超低功耗倾角测量仪的设计制作

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2012年山东省大学生电子设计竞赛

超低功耗倾角测量仪设计

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超低功耗倾角测量仪设计

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：MSP430单片机；传感器；段式液晶显示；倾角测量

BMA150

一 、模块方案比较与选择

1、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、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50µ A(典型值)、省电模式<1µA、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、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、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、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、 理论分析与计算

1、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。

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： 根据公式tanθ=（X/ Z）

可以得到：θ= arctan (X/Z) 2、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230µA，BMA150为200µA，LCM0816为50µA，TPS54331为100µA，经计算总功耗电流约为I=580µA，又因为Q=CU=2200μF×25V，T=Q/I，所以T=(2200μF×25V)/ 580µA≈95s，可以达到要求中的60s.当电容选用100μF时， T=(100μF×25V)) / 580µA=4.3s,所以各模块应尽量选用省电模式，是持续时间延长。

三 、电路与程序设计

1、系统总体框图：

系统整体框图

2、电路设计图

电路稳压模块电路图

测量显示模块电路图

一级升压模块电路图

二级升压模块电路图

四 、测试方案与测试结果 1、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% 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

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

[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

大学出版社 2005.4

[2] 秦 龙 著 《MSP430单片机应用系统开发典型事例》 中国电力出版社

2005

[3] MSP430G2553用户手册

[4] 阎 石 著 《数字电子技术基础》（第四版）高等教育出版社 1998 [5] 邱关源 著《电路》（第五版）高等教育出版社

[6] 童诗白、华成英编 《模拟电子技术基础》（第三版） 高等教育出版社 2001

附录

系统电路图：