超低功耗倾角测量仪设计制作(c题)

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1、编号：010C034超低功耗倾角测量仪的设计制作(C题)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1.5V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，测角仪主要由稳压模块、升压模块、显示

2、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

3、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

4、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，本设计选择了方案二-8-3.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1.5V的

5、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1.8到6V直接升到25V以上，不能满足题目要求的1.5V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，

6、能很好的实现降压功能，电压调节范围宽，得到准确的3.3V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。图1总体设计方案原理框图-8-

7、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0.9uA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0.1uA，整体推算起来它的

8、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