超低功耗傾角測量儀的設(shè)計(jì)

1.引言

本超低功耗傾角測量儀的設(shè)計(jì)中，使用了T I公司的M S P 4 3 0、T P S 6 1 0 7 0、TPS61040和TPS54331等器件和加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)了超低功耗高精度角度測量儀的制作。首先，我們使用MSP430單片機(jī)，此單片機(jī)不僅具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，而且具有超低功耗和間歇工作的優(yōu)勢。其在工作時(shí)工作電流只有200uA左右，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)其工作電流在1uA左右，較好的滿足了超低功耗和控制運(yùn)算的需求。在實(shí)際使用中，我們讓它工作在2.5V,省電模式下RAM數(shù)據(jù)保持在低功耗模式，消耗電流僅0.1μA.

其次， 設(shè)計(jì)中還使用了T I 公司的芯片TPS61070和TPS61040組成兩級(jí)BOOST升壓電路，相對(duì)于反激式升壓電路相比，該方案不但效率高，而且有利于降低電源損耗。

在選擇降壓電路方案中，使用了TI公司的TPS54331芯片組成BUCK降壓電路。當(dāng)25V將至2.5V時(shí)普通的線性降壓芯片效率只有10%,但是這塊芯片在輕載情況下效率也可達(dá)到30%以上，而且功耗低。此次設(shè)計(jì)中，主要使用TI的芯片，性能很好，對(duì)制作的實(shí)現(xiàn)起到了促進(jìn)作用。

2.方案設(shè)計(jì)與論證

本設(shè)計(jì)要求通過測量重力加速度進(jìn)行角度測量，并保證精度達(dá)到±1度以內(nèi)，用2200uF電容供電，在工作情況下能持續(xù)工作60秒以上，并用1.5V干電池給電容充電。

2.1 控制系統(tǒng)的比較與選擇

方案一：采用DSP,具有高精度，運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，但DSP功耗高，不滿足本設(shè)計(jì)低功耗要求。

方案二：采用ATML的12C5A16AD,這款單片機(jī)價(jià)格便宜，但是運(yùn)算速度比較慢，功耗大，不符合本設(shè)計(jì)的要求。

方案三：采用TI公司的MSP430單片機(jī)為控制系統(tǒng)。此單片機(jī)不僅具有運(yùn)算速度快的特點(diǎn)而且具有間歇工作的優(yōu)勢。在工作時(shí)其電流在200uA左右，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)其電流在1uA左右，較好的滿足了超低功耗的要求和控制運(yùn)算需求。

綜上論證選取方案三。

2.2 測角傳感器比較與選擇

方案一：MMA7455,它是10位精度三軸數(shù)字加速度傳感器，具有I2C,SPI通信接口，但是測量結(jié)果偏差較大，需要校正。

方案二：MMA8452加速度傳感器，此傳感器是一款智能、低功耗、三軸、電容式微機(jī)加速度傳感器，具有體積小，重量輕和豐富嵌入式的特點(diǎn)，可以減少整體功耗，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的超低功耗運(yùn)行。此傳感器具有12位高精度，偏差小，不需要校正的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠返回?cái)?shù)字信號(hào)，有利于信號(hào)采集與功能實(shí)現(xiàn)。

綜上論證選取方案二。

2.3 供電降壓電路選擇

方案一：用7805組成線性降壓電路。

選用7 8 0 5雖然能將電壓降到要求值，但是，7805的工作原理就是將額外的壓降加在了芯片上，當(dāng)電壓由25V降到5V時(shí)，7805會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，功耗很大，在超低功耗下很難工作。

方案二：用TPS54331芯片構(gòu)成開關(guān)型BUCK降壓電路。TI的TPS54331芯片集成了MOSFET與控制系統(tǒng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)25v到3.3v的穩(wěn)壓。用此芯片實(shí)現(xiàn)的開關(guān)型BUCK降壓電路功能，比功耗小，效率也高。

綜上論證選擇方案二。

2.4 充電升壓電路選擇

方案一：用反激擊式升壓電路，此電路雖然實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離，但是此方案工作效率低，功耗大，不利于1.5v蓄電池長期使用。且反激式電路需繞制高頻變壓器，占用空間較大，不利于使用。

方案二：用TI公司的芯片TPS61070和TPS61040組成兩級(jí)boost升壓電路，相對(duì)反激式升壓電路相比，該方案效率高，易于低功耗設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

綜上論證選擇方案二。

2.5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上方案選取我們的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為通過boost升壓電路，將1.5V電壓升到充電電壓25V給電容充電。用充好電的電容通過BUCK電路降壓對(duì)測量儀進(jìn)行供電，通過測試按鍵發(fā)出信號(hào)后測量儀進(jìn)行測量后顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1.

3.理論分析和計(jì)算

3.1 傾角的計(jì)算方法

低功耗單片機(jī)控制，通過MMA8452加速度傳感器將加速度在X、Y、Z軸上(芯片坐標(biāo)軸如圖2)的分量通過I2C通信傳到單片機(jī)里，根據(jù)幾何關(guān)系進(jìn)行角度計(jì)算后由HT1621驅(qū)動(dòng)的4位LCD角度顯示。顯示分辨率為0.1度，精度達(dá)±1V,測角范圍為0-90度。

從傾角傳感器輸出到單片機(jī)的是重力加速度的XYZ軸分量，通過以下公式計(jì)算出：設(shè)X軸與水平面仰角α度，將坐標(biāo)系投影到XZ平面，可得一平面坐標(biāo)系，由此可求得各軸上的靜態(tài)加速度值：

3.2 理論功耗分析

3.2.1 單片機(jī)功耗

MSP430此單片機(jī)不僅具有運(yùn)算速度快的特點(diǎn)而且具有間歇工作的優(yōu)勢，在工作時(shí)其電流在200uA左右，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)其電流在1uA左右，較好的滿足了超低功耗的要求和控制運(yùn)算需求。

我們選用的MSP430單片機(jī)在典型的200KHZ時(shí)鐘、2.5V電壓下工作時(shí)，僅消耗2.5μA,在1MHZ時(shí)鐘、2.5V電壓下工作時(shí)有250μA,在RAM數(shù)據(jù)保持在低功耗模式下消耗電流僅0.1μA.它具有5種工作模式，不同模式下消耗在0.1~400μA間，待機(jī)模式下消耗僅0.8μA.將CPU置為省電模式，可以大大減小能耗。

3.2.2 顯示器功耗

HT1621驅(qū)動(dòng)的段位顯示屏，此顯示屏雖然屏幕比較小，顯示內(nèi)容有限，但是此顯示屏可以在極低功耗下工作，外接32KHZ晶振，而不用內(nèi)置時(shí)鐘源，可以將工作電流控制在60μA以下。與普通的LCD顯示屏相比，此顯示屏不用背光，斷碼顯示，用I2C總線傳值，功耗更低。此顯示器驅(qū)動(dòng)芯片有間歇模式，處理完指令后可以進(jìn)入間歇模式，等待激活后繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。這樣可以大大降低功耗。

3.2.3 加速度傳感器功耗

我們用的MM8452加速度傳感器可以低功耗和正常兩種模式。

如圖3所示，此傳感器開啟后可以工作在喚醒和休眠2種模式下，當(dāng)可以設(shè)定工作時(shí)長，節(jié)省能耗。低功耗模式下工作電流僅為14μA,正常模式下工作電流為24μA.

3.2.4 供電電路功耗

用TPS54331芯片構(gòu)成開關(guān)型BUCK降壓電路。TI的TPS54331芯片集成了MOSFET與控制系統(tǒng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)25v到0.8-5v的穩(wěn)壓。用此芯片實(shí)現(xiàn)的開關(guān)型BUCK降壓電路功能，比線性電源功耗小，效率也高。

我們?yōu)榱诉M(jìn)一步降低功耗，將單片機(jī)供電調(diào)整到2.5V,可以使MSP430工作在極低功耗下。

4.電路與程序設(shè)計(jì)

4.1 電路設(shè)計(jì)

4.1.1 Buck降壓電路

由于電容電壓為25V,所以必須采用降壓電路將電壓降到2.5V后對(duì)電壓和加速度傳感器供電。為了減小功耗采用TI公司的的TPS54331芯片組成buck電路。此芯片組成的Buck電路最大極限是由28V降到0.8V,且該芯片穩(wěn)定性好，精度準(zhǔn)，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。Buck電路圖如圖4.

主要外圍器件參數(shù)計(jì)算：

4.1.2 充電裝置電路

用1.5V干電池對(duì)電容進(jìn)行充電，要求充電到2 5 V.所以要將1 . 5 V電壓經(jīng)過升壓電路升到2 5 V.我們采用T I公司的TPS61040和TPS61070芯片組成兩個(gè)Boost電路，分兩級(jí)將1.5V升到5V再生到25V.

TPS61040芯片最大升壓范圍是由1.8V到28V.TPS61070芯片最大的升壓范圍是由0.9V到5.5V.所以由單獨(dú)一片芯片不能制成由1.5V到25V的Boost升壓電路，故采用兩級(jí)升壓。這兩種芯片都具備穩(wěn)定好，精度高，功耗低等特點(diǎn)，對(duì)充電穩(wěn)定有重要意義。充電裝置電路圖如圖5-1.

TPS16070芯片將電池1.5V電壓升至5V,參數(shù)R1,R2及確定：根據(jù)芯片要求R2取180KΩ，R1=R2(Vo/VB-1)=180k*(5/0.5-1 ) = 1 . 6 2 MΩ，電容C2=3pF(200k/R2-1)=0.33pF.TPS61040芯片將上級(jí)輸出升至25V,通過調(diào)節(jié)電位器R5來調(diào)節(jié)輸出，其中輸出Vout=1.233(1+R4/R3)，通過調(diào)節(jié)R3與R4值可以改變輸出電壓。

4.1.3 加速度傳感器外圍電路

測試按鍵與單片機(jī)相連控制是否進(jìn)行測試，單片機(jī)與MMA8452加速度傳感器通過I2C通信，由單片機(jī)與顯示器連接進(jìn)行顯示，加速度傳感器外圍電路圖如圖6.

4.1.4 總體設(shè)計(jì)電路圖(如圖7、8)

4.2 程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

程序流程判斷圖如圖9所示。

系統(tǒng)供電后，單片機(jī)啟動(dòng)首先進(jìn)入休眠狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測是否有鍵按下，若無鍵按下，繼續(xù)等待;若有鍵按下則根據(jù)按鍵功能進(jìn)入測量狀態(tài)或模式轉(zhuǎn)換顯示，然后由液晶顯示新測量的數(shù)值，單片機(jī)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，繼續(xù)檢測是否有鍵按下。

5.測試方案和結(jié)果

5.1 測試方案

調(diào)整好水平臺(tái)，將斜坡放在水平臺(tái)上，將電容充好電后盡快的接入測量儀中，然后調(diào)整斜坡進(jìn)行測試觀察電容能工作時(shí)間和測量的角度。

5.2 測試結(jié)果

如表1、表2所示，2200uF電容供電，以每5秒一次的頻率進(jìn)行測量時(shí)，測量儀工作時(shí)間約3分鐘。

100uF電容供電，可工作時(shí)間約為20秒。

6.結(jié)論

本超低功耗傾角測量儀由于設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單，方案選取恰當(dāng)，單片機(jī)、芯片和電阻電容等參數(shù)選取合適，所以很好的滿足基本和發(fā)揮要求，真正實(shí)現(xiàn)超低功耗的功能。本設(shè)計(jì)以超低功耗為目標(biāo)，設(shè)計(jì)制作，較好的完成了超低功耗工作的目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)了較高的精度，成功的完成了設(shè)計(jì)目。該作品可用于實(shí)際測量，在實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中可作進(jìn)一步推廣。