超低功耗倾角测量仪的设计

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.

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。

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