 1 一一 模块方案比较与选择模块方案比较与选择 1 1 主控控制器的选择 主控控制器的选择 方案一 采用传统的 8 位 89C51 单片机作为运动物体的控制核心 经典 51 单片机使用简单 但其运算速度低 功能单一 没有内置 A D 转换模块 对于 信号的采集需要外加 A D 转换 且功耗低 其硬件工作量和耗电量必然大大增 加 方案二 采用 MSP430 系列单片机是一种 16 位超低功耗的混合信号处理器 MSP430 系列单片机具有很多特点 超低功耗 其指令体系为 16 位的 RISC 结构 指令可以为 16bit 模式 也可以为 8bit 模式 最快指令周期为 125ns 总体而言 MSP430 功能强大 速度快 超低功耗 相比 51 而言 这些是 明显的优势 所以我们选择了方案二 2 2 显示模块 显示模块 方案一 点阵式液晶屏是屏幕里有很多颗点 通过控制这些点来显示想要 显示的图形或者汉字 这样耗电量就会增加 不适用于本设计 方案二 LCM0816 为 10 位多功能通用型 8 段式液晶显示模块 低功耗特性 显示状态 50 A 典型值 省电模式 1 A 工作电压 2 4 5 2V 视角对比度可 调 显示清晰 稳定可靠 使用编程简单 综上所述 方案二更适合题目要求 3 3 电压稳压输出模块 电压稳压输出模块 方案一 TPS54330 是开关电源转换芯片 其输入电压范围为 5 5 V 到 36 V 输出为大于 5V 达不到设计要求的 3 3V 方案二 TPS54331 是开关电源类芯片 它的漏电流和介质损耗小 主要参 数 输入电压为 7V 28V 输出电压为 3 3V 输出电压范围宽 综上所述方案二输出电压范围可以达到输出电压 3 3V 的要求 所以选择方 案二 4 4 倾角测量模块 倾角测量模块 方案一 BMA150 是三轴加速度传感器 有数字输出 带温度输出的超低功 耗新款产品 测量范围为 2 度 4 度 8 度 分辨率为 2 度 中断引脚 电源 VDD VDDID 为 2 4V 36 V 1 8V 3 6V 电流损耗为 200uA 属于超低功耗 2 的 方案二 LE 60 OEM 是一款高性价比的双轴倾角传感器模块 测量范围为 80 度 分辨率为 0 06 度 供电电压为 5V 工作电流 15mA 综上所述 方案一在达到较高测量精度的同时 功耗也超小 所以选择方案 一 5 5 升压模块 升压模块 方案一 采用一级升压装置 从 1 5V 升压至 25V 但是经分析一次性将设 计要求中的 1 5V 电压升压至 25V 不容易做到 且不稳定 方案二 TPS61070 模块升压转换器基于一个采用同步整流器的固定频率 脉宽调制控制器 它可以达到从 1 5V 升压至 3 3V 然后在采用 TPS61040 模块 将 3 3V 升压达到 25V 便可达到设计要求 综上所述 采用方案二用于本实验 二 二 理论分析与计算理论分析与计算 1 1 倾角的计算方法 倾角的计算方法 本设计采用的是 BMA150 三轴加速度传感器 它是根据压电效应的原理来工 作完成的 利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性 晶体变形会 产生三个方向的电压 如下图所示 分别为 X Y Z 然后将数据寄存在其内 部寄存器中 X Y Z g 单片机将测量出的 X Y Z 读取出来进行计算 计算公式如下 3 根据公式 tan X Z 可以得到 arctan X Z 2 2 理论功耗分析 理论功耗分析 通过查找手册得出各供电模块的工作电流典型值为 MSP430 为 230 A BMA150 为 200 A LCM0816 为 50 A TPS54331 为 100 A 经计算总功耗 电流约为 I 580 A 又因为 Q CU 2200 F 25V T Q I 所以 T 2200 F 25V 580 A 95s 可以达到要求中的 60s 当电容选用 100 F 时 T 100 F 25V 580 A 4 3s 所以各模块应尽量选用省电模式 是持 续时间延长 三三 电路与程序设计 电路与程序设计 1 1 系统总体框图 系统总体框图 单片机最小系统 MPS430G2553 显示电路 倾角测量 键盘 大容量电解电容 稳压电路 二级升压 TPS61040 将电压升至 25V 一级升压 TPS61070 将电压升至 3 3V 1 5V 干电池 系统整体框图 4 2 2 电路设计图 电路设计图 电路稳压模块电路图 测量显示模块电路图 5 一级升压模块电路图 6 二级升压模块电路图 四四 测试方案与测试结果 测试方案与测试结果 1 测试方案 测试方案 使用量角器测量一个待测角 得出实际角度值记录下来 接着使用倾角测 量仪对该角进行测量 分别得出沿 X Y Z 方向重力加速度分量以及测量角度 值 记录与表中 依此类推多测得几组数据记录与表中 进行误差的计算与分 析 也记录下来 2 测试结果及分析 测试结果及分析 实际值测量值误差工作时间 倾角X 轴Y 轴Z 轴倾角X 轴Y 轴Z 轴倾角X 轴Y 轴Z 轴 2200uf100uf 第 1 次 0 000 000 009 800 200 030 209 800 200 030 200 0076 30 0 第 2 次 10 001 700 009 7010 301 750 109 640 300 050 100 0674 00 0 第 3 次 20 003 400 009 2019 703 300 309 230 300 100 300 0377 40 0 第 4 次 30 004 900 008 5030 404 960 208 450 400 060 200 0579 80 0 第 5 次 40 006 300 007 5040 306 340 307 470 300 040 300 0377 50 0 第 6 次 50 007 500 006 3049 807 490 406 330 200 010 400 0372 30 0 第 7 次 60 008 500 004 9060 208 500 204 870 200 000 200 0376 10 0 第 8 次 70 009 200 003 4070 409 230 403 290 400 030 400 1174 70 0 第 9 次 80 009 700 001 7080 309 660 301 650 300 040 300 0575 40 0 第 10 次 90 009 800 000 0089 909 680 100 020 100 120 100 0275 90 0 测试结果表 对表中数据经行分析可得 倾角测试结果最大相对误差为 0 4 最大绝对误差为 0 4 度 X 轴测试结果最大误差约为 1 2 Y 轴测试结果最大误差约为 1 1 7 Z 轴测试结果最大误差约为 4 1 综上所述 倾角 X Y Z 轴四项指标都在 5 度精度范围内 符合要求 五 总结五 总结 本设计是一个借助了单片机控制技术 接口技术 电子技术等技术设计出 来的一个基于单片机 MSP430G2553 的超低功耗倾角测量仪 系统设计主要包括 倾角传感器的选取 升压模块的选取 稳压模块的选取 单片机的应用处理 段式液晶显示模块的软件设计及显示和控制系统的软件设计 在系统设计过程 中 查阅了大量的中英文资料以及厂家的技术资料手册 借助前人的成熟经验 经过长时间的设计 调试 完成了课题的设计 七 参考文献七 参考文献 1 沈建华 著 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机实践与系统设计 清华 大学