超低功耗倾角测量仪的设计制作.doc

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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；BMA150传感器；段式液晶显示；倾角测量
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50µA(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5.5V到36V，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HYPERLINK"http://szxtrd.b2b.hc360.com/supply/128930462.html"\l"#"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HYPERLINK"http://szxtrd.b2b.hc360.com/supply/128930462.html"\l"#"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。
θ
X
Y
Z
g

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：单片机最小系统MPS430G2553
显示电路
倾角测量
键盘
大容量电解