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(jì)的超低功耗傾角測(cè)量?jī)x。系統(tǒng)采用Msp430F413作為控制核心，系統(tǒng)包括ADXL345傾角測(cè)量電路、段式液晶顯示電路等，對(duì)其硬件電路和軟件進(jìn)行了完整設(shè)計(jì)，通過調(diào)試測(cè)試，該測(cè)量?jī)x傾角測(cè)量范圍0到90度，設(shè)計(jì)小巧新穎，集成度高。

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

中圖分類號(hào)：TN492 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)化程度越來越發(fā)達(dá)，傾角測(cè)量?jī)x被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、道路橋梁檢測(cè)、水平測(cè)量、電力監(jiān)控、建筑與鉆探機(jī)械等多個(gè)行業(yè)的角度測(cè)量，并對(duì)測(cè)量提出了更高的精度和抗沖擊要求。該文遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而可靠性高的原則，設(shè)計(jì)了一款基于ADXL345的超低功耗傾角測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x采用MSP430單片機(jī)作為控制核 心，通過硬件和軟件的設(shè)計(jì)以及調(diào)試測(cè)試，該測(cè)量?jī)x傾角測(cè)量范圍0到90度，設(shè)計(jì)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(jì)

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(shí)，測(cè)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(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化，重力加速度的測(cè)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(jì)

升壓電路（電容充電電路）如圖3所示。

采用兩級(jí)升壓電路，第一級(jí)可將1.5V電壓升至4.5V左右，第二級(jí)可將電壓繼續(xù)升高至25V。第一級(jí)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(jí)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(shí)僅消耗12μA（典型值）的DC電源電流，同時(shí)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(gè)系統(tǒng)正常供電。

2.3 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

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(dòng)，使得外圍電路大大簡(jiǎn)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(dòng)的情況下，靜態(tài)工作電流能降至nA級(jí)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(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的段顯示。

2.4 控制模塊電路設(shè)計(jì)

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(dòng)程序，能直接驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單，只需直接將段式液晶的segment口和com口與單片機(jī)對(duì)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(hào)直接驅(qū)動(dòng)。

2.5 傾角計(jì)算

傾角計(jì)算通過ADXL345返回的三軸加速度值，測(cè)量靜止物體的重力，這個(gè)重力反映在每個(gè)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(gè)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(gè)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(cè)量正面，即XY平面與測(cè)量坡度面平行，則測(cè)量的傾角滿足關(guān)系式：

[Angle=tan-1GzGx2+Gy2]

3 軟件設(shè)計(jì)

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(duì)按鍵功能的判斷實(shí)現(xiàn)不同的功能。

其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

4 測(cè)量測(cè)試結(jié)果以及分析

4.1 角度測(cè)量測(cè)試

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

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

4.2 電容電壓測(cè)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(cè)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(cè)量電容兩端的電壓，并記錄數(shù)據(jù)。

在測(cè)試過程中采用了相同型號(hào)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(cè)試工作時(shí)間時(shí)，呈現(xiàn)不同的時(shí)間。

4.3 工作時(shí)間測(cè)試

a.用容量為2200uF的電容充電到25V后，接入傾角測(cè)量?jī)x中。每五秒按下一次傾角測(cè)量鍵，用秒表記錄最長(zhǎng)工作時(shí)間。

b.用容量為100uF的電容充電到25V后，接入傾角測(cè)量?jī)x中。每五秒按下一次傾角測(cè)量鍵，用秒表記錄最長(zhǎng)工作時(shí)間。

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

5 結(jié)束語

基于ADXL345三軸加速度傳感器設(shè)計(jì)的超低功耗傾角測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍0到90度，設(shè)計(jì)小巧新穎，集成度高。

經(jīng)過測(cè)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。具有比較好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 段曉敏，李杰，劉文怡，等.基于MEMS加速加速度計(jì)的數(shù)字傾角測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（8）：71-72.

[2] 穆偉平，馬文忠，趙仁德，等.超低功耗傾角測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2011，25（2）：142-144.

[3] 郝騫，馮敦超，馬慧卿，等.基于MEMS傳感器技術(shù)的傾角測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2013（5）：12-14.

[4] 李杭晉，潘為剛，李易庭，等.低功耗便攜式傾角測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，21（3）：80-83.

[5] 安博文，陳桂林.高精度轉(zhuǎn)爐傾角測(cè)量?jī)x的應(yīng)用研究[J].紅外技術(shù)，2005，27（6）.

[6] 丁小龍，孫傳友.數(shù)字式傾角測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)[J].科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007（22）：45-46.