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超低功耗MSP430驱动的高精度倾角测量仪设计与特性
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更新于2024-09-01
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电子测量中的超低功耗倾角测量仪是一种精密的仪器,其设计重点在于实现低功耗与高精度的结合。该测量仪的核心组件是TI公司出品的低功耗单片机MSP430G2553,它具备高效的处理能力和极低的能耗,能够在间歇工作模式下提供足够的计算能力。单片机工作时电流仅为200uA,进入休眠模式时甚至可以降至1uA,这极大地节省了电力资源。 倾角测量的精确性依赖于高精度三轴加速度传感器MMA8452,它能有效捕捉和解析物体在三维空间中的运动,从而准确计算出倾斜角度。此外,测量仪采用了低功耗段码液晶显示屏,不仅能实时显示测量结果,而且在每次测量后会自动切换至低功耗待机模式,保留上一次的测量数据,方便用户查询。 为了保证设备长时间的运行,充电装置部分采用了TI公司的TPS61040和TPS61070芯片构建的两级BOOST升压电路,这种电路结构相较于传统方法具有更高的转换效率,减少了不必要的能量损失。主系统供电则由TPS54331芯片驱动的BUCK降压电路负责,即使在负载较轻的情况下也能保持较高的电源效率。 整个系统设计充分考虑了低功耗特性,例如在使用2200uF电容供电时,测量仪可以连续工作3分钟;而使用100uF电容时,工作时间可延长至20秒。这种设计使得仪器在长时间的测量任务中仍能保持稳定的性能,同时大大降低了电池消耗,提升了用户的使用体验。 这款超低功耗倾角测量仪集成了先进的微控制器技术、高效能电源管理以及精确的传感器组件,旨在提供高效、精确且节能的测量解决方案,特别适合对电池续航有严格要求的应用场景,如无人机导航、移动设备稳定计等。
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电子测量中的超低功耗倾角测量仪的设计电子测量中的超低功耗倾角测量仪的设计
摘要:该超低功耗倾角测量仪以TI公司的低功耗单片机MSP430G2553为控制核心,利用高精度三轴加速度传感
器MMA8452测量倾角,使用低功耗段码液晶显示结果。充电装置采用TI公司的TPS61040芯片和TPS61070芯片
构成两级BOOST升压电路为电容充电。主系统供电采用TI公司的TPS54331芯片构成BUCK降压电路,在轻载条
件下仍具有较高电源效率。为进一步实现系统的低功耗运行,每次测量后,测量仪进入低功耗待机模式,液晶
屏可保持显示上次的测量结果。该仪器实现了角度测量误差在±0.7度以内,重力加速度测量误差在±2%以内的
精度。在使用2200uF电容为仪器供电时,可工作3分钟;使用10
摘要:该超低功耗倾角测量仪以TI公司的低功耗单片机MSP430G2553为控制核心,利用高精度三轴加速度传感器
MMA8452测量倾角,使用低功耗段码液晶显示结果。充电装置采用TI公司的TPS61040芯片和TPS61070芯片构成两级
BOOST升压电路为电容充电。主系统供电采用TI公司的TPS54331芯片构成BUCK降压电路,在轻载条件下仍具有较高电源效
率。为进一步实现系统的低功耗运行,每次测量后,测量仪进入低功耗待机模式,液晶屏可保持显示上次的测量结果。该仪器
实现了角度测量误差在±0.7度以内,重力加速度测量误差在±2%以内的精度。在使用2200uF电容为仪器供电时,可工作3分
钟;使用100uF电容供电时工作时间可达20秒。
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
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