0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

浅谈PIC16F685的低功耗倾角测量仪的设计

电子工程师 来源:微型机与应用 作者:刘建航 秦思思 赵 2021-04-23 15:36 次阅读

摘 要: 针对目前倾角测量仪测量精度差、功耗较大等缺点,设计了一种新型的倾角测量装置。该低功耗倾角测量仪以PIC16F685单片机为主控芯片,利用ADXL345数字式传感器三轴加速度测速计测量倾角,采用LCD液晶显示所测数据。通过优质算法使倾角测量仪的测量精度大大提高,使精度误差在±0.5°之内,并且功耗较低,在实际应用中效果较好。

0 引言

随着科技水平的提高,机械产品需求越来越高,倾角测量仪越来越广泛地应用于工程机械设计、汽车电子设计、水平测量、电力系统监控以及建筑设计等各个行业的角度测量中。由于环境条件的干扰,对测量仪的要求越来越高,需要有较高的精度以及较强的抗干扰和抗冲击能力,并且需要结构简单易用。基于这种要求,本文改进设计出了一种新型倾角测量仪器。

1 系统概述

本设计主要由充电模块、倾角测量仪模块、主控制电路模块、显示模块等几部分组成。其中充电模块由电容干电池等组成,为测量倾角提供电源;倾角测量仪模块是由加速度传感器ADXL345作为主要芯片的设计,主要用于测量倾角;主控模块采用了基于PIC16F685单片机为主芯片的设计;显示模块采用LCD显示模块,可以清晰地显示所测角度。设计中软硬件互相配合,并采用各种保护和抗干扰技术,通过优质算法使倾角测量仪的测量精度大大提高,并且采用低功耗元器件使所需能耗大大降低。

pIYBAGCCeAmAEslcAACpmD3-rfU166.png

系统框架如图1所示。采用PIC16F685[1]作为主控制器,具有低电压启动、功耗低、体积小、抗干扰性强等优点,且内置I2C模块,可大大简化硬件电路和软件编程。ADXL345[2]是一款小而薄的超低功耗三轴加速度计,分辨率高(13位),测量范围达±16 g,用其测量静态重力加速度。显示器选用低功耗的段码液晶,具有低压微功耗、外观小巧精致、显示信息量大、寿命长等优点。其工作原理是通过ADXL345模块检测得到数据,通过接口传送给单片机PIC16F685,再把测量结果通过输出接口传送给LCD显示。

2 理论分析与计算

2.1 倾角计算

在立体坐标轴情况下,可在全球面范围确定传感器的方向。可通过传统的直角坐标(x,y,z)—球面(ρ,θ,φ)转换法来表征xy平面倾斜角θ及重力矢量倾斜角与各轴测得加速度之间的关系。如以下二式[3]所示:

pIYBAGCCeB-ATPEjAAAlL2fB_ZM004.png

2.2 理论功耗分析

PIC16F685为采用纳瓦技术的20引脚8位CMOS闪存单片机。待机电流: 2.0 V时,典型值为1 nA;工作电流:32 kHz、2.0 V时,典型值为20 μA;4 MHz、5.5 V 时,典型值< 1 mA;看门狗定时器电流:2.0 V时,典型值< 1 μA。

RA2上的超低功耗唤醒(ULPWU)功能允许缓慢下降的电压能够在RA2上产生电平变化中断,同时不消耗很大的电流。将ULPWUE 位(PCON<5>)置1将选取超低功耗唤醒模式。这将产生一个小的灌电流,可用来对RA2上电容器进行放电。将ULPWUE位置1 以开始放电,并执行SLEEP指令。当RA2上电压下降到低于VIL时,将产生中断,将器件唤醒。该功能提供了一种周期性将器件从休眠中唤醒的低功耗方法。休眠时间取决于RA2上RC电路的放电时间。

如果运行条件超过了“绝对极限参数值”(总功耗:800 mw),即可能对器件造成永久性损坏。器件长时间工作在绝对极限参数条件下,其稳定性可能受到影响。MCLR引脚上若出现低于VSS的尖峰电压,感应电流超过80 mA,可能导致闭锁[4]。因此,在MCLR 引脚上施加低电平时,应使用一个50~100 Ω的串联电阻,而不是将该引脚直接与VSS 连接。

功耗计算公式为:

PDIS = VDD × {IDD - Σ IOH} +

Σ {(VDD - VOH) × IOH} +

Σ(VOL × IOL)

ADXL345是一款小而薄的超低功耗三轴加速度计,分辨率高(13位),测量范围达±16 g。它具有自动调节功耗功能,与输出数据速率成比例,如表1所示。如果需要额外省电,可采用低功耗模式。该模式下,内部采样速率降低,12.5 Hz~400 Hz数据速率范围内达到省电目的,而噪声略微变大。要进入低功耗模式,在BW_ RATE寄存器(地址0x2C)中设置LOW_POWER位(位4)。表2为低功耗模式下的功耗,低功耗模式的优势从中可见。相对于正常功耗模式的数据速率,低功耗模式的数据速率并无任何优势。

pIYBAGCCeEGAGUhRAAGEQWFcLiE078.png

pIYBAGCCeFiAFEd3AAEY15o29fM837.png

3 硬件与程序设计

3.1 硬件设计

(1)主电路电气原理图如图2所示。

pIYBAGCCeIOAQPmfAAGjUURPLDk707.png

o4YBAGCCeJ2AbZ7ZAAD2ERMYaeo531.png

(2)电容充电装置电路图如图3所示。开关S闭合电池对电容C1充电,当C1电压达到一定电压值时,使VT1、VT2导通,此时C1通过R1、R2、VT2放电,当C1电压降到一定电压值时,VT1、VT2截止,电池再对C1充电,如此重复形成高频电,通过升压变压器升压后整流输出,再经稳压管VD2稳压给电容充电。

3.2 软件流程图与程序设计

(1)本设计的软件流程图如图4所示。

6357747745572100009880546.jpg

(2)程序设计

PIC16F685通过I2C方式对ADXL345芯片的内部寄存器进行读写操作,从而实现对该芯片的设置和对检测结果的数据读取[3]。

6357747751175900001802871.jpg

I2C通信模式电路连接图如图5所示,CS引脚拉高至VDD I/O,ADXL345处于I2C模式,需要简单2线式连接。ALT ADDRESS引脚处于高电平,器件的7位I2C地址是0x1D,随后为R/W位。这转化为0x3A写入,0x3B读取。通过ALT ADDRESS引脚(引脚12)接地,可以选择备用I2C地址0x53(随后为R/W位)。

这转化为0xA6写入,0xA7读取。对于任何不使用的引脚,没有内部上拉或下拉电阻,因此,CS引脚或ALT ADDRESS引脚悬空或不连接时,任何已知状态或默认状态不存在。使用I2C时,CS引脚必须连接至VDD I/O,ALT ADDRESS引脚必须连接至任一VDD I/O或接地。

4 系统测试

4.1 测试方案

⑴目的:倾角变化时,能够达到设计要求,测量斜面倾角,范围为0°~ 90°。

⑵环境:日常情况,斜面倾角改变。

⑶设备:木板、电解电容、倾角测量装置。

⑷方法:通过自制充电装置给电解电容充电,然后电容给倾角测量仪供电;将倾角测量仪放在斜面上固定,手动控制木板变化,显示器件自动显示不同数据值,测量斜面倾斜角度。

4.2 测试结果及分析

(1)倾角改变而测量仪在斜面上固定时,实测角度和沿x轴、y轴、z轴方向上的分量显示结果如表3所示。

(2)倾角固定而测量仪在斜面上旋转时,实测角度和沿x轴、y轴、z轴方向上的分量测得一组数据如表4所示。

6357747753782700007050684.jpg

利用绝对误差和相对误差公式:

6357747749328300009042894.png

计算表3中的平均绝对误差为0.4°,平均相对误差值为0.88%,达到设计要求。同理可计算表4中的数据亦达到设计要求。

5 结论

经过试验测试分析表明,设计的倾角测量仪能够达到精度要求,并且能够满足实际的需求。实现了实时数字显示,功耗较低,能够在实际的工业中有较广的应用。

参考文献

[1] 姚晓通. 轻松玩转PIC单片机C语言[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2011.

[2] ADI.ADXL345:3-Axis.,±2g/±4g/±8g/16g数字加速度计[DB/OL].[2014-04-15]

[3] Christopher J. Fisher. 利用加速度计进行倾斜检测[DB/OL].(2010)[2014-04-15]

[4] 邱仁峰,胡晓东. 一种高精度数字倾角测量系统的设计[J]. 电子技术应用, 2005,31(6):38-41.

[5] 花鹏. 基于三轴加速度计的腕式健康监测系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2013(3):71-74.

编辑:jq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 机械
    +关注

    关注

    8

    文章

    1515

    浏览量

    40457
  • 干电池
    +关注

    关注

    1

    文章

    124

    浏览量

    181705
  • 倾角测量仪
    +关注

    关注

    0

    文章

    4

    浏览量

    7156
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    光学透过率测量仪的技术原理和应用场景

    光学透过率测量仪(也称为光透过率检测仪)是一种专门用于测量材料透光率的仪器。以下是对其技术原理和应用场景的详细解析:技术原理光学透过率测量仪的技术原理主要基于光的透射原理。当光线通过物质时,会发
    发表于 10-16 14:38

    噪声测量仪器,和测量条件

    噪声测量仪器和测量条件是确保噪声测量准确性和可靠性的关键因素。以下是对噪声测量仪器和测量条件的分析: 一、噪声
    的头像 发表于 10-09 15:00 269次阅读

    EN8F1823E完全替代PIC16F883,PIC16F1883,PIC16F1936,PIC16F1937

    PIC
    捷尚微辉芒微MCU单片机
    发布于 :2024年07月30日 16:59:15

    如何选择适合的影像测量仪类别以满足特定测量需求

    在当今快速发展的工业制造领域,对于产品精度的要求越来越高,这就需要依赖于一系列精密的测量工具来确保产品质量。影像测量仪,作为精密测量设备中的一员,以其高精度、高效率和多功能性,在众多测量
    的头像 发表于 07-16 15:37 1475次阅读
    如何选择适合的影像<b class='flag-5'>测量仪</b>类别以满足特定<b class='flag-5'>测量</b>需求

    半导体器件测量仪及应用

    此文详细讲述了半导体器件测量仪的工作原理简介、使用以及常用半导体器件的测量方法。
    发表于 06-27 14:07 0次下载

    测量系统|图像尺寸测量仪测量亚克力板

    普密斯图像测量仪测量亚克力板方面具有高精度、快速、稳定、智能化等优点,能够满足各种亚克力板测量需求,为亚克力板的生产和应用提供有力的技术支持。
    的头像 发表于 06-15 10:11 343次阅读
    <b class='flag-5'>测量</b>系统|图像尺寸<b class='flag-5'>测量仪</b><b class='flag-5'>测量</b>亚克力板

    全自动影像测量仪概述

    二次元全自动影像测量仪,又称二次元影像测量仪或精密影像式测绘仪,是投影仪的升级换代产品,集成了光、机、电、计算机图像技术于一体。以下是关于二次元全自动影像测量仪的3分钟了解:一.基本概念1.定义
    的头像 发表于 06-04 11:38 619次阅读
    全自动影像<b class='flag-5'>测量仪</b>概述

    噪声测量仪器的校准过程及注意事项

    一、引言 噪声污染已成为现代社会中一个重要的环境问题,对人类生活和健康产生着严重影响。为了有效地控制噪声污染,准确测量环境中的噪声水平是必要的。 二、噪声测量仪器的分类 噪声测量仪器主要分为以下几类
    的头像 发表于 06-03 16:19 1853次阅读

    测量仪器的种类及其作用

    测量仪器是科学研究和工程技术中不可或缺的工具,它们通过精确测量目标物的各种属性值,为科研工作者和工程师们提供准确的数据支持。本文将详细介绍测量仪器的种类及其作用,以期为读者提供全面的了解和认识。
    的头像 发表于 05-13 17:14 1366次阅读

    三坐标测量仪与影像测量仪相比有什么区别

    三坐标测量仪(CMM)与影像测量仪测量维度、测量方式和主要测量工件类型方面存在显著区别:1、测量
    的头像 发表于 04-25 09:19 935次阅读
    三坐标<b class='flag-5'>测量仪</b>与影像<b class='flag-5'>测量仪</b>相比有什么区别

    直流电参数测量仪详解

    直流电参数测量仪是一种用于测量直流电路中各种电参数的仪器。它在电子、电力、能源、通信等领域具有广泛的应用。本文将介绍直流电参数测量仪的原理、功能、特点以及应用,帮助读者更好地了解和应用这一测量
    的头像 发表于 03-19 13:22 828次阅读
    直流电参数<b class='flag-5'>测量仪</b>详解

    测量系统新秀:全自动影像测量仪(闪测仪)IMAGE 3 Pro-H

    全自动影像测量仪(闪测仪)IMAGE 3系列的多样型号提供了不同的测量优势,可以根据具体的测量需求和产品特点选择合适的测量仪型号。
    的头像 发表于 02-20 14:42 684次阅读
    <b class='flag-5'>测量</b>系统新秀:全自动影像<b class='flag-5'>测量仪</b>(闪测仪)IMAGE 3 Pro-H

    蔡司三坐标测量仪CMM的优点

    蔡司三坐标测量仪CMM是一种高精度的测量设备,它可以在三维空间中对工件进行精确的测量。以下是三坐标测量仪的主要优点:1、高精度:三坐标测量仪
    的头像 发表于 12-25 18:01 1095次阅读
    蔡司三坐标<b class='flag-5'>测量仪</b>CMM的优点

    微纳米表面轮廓形貌用什么测量仪

    微纳米表面轮廓形貌的测量可以帮助我们了解材料的物理特性、表面形态以及质量状况。如白光干涉仪是一种常见的微纳米表面轮廓仪测量仪器,常用于研究产品的微观形貌和粗糙度;而共聚焦显微镜大倾角超清纳米
    的头像 发表于 12-20 16:38 788次阅读
    微纳米表面轮廓形貌用什么<b class='flag-5'>测量仪</b>器

    激光孔径测量仪的用途及应用

    激光孔径测量仪的用途及应用  激光孔径测量仪是一种用于测量孔径(也称为孔径大小、孔径直径)的精密测量仪器。具体而言,它利用激光束将其聚焦到被测孔径上,然后通过接收光的变化来计算出孔径的
    的头像 发表于 12-19 14:10 2412次阅读