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基于PIC16F685单片机+ADXL345数字式传感器的低功耗倾角测量仪的设计方案

来源: elecfans
2021-12-02
类别:工业控制
eye 7
文章创建人 拍明

原标题:基于PIC16F685的低功耗倾角测量仪的设计方案

基于PIC16F685单片机+ADXL345数字式传感器的低功耗倾角测量仪设计方案

1. 引言

倾角测量仪广泛应用于工业设备、建筑测量、地质监测和医疗设备等领域。为满足低功耗、小型化、高精度测量的需求,本设计基于Microchip的PIC16F685单片机和Analog Devices的ADXL345数字式加速度传感器,搭建一款低功耗倾角测量仪。

image.png

2. 设计要求与目标

  • 低功耗:适用于电池供电的应用场景

  • 高精度测量:使用高分辨率数字加速度传感器

  • 低成本:选用性价比高的元器件

  • 通信接口:支持I2C/SPI数据传输

  • 数据存储和显示:可通过LCD屏或无线方式传输数据

  • 环境适应性:支持温度补偿和抗干扰设计

3. 方案总体设计

本方案采用PIC16F685单片机作为主控单元,ADXL345数字式加速度传感器用于倾角测量。通过I2C接口实现数据采集与传输,并结合低功耗设计,实现长时间工作。

3.1 电路框图

image.png

4. 硬件设计

4.1 主要元器件选型及分析
元器件型号功能选择理由
单片机PIC16F685主控单元低功耗、I2C接口、多I/O
传感器ADXL345三轴加速度测量高精度、低功耗、I2C/SPI接口
EEPROM24LC256数据存储低功耗I2C接口,256Kb容量
显示模块1602 LCD/OLED数据显示低功耗,易读取
无线通信模块nRF24L01数据无线传输低功耗、SPI接口
电源管理芯片MCP73831锂电池充电管理体积小,充电管理精确
稳压芯片AMS1117-3.33.3V电源稳压低压差线性稳压
温度传感器LM75A温度补偿I2C接口,低功耗
4.2 单片机PIC16F685

PIC16F685是一款低功耗8位单片机,具有以下特点:

  • 低功耗模式,支持深度休眠(<1μA)

  • 内部8MHz振荡器,减少外部器件

  • 具备I2C、SPI、ADC等接口

  • 低成本,适合小型嵌入式系统

4.3 倾角测量传感器ADXL345

ADXL345是一款高精度、低功耗的数字加速度计,支持I2C和SPI接口。

  • 低功耗模式下仅消耗23μA

  • 13位分辨率,灵敏度高达3.9mg/LSB

  • 可测量±2g、±4g、±8g、±16g范围

  • 内置温度补偿,提高测量稳定性

4.4 电源管理

采用MCP73831锂电池管理芯片,对单节3.7V锂电池充电,并使用AMS1117-3.3进行稳压,确保传感器和MCU工作在稳定的3.3V电压环境。

4.5 无线通信模块

选用nRF24L01无线模块,支持2.4GHz无线通信,可低功耗远距离传输数据。

5. 软件设计

5.1 系统流程
  1. 初始化系统

    • 配置PIC16F685时钟、I/O端口

    • 初始化I2C通信,配置ADXL345

    • 初始化LCD显示或无线模块

  2. 采集倾角数据

    • 读取ADXL345 X/Y/Z轴加速度值

    • 计算倾角

  3. 存储与显示

    • 将数据存入EEPROM

    • 在LCD显示数据或通过无线发送数据

  4. 低功耗管理

    • 进入睡眠模式,定时唤醒读取数据

5.2 代码框架
#include <xc.h>
#define _XTAL_FREQ 8000000  // 8MHz时钟频率

void init_system();
void read_ADXL345();
void display_LCD();
void sleep_mode();

void main() {
    init_system();
    while (1) {
        read_ADXL345();
        display_LCD();
        sleep_mode();
    }
}

6. 测试与优化

6.1 功耗测试
  • 采用电流测试仪测量各工作模式下的功耗

  • 通过调整MCU睡眠模式和传感器采样间隔,降低功耗

  • 采用PWM控制LCD背光,进一步降低功耗

6.2 精度测试
  • 使用高精度水平仪校准测量结果

  • 对比不同采样速率和滤波算法,提高精度

  • 引入温度补偿算法,减少环境影响

6.3 无线通信测试
  • 测试无线模块的信号强度和有效传输距离

  • 评估不同数据传输速率对功耗的影响

7. 总结

本设计基于PIC16F685和ADXL345构建了一款低功耗倾角测量仪,结合I2C通信、EEPROM数据存储、LCD显示和无线传输,满足低功耗、便携测量的需求。后续可扩展低功耗蓝牙或WiFi模块,实现远程监测功能。

8. 参考文献

  • Microchip PIC16F685 数据手册

  • ADXL345 数据手册

  • nRF24L01 数据手册

  • LM75A 数据手册


责任编辑:David

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