MSP430微控制器的諸多系列中都有內(nèi)嵌的溫度傳感器。本文提出了一種基于這個傳感器的溫度報警系統(tǒng)的方案。然后分析了產(chǎn)生虛警和漏警的原因，并提出了減小這兩種概率的辦法，最后給出了以MSP430F449為例的C語言程序。
1. 系統(tǒng)的總體方案
MSP430微控制器MCU(Micro ControllerUnit)是TI公司推出的一款具有豐富片上外圍的強大功能的超低功耗16位混合信號處理器。其中包括一系列的器件，可以應(yīng)用在不同的場合。MSP430與MCS-51的一個顯著不同就是它在片內(nèi)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊，使得A/D轉(zhuǎn)換得以容易的實現(xiàn)。其中在MSP430的13x、14x、43x、44x系列器件中，都有內(nèi)嵌的溫度傳感器。它的輸出送入ADC12模塊的通道10，然后對其進行A/D轉(zhuǎn)換，進而可以測量芯片內(nèi)的溫度。在本告警系統(tǒng)中就是采用這個溫度傳感器的輸出來實現(xiàn)溫度的實時告警。
圖1 基于MSP430F449內(nèi)嵌溫度傳感器的溫度告警系統(tǒng)原理圖
本系統(tǒng)的基本方案是這樣的：ADC12模塊的通道10對芯片的溫度進行測量，當測量溫度高于或者低于預設(shè)告警值時，便通過I/O端口的輸出來驅(qū)動LED，顯示告警狀態(tài)。芯片在整個過程中處于低功耗模式。本系統(tǒng)的原理比較簡單，圖1給出其簡單的原理圖。
2. 溫度傳感器的測溫原理和過程
MSP430內(nèi)嵌的溫度傳感器實際上就是一個輸出電壓隨環(huán)境溫度而變化的溫度二極管，表1是它的一些基本電氣特性。按照TI公司提供的資料，這個溫度二極管輸出的電壓和對應(yīng)的溫度近似成簡單的線性關(guān)系。所測溫度可由的公式(1)求出：
(1)
其中，T：測量到溫度，單位℃;
VST ：ADC模塊的通道10測量到的電壓，單位mV;
V0℃ ：0℃時傳感器的輸出的電壓，單位mV;
TC SENSOR ：傳感器的傳感電壓，即輸出電壓隨溫度的變化情況，單位mV/℃。數(shù)值上等于溫度每升高1℃，增加的輸出電壓。
對于12位的ADC模塊，VST可以通過下面的A/D轉(zhuǎn)換公式求得：
(2)
其中，ADC12CH10：通道10所測得的溫度傳感器的12位A/D值;
VR+：正參考電壓，可以取內(nèi)部參考VREF+ 、AVcc或者外部參考VeREF+ ，單位mV;
VR-：負參考電壓，單位mV。通常取VR-=AVss，在這種情況下，求VST的公式進一步簡化為：
(3)
由(1)式和(3)式可見，把A/D轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果VST經(jīng)過簡單轉(zhuǎn)換就可得到對應(yīng)的溫度。
表1：MSP430微控制器溫度傳感器電氣特性表
|
參數(shù) |
測試條件 |
最小值 |
典型值 |
最大值 |
單位 |
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V0℃ |
Vcc= 2.2V/3V |
986 - 5% |
986 |
986 + 5% |
mV |
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TCSENSOR |
Vcc= 2.2V/3V,TA=0℃ |
3.55 -3% |
3.55 |
3.55 +3% |
mV/℃ |
|
tSENSOR |
Vcc= 2.2V/3V |
30 |
|
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μs |
3. 測量誤差及其減小辦法
很容易發(fā)現(xiàn)這個溫度傳感器具有較大的測量誤差，實驗也證明了這一點。這將導致較大的虛警概率或漏警概率。因此要想實用它，必須要進行誤差校正，以減小這兩個概率。產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾個方面：
0℃基準參考電壓誤差
由表1可見，V0℃的最大誤差可達5%。所以由它導致的最大誤差為：
。這么大的誤差，無疑會導致很大的虛警或者漏警概率，所以必須要對它進行校準。
用TRT 表示室溫，VRT表示室溫下溫度傳感器的輸出電壓，則由公式(1)可得：
(4)
由式(1)減式(4)可得：
(5)
因為MSP430是低功耗的，所以在開機的一段時間內(nèi)，它的片內(nèi)外溫度可以認為是一樣的。因此我們可以用溫度計測量出開機時的室溫TRT，將開機時測得的VST作為VRT，然后將VRT和TRT代入(5)式進行溫度計算。這樣就消除(至少是減小)了由V0℃不準確而導致的測量誤差，從而減小了虛警和漏警概率。
傳感電壓誤差
對于工業(yè)級標準，工作溫度范圍為：-20℃ ~ +85℃。而對于一個實際的系統(tǒng)，絕大多數(shù)時間工作在0℃ ~ +50℃之間。因此，用做基準參考會導致較大的積累誤差。從表1可以看出，由傳感電壓引入的最大誤差約為 。如果待測溫度為50℃，用0℃作參考，則最大誤差為：℃;而用室溫(假定TRT = 25℃)作參考，則誤差為：℃，比用0℃作參考時減小了一半。因此采用室溫作為溫度參考，是減小積累誤差的一個較好的方案。不過由傳感電壓引入的誤差相對于 來說還是比較小的。
A/D轉(zhuǎn)換引入的誤差
由芯片資料可見，對于12位A/D，因漏電流引入的誤差≤1LSB，這個誤差可以忽略不記。但是由于布線技術(shù)和電源和地線等的不良而導致的電源線、地線上的紋波和噪聲脈沖對轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響卻不能不考慮。如圖1所示，如果數(shù)字地DVss和模擬地AVss是分開供電的，則可以在這兩點之間接入反相并接的二極管對，以消除700mV的電壓差。另外如果參考電壓(VR+ - VR-)較小，那么紋波的影響會變得更明顯，從而影響轉(zhuǎn)換精度。因此，電源的清潔無噪聲對A/D轉(zhuǎn)換的精度有很大的影響。當然在可能的情況下還是要盡量采用較大的(VR+ - VR-)。還有就是盡量不要采用內(nèi)部參考，內(nèi)部參考不太穩(wěn)定，會影響轉(zhuǎn)換的精度。仔細安排各自接地點的旁路電容對于減小噪聲的影響也是很有用的。圖1給出了一種典型的退耦電容配置方式，在芯片的電源以及外接參考電壓(圖中沒有畫出)的引腳上并接一個10uF的鉭電容和一個0.1uF的瓷片電容能夠較好的起到抑制噪聲的作用。
采用內(nèi)嵌溫度傳感器測量溫度，要受到很多方面的影響。除了上面討論的方法，還有減小誤差的一般方法，比如多次測量取平均等。所以要綜合考慮各方面的因素，才能取得滿意的效果。
