低功耗便攜式傾角測量儀的設(shè)計

李杭晉，潘為剛，李易庭，韓耀振

(山東交通學(xué)院 信息科學(xué)院與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

在建筑行業(yè)、水利建設(shè)、道路施工、通訊設(shè)施、天線定位等領(lǐng)域，均需要角度測量儀，用于測量地面平整度、傾斜度、平臺的水平度等。設(shè)計了一款通用的低功耗傾角測量儀，能夠測量并顯示角度，精度達(dá)±0.1o，并且整機(jī)靜態(tài)功耗約為175 μA。系統(tǒng)選用低功耗MSP430F1459單片機(jī)控制MMA8451采集3個軸上的加速度并用低功耗LCD玻璃片顯示角度。

1 測量原理與系統(tǒng)設(shè)計

1.1 測量原理

角度測量原理圖如圖1所示。

圖1 角度測量原理圖

由加速度傳感器測得的3個軸上的電壓,經(jīng)過RC濾波后，分別得到Ax,Ay,Az。Ax,Ay在xOy平面的合量在水平面的投影為

Az在水平面的投影為

式中 X0,Y0,Z0分別為加速度在x，y，z三軸上的轉(zhuǎn)換初值。

由于合向量為0，則

則斜面的傾角θ計算公式為

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

傾角儀采用專用于角度測量的MMA8451加速度傳感器，8位/14位精度，電源1.95～3.6 V，直接輸出數(shù)字量，選用14位精度時,分辨率為0.02°，考慮傳感器溫度漂移后，精度可達(dá)±0.1°，滿足系統(tǒng)要求。

系統(tǒng)硬件部分主要由控制器MSP430F149、三軸加速度傳感器MMA8451模塊、HT1621驅(qū)動顯示模塊等各部分組成，工作電壓為3.3 V， 在靜態(tài)模式下，MSP430F149(LPM4模式)的電流為0.1 μA，三軸加速度傳感器MMA8451的電流約為1.8 μA，HT1621的電流為0.1 μA，LCD顯示的電流為170 μA，總電流為172 μA，外加部分損耗，總計約為175 μA；在工作模式下，MSP430F149的電流為280 μA， MMA8451的電流為20 μA，顯示模塊的電流為170 μA，總計為470 μA，完全滿足系統(tǒng)低功耗要求。

因此系統(tǒng)采用MSP430F149[1]單片機(jī)為控制核心，采用MMA8451加速度傳感器檢測角度，利用LCD專用驅(qū)動芯片HT1621驅(qū)動液晶LCD玻璃片實現(xiàn)顯示功能，并直接在單片機(jī)P1口上連接按鍵實現(xiàn)按鍵喚醒功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路與程序設(shè)計

2.1 硬件電路

系統(tǒng)硬件電路主要包括MMA8451加速度傳感器接口電路與HT1621顯示接口電路兩部分。

2.1.1 MMA8451加速度傳感器接口電路

MMA8451三軸加速度傳感器共有16個引腳，QFN封裝，數(shù)字I2C輸出，8位/14位精度，量程±2g(g為重力加速度，g=9.8 m/s2)/±4g/±8g，電源1.95～3.60 V。輸出數(shù)據(jù)速率為1.56～800 Hz。有2個可編程的中斷引腳，7個中斷源，可檢測自由落體、運(yùn)動、脈沖、振動等、傾角等。靈敏度由count/g表示，2g量程下，分辨率為4 096/g；4g量程下，分辨率為2 048/g；8g量程下，分辨率為1 024/g。

MMA8451三軸加速度傳感器典型應(yīng)用有：電子羅盤，靜態(tài)姿態(tài)、運(yùn)動檢測，筆記本電子書等便攜設(shè)備的翻滾、自由落體檢測，實時的方向檢測可用于虛擬現(xiàn)實設(shè)備或3D游戲中的位置檢測，便攜設(shè)備節(jié)能應(yīng)用中的運(yùn)動檢測等。

2.1.2 顯示接口電路設(shè)計

HT1621是128(32×4)點(diǎn)內(nèi)存映像多功能的LCD驅(qū)動器，適用于多種LCD，用于連接主控制器和HT1621的管腳最少只需3個,HT1621還有1條節(jié)電命令用于降低系統(tǒng)功耗。HT1621顯示驅(qū)動接口電路如圖4所示。[2]

2.2 程序流程圖

軟件實現(xiàn)的功能為加速度傳感器檢測斜度、角度顯示、按鍵中斷服務(wù)程序。

主程序流程圖如圖5所示。

圖3 MMA8451傳感器接口電路圖 圖4 LCD玻璃片顯示及驅(qū)動模塊電路圖

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

傾角儀低功耗模式下的功耗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，靜態(tài)模式下系統(tǒng)總電流約為 173 μA，MSP430F149電流約為0.13 μA，顯示模塊電流約為170 μA，MMA8451模塊電流約為2.25 μA。因此，各模塊的實際功耗典型值與理論值基本一致。

工作模式下的功耗測試結(jié)果是按鍵按下各模塊均進(jìn)入工作模式下測得數(shù)據(jù)。工作模式下系統(tǒng)總電流約為435 μA，MSP430F149電流約243 μA，顯示模塊電流約170 μA，MMA8451模塊電流約為20.6 μA。由此，各模塊的實際功耗典型值與理論值基本一致。

傾角儀角度測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 系統(tǒng)在低功耗模式和工作模式下的電流 μA

表2 角度測量 (°)

由表2可知，理論值與實測值基本一致，并且精度可達(dá)±0.1°。

4 結(jié)論

系統(tǒng)采用高精度14位加速度傳感器MMA8451設(shè)計的便攜式傾角測量儀，具有攜帶方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實時準(zhǔn)確的測量傾角，且在3. 3 V工作電壓下整機(jī)靜態(tài)電流僅為172 μA，精度達(dá)±0.1°，對工業(yè)生產(chǎn)中具有較為重要的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈建華. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實踐[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

[2]潘為剛,丁海棟. 超低功耗電子溫度計的設(shè)計[J].山東交通學(xué)院學(xué)報, 2009, 17(3): 79-82.