基于MSP430內(nèi)嵌溫度傳感器的溫度告警系統(tǒng)

1. 系統(tǒng)的總體方案

MSP430微控制器MCU（Micro Controller Unit）是TI公司推出的一款具有豐富片上外圍的強(qiáng)大功能的超低功耗16位混合信號(hào)處理器。其中包括一系列的器件，可以應(yīng)用在不同的場(chǎng)合。MSP430與MCS-51的一個(gè)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(shí)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(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可以測(cè)量芯片內(nèi)的溫度。在本告警系統(tǒng)中就是采用這個(gè)溫度傳感器的輸出來實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)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(duì)芯片的溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)量溫度高于或者低于預(yù)設(shè)告警值時(shí)，便通過I/O端口的輸出來驅(qū)動(dòng)LED，顯示告警狀態(tài)。芯片在整個(gè)過程中處于低功耗模式。本系統(tǒng)的原理比較簡(jiǎn)單，圖1給出其簡(jiǎn)單的原理圖。

2. 溫度傳感器的測(cè)溫原理和過程
MSP430內(nèi)嵌的溫度傳感器實(shí)際上就是一個(gè)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(gè)溫度二極管輸出的電壓和對(duì)應(yīng)的溫度近似成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。所測(cè)溫度可由的公式（1）求出：

（1）

其中，T：測(cè)量到溫度，單位℃；
V_ST ：ADC模塊的通道10測(cè)量到的電壓，單位mV；
V_0℃ ：0℃時(shí)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(duì)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，ADC12_CH10：通道10所測(cè)得的溫度傳感器的12位A/D值；
V_R＋：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；
V_R－：負(fù)參考電壓，單位mV。通常取VR－＝AVss，在這種情況下，求VST的公式進(jìn)一步簡(jiǎn)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(jiǎn)單轉(zhuǎn)換就可得到對(duì)應(yīng)的溫度。

表1：MSP430微控制器溫度傳感器電氣特性表

3. 測(cè)量誤差及其減小辦法
很容易發(fā)現(xiàn)這個(gè)溫度傳感器具有較大的測(cè)量誤差，實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。這將導(dǎo)致較大的虛警概率或漏警概率。因此要想實(shí)用它，必須要進(jìn)行誤差校正，以減小這兩個(gè)概率。產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面：

0℃基準(zhǔn)參考電壓誤差
由表1可見，V_0℃的最大誤差可達(dá)5％。所以由它導(dǎo)致的最大誤差為：。這么大的誤差，無疑會(huì)導(dǎo)致很大的虛警或者漏警概率，所以必須要對(duì)它進(jìn)行校準(zhǔn)。

用T_RT 表示室溫，V_RT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?yàn)镸SP430是低功耗的，所以在開機(jī)的一段時(shí)間內(nèi)，它的片內(nèi)外溫度可以認(rèn)為是一樣的。因此我們可以用溫度計(jì)測(cè)量出開機(jī)時(shí)的室溫TRT，將開機(jī)時(shí)測(cè)得的V_ST作為V_RT，然后將V_RT和T_RT代入（5）式進(jìn)行溫度計(jì)算。這樣就消除（至少是減小）了由V_0℃不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，從而減小了虛警和漏警概率。

傳感電壓誤差
對(duì)于工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍為：-20℃ ~ +85℃。而對(duì)于一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，絕大多數(shù)時(shí)間工作在0℃ ~ +50℃之間。因此，用 做基準(zhǔn)參考會(huì)導(dǎo)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(cè)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(shí)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(gè)較好的方案。不過由傳感電壓引入的誤差相對(duì)于 來說還是比較小的。