超低功耗倾角测量仪的设计
1.引言
本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/201612/328510.htm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,实现了超低功耗高精度角度测量仪的制作。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,并保证精度达到±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,具有高精度,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位精度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位高精度,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.
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_0.jpg)
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,精度达±1V,测角范围为0-90度。
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_1.jpg)
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:
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_2.jpg)
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电路最大极限是由28V降到0.8V,且该芯片稳定性好,精度准,功耗低等优点。Buck电路图如图4.
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_3.jpg)
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_4.jpg)
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芯片最大升压范围是由1.8V到28V.TPS61070芯片最大的升压范围是由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,精度高,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.
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_5.jpg)
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.
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_6.jpg)
4.1.4 总体设计电路图(如图7、8)
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_7.jpg)
4.2 程序结构与设计
程序流程判断图如图9所示。
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_8.jpg)
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秒一次的频率进行测量时,测量仪工作时间约3分钟。
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/328510_1_9.jpg)
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,并实现了较高的精度,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。
评论