基于ADXL345的超低功耗傾角測量儀的設(shè)計

肖茜　陳慶

摘要：該文完成一款基于ADXL345三軸加速度傳感器設(shè)計的超低功耗傾角測量儀。系統(tǒng)采用Msp430F413作為控制核心，系統(tǒng)包括ADXL345傾角測量電路、段式液晶顯示電路等，對其硬件電路和軟件進(jìn)行了完整設(shè)計，通過調(diào)試測試，該測量儀傾角測量范圍0到90度，設(shè)計小巧新穎，集成度高。

關(guān)鍵詞：MSP430F413；ADXL345；超低功耗；傾角測量

中圖分類號：TN492 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）16-3923-03

Abstract： In this paper， based on the completion of a three-axis accelerometer ADXL345 ultra-low power design angle measurement instrument. System uses Msp430F413 as the control system including ADXL345 angle measurement circuitry， segment LCD circuits， etc.， for the complete design of its hardware and software， through commissioning tests， the gauge angle measurement range of 0 to 90 degrees， compact design novel high integration.

Key words： MSP430F413； ADXL345； ultralow power； dip angle measurement

隨著機(jī)械自動化程度越來越發(fā)達(dá)，傾角測量儀被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、道路橋梁檢測、水平測量、電力監(jiān)控、建筑與鉆探機(jī)械等多個行業(yè)的角度測量，并對測量提出了更高的精度和抗沖擊要求。該文遵循結(jié)構(gòu)簡單而可靠性高的原則，設(shè)計了一款基于ADXL345的超低功耗傾角測量儀。該測量儀采用MSP430單片機(jī)作為控制核 心，通過硬件和軟件的設(shè)計以及調(diào)試測試，該測量儀傾角測量范圍0到90度，設(shè)計小巧新穎，集成度高。

1 總體方案

本系統(tǒng)主要由Msp430f415單片機(jī)、電源電路、三軸加速度傳感器電路、功能按鍵、顯示電路等模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖 1 系統(tǒng)組成所示。

2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計

2.1 三軸加速度傳感ADXL345外圍電路

三軸加速度傳感ADXL345外圍電路如圖2所示。

ADXL345為數(shù)字型三軸加速度傳感器，具有超低功耗特性，在供電電壓為2.5V時，測量模式下電流低至25uA，待機(jī)模式下電流僅為0.1uA。分辨率高（13位），能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化，重力加速度的測量范圍達(dá)± 16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問。芯片的控制管腳直接與核心。

2.2 電源模塊電路設(shè)計

升壓電路（電容充電電路）如圖3所示。

采用兩級升壓電路，第一級可將1.5V電壓升至4.5V左右，第二級可將電壓繼續(xù)升高至25V。第一級升壓電路采用TI公司升壓轉(zhuǎn)換器TPS61070，其電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%。器件靜態(tài)電流達(dá)19uA（典型值），輸入電壓范圍為0.9V至5.5V，輸出最高可達(dá)5.5V。第二級升壓電路采用TPS61040，其輸入電壓范圍1.8V至6V，輸出電壓最高可達(dá)8V，器件靜態(tài)電流達(dá)28uA（典型值），可提供400mV電流輸出，能夠迅速為電容充電至25V。

降壓電路如圖4所示。

降壓電路使用LTC3632電源轉(zhuǎn)換芯片。LTC3632是一種高效率，高電壓降壓型DC / DC轉(zhuǎn)換器，空載時僅消耗12μA（典型值）的DC電源電流，同時保持輸出電壓穩(wěn)定。LTC3632可提供高達(dá)20mA負(fù)載電流，調(diào)整其輸出端電壓后，足以保證以最低的損耗給整個系統(tǒng)正常供電。

2.3 顯示模塊電路設(shè)計

顯示模塊采用低功耗4位半段式液晶，使用Msp430F413單片機(jī)內(nèi)部LCD驅(qū)動，使得外圍電路大大簡化，系統(tǒng)功耗降到相當(dāng)?shù)偷某潭?。在單片機(jī)直接驅(qū)動的情況下，靜態(tài)工作電流能降至nA級別。段式液晶端口分為segment端和com端，通過在segment端和com端加上交流信號，驅(qū)動相應(yīng)的段顯示。

2.4 控制模塊電路設(shè)計

控制芯片采用Msp430f413超低功耗單片機(jī)，該系列單片機(jī)帶有硬件段式液晶驅(qū)動程序，能直接驅(qū)動段式液晶程序。外圍電路為單片機(jī)經(jīng)典電路。顯示模塊與控制模塊的連接也較簡單，只需直接將段式液晶的segment口和com口與單片機(jī)對應(yīng)的端口相連，無需任何外部電阻電容，由單片機(jī)產(chǎn)生交流信號直接驅(qū)動。

2.5 傾角計算

傾角計算通過ADXL345返回的三軸加速度值，測量靜止物體的重力，這個重力反映在每個軸上的分量為：Ax=g*cos（a），Ay=g*cos（b），Az=g*cos（c）。其中a，b，c就是X，Y，Z軸與重力方向的夾角。

三個分量的加速度值轉(zhuǎn)換成以重力加速度為單位，則滿足三個方向分量平方和為重力加速度G。[Gx2+Gy2+Gz2=G]將XY方向所確定的面定為測量正面，即XY平面與測量坡度面平行，則測量的傾角滿足關(guān)系式：

[Angle=tan-1GzGx2+Gy2]

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)在開機(jī)后首先進(jìn)行IO口、加速度模塊、液晶模塊的初始化，在初始化后，進(jìn)入低功耗模式，并開啟中斷，等待按鍵中斷的喚醒。通過對按鍵功能的判斷實現(xiàn)不同的功能。

其軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

4 測量測試結(jié)果以及分析

4.1 角度測量測試

將傾角測量儀分別放置在30度，45度和60度的斜面上，每按下一次傾角測量鍵進(jìn)行一次傾角測量并顯示，不同傾角斜面分別測量五次，記錄顯示數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理表格中，分別計算出每次測量結(jié)果與真實值的絕對誤差和相對誤差，并記錄五次測量中最大的相對誤差。 結(jié)果如表格 1角度測試表格示。

由于測試平臺存在不平整的地方，所以在測試時，發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)有一定變化，在對系統(tǒng)進(jìn)行校正之后，測量結(jié)果誤差減小。

4.2 電容電壓測試

a.用自制的為電容充電的裝置給2200uF電容充電。充電完成后用萬用表測量電容兩端的電壓，并記錄數(shù)據(jù)。

b.用自制的為電容充電的裝置給100uF電容充電。充電完成后用萬用表測量電容兩端的電壓，并記錄數(shù)據(jù)。

在測試過程中采用了相同型號不同的電容，電容的容量有所差異，且外界環(huán)境也有所影響，所以在測試工作時間時，呈現(xiàn)不同的時間。

4.3 工作時間測試

a.用容量為2200uF的電容充電到25V后，接入傾角測量儀中。每五秒按下一次傾角測量鍵，用秒表記錄最長工作時間。

b.用容量為100uF的電容充電到25V后，接入傾角測量儀中。每五秒按下一次傾角測量鍵，用秒表記錄最長工作時間。

測量數(shù)據(jù)以及結(jié)果分析如表格 2電容電壓測試以及工作時間測試所示。

5 結(jié)束語

基于ADXL345三軸加速度傳感器設(shè)計的超低功耗傾角測量儀測量范圍0到90度，設(shè)計小巧新穎，集成度高。

經(jīng)過測試，達(dá)到設(shè)計要求。具有比較好的市場前景。

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