超低功耗倾角测量仪的设计制作(C题)

超低功耗倾角测量仪的设计制作(C题)

编号：010C034

摘要：

本题需要制作有尺寸要求的超低功耗倾角测量仪，我们队决定采用TI提供的MSP430G2553单片机。我们分别制作、调试了加速度传感器模块、液晶显示模块、430最小系统板、按键组合并用10cm*7cm万用板整合为角度测量仪。为了完成本题电源的发挥部分，我们队焊制了升压、降压、稳压电路完成可拆卸的干电池为电容充电至25V的充电装置。

一、系统方案论证

本题要求设计并制作一个超低功耗倾角测量仪。根据题目要求，测角仪主要稳压模块、升压模块、显示模块、传感器模块、微处理器模块组成，下面分别论证这几个模块的设计方案和系统的总体方案。1.加速度传感器模块的方案比较与选择

方案一：使用MMA7260制作的三轴加速度传感器，该传感器可以检测来自相对于芯片本身的三个空间轴的加速度，并输出加速度成比例关系的模拟电压，动态响应比较快，功耗低。但是需要进行部分信号调理和AD转化。

方案二：使用ADXL345数字式三轴加速度传感器，该传感同样可以检测三个轴向的加速度，并且自身含信号的调理与AD转化，还可以设定零点漂移值，与单片机的串行接口可以只使用2条IO，使得主控机的负荷大大降低，传感器可以工作在超低功耗模式，其最大13位的全分辨率足以满足题目中对1度测量分辨的要求。

对比讨论：题目最大要求是系统低功耗，考虑到MMA7260要使用AD调理部分，使用起来的总功耗会超过ADXL345，还有为了方便单片机进行在数据采集和低功耗模式下的切换，我们决定使用ADXL345。

综上考虑，本设计选择了方案二。2.液晶显示模块的方案比较与选择

方案一：使用LCD1602，1602可以显示数字与各种标准字符，可以满足显示信息的要求，但是它的驱动电流相对还是比较大，在电容供电的系统中显然不能使用。

方案二：使用HT1621驱动的段式数码管液晶，HT1621是128点内存映象和多功能的LCD驱动器，HT1621的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合包括LCD模块和显示子系统用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条，关键是他们的功耗很低，和适合使用在手持式的测量设备中。综上考虑，本设计选择了方案二

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3.充电装置设计的方案比较与选择

方案一：使用三极管和RC搭建的震荡升压电路，该电路相对比较简单，所需要的外围器件很普通，但是实际搭建出来之后其实际的升压幅值有限制，在V的输入条件下不能满足输出高达25V的要求。

方案二：使用TI提供的DC—DC稳压芯片TPS61040，可以将电压从到6V直接升到25V以上，不能满足题目要求的升压，采用二级驱动，需要考虑阻抗匹配及带载能力，电路复杂。

方案三：使用LC振荡产生交流电压，再通过线圈升压，然后整流，得到可以进行充电的合适电路，此电路结构简单，易于实现。

根据试验测定，方案三可以较好的完成工艺要求，达到符合要求的充电效果，所以我们采用了方案三。

4.电源装置设计的方案比较与选择

方案一：通过TI公司提供的LP2950芯片，能很好的实现降压功能，电压调节范围宽，得到准确的供电电压。但是属于线性电源，效率不高，功耗不是很低。

方案二：通过TI公司提供的TPS54331芯片，是一款能很好的完成降压功能，功耗很低的开关电源芯片。但是片内滤波电容很多，大于题目要求的20uF。根据商议比较，我们选择了方案二，但是根据datasheet和实际比较，将外围电路的电容进行了调整，得到了符合题目要求的方案。5.系统的总体方案

根据系统设计要求和各功能模块的方案选择，本系统的总体设计方案原理框图如图1所示。

按键TPS54331开关稳压MSP430G2553最小系统HT1621B液晶显示ADXL345传感器图1总体设计方案原理框图

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二、系统理论分析与计算

1.理论功耗分析

倾角测量仪的功耗分别来自以下几个部分：

1）开关型稳压芯片TPS54331，它的电压转化效率高，在7V输入电压可以稳定输出期望电压值。

2)MSP430单片机的耗电情况与其工作模式成正比关系，用因为整个测量装置几乎全程都工作在LPM3的条件之下，在次模式下，单片机部分的耗电电流为左右。

3)ADXL345加速度传感器，我们在每次采样的时候会唤醒，一旦读取完数据便将它重新设定回超低功耗的睡眠模式，根据数据手册它在睡眠模式下的电流消耗为，整体推算起来它的平均消耗不会超过1uA。

4)液晶显示模块，HT1621B在使用片内振荡器的情况下，加上段式液晶的耗电流，根据数据手册其消耗电流为150uA左右。2.传感器表面与水平面夹角

使用ADXL345测量夹角时，传感器与测量平面的位置很重要，因为该传感器是测量加速度的，通过在静止时一个轴上所受的受重力加速度分量，可以计算出该轴与重力加速度方向的夹角，从而求得与水平面的夹角。具体实现如下：我们将传感器正面朝上放置在平面上，此时的x，y轴受力会随着测角仪在平面上的旋转而改变，但是z轴不会随着改变，所以在这种放置条件下，使用z轴的测量数据是最可靠的。公式如下：

arccosData(z)*kg

但是，器件的线性度没有那么理想，在实际的应用之中我们分段对该关系进行了

补偿，还进入了平均值滤波，确保测量倾角的精确度。

三、电路设计分析

1.系统板电路设计

我们使用的最初系统板是TI的launchpad，但是系统板上一些没有用到的下载调试等部分电路会在本题中造成不比较的功率损耗，所以我们使用其最简单的模式，整个MSP430G2553的外围只有一个接至VCC的48K上拉电阻和REST引脚相连，系统的时钟源全部使用内部振荡器，一保证其最低功耗的运行，其电路原理图见附录附图1MSP430最小系统原理图。2.液晶模块电路设计

为了系统可也在更低的功耗下运行，液晶模块我们选用HT1621B驱动的段式液晶，HT1621B是128点内存映象和多功能的LCD驱动器HT1621B的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合。

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3.降压电路设计

电容放电过程中，对降压电路的耗能要求是很高的，不能有过多的漏电流和电路损耗。我们将TPS54331芯片电路中的电感换成了自己绕制的环形磁芯电感，在高频下的损耗会降低。将原来电路中的两个47uF电容换成小于15uF的电容，然后控制LC乘积，得到合适电感。我们所使用的的电路见附录附图2TPS54331稳压电路。4.升压电路设计

在升压电路中，对于合适的线圈匝数比的选取是十分重要的，为了得到合适的匝数比，我们专门制作实验板，更改匝数，得到合适的比例。使用LC振荡产生交流电压，再通过线圈升压，然后整流，得到可以进行充电的合适电路，此电路结构简单，易于实现。通过滑阻可以将输出电压进行调节，二极管正负滤波都可，但是经试验测定一边的电压值更高一些。电路图见图2升压电路。

图2升压电路

四、软件设计

1.系统最关键的要求是低功耗，为此我们使用了以下措施：

只在5S测量的时候才进行一次采样值,在其他时刻将单片机设定为睡眠模式；

在单片机与外围液晶和ADXL345的通讯中，每次的读写操作之后都先将IO设定为输入，这样外围器件与单片机间的功率损耗会将低；

按键测量的中断设定为上跳沿，在不进行按键操作的时候，VCC与单片的IO是完全断开的；

对测量精度的设计。我们使用的ADXL345是三轴的加速度传感器，所以在测量角度的时候难免会受到一些机械震荡的影响而产生一些微小的非线性。对此我们采取以下措施：

在测量显示函数中分区段对输出的测量值进行了补偿；

在一次测量中进行多次采样，通过滤波使得输出测量角度的精度进一步提高；

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2.程序框图如图3系统软件流程图

开始系统初始化while{深度睡眠模式；//等待中断唤醒}否按键是否按下判读键值ABC手动测量自动测量显示信息切换刷新显示

图3系统软件流程图

五、测试方案与测试结果

测试方法与仪器

1.测试仪器

量角器，示波器，电压表，计时器2.测试方法

(1)使用稳压电源给测量仪供电，将测量仪分别放于不同的倾斜平面上，测量平面的倾角并记录数据。

(2)使用电源箱将2200uf，35V的电容充到25V，然后连接在TPS54331的开关稳压电源。在电容输出端加载测量仪，进行计时测量，一旦输出电压低于停止计时，测量系统性能，记录并整理数据(3)将电容换做100uf，重复第2步的操作。

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测试结果及分析

1.测试结果

表1时间测量表

2200uF电容第一次2'01''第二次2'03''

表2角度加速度测量表

X轴重力加速度分量gY轴重力加速度分量gZ轴重力加速度分量g斜面角度°°°45°/s2/s2/s2/s2/s2/s2/s2/s2第三次2'00''均值2'01''第一次/s2第二次/s2第三次/s2实际/s2

表3测量仪模型其他参数

测量仪长度测量仪宽度测量仪高度测量精确度±1°/±3%显示分辨率°2.测试结果分析与结论

根据上述测试结果，可得以下结论

2500uF电容供电时间长于60s，符合。

精度达到要求，角度在±1度内，加速度在±5%内。可以给电容充电。

综上所述，本设计达到基本要求的、、和发挥部分的、、要求。

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参考资料:

1.王济浩.模拟电子技术基础.济南.山东科技出版社.20XX

2.黄争.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南.上海.德州仪器半导体技术有限公司大学计划部.20XX数据手册.MSP430_G2553(X2XXUserGuide)

4.魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京航空航天大学出版社.20XX

5.谭浩强.C语言设计.C程序设计(第三版)清华大学出版社

附录：

附图最小系统原理图

MSP430最小系统原理图

附图稳压电路

TPS54331稳压电路

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附图加速度传感器

ADXL345加速度传感器

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编号：010C034

摘要：

本题需要制作有尺寸要求的超低功耗倾角测量仪，我们队决定采用TI提供的MSP430G2553单片机。我们分别制作、调试了加速度传感器模块、液晶显示模块、430最小系统板、按键组合并用10cm*7cm万用板整合为角度测量仪。为了完成本题电源的发挥部分，我们队焊制了升压、降压、稳压电路完成可拆卸的干电池为电容充电至25V的充电装置。

一、系统方案论证

本题要求设计并制作一个超低功耗倾角测量仪。根据题目要求，测角仪主要稳压模块、升压模块、显示模块、传感器模块、微处理器模块组成，下面分别论证这几个模块的设计方案和系统的总体方案。1.加速度传感器模块的方案比较与选择

方案一：使用MMA7260制作的三轴加速度传感器，该传感器可以检测来自相对于芯片本身的三个空间轴的加速度，并输出加速度成比例关系的模拟电压，动态响应比较快，功耗低。但是需要进行部分信号调理和AD转化。

方案二：使用ADXL345数字式三轴加速度传感器，该传感同样可以检测三个轴向的加速度，并且自身含信号的调理与AD转化，还可以设定零点漂移值，与单片机的串行接口可以只使用2条IO，使得主控机的负荷大大降低，传感器可以工作在超低功耗模式，其最大13位的全分辨率足以满足题目中对1度测量分辨的要求。

对比讨论：题目最大要求是系统低功耗，考虑到MMA7260要使用AD调理部分，使用起来的总功耗会超过ADXL345，还有为了方便单片机进行在数据采集和低功耗模式下的切换，我们决定使用ADXL345。

综上考虑，本设计选择了方案二。2.液晶显示模块的方案比较与选择

方案一：使用LCD1602，1602可以显示数字与各种标准字符，可以满足显示信息的要求，但是它的驱动电流相对还是比较大，在电容供电的系统中显然不能使用。

方案二：使用HT1621驱动的段式数码管液晶，HT1621是128点内存映象和多功能的LCD驱动器，HT1621的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合包括LCD模块和显示子系统用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条，关键是他们的功耗很低，和适合使用在手持式的测量设备中。综上考虑，本设计选择了方案二

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3.充电装置设计的方案比较与选择

方案一：使用三极管和RC搭建的震荡升压电路，该电路相对比较简单，所需要的外围器件很普通，但是实际搭建出来之后其实际的升压幅值有限制，在V的输入条件下不能满足输出高达25V的要求。

方案二：使用TI提供的DC—DC稳压芯片TPS61040，可以将电压从到6V直接升到25V以上，不能满足题目要求的升压，采用二级驱动，需要考虑阻抗匹配及带载能力，电路复杂。

方案三：使用LC振荡产生交流电压，再通过线圈升压，然后整流，得到可以进行充电的合适电路，此电路结构简单，易于实现。

根据试验测定，方案三可以较好的完成工艺要求，达到符合要求的充电效果，所以我们采用了方案三。

4.电源装置设计的方案比较与选择

方案一：通过TI公司提供的LP2950芯片，能很好的实现降压功能，电压调节范围宽，得到准确的供电电压。但是属于线性电源，效率不高，功耗不是很低。

方案二：通过TI公司提供的TPS54331芯片，是一款能很好的完成降压功能，功耗很低的开关电源芯片。但是片内滤波电容很多，大于题目要求的20uF。根据商议比较，我们选择了方案二，但是根据datasheet和实际比较，将外围电路的电容进行了调整，得到了符合题目要求的方案。5.系统的总体方案

根据系统设计要求和各功能模块的方案选择，本系统的总体设计方案原理框图如图1所示。

按键TPS54331开关稳压MSP430G2553最小系统HT1621B液晶显示ADXL345传感器图1总体设计方案原理框图

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二、系统理论分析与计算

1.理论功耗分析

倾角测量仪的功耗分别来自以下几个部分：

1）开关型稳压芯片TPS54331，它的电压转化效率高，在7V输入电压可以稳定输出期望电压值。

2)MSP430单片机的耗电情况与其工作模式成正比关系，用因为整个测量装置几乎全程都工作在LPM3的条件之下，在次模式下，单片机部分的耗电电流为左右。

3)ADXL345加速度传感器，我们在每次采样的时候会唤醒，一旦读取完数据便将它重新设定回超低功耗的睡眠模式，根据数据手册它在睡眠模式下的电流消耗为，整体推算起来它的平均消耗不会超过1uA。

4)液晶显示模块，HT1621B在使用片内振荡器的情况下，加上段式液晶的耗电流，根据数据手册其消耗电流为150uA左右。2.传感器表面与水平面夹角

使用ADXL345测量夹角时，传感器与测量平面的位置很重要，因为该传感器是测量加速度的，通过在静止时一个轴上所受的受重力加速度分量，可以计算出该轴与重力加速度方向的夹角，从而求得与水平面的夹角。具体实现如下：我们将传感器正面朝上放置在平面上，此时的x，y轴受力会随着测角仪在平面上的旋转而改变，但是z轴不会随着改变，所以在这种放置条件下，使用z轴的测量数据是最可靠的。公式如下：

arccosData(z)*kg

但是，器件的线性度没有那么理想，在实际的应用之中我们分段对该关系进行了

补偿，还进入了平均值滤波，确保测量倾角的精确度。

三、电路设计分析

1.系统板电路设计

我们使用的最初系统板是TI的launchpad，但是系统板上一些没有用到的下载调试等部分电路会在本题中造成不比较的功率损耗，所以我们使用其最简单的模式，整个MSP430G2553的外围只有一个接至VCC的48K上拉电阻和REST引脚相连，系统的时钟源全部使用内部振荡器，一保证其最低功耗的运行，其电路原理图见附录附图1MSP430最小系统原理图。2.液晶模块电路设计

为了系统可也在更低的功耗下运行，液晶模块我们选用HT1621B驱动的段式液晶，HT1621B是128点内存映象和多功能的LCD驱动器HT1621B的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合。

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3.降压电路设计

电容放电过程中，对降压电路的耗能要求是很高的，不能有过多的漏电流和电路损耗。我们将TPS54331芯片电路中的电感换成了自己绕制的环形磁芯电感，在高频下的损耗会降低。将原来电路中的两个47uF电容换成小于15uF的电容，然后控制LC乘积，得到合适电感。我们所使用的的电路见附录附图2TPS54331稳压电路。4.升压电路设计

在升压电路中，对于合适的线圈匝数比的选取是十分重要的，为了得到合适的匝数比，我们专门制作实验板，更改匝数，得到合适的比例。使用