低功耗便携式倾角测量仪的设计

李杭晋，潘为刚，李易庭，韩耀振

(山东交通学院 信息科学院与电气工程学院，山东 济南 250357)

在建筑行业、水利建设、道路施工、通讯设施、天线定位等领域，均需要角度测量仪，用于测量地面平整度、倾斜度、平台的水平度等。设计了一款通用的低功耗倾角测量仪，能够测量并显示角度，精度达±0.1o，并且整机静态功耗约为175 μA。系统选用低功耗MSP430F1459单片机控制MMA8451采集3个轴上的加速度并用低功耗LCD玻璃片显示角度。

1 测量原理与系统设计

1.1 测量原理

角度测量原理图如图1所示。

图1 角度测量原理图

由加速度传感器测得的3个轴上的电压,经过RC滤波后，分别得到Ax,Ay,Az。Ax,Ay在xOy平面的合量在水平面的投影为

Az在水平面的投影为

式中 X0,Y0,Z0分别为加速度在x，y，z三轴上的转换初值。

由于合向量为0，则

则斜面的倾角θ计算公式为

1.2 系统设计

倾角仪采用专用于角度测量的MMA8451加速度传感器，8位/14位精度，电源1.95～3.6 V，直接输出数字量，选用14位精度时,分辨率为0.02°，考虑传感器温度漂移后，精度可达±0.1°，满足系统要求。

系统硬件部分主要由控制器MSP430F149、三轴加速度传感器MMA8451模块、HT1621驱动显示模块等各部分组成，工作电压为3.3 V， 在静态模式下，MSP430F149(LPM4模式)的电流为0.1 μA，三轴加速度传感器MMA8451的电流约为1.8 μA，HT1621的电流为0.1 μA，LCD显示的电流为170 μA，总电流为172 μA，外加部分损耗，总计约为175 μA；在工作模式下，MSP430F149的电流为280 μA， MMA8451的电流为20 μA，显示模块的电流为170 μA，总计为470 μA，完全满足系统低功耗要求。

因此系统采用MSP430F149[1]单片机为控制核心，采用MMA8451加速度传感器检测角度，利用LCD专用驱动芯片HT1621驱动液晶LCD玻璃片实现显示功能，并直接在单片机P1口上连接按键实现按键唤醒功能。系统总体结构框图如图2所示。

图2 系统总体结构框图

2 硬件电路与程序设计

2.1 硬件电路

系统硬件电路主要包括MMA8451加速度传感器接口电路与HT1621显示接口电路两部分。

2.1.1 MMA8451加速度传感器接口电路

MMA8451三轴加速度传感器共有16个引脚，QFN封装，数字I2C输出，8位/14位精度，量程±2g(g为重力加速度，g=9.8 m/s2)/±4g/±8g，电源1.95～3.60 V。输出数据速率为1.56～800 Hz。有2个可编程的中断引脚，7个中断源，可检测自由落体、运动、脉冲、振动等、倾角等。灵敏度由count/g表示，2g量程下，分辨率为4 096/g；4g量程下，分辨率为2 048/g；8g量程下，分辨率为1 024/g。

MMA8451三轴加速度传感器典型应用有：电子罗盘，静态姿态、运动检测，笔记本电子书等便携设备的翻滚、自由落体检测，实时的方向检测可用于虚拟现实设备或3D游戏中的位置检测，便携设备节能应用中的运动检测等。

2.1.2 显示接口电路设计

HT1621是128(32×4)点内存映像多功能的LCD驱动器，适用于多种LCD，用于连接主控制器和HT1621的管脚最少只需3个,HT1621还有1条节电命令用于降低系统功耗。HT1621显示驱动接口电路如图4所示。[2]

2.2 程序流程图

软件实现的功能为加速度传感器检测斜度、角度显示、按键中断服务程序。

主程序流程图如图5所示。

图3 MMA8451传感器接口电路图 图4 LCD玻璃片显示及驱动模块电路图

图5 系统主程序流程图

3 系统测试结果

倾角仪低功耗模式下的功耗测试数据如表1所示。

由表1可知，静态模式下系统总电流约为 173 μA，MSP430F149电流约为0.13 μA，显示模块电流约为170 μA，MMA8451模块电流约为2.25 μA。因此，各模块的实际功耗典型值与理论值基本一致。

工作模式下的功耗测试结果是按键按下各模块均进入工作模式下测得数据。工作模式下系统总电流约为435 μA，MSP430F149电流约243 μA，显示模块电流约170 μA，MMA8451模块电流约为20.6 μA。由此，各模块的实际功耗典型值与理论值基本一致。

倾角仪角度测量数据如表2所示。

表1 系统在低功耗模式和工作模式下的电流 μA

表2 角度测量 (°)

由表2可知，理论值与实测值基本一致，并且精度可达±0.1°。

4 结论

系统采用高精度14位加速度传感器MMA8451设计的便携式倾角测量仪，具有携带方便、精度高等优点，可以实时准确的测量倾角，且在3. 3 V工作电压下整机静态电流仅为172 μA，精度达±0.1°，对工业生产中具有较为重要的应用价值。

参考文献：

[1]沈建华. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2008.

[2]潘为刚,丁海栋. 超低功耗电子温度计的设计[J].山东交通学院学报, 2009, 17(3): 79-82.