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编号:010C034
超低功耗倾角测量仪的设计制作(C题)
摘要:
此题需要制作有尺寸要求的超低功耗倾角测量仪,我们队决定采用TI提供的MSP430G2553单片机。我们分别制作、调试了加速度传感器模块、液晶显示模块、430最小系统板、按键组合并用10cm*7cm万用板整合为角度测量仪。为了完成此题电源的发挥局部,我们队焊制了升压、降压、稳压电路完成可拆卸的1.5V干电池为电容充电至25V的充电装置。
一、系统方案论证
此题要求设计并制作一个超低功耗倾角测量仪。根据题目要求,测角仪主要由稳压模块、升压模块、显示模块、传感器模块、微处理器模块组成,下面分别论证这几个模块的设计方案和系统的总体方案。
1.加速度传感器模块的方案比拟与选择
方案一:使用MMA7260制作的三轴加速度传感器,该传感器可以检测来自相对于芯片本身的三个空间轴的加速度,并输出加速度成比例关系的模拟电压,动态响应比拟快,功耗低。但是需要进行局部信号调理和AD转化。
方案二:使用ADXL345数字式三轴加速度传感器,该传感同样可以检测三个轴向的加速度,并且自身含信号的调理与AD转化,还可以设定零点漂移值,与单片机的串行接口可以只使用2条IO,使得主控机的负荷大大降低,传感器可以工作在超低功耗模式,其最大13位的全分辨率足以满足题目中对1度测量分辨的要求。
比照讨论:题目最大要求是系统低功耗,考虑到MMA7260要使用AD调理局部,使用起来的总功耗会超过ADXL345,还有为了方便单片机进行在数据采集和低功耗模式下的切换,我们决定使用ADXL345。
综上考虑,本设计选择了方案二。
2.液晶显示模块的方案比拟与选择
方案一:使用LCD1602,1602可以显示数字与各种标准字符,可以满足显示信息的要求,但是它的驱动电流相对还是比拟大,在电容供电的系统中显然不能使用。
方案二:使用HT1621驱动的段式数码管液晶,HT1621是128点内存映象和多功能的LCD驱动器,HT1621的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合包括LCD模块和显示子系统用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条,关键是他们的功耗很低,和适合使用在手持式的测量设备中。
综上考虑,本设计选择了方案二
3.充电装置设计的方案比拟与选择
方案一:使用三极管和RC搭建的震荡升压电路,该电路相比照拟简单,所需要的外围器件很普通,但是实际搭建出来之后其实际的升压幅值有限制,在1.5 V的输入条件下不能满足输出高达25V的要求。
方案二:使用TI提供的DC—DC稳压芯片TPS61040,可以将电压从1.8到6V直接升到25V以上,不能满足题目要求的1.5V升压,采用二级驱动,需要考虑阻抗匹配及带载能力,电路复杂。
方案三:使用LC振荡产生交流电压,再通过线圈升压,然后整流,得到可以进行充电的适宜电路,此电路结构简单,易于实现。
根据试验测定,方案三可以较好的完成工艺要求,到达符合要求的充电效果,所以我们采用了方案三。
电源装置设计的方案比拟与选择
方案一:通过TI公司提供的LP2950芯片,能很好的实现降压功能,电压调节范围宽,得到准确的3.3V供电电压。但是属于线性电源,效率不高,功耗不是很低。
方案二:通过TI公司提供的TPS54331芯片,是一款能很好的完成降压功能,功耗很低的开关电源芯片。但是片内滤波电容很多,大于题目要求的20uF。
根据商议比拟,我们选择了方案二,但是根据datasheet和实际比拟,将外围电路的电容进行了调整,得到了符合题目要求的方案。
系统的总体方案
根据系统设计要求和各功能模块的方案选择,本系统的总体设计方案原理框图如图1所示。
图1总体设计方案原理框图
系统理论分析与计算
1.理论功耗分析
倾角测量仪的功耗分别来自以下几个局部:
开关型稳压芯片TPS54331,它的电压转化效率高,在7V输入电压可以稳定输出期望电压值。
2)MSP430单片机的耗电情况与其工作模式成正比关系,用因为整个测量装置几乎全程都工作在LPM3的条件之下,在次模式下,单片机局部的耗电电流为0.9uA左右。
3)ADXL345加速度传感器,我们在每次采样的时候会唤醒,一旦读取完数据便将它重新设定回超低功耗的睡眠模式,根据数据手册它在睡眠模式下的电流消耗为0.1uA,整体推算起来它的平均消耗不会超过1uA。
4)液晶显示模块,HT1621B在使用片内振荡器的情况下,加上段式液晶的耗电流,根据数据手册其消耗电流为150uA左右。
2.传感器外表与水平面夹角
使用ADXL345测量夹角时,传感器与测量平面的位置很重要,因为该传感器是测量加速度的,通过在
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