2012山东省电子设计大赛C题

C题 超低功耗倾角测量仪的设计制作

摘 要

倾角测量仪以TI公司的MSP430F2619为主控芯片，实现1.5V干电池为电容充电，再经降压电路得到稳定工作电源，采用MMA7260三轴重力加速度传感器，实现倾角和X、Y、Z三个方向的加速度测量，采用段码式液晶，完成4个数据显示。利用测量仪的校准按键和测试按键实现现场校准和测量，通过校准能达到较高的测量精度。测试按键用于开启测量电路，测量完成后显示器继续显示上次测量结果。在升降压电路中，采用高效率的TPS61040、TPS61070和TPS54231芯片，电路效率较高，功耗较低。倾角测量部分电路采用MMA7260三轴重力加速度传感器，重力加速度传感器采用3.0V低电压供电，其输出精度达到了竞赛要求，整机功耗极低，具有较高的精度，性价比较高，完成了竞赛题目的基本要求部分和发挥部分。

关键词： 倾角测量仪， 三轴重力加速度传感器，低功耗

abstract

Angle measuring instrument by TI company's MSP430F2619 for master control chip, using power very low segment code type liquid crystal display. Use of measurement instrument calibration key and test button realize field calibration and measurement, through

Angle measuring instrument is controled byTI's MSP430F2619 as main chip to achieve 1.5V, dry batteries for charging the capacitor. And then it uses a step-down circuit to get stable working power supply, using MMA7260 three axis accelerometer sensor, realizing the inclination and the X, Y, Z three direction acceleration measurement, using the code type liquid crystal to finish 4 data display. With the using of measuring instrument calibration and test key button field calibration and measurement, the calibration can achieve high precision. Test key is used to open the measuring circuit, then measured after completion of the display continues to display the last measurement results.

In the lifting pressure circuit, using high efficiency of TPS61040, TPS61070 and TPS54231 chip, the circuit can get higher efficiency, lower power consumption. Angle measuring circuit uses the MMA7260 three axis accelerometer sensor, acceleration of gravity sensors can work with 3.0V low voltage power supply, the accuracy of its output can reach the match requirements, the very low power consumption can get high precision, high cost , completing the competition ,the basic requirements of the subject part and the playing part.

Key words: angle measuring instrument, three axis accelerometer sensor, low power

本设计所采用的TI公司的芯片为：MSP430F2619（主控芯片） 、 TPS61070DDCR（开关电源）、TPS61040DDCT（开关电源）、 TPS54231（开

关电源） 共计4种。 本文分四部分对本设计进行了阐述。第一部分介绍了系统整体方案的选择，提出了系统的整体结构及设计思路。第二部分为理论分析与计算，第三部分为系统硬件及程序设计，对倾角重力加速度传感器、升压、降压开关电源模块、倾角测量仪模块、显示模块以及软件设计框图分别做了说明。第四部分为系统测试与结果分析。

第一部分 系统方案

1.1系统结构

根据竞赛题目要求，本系统由升压电源、降压电源、控制器、重力加速度传感器和段码液晶显示等模块组成。系统结构图如图1所示：

图1 系统结构图 1．2方案比较与选择 1.2.1控制器模块

方案一：采用ST公司的ST89C52作为控制核心 ，8位单片机，功耗大，需要外置AD，很难达到题目要求。

方案二：采用STM32103VE作为控制核心，32位单片机，集成度高，资源丰富，且内置AD，但是价格比较高。

方案三：采用MSP430F2619作为控制核心,16位单片机，低功耗，且内置AD，能满足题目要求，而且价格比较便宜。

方案二与方案三功耗相差不大，但方案三在资源的有效利用，性价比方面，具有明显优势，因此采取方案三。

1.2.2直流升压电路

方案一：采用三极管自制升压电路，虽然该种电路简单、成本低，但转换效率较低、电池电压利用率低、输出功率小。

方案二：开关电源降压，采用TPS61070、TPS61040芯片，功耗小、效率高、体积小、重量轻 。

方案三：利用555定时器制作升压电路，但其功耗较大。

基于集成芯片的电源电路具有输出稳定、调试方便的优点。综合考虑，我们采用方案二。

1.2.3倾角测量模块

方案一：差动式电容传感器对于环境干扰，电磁吸引力、静电引力有一定的补偿作用；

方案二：MMA7260三轴加速度传感器，它具有低功耗，灵敏度可选，稳定性较高等特点；

方案三：陀螺仪，也能实现倾角测量，但测量不是很准确。误差比较大。 考虑低功耗等因素，我们采用方案二。

1.2.4直流降压电路

方案一：采用LDO线性稳压器但由于输入输出电压压差太大，耗在LDO上能量太大，效率不高；

方案二：开关电源降压，采用TPS5423芯片，其效率高； 方案三：采用稳压管，但其稳压值不稳定。 综合考虑，我们采取方案二。

1.2.5显示模块

方案一：采用TFT液晶显示屏、高速度、高亮度、高对比度，但是其功耗大。 方案二：采用HT1621D驱动的段码液晶主要是极低功耗，驱动成本低，操作简单。

方案三：采用数码管显示，由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，易受温度影响。

综合考虑，因此方案二更具优势。

第二部分 理论分析与计算

2.1倾角的计算方法

1、单轴测量：

对于三轴重力加速度传感器，只使用它的一个轴的轴向分量时，当它的轴向分量与重力加速度方向一致时，假如此时为零倾斜角度，设加速度传感器测量结果为F()，为倾斜角度，g为重力加速度，如图l所示。

F()gcos （1）

 （2） 对F()求导得： dF/dgsin

当0是：

0 （3） limdF/dglimsin

0

0

所以当倾斜角θ太小时，测量的分辨率就会太小，当角度足够大时精度才会上升，所以在本设计中不适于用此方法。

而采用MMA7260三轴加速度传感器三个轴向分量来测量角度，利用其X,Y,Z三个方向的数值计算出要测倾斜角，可以克服当倾斜角θ太小，测量的分辨率就会太小的问题（原理跟一轴加速度类似），能使倾角测量仪的灵敏度更高，精度更好。MMA7260理论基准电压为1.65V， 传感器选择量程2g，灵敏度800mv/g，所以三轴对应的加速度(m/s2)分别为

g_x(x_v-1.65)/0.8*9.8g_y(y_v-1.65)/0.8*9.8g_z(z_v-1.65)/0.8*9.8

（其中x_v,y_v, z_v分别为X,Y,Z轴的输出电压）, g_x, g_y, g_z为重力加速度g在X、Y、Z轴三个轴上的轴向分量，重力加速度g的模的大小为：

g

g_x

2

g_y

2

g_z

2

2

设Z轴方向与重力方向的夹角为θ，则

cosg_z/

g_x

2

g_y

2

g_z

，

所以有

arcos[g_z/abc

2

2

2

即倾角的计算结果。

2.2理论功耗分析

1.降压电路功耗分析

降压模块采用TPS54231芯片，可以提高电容能量的利用率，

2.重力加速度传感器模块功耗分析

本设计采用MMA7260三轴重力加速度传感器作为角度测量传感器，具有测量精度高、功耗低的优点。工作电压3.0V最大工作电流为500uA，系统可以控制传感器的开启和关闭，以达到降低功耗的目的。

3. 主控模块功耗分析

MSP430本身就有功耗低的优点，其待机工作电流仅为1.2mA，加载ADC采集功能工作电流为7mA，

4. 显示模块功耗分析

单个液晶显示工作电流为300uA。四个液晶，功耗仍较低。

3.1电路设计

3.1.2 升压开关电源电路

图2 MSP430最小系统

在图3电路中元件参数分别为R1R2*(Vo/500mV

第三部分 电路及程序设计

-1)，由于本电路中

R2

其余均采用芯片手册典型电路给定值L1=33uH,C2=C3=10uF，C1=6pF，该电路讲电压从5V升至25V。

3.1.1 MSP430最小系统

系统采用MSP430作为主控芯片，其内部集成一个12位的AD转换器，其IO端口中的PE0,PE1,PE2,PE3,作为三轴加速度传感器数据输出端，PE4,PE5,PE6作为段码液晶显示接口，其原理图如下图二所示。

采用110KΩ，经计算R1的值为1MΩ，而C1C23 p F*(200 k/R2-1)10uF，

如图4电路，因为Vo1.233V*(1R1/R2)25V所以取R1=11MΩ, R2=51KΩ。

其余均采用芯片手册典型电路给定值L1=4.7uH。该电路讲电压从1.5V升至5V。

图3 1.5V升5V开关电源

图4 5V升25V开关电源

所以取R1=10K,R2=3K（可调电阻）, 其余均采用芯片手册典型电路给定值C1=C6=0.01uf，C2=C3=C9=47uF，C4=C5=4.7uF,C7=1000pF，C8=0.015uFL1=15uH， R3=332K,R4=68.1K,R5=29.4K。

图5 降压开关电路

3.1.4 MMA7260三轴加速度传感器电路

如图6所示，为三轴加速度传感器电路，X,Y,Z接至控制器的AD转换器引脚，进行电压采集，为避免干扰接线应尽可能短。

3.1.3 降压开关电源电路

如图5所示，降压开关电源电路采用TPS54231芯片，该电路的主要作用是

将25V电压降压至3.0V，其基准电压Vref=0.8V，因为R2R1*V ref/(Vo-V ref),

3.1.5显示模块电路

显示模块的驱动芯片HT1621，其为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，HT1621还有一个节电命令用于降低系统功耗。

3.2 程序结构与设计

图6 MMA7260三轴加速度传感器电路

图7 显示模块电路

系统软件部分主要实现的是MSP430单片机外围设备的初始化、AD采样后数据的进一步处理及显示。此外通过合适的程序设计，达到低功耗的设计要求。软件流程图如下所示：

第四部分 测试方案与测试结果

4.1测试方案

1.利用附录图二所示的自制仪器进行角度验证，倾角测试仪自带水准泡，调平后设定不同角度利用倾角仪进行测量，测量结果如表1所示；

2.利用秒表对电容放电时间进行测量，基础部分测量结果如表2所示，发挥部分如表4所示；

3.X,Y,Z方向的加速度分量，结果显示在液晶上，测量结果如表3所示。

4.2 测试结果及分析

(1).利用自制仪器进行角度验证，测量结果如下表：

精度±1度。根据测量结果绘出 实测值--理论值 曲线如下图所示：

(2).利用2200uF电解电容给测量仪供电，供电时间测量，结果如下表：

60s,满足设计要求。

(3).轴向加速度分量测量结果如下表所示：

±5%，也满足要求。

(4).100uF电解电容给测试仪器供电，供电时间测量，结果如下表：

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参考文献

[1] 谭博学.集成电路原理及应用（第2版. 电子工业出版社

[2] 苗汇静. 集成原理与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2008

[3] 戴加满，基于三轴加速度传感器的手指运动参数检测，生物医学电子与信息技术，2009

[4] 王嘉力, 姜力, 刘宏基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正.仪器仪表学报, 2008年2月

[5] 魏小龙. MSP430系列单片机接口及系统设计实例[M]. 北京：北京航空航天大学出版社

[6]杜宝祯,吴志荣,陈光绒, MMA7361L的高精度角度检测平台设计, 新器件新技术,2012.4

附录

图1.最终效果图

图2.自制角度仪

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3.部分代码

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