基于ADXL345的超低功耗倾角测量仪的设计

肖茜　陈庆

摘要：该文完成一款基于ADXL345三轴加速度传感器设计的超低功耗倾角测量仪。系统采用Msp430F413作为控制核心，系统包括ADXL345倾角测量电路、段式液晶显示电路等，对其硬件电路和软件进行了完整设计，通过调试测试，该测量仪倾角测量范围0到90度，设计小巧新颖，集成度高。

关键词：MSP430F413；ADXL345；超低功耗；倾角测量

中图分类号：TN492 文献标识码：A 文章编号：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

随着机械自动化程度越来越发达，倾角测量仪被广泛应用于工程机械、道路桥梁检测、水平测量、电力监控、建筑与钻探机械等多个行业的角度测量，并对测量提出了更高的精度和抗冲击要求。该文遵循结构简单而可靠性高的原则，设计了一款基于ADXL345的超低功耗倾角测量仪。该测量仪采用MSP430单片机作为控制核 心，通过硬件和软件的设计以及调试测试，该测量仪倾角测量范围0到90度，设计小巧新颖，集成度高。

1 总体方案

本系统主要由Msp430f415单片机、电源电路、三轴加速度传感器电路、功能按键、显示电路等模块组成，系统框图如图 1 系统组成所示。

2 系统单元电路设计

2.1 三轴加速度传感ADXL345外围电路

三轴加速度传感ADXL345外围电路如图2所示。

ADXL345为数字型三轴加速度传感器，具有超低功耗特性，在供电电压为2.5V时，测量模式下电流低至25uA，待机模式下电流仅为0.1uA。分辨率高（13位），能够测量不到1.0°的倾斜角度变化，重力加速度的测量范围达± 16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。芯片的控制管脚直接与核心。

2.2 电源模块电路设计

升压电路（电容充电电路）如图3所示。

采用两级升压电路，第一级可将1.5V电压升至4.5V左右，第二级可将电压继续升高至25V。第一级升压电路采用TI公司升压转换器TPS61070，其电源转换效率高达90%。器件静态电流达19uA（典型值），输入电压范围为0.9V至5.5V，输出最高可达5.5V。第二级升压电路采用TPS61040，其输入电压范围1.8V至6V，输出电压最高可达8V，器件静态电流达28uA（典型值），可提供400mV电流输出，能够迅速为电容充电至25V。

降压电路如图4所示。

降压电路使用LTC3632电源转换芯片。LTC3632是一种高效率，高电压降压型DC / DC转换器，空载时仅消耗12μA（典型值）的DC电源电流，同时保持输出电压稳定。LTC3632可提供高达20mA负载电流，调整其输出端电压后，足以保证以最低的损耗给整个系统正常供电。

2.3 显示模块电路设计

显示模块采用低功耗4位半段式液晶，使用Msp430F413单片机内部LCD驱动，使得外围电路大大简化，系统功耗降到相当低的程度。在单片机直接驱动的情况下，静态工作电流能降至nA级别。段式液晶端口分为segment端和com端，通过在segment端和com端加上交流信号，驱动相应的段显示。

2.4 控制模块电路设计

控制芯片采用Msp430f413超低功耗单片机，该系列单片机带有硬件段式液晶驱动程序，能直接驱动段式液晶程序。外围电路为单片机经典电路。显示模块与控制模块的连接也较简单，只需直接将段式液晶的segment口和com口与单片机对应的端口相连，无需任何外部电阻电容，由单片机产生交流信号直接驱动。

2.5 倾角计算

倾角计算通过ADXL345返回的三轴加速度值，测量静止物体的重力，这个重力反映在每个轴上的分量为：Ax=g*cos（a），Ay=g*cos（b），Az=g*cos（c）。其中a，b，c就是X，Y，Z轴与重力方向的夹角。

三个分量的加速度值转换成以重力加速度为单位，则满足三个方向分量平方和为重力加速度G。[Gx2+Gy2+Gz2=G]将XY方向所确定的面定为测量正面，即XY平面与测量坡度面平行，则测量的倾角满足关系式：

[Angle=tan-1GzGx2+Gy2]

3 软件设计

系统在开机后首先进行IO口、加速度模块、液晶模块的初始化，在初始化后，进入低功耗模式，并开启中断，等待按键中断的唤醒。通过对按键功能的判断实现不同的功能。

其软件设计流程图如图5所示。

4 测量测试结果以及分析

4.1 角度测量测试

将倾角测量仪分别放置在30度，45度和60度的斜面上，每按下一次倾角测量键进行一次倾角测量并显示，不同倾角斜面分别测量五次，记录显示数据。在数据处理表格中，分别计算出每次测量结果与真实值的绝对误差和相对误差，并记录五次测量中最大的相对误差。 结果如表格 1角度测试表格示。

由于测试平台存在不平整的地方，所以在测试时，发现测量数据有一定变化，在对系统进行校正之后，测量结果误差减小。

4.2 电容电压测试

a.用自制的为电容充电的装置给2200uF电容充电。充电完成后用万用表测量电容两端的电压，并记录数据。

b.用自制的为电容充电的装置给100uF电容充电。充电完成后用万用表测量电容两端的电压，并记录数据。

在测试过程中采用了相同型号不同的电容，电容的容量有所差异，且外界环境也有所影响，所以在测试工作时间时，呈现不同的时间。

4.3 工作时间测试

a.用容量为2200uF的电容充电到25V后，接入倾角测量仪中。每五秒按下一次倾角测量键，用秒表记录最长工作时间。

b.用容量为100uF的电容充电到25V后，接入倾角测量仪中。每五秒按下一次倾角测量键，用秒表记录最长工作时间。

测量数据以及结果分析如表格 2电容电压测试以及工作时间测试所示。

5 结束语

基于ADXL345三轴加速度传感器设计的超低功耗倾角测量仪测量范围0到90度，设计小巧新颖，集成度高。

经过测试，达到设计要求。具有比较好的市场前景。

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