超低功耗倾角测量仪省赛一等奖论文

超低功耗倾角测量仪摘要本设计采用MSP430系列的MSP430FE427A单片机为核心，以储有电能的电解电容作为电源，通过ADI公司提供的三轴加速传感器ADXL345测量角度，设计了一种基于ADXL345的低功耗倾角测量仪。

1.5V升压充电装置选用SOT—23封装的微功率升压型DC/DC转换器LT1615芯片，可将电容充至25V。

充电后的电容采用TI公司微功耗降压芯片TPS54040进行降压、稳压处理,最后给低功耗倾角测量仪供电。

显示部分用48段段码液晶，切换显示测量倾角和X、Y、Z方向重力加速度分量等信息。

经实际测试2200uF电容充电25V可供系统正常工作200秒以上，100uF电容充电25V可供系统正常工作10秒以上，测角精度可达到0.1度，误差控制在±2%，段码液晶切换显示灵敏度高，显示信息完整。

通过硬件设计和软件编程，实现了倾角测量仪的测角功能和低功耗的特性，达到了系统的基本要求并完成了发挥部分。

关键词: MSP430 段码液晶 ADXL345一、方案的设计与论证本设计包括电源管理、超低功耗、传感器显示设备。

MCU是产生功耗的主要部分，选择合适的设备，是本设计成功的关键之一，现就以上四部分逐一说明：1、电容充电装置方案选择方案一：Boost电路升压。

如图1所示为电感型DC/DC转换电路，闭合开关后会引起通过电感的电流增加，打开开关会促使电流通过二极管流向输出电容。

因此储存来自电感的电能，多个开关周期以后输出电容的电压增高，调节PWM信号的占空比可以使输出电压高于输入电压。

图1 boost 升压电路方案二：DC/DC变换器升压。

LT1615是专为具有350mA电流限制和1.2V-15V 输入电压范围的较高功率系统而设计。

在空载时，静态电流为20μA，在停机时进一步减为0.5μA。

采用单触发脉冲方式而不使用昂贵的变压器，可使电压峰值达36V,经电容器形成高电压输出,直流电压叠加在输入电压上可高达34V。

LT1615芯片的脉冲关断时间为400ns,导通时间可自动微调,允许使用极微小的电感和电容器,从而大幅度降低贴片元件的体积和应用电路所需费用。

综上所述：充电装置要求使用1.5V干电池供电，boost电路开关管需外加控制，升压到25V对开关管要求高。

方案二转换效率高，易于实现。

故选择方案二。

2、降压电路方案选择方案一:选择降压电路（如图2所示）。

也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。

Q为开关管导通时，此时，电源经电感线圈向负载供电，同时，电感线圈贮存能量。

Q截止时此时，电源脱离电路，电感线圈向负载供电，释放贮存的能量。

图2 buck降压电路方案二： TI公司生产的TPS61070芯片，输入电压范围为0.9V～5.5V。

正常使用时静态功耗不可忽略。

方案三：选择用DC/DC转换器。

TI公司生产的降压芯片TPS54040输入电压范围为3.50～42V，工作模式的电流为116uA，关闭模式的电流为1.3uA。

综上所述：方案一效率低，微功耗开关管不易购买，肖特基二极管功耗太大，必须采用分立元件构成同步整流才能降低功耗，实现复杂。

方案二静态功耗太大，输入电压范围无法达到设计要求。

方案三既能将25V降到所需要的3.3V，又能利用其微功耗特性，提高系统整体节能效率。

实测表明：方案三既能满足降压要求，又符合本设计低功耗的特性,故选择方案三。

3、MCU主控芯片选择方案一：选择非超低功耗设计的常用单片机。

如51单片机或stm32单片机，此类单片机本身功耗就比较高，另外驱动显示模块功耗更高。

本设计主要难点就是节电，要实现低功耗，不能使用常用单片机。

方案二：MSP430G2XXX单片机本身能够达到低功耗要求，但是不集成段码液晶控制器，加液晶控制器后，整体功耗提高，无法满足低功耗要求。

方案三：选择16位超低功耗控制器MSP430FE427A。

系统本身具有超低功耗特性，且集成段码液晶控制器，配合段码液晶不会增加系统功耗。

综上所述：考虑到题目要求的超低功耗，对比多款单片机可以发现TI公司带LCD驱动的的MSP430FE427A的超低功耗单片机是非常适合的。

所以我们选择方案三。

4、三轴加速度传感器选择方案一: 选择飞思卡尔MMA7260三轴加速度传感器。

MMA7260是一款低成本电容式加速度传感器，自带模块多，导致正常工作时系统功耗太大，不能满足低功耗要求。

方案二：选择ADXL345三轴加速度传感器。

ADXL345 是一款超低功耗的三轴数字加速度传感器,可以用于测量动态加速度和静态加速度, 其量程范围可设定为2/4/8/16g,在静态重力加速度测量中可提供高达4 mg/LSB 分辨率, 可在倾斜感测应用中能够分辨0.25度的倾角变化。

此外, ADXL345 内部具有专门的电源管理模块, 可有效的控制系统的功耗,测量模式下低达23μA, 空闲模式下低至0.1μA。

综上所述：方案一虽然能够满足测量要求，但是不能实现低功耗。

方案二既能满足倾角测量精度要求，本身自带电源管理模块，在高频和低频工作模式切换下能实现低功耗要求，故选择方案二。

5、显示模块方案选择方案一：采用液晶12864显示，是一种图形点阵液晶显示器。

它主要采用动态驱动原理由行驱动控制器和列驱动器两部分组成了128列*64行的全点阵液晶显示。

工作电压为5V+/-10%,在不开背光的情况下功耗为4mA左右。

优点是显示内容丰富，缺点是功耗高。

方案二:采用48段段码液晶显示。

这种液晶的特点就是超低功耗，电流只有纳安到微安级别，一般计算器，万用表上的数据显示都采用段码液晶。

考虑到MSP430FE427A集成段码液晶控制器，在LCD工作时造成的系统耗电仅为30～50uA，非常适合低功耗领域的应用。

缺点是显示内容有限。

综上所述：两种方案都能满足显示分辨达到0.1的要求，但在功耗上，液晶12864即使是在关掉背光的情况下的功耗仍然高于段式液晶显示。

而段码液晶虽然显示内容有限，但是可通过循环显示解决内容不全问题，故选择方案二。

二、系统总体框图在实际制作过程中，我们充分考虑了超低功耗的设计要求，综合各方面考虑，选择以MSP430FE427A 作为主控MCU ，使用自制充电装置提供充电电源，采用电源管理模块来提高效率，采用48段LCD 做显示，使用三轴加速度传感器ADXL345测量倾角。

图3 系统结构框图 三、理论分析与计算1、三轴加速度测量原理硬件电路采用三轴加速度传感器ADXL345 检测X 、Y 、Z 三轴上加速度的变化, 然后通过计算得到与水平方向的倾角。

ADXL345可在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，其分辨率高(3.9mg/LSB)，能够测量不到1度的倾角变化。

X 、Y 、Z 轴加速度数据分别位与0x32～0x37寄存器中，低位低字节，六字节连续输出。

经分析，可以输出任意一轴当前静态重力加速度分量，然后可以由X 轴加速度分量来算俯仰角；Y 轴加速度分量算横滚角。

实际测量计算由MCU 通过程序实现，设定三轴加速度传感器ADXL345水平放置时为初始状态。

然后测试中由MCU 判断X 轴加速度分量的与初始状态的关系。

不同关系下倾角可为)180(*)arctan( Z XG G 或其余角。

2、理论功耗分析本设计中，功耗主要由MCU 工作耗电，ADXL345模块耗电，LCD 模块耗电三部分组成。

分别有节能与正常两种工作模式。

测试条件：工作电压 为3.3V 。

其理论值工作电流如图4所示：12345主要耗能模块耗电电流/u A图4 理论耗电统计图 图中1代表MCU 低功耗LPM3模式耗电电流，2代表MCU 正常工作模式耗电电流，3代表LCD 正常工作模式耗电电流，4代表ADXL345正常工作模式(400Hz 数据输出速率)耗电电流，5代表ADXL345休眠模式(400Hz 数据输出速率)耗电电流。

由垂直条形图可知在低功耗模式下，系统耗电大约为140uA ，正常工作模式下，系统耗电大约为250uA 。

为了降低功耗，各模块极大多数时间工作在低功耗模式，按每5s 唤醒1次MCU ，平均耗电电流可以近似为140uA/s 。

因此功率约为0. 00014A*3.3V ≈0.00046W ；理论上2200μF 、25V 电容经3.3V 稳压电路后以140uA 放电电流放电，根据电荷守恒定律可得：系统消耗的电荷量T I ⨯=； （1）电容提供的电荷量5.232200)(01⨯=-⨯=U U C （2）考虑系统电源管理模块的功率消耗，电容供电时间应小于由（1）、（2）计算的时间：s I U C T 9.362/=⨯= （3）故理论条件下，2200μF 、25V 电源可供单片机工作三百秒左右。

四、电路与程序设计1、硬件电路（1）干电池电容充电电路设计电容充电装置由DC/DC 转换器LT1615构成(如图5所示)，其各元件参数有公式决定：OFF LIM O MIN IN OUT T L VV V L *)(+-=实测得肖特基二极管电压D V 为0.4V,LLIM 为100mA 我们选取关短时间为400ns,作为电池供电电路，取最小的输入电压为1.4V ，可计算得出电感。

设计此模块电路时，充分考虑电容充电的实际要求，设计了电压检测模块，使充电电路在电容电压达到25V时，使充电电路切断，从而实现智能充电。

图5 电容充电装置（2）25V～3.3V的降压电路设计系统供电模块由TPS5040构成的降压稳压电路构成（如图6所示）。

TI公司生产的降压芯片TPS54040输入电压范围为3.50～42V，工作模式的电流为116uA，关闭模式的电流为1.3uA。

几乎不会影响系统功耗。

图6.25V～3.3V的降压电路2、程序框图低功耗程序流程图如图7，程序上电后就进入低功耗模式，通过按键操作控制LCD液晶显示测量角度和X、Y、Z方向重力加速度分量，按键一控制测量的角度页面显示，按键二切换显示种类，按键三定时唤醒，程序大部分时间处在低功耗模式，因此可以将功耗降到很低。

MCU唤醒后读取一次当前角度值，并且写入LCD显存，再进入低功耗，等待下次唤醒。

（程序流程图见附录一）五、测量方法与测试结果1、测量仪器直流稳压电源、数字万用表、单片机（MSP430FE427A）、气泡水平仪。

万用表：FLUKE数字万用表；负载：电阻1KΩ(±5%)，200Ω若干个。

2、测试主要方案（1）角测量仪精度测量：利用气泡水平仪测平后，将测量仪置于任意已知角度的斜面上，使用自制倾角测量仪测量倾角，然后与已知值做比较，并且多次改变倾角后重复测量记录，计算出误差，并说明精度是否达到要求。

测量结果见附录二表1所示。

（2）电容供电时间测试：将电容充满25V电压后，接入降压电路并且给单片机供电，记录单片机正常工作时间长度，多次测量并记录实验结果，并于理论值进行比较。