低功耗便携式倾角测量仪的设计

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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-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 A。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A ，A ， 。A ，A 在xOy平面的合量在水平面的投影为 /(A - ) (A -ro) c0s 0，： 在水平面的投影为AZ ：(A -Zo)sin 0，式中 ， ， 分别为加速度在 ，y，z三轴上的转换初值。

收稿日期：2012-03-26作者简介：李杭晋(1991-)，男，山东济宁人，山东交通学院本科生，主要研究方向为自动化技术第2期 李杭晋等：低功耗便携式倾角测量仪的设计 81由于合向量为 0，则√(A -蜀) (A -y0) cos ：(A -z0)sin ，则斜面的倾角 0计算公式为. √(A - ) (A -y ) 诅n - - - - 1 . f n1.2 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拈、HT1621驱动显示拈等各部分组成，工作电压为3.3 V，在静态模式下，MSP430F149(LPM4模式)的电流为0.1 IxA，三轴加速度传感器 MMA8451的电流约为 1.8 A，HT1621的电流为0.1 txA，LCD显示的电流为170 A，总电流为172 A，外加部分损耗，总计约为175 I.LA；在工作模式下，MSP430F149的电流为280 A，MMA8451的电流为20 A，显示拈的电流为 170 IxA，总计为470 IxA，完全满足系统低功耗要求。

因此系统采用MSP430F149ll 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。

2 硬件电路与程序设计图2 系统总体结构框图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。

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/s )/4g/±8g，电源 1.95～3.6O 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### 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 X 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 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。

山东交通学院学报 2013年9月 第2l卷图3 MMA8451传感器接口电路图 图4 LCD玻璃片显示及驱动拈电路图3 系统测试结果图5 系统主程序流程图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 I.LA，MSP430F149电流约为 0.13 A，显示拈电流约为 170 IxA，MMA8451拈电流约为2.25 A。因此，各拈的实际功耗典型值与理论值基本-致。

工作模式下的功耗测试结果是按键按下各拈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 A，MSP430F149电流约243 IxA，显示拈电流约170 A，MMA8451拈电流约为20.6 A。

第 2期 李杭晋等：低功耗便携式倾角测量仪的设计 83表2 角度测量 (。)次数 理论 实测 次数 理论 实测 次数 理论 实测1 0 9，9 5 60 6O.O 8 9O 90，12 25 25.1 6 75 75.1 9 105 104.93 30 3O.O 7 . 85 85.O 1O 120 120.14 45 44.9由表 2可知 ，理论值与实测值基本-致，并且精度可达 ±0.1 O O4 结论系统采用高精度 l4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 txA，精度达±0.1。，对工业生产中具有较为重要的应用价值。