超低功耗倾角测量仪的设计制作

2012年山东省大学生电子设计竞赛论文题目：超低功耗倾角测量仪的设计制作(C题)超低功耗倾角测量仪的设计制作摘要：本测量仪由单片机msp430为主控制器，储有电能的电解电容供电，当充电到25V后接入测量仪系统，每按一下测试按键进行一次斜面倾角的测量并显示，其测角范围为0～90度，显示分辨率为0.1度，精度为±5度。

还有三轴加速度传感器测量并显示沿X、Y、Z方向重力加速度分量的功能，且测量精度为±5%。

该测量仪具有功耗低，结构简单，精度高的特点。

关键词：MSP430，电解电容，加速度传感器，低功耗Abstract:The MCU msp430 is the main controller of the measuring instrument, and electrolytic capacitor that has stored power supply power. Access measuring instrument system when electrolytic capacitor charges to 25V. Then every time we click the test button the instrument will give a slant angle measurement and display. The measuring instrument can measure the angle range of 0 ~ 90 degrees, its display resolution was 0.1 degrees and the precision is ± 5 degrees. There are three axis acceleration sensor measurement and display along the X, Y, Z direction acceleration of gravity component function, and the measurement accuracy of plus or minus 5%. The measuring instrument has the advantages of low power consumption, simple structure and high accuracy.Keywords: MSP430, electrolytic capacitor, acceleration sensor, low power consumption1 引言在这机械越来越发达的时代，倾角测量仪被广泛应用于工程机械，道路桥梁检测，山体滑坡检测，汽车电子，水平测量，电力监控，建筑，钻探机械等多个行业的角度测量。

应用的广泛更要求了倾角测量仪有较高的精度及更强的抗冲击力。

遵循结构简单而可靠性高的原则，设计出基于MSP430单片机的超低功耗倾角测量仪。

该测量仪通过MMA7361LC模块采集数据，单片机MSP430程序来计算并显示采样数据，由于传感器MMA7361不会被周围环境影响且自身的灵敏度较高，这大大提高了该测量仪的精度。

此外，整个系统的供电时由2200μF的电容提供的，从而实现测量仪的超低功耗。

2 方案论证与设计2.1主控模块方案一：采用传统MCS-51单片机作为主控芯片。

51单片机具有8位代码指令、8位数据总线、16位地址总线、6个中断源、4KB RAM、寻址范围16位地址宽度、不能预取指、1种工作模式、不支持协处理器、不支持JTAG调试，是一款具有价格低廉、使用简单、应用广泛较好的芯片。

但是由于本测量采集数据使用的是MMA7361，如果使用MCS-51单片机势必要加一个A/D转换电路，这无疑增加了系统的复杂程度，且内部资源比较少，功能相对不丰富，实现过程比较繁琐。

方案二：采用MSP430g2553作为主控芯片。

MSP430g2553CPU具有一种16位RISC 架构，所有的操作（程序流指令除外）均作为寄存器操作与用于源操作数的7种寻址模式和用于目的操作数的4种寻址模式一起执行。

Comparator_A+ 模块的主要功能是支持高精度的斜坡模数转换、电池电压监控及外部模拟信号的监视，可以监测该测量仪倾角。

同时ADC10模块支持快速10位模数转换，且无需 CPU 的干预即可对 ADC 采样进行转换和存储，这一功能为系统收集数据提供了方便。

而MSP430g2553的低功耗工作模式更是符合我们超低功耗的要求。

综合上述两种方案。

我们选择方案二。

MSP430g2553更加符合我们的需求，同时也能高要求的完成测量仪的功能，同时大大降低了复杂度，整个系统的性价比也很高。

2.2 数据采集模块方案一：采用数字式传感器可将被测参数直接转换成数字信号输出，因此它具有以下特点：（1）精确度和分辨率高；（2）抗干扰能力强，便于远距离传送；（3）信号易于处理和存储，便于与计算机接口；（4）可以减小读数误差。

正因为如此，数字式传感器引起了人们的普遍重视。

然而到目前为止 数字式传感器的种类还不多，而符合我们要测量三个方向上的分量的功能还没有，外接电路会增加电路的复杂度，故此方案不可以用。

方案二：采用三轴加速度传感器MMA7361LC模块，该模块可根据物体运动和方向改变输出信号的电压值，如果沿着某一方向活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压，而且有X、Y、Z三个方向的量输出，省去外置AD，可直接与MSP430g2553的ADC10口相连从而达到采集数据并保存到芯片中的目的，并且还节约了成本。

综合考虑以上两种方案，选择方案二。

2.3 数据显示模块方案一：使用数码管显示。

数码管电压低、寿命长、对外界环境要求低，易于维护，同时它是采用BCD编码显示数字，亮度高。

但是其耗能大，电路复杂，占用资源较多，且显示信息少，精度低。

方案二：使用液晶屏显示。

LCD具有轻薄短小、低耗电量、影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，显示信息量大，分辨率高且抗干扰性强；外围电路少，使用方便。

综合考虑以上两种方案，选择采用方案二。

2.4 系统的总体设计方案经过方案比较和论证，最终确定的总体设计框图如图1所示图1 总体设计框图整个系统没有内置电池和发电装置，系统的供电均由供电模块提供。

供电流程是先将2200μF 的电容充电至25V ，然后经过滤波，降压电路输出各模块的工作电压。

MMA7361传感器负责采集数据，它也可以同时测量X 、Y 、Z 三个方向上的分量，并将数据传送到MSP430g2553芯片中，经过数据的计算和统计，MSP430g2553将最终结果经液晶显示屏显示出来。

至此，倾角测量仪的功能全部完成。

3 系统硬件电路详细设计及工作原理3.1 供电模块电路设计刚开始我们使用2200μF 的电容充电至25V 充当电源，电压经过滤波之后再用三端稳压集成电路7805降压，经过一个1K 的限流电阻之后，用TL431将电压转化并输出成所需要的芯片的工作电压，连好电路以后，经过几组数据的观察与计算，发现7805的功耗对于任务来说过大，故我们果断放弃这个思路，将7805与TL431用LM2941S 代替。

LM2941S 的输出电压为5V ，且功耗小，可以带动单片机正常工作且符合任务的设计要求，同时也简化了电路。

3.2数据采集模块 3.2.1采集原理本功能的实现我们使用的是MMA7361三轴加速度传感器。

加速度不能直接表示物体的倾角，需要通过公式转换才能得到倾角值。

设X 轴与水平面的夹角为俯仰角ρ，Y 轴与水平面的夹角为横滚角φ。

下面以俯仰角为例，进行计算公式的推导。

当加速度传感器水平放置在水平面上时，其初始状态坐标系如图2所示：此时俯仰角为0，各轴上的静态加速度值：g AX0= 公式（1）g AY0= 公式（2） g AZ1= 公式（3）当X 轴与水平面产生俯仰角ρ时，加速度传感器的坐标系如图3所示；将坐标系投影到XZ 轴平面，可得如图4所示的平面坐标系，由此可得各轴上的静态加速度值：XYZ图2 初始状态坐标系ZZρXX Yρ 图3 俯仰变化后的坐标系ρs i n lg ⨯-=AX公式（4）g AY0= 公式（5） ρcos lg ⨯=AZ公式（6）由上述等式，可以得到俯仰角的计算公式： )a r c t a n (A A Z Y -=ρ 公式（7） 同理可得横滚角的计算公式：)arctan(A A ZX =ϕ 公式（8）3.2.2三轴加速度传感器与MSP430的接口管脚对应接法如表1所示。

因为MSP430g2553只有P1口有模拟输入的功能，所以传感器的输出端口X 、Y 、Z 分别与P1口的P1.0，P1.1，P1.2相连。

为实现低功耗，传感器使用的是3.3V 的电源。

3.3 数据显示模块数据显示模块我们使用的是1602液晶屏，它有两种接线方式，一种是8位数据线接法，但这种方法连线较多且占用单片机的管脚较多，故我们采用第二种接法，即四线接法，就是只使用高4位数据线，再连接一个使能端口，一个寄存器选择端口，一共6个端口接入MSP430g2553芯片。

对应接法如右表2所示：3.4 低功耗设计模块对于低功耗要求的设计，在单片机方面我们选的是具有超低耗特性的MSP430g2553,它在电源不太稳定的情况下也可以正常工作，这种特性可确保我们的电路在超低功耗下仍可继续工作。

那在电路设计上我们也用低功耗的LM2941S 代替了功耗较高的7805和TL431。

对于传感器和液晶显示屏，我们选用的是功耗相对来说较小的MMA7361LC 和1602显示屏。

1602的功耗范围在10-15MW 之间。

4 系统软件设计开发环境简介： CCSV5代码调试器是一种合成开发环境，在Windows 操作系统下采用图形接口界面，提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。

所有的调试和分析能力集成在一个Windows 环境中。

图4 XZ 轴平面坐标系开发语言:C语言。

软件控制流程如图5所示5.1硬件调试系统硬件调试主要包括供电模块调试、数据采集模块调试、数据显示模块调试以及上述电路联调等过程。

从调试过程看，主要有以下特殊问题需要考虑：（1）影响传感器测量精度的因素：如果传感器运动状态发生改变会影响测量，数据会有明显错误，且在测试开始前，传感器应尽可能地校正好，尽量避免误差，提高测量的精确度。

（2）在低功耗的前提下，应让供电模块电路在可正常工作的前提下充放电时间尽可能的长。

5.2软件调试软件是实现系统功能的重要组成部分，也是本作品设计和调试中的难点。

本作品的软件流程虽然不是非常复杂，但是也需要考虑到各个模块的执行条件，运行速度，尽量优化使程序更加简洁明了和结构化。