超低功耗倾角测量仪的设计

　　摘要：该超低功耗倾角测量仪以TI公司的低功耗单片机MSP430G2553为控制，利用高三轴加速度传感器MMA8452测量倾角，使用低功耗段码液晶显示结果。充电装置采用TI公司的TPS61040芯片和TPS61070芯片构成两级BOOST升压电路为电容充电。主系统供电采用TI公司的TPS54331芯片构成BUCK降压电路，在轻载条件下仍具有较高电源效率。为进一步实现系统的低功耗运行，每次测量后，测量仪进入低功耗待机模式，液晶屏可保持显示上次的测量结果。该仪器实现了角度测量误差在±0.7度以内，重力加速度测量误差在±2%以内的。在使用2200uF电容为仪器供电时，可工作3分钟；使用100uF电容供电时工作时间可达20秒。

　　1.引言

　　本超低功耗倾角测量仪的设计中，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等器件和加速度传感器，实现了超低功耗高角度测量仪的制作。首先，我们使用MSP430单片机，此单片机不仅具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富等优点，而且具有超低功耗和间歇工作的优势。其在工作时工作电流只有200uA左右，当处于休眠状态时其工作电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗和控制运算的需求。在实际使用中，我们让它工作在2.5V,省电模式下RAM数据保持在低功耗模式，消耗电流仅0.1μA.

　　其次， 设计中还使用了T I 公司的芯片TPS61070和TPS61040组成两级BOOST升压电路，相对于反激式升压电路相比，该方案不但效率高，而且有利于降低电源损耗。

　　在选择降压电路方案中，使用了TI公司的TPS54331芯片组成BUCK降压电路。当25V将至2.5V时普通的线性降压芯片效率只有10%,但是这块芯片在轻载情况下效率也可达到30%以上，而且功耗低。此次设计中，主要使用TI的芯片，性能很好，对制作的实现起到了促进作用。

　　2.方案设计与论证

　　本设计要求通过测量重力加速度进行角度测量，并保证达到±1度以内，用2200uF电容供电，在工作情况下能持续工作60秒以上，并用1.5V干电池给电容充电。

　　2.1 控制系统的比较与选择

　　方案一：采用DSP,具有高，运算速度快的优点，但DSP功耗高，不满足本设计低功耗要求。

　　方案二：采用ATML的12C5A16AD,这款单片机价格便宜，但是运算速度比较慢，功耗大，不符合本设计的要求。

　　方案三：采用TI公司的MSP430单片机为控制系统。此单片机不仅具有运算速度快的特点而且具有间歇工作的优势。在工作时其电流在200uA左右，当处于休眠状态时其电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗的要求和控制运算需求。

　　综上论证选取方案三。

　　2.2 测角传感器比较与选择

　　方案一：MMA7455,它是10位三轴数字加速度传感器，具有I2C,SPI通信接口，但是测量结果偏差较大，需要校正。

　　方案二：MMA8452加速度传感器，此传感器是一款智能、低功耗、三轴、电容式微机加速度传感器，具有体积小，重量轻和丰富嵌入式的特点，可以减少整体功耗，有利于实现系统的超低功耗运行。此传感器具有12位高，偏差小，不需要校正的优点，而且能够返回数字信号，有利于信号采集与功能实现。

　　综上论证选取方案二。

　　2.3 供电降压电路选择

　　方案一：用7805组成线性降压电路。

　　选用7 8 0 5虽然能将电压降到要求值，但是，7805的工作原理就是将额外的压降加在了芯片上，当电压由25V降到5V时，7805会严重发热，功耗很大，在超低功耗下很难工作。

　　方案二：用TPS54331芯片构成开关型BUCK降压电路。TI的TPS54331芯片集成了MOSFET与控制系统的功能，可以实现25v到3.3v的稳压。用此芯片实现的开关型BUCK降压电路功能，比功耗小，效率也高。

　　综上论证选择方案二。

　　2.4 充电升压电路选择

　　方案一：用反激击式升压电路，此电路虽然实现输入输出隔离，但是此方案工作效率低，功耗大，不利于1.5v蓄电池长期使用。且反激式电路需绕制高频变压器，占用空间较大，不利于使用。

　　方案二：用TI公司的芯片TPS61070和TPS61040组成两级boost升压电路，相对反激式升压电路相比，该方案效率高，易于低功耗设计的实现。

　　综上论证选择方案二。

　　2.5 系统总体结构设计

　　通过以上方案选取我们的系统总体结构为通过boost升压电路，将1.5V电压升到充电电压25V给电容充电。用充好电的电容通过BUCK电路降压对测量仪进行供电，通过测试按键发出信号后测量仪进行测量后显示。系统设计框图如图1.

　　3.理论分析和计算

　　3.1 倾角的计算方法

　　低功耗单片机控制，通过MMA8452加速度传感器将加速度在X、Y、Z轴上（芯片坐标轴如图2）的分量通过I2C通信传到单片机里，根据几何关系进行角度计算后由HT1621驱动的4位LCD角度显示。显示分辨率为0.1度，达±1V,测角范围为0-90度。

　　从倾角传感器输出到单片机的是重力加速度的XYZ轴分量，通过以下公式计算出：设X轴与水平面仰角α度，将坐标系投影到XZ平面，可得一平面坐标系，由此可求得各轴上的静态加速度值：

　　3.2 理论功耗分析

　　3.2.1 单片机功耗

　　MSP430此单片机不仅具有运算速度快的特点而且具有间歇工作的优势，在工作时其电流在200uA左右，当处于休眠状态时其电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗的要求和控制运算需求。

　　我们选用的MSP430单片机在典型的200KHZ时钟、2.5V电压下工作时，仅消耗2.5μA,在1MHZ时钟、2.5V电压下工作时有250μA,在RAM数据保持在低功耗模式下消耗电流仅0.1μA.它具有5种工作模式，不同模式下消耗在0.1~400μA间，待机模式下消耗仅0.8μA.将CPU置为省电模式，可以大大减小能耗。

　　3.2.2 显示器功耗

　　HT1621驱动的段位显示屏，此显示屏虽然屏幕比较小，显示内容有限，但是此显示屏可以在极低功耗下工作，外接32KHZ晶振，而不用内置时钟源，可以将工作电流控制在60μA以下。与普通的LCD显示屏相比，此显示屏不用背光，断码显示，用I2C总线传值，功耗更低。此显示器驱动芯片有间歇模式，处理完指令后可以进入间歇模式，等待激活后继续处理数据。这样可以大大降低功耗。

　　3.2.3 加速度传感器功耗

　　我们用的MM8452加速度传感器可以低功耗和正常两种模式。

　　如图3所示，此传感器开启后可以工作在唤醒和休眠2种模式下，当可以设定工作时长，节省能耗。低功耗模式下工作电流仅为14μA,正常模式下工作电流为24μA.

　　3.2.4 供电电路功耗

　　用TPS54331芯片构成开关型BUCK降压电路。TI的TPS54331芯片集成了MOSFET与控制系统的功能，可以实现25v到0.8-5v的稳压。用此芯片实现的开关型BUCK降压电路功能，比线性电源功耗小，效率也高。

　　我们为了进一步降低功耗，将单片机供电调整到2.5V,可以使MSP430工作在极低功耗下。

　　4.电路与程序设计

　　4.1 电路设计

　　4.1.1 Buck降压电路

　　由于电容电压为25V,所以必须采用降压电路将电压降到2.5V后对电压和加速度传感器供电。为了减小功耗采用TI公司的的TPS54331芯片组成buck电路。此芯片组成的Buck电路极限是由28V降到0.8V,且该芯片稳定性好，准，功耗低等优点。Buck电路图如图4.

　　主要外围器件参数计算：

　　4.1.2 充电装置电路

　　用1.5V干电池对电容进行充电，要求充电到2 5 V.所以要将1 . 5 V电压经过升压电路升到2 5 V.我们采用T I公司的TPS61040和TPS61070芯片组成两个Boost电路，分两级将1.5V升到5V再生到25V.

　　TPS61040芯片升压范围是由1.8V到28V.TPS61070芯片的升压范围是由0.9V到5.5V.所以由单独一片芯片不能制成由1.5V到25V的Boost升压电路，故采用两级升压。这两种芯片都具备稳定好，高，功耗低等特点，对充电稳定有重要意义。充电装置电路图如图5-1.

　　TPS16070芯片将电池1.5V电压升至5V,参数R1,R2及确定：根据芯片要求R2取180KΩ，R1=R2（Vo/VB-1）=180k*（5/0.5-1 ） = 1 . 6 2 MΩ，电容C2=3pF（200k/R2-1）=0.33pF.TPS61040芯片将上级输出升至25V,通过调节电位器R5来调节输出，其中输出Vout=1.233（1+R4/R3），通过调节R3与R4值可以改变输出电压。

　　4.1.3 加速度传感器外围电路

　　测试按键与单片机相连控制是否进行测试，单片机与MMA8452加速度传感器通过I2C通信，由单片机与显示器连接进行显示，加速度传感器外围电路图如图6.

　　4.1.4 总体设计电路图（如图7、8）

　　4.2 程序结构与设计

　　程序流程判断图如图9所示。

　      系统供电后，单片机启动首先进入休眠状态，并实时监测是否有键按下，若无键按下，继续等待；若有键按下则根据按键功能进入测量状态或模式转换显示，然后由液晶显示新测量的数值，单片机重新进入休眠状态，继续检测是否有键按下。

　　5.测试方案和结果

　　5.1 测试方案

　　调整好水平台，将斜坡放在水平台上，将电容充好电后尽快的接入测量仪中，然后调整斜坡进行测试观察电容能工作时间和测量的角度。

　　5.2 测试结果

　　如表1、表2所示，2200uF电容供电，以每5秒的频率进行测量时，测量仪工作时间约3分钟。

　　
　　100uF电容供电，可工作时间约为20秒。

　　6.结论

　　本超低功耗倾角测量仪由于设计合理，结构简单，方案选取恰当，单片机、芯片和电阻电容等参数选取合适，所以很好的满足基本和发挥要求，真正实现超低功耗的功能。本设计以超低功耗为目标，设计制作，较好的完成了超低功耗工作的目标，并实现了较高的，成功的完成了设计目。该作品可用于实际测量，在实验室及工业生产中可作进一步推广。