超低功耗倾角测量仪
摘要
本设计采用MSP430系列的MSP430FE427A单片机为核心，以储有电能的电解电容作为电源，通过ADI公司提供的三轴加速传感器ADXL345测量角度，设计了一种基于ADXL345的低功耗倾角测量仪。1.5V升压充电装置选用SOT—23封装的微功率升压型DC/DC转换器LT1615芯片，可将电容充至25V。充电后的电容采用TI公司微功耗降压芯片TPS54040进行降压、稳压处理,最后给低功耗倾角测量仪供电。显示部分用48段段码液晶，切换显示测量倾角和X、Y、Z方向重力加速度分量等信息。经实际测试2200uF电容充电25V可供系统正常工作200秒以上，100uF电容充电25V可供系统正常工作10秒以上，测角精度可达到0.1度，误差控制在±2%，段码液晶切换显示灵敏度高，显示信息完整。通过硬件设计和软件编程，实现了倾角测量仪的测角功能和低功耗的特性，达到了系统的基本要求并完成了发挥部分。
关键词: MSP430 段码液晶 ADXL345
一、方案的设计与论证
本设计包括电源管理、超低功耗、传感器显示设备。MCU是产生功耗的主要部分，选择合适的设备，是本设计成功的关键之一，现就以上四部分逐一说明：
1、电容充电装置方案选择
方案一：Boost电路升压。如图1所示为电感型DC/DC转换电路，闭合开关后会引起通过电感的电流增加，打开开关会促使电流通过二极管流向输出电容。因此储存来自电感的电能，多个开关周期以后输出电容的电压增高，调节PWM信号的占空比可以使输出电压高于输入电压。
图1 boost 升压电路
方案二：DC/DC变换器升压。LT1615是专为具有350mA电流限制和1.2V-15V输入电压范围的较高功率系统而设计。在空载时，静态电流为20μA，在停机时进一步减为0.5μA。采用单触发脉冲方式而不使用昂贵的变压器，可使电压峰值达36V,经电容器形成高电压输出,直流电压叠加在输入电压上可高达34V。LT1615芯片的脉冲关断时间为400ns,导通时间可自动微调,允许使用极微小的电感和电容器,从而大幅度降低贴片元件的体积和应用电路所需费用。
综上所述：充电装置要求使用1.5V干电池供电，boost电路开关管需外加控制，升压到25V对开关管要求高。方案二转换效率高，易于实现。故选择方案二。 2、降压电路方案选择
方案一:选择降压电路（如图2所示）。也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。Q为开关管导通时，此时，电源经电感线圈向负载供电，同时，电感线圈贮存能量。Q截止时此时，电源脱离电路，电感线圈向负载供电，释放贮存的能量。
图2 buck降压电路
1
方案二： TI公司生产的TPS61070芯片，输入电压范围为0.9V～5.5V。正常使用时静态功耗不可忽略。
方案三：选择用DC/DC转换器。TI公司生产的降压芯片TPS54040输入电压范围为3.50～42V，工作模式的电流为116uA，关闭模式的电流为1.3uA。
综上所述：方案一效率低，微功耗开关管不易购买，肖特基二极管功耗太大，必须采用分立元件构成同步整流才能降低功耗，实现复杂。方案二静态功耗太大，输入电压范围无法达到设计要求。方案三既能将25V降到所需要的3.3V，又能利用其微功耗特性，提高系统整体节能效率。实测表明：方案三既能满足降压要求，又符合本设计低功耗的特性,故选择方案三。
3、MCU主控芯片选择
方案一：选择非超低功耗设计的常用单片机。如51单片机或stm32单片机，此类单片机本身功耗就比较高，另外驱动显示模块功耗更高。本设计主要难点就是节电，要实现低功耗，不能使用常用单片机。
方案二：MSP430G2XXX单片机本身能够达到低功耗要求，但是不集成段码液晶控制器，加液晶控制器后，整体功耗提高，无法满足低功耗要求。
方案三：选择16位超低功耗控制器MSP430FE427A。系统本身具有超低功耗特性，且集成段码液晶控制器，配合段码液晶不会增加系统功耗。
综上所述：考虑到题目要求的超低功耗，对比多款单片机可以发现TI公司带LCD驱动的的MSP430FE427A的超低功耗单片机是非常适合的。所以我们选择方案三。
4、三轴加速度传感器选择
方案一: 选择飞思卡尔MMA7260三轴加速度传感器。MMA7260是一款低成本电容式加速度传感器，自带模块多，导致正常工作时系统功耗太大，不能满足低功耗要求。
方案二：选择ADXL345三轴加速度传感器。ADXL345 是一款超低功耗的三轴数字加速度传感器,可以用于测量动态加速度和静态加速度, 其量程范围可设定为2/4/8/16g,在静态重力加速度测量中可提供高达4 mg/LSB 分辨率, 可在倾斜感测应用中能够分辨0.25度的倾角变化。此外, ADXL345 内部具有专门的电源管理模块, 可有效的控制系统的功耗,测量模式下低达23μA, 空闲模式下低至0.1μA。
综上所述：方案一虽然能够满足测量要求，但是不能实现低功耗。方案二既能满足倾角测量精度要求，本身自带电源管理模块，在高频和低频工作模式切换下能实现低功耗要求，故选择方案二。 5、显示模块方案选择
方案一：采用液晶12864显示，是一种图形点阵液晶显示器。它主要采用动态驱动原理由行驱动控制器和列驱动器两部分组成了128列*64行的全点阵液晶显示。工作电压为5V+/-10%,在不开背光的情况下功耗为4mA左右。优点是显示内容丰富，缺点是功耗高。
方案二:采用48段段码液晶显示。这种液晶的特点就是超低功耗，电流只有纳安到微安级别，一般计算器，万用表上的数据显示都采用段码液晶。考虑到MSP430FE427A集成段码液晶控制器，在LCD工作时造成的系统耗电仅为30～50uA，非常适合低功耗领域的应用。缺点是显示内容有限。
综上所述：两种方案都能满足显示分辨达到0.1的要求，但在功耗上，液晶
2
