類R―F轉(zhuǎn)換頻率測量溫度方法詳解

測量溫度一般采用開關(guān)電源模塊熱敏電阻做傳感器，測量的方法有R—V轉(zhuǎn)換電壓測量法和R—F轉(zhuǎn)換頻率測量法。這兩種方法的MTD2002電路復(fù)雜且成本高，電路中很多元器件直接影響測量精度。本文論述一種類R—F轉(zhuǎn)換頻率的測量法，用NE555定時器和熱敏電阻等器件構(gòu)成振蕩器，由開關(guān)電源模塊MSP430單片機(jī)的捕獲功能來捕獲多諧振蕩器輸出信號的高低電平并計數(shù)，熱敏電阻Rt與捕獲高低電平時的計數(shù)值的差值成正比關(guān)系。該方法電路簡單、成本低，系統(tǒng)流程框圖如圖1所示。

1 負(fù)溫?zé)崦綦娮?/p>

PT一25E2熱敏電阻溫度阻值變化曲線如圖2所示。PSB型負(fù)溫?zé)崦綦娮栌蒀o、Mn、Ni等過渡金屬元素的MTD2002氧化物組成，經(jīng)高溫?zé)砂胩沾桑瞄_關(guān)電源模塊半導(dǎo)體毫微米的精密加工工藝，采用玻璃管封裝，耐溫性好，可靠性高，反應(yīng)速度快且靈敏度高。它采用軸向型結(jié)構(gòu)，便于安裝，能承受更高溫度，且玻璃封裝耐高低溫(一50~350℃)。

2 MSP430單片機(jī)計數(shù)法測溫原理

以NE555定時器為核心組成典型的多諧振蕩器，把被測熱敏電阻Rt作為MTD2002定時元件之一接入電路中，開關(guān)電源模塊NE555定時器輸出引腳接MSP430單片機(jī)的P1.2腳(Timer_A：捕獲、CCIlA輸入引腳)。系統(tǒng)電路如圖3所示。

由NE555工作原理可知，開關(guān)電源模塊多諧振蕩器輸出信號(周期性矩形波)的高電平時間(1個周期內(nèi))為：

若控制開關(guān)電源模塊MSP430單片機(jī)的定時器A計數(shù)時鐘的頻率設(shè)置為f，則捕獲到高電平時間內(nèi)的計數(shù)值為NH，捕獲到MTD2002低電平時間內(nèi)的計數(shù)值為NL，所以有：

因為f、C1、R1均為定值，所以Rt與N成正比，且增大f還可以提高測量精度。查表可得溫度值。

由上述測量原理可知，誤差主要來源為：R1、R2精度，單片機(jī)的定時器和電容器的精度以及穩(wěn)定度。這里選用高精度(士O.001%)、溫度系數(shù)小于土O.3×10-6/℃的精密金屬箔電阻器。因此當(dāng)選用高精度、高穩(wěn)定度的電容器，且單片機(jī)的工作頻率足夠高，就可以得到較好的測溫精度。

3 MSP430單片機(jī)捕獲原理

捕獲計數(shù)法的原理如圖4所示。通過開關(guān)電源模塊MSP430單片機(jī)TACTL寄存器給定時器A設(shè)置一個固定的MTD2002時鐘頻率f和計數(shù)模式(本系統(tǒng)設(shè)為連續(xù)模式)。又知Timer A工作在連續(xù)計數(shù)模式時，TAR(16位)計數(shù)范圍是0一FFFFH值。定時器A連續(xù)模式計數(shù)啟動后，TAR的值開始從O—FFFFH一O—FFFFH……不斷重復(fù)計數(shù)，直至軟件控制其停止計數(shù)為止;同時設(shè)置TACCTL寄存器的CMx、CAP、CCIE位，在多諧振蕩器輸出方波的上升沿和下降沿都觸發(fā)捕捉并中斷。這樣當(dāng)每次沿到來，進(jìn)入中斷并捕獲上升沿和下降沿時刻的值(如TACCRla、TACCRlb、TAC—CRlc、TACCRld……)，然后用此次捕獲的值減去上次捕獲的值即可得高或低電平時間內(nèi)的計數(shù)值NH、NL。例如：NH=TACCRlb一TACCRla、NL=TACCRlc一TACCRlb，代入式4、式5便可得出R的值，查表即得溫度值。

MSP430F1X定時器初始化所涉及的寄存器配置如下：

TASSELx：4種時鐘源供選擇。

IDx：4種預(yù)分頻選擇。

MCx：TAR計數(shù)模式選擇，MCx=11，上升沿和下降沿都捕獲。

TAIE：Timer_A中斷使能，為“1”中斷使能。

CMx：捕獲觸發(fā)信號選擇。

SCS：捕獲同步或異步選擇，“O”同步、“1”異步。

CAP：捕獲模式選擇，“O”比較、“1”捕獲。

CCIE：捕獲/比較中斷選擇，為“1”中斷使能。

4 軟件設(shè)計

基于開關(guān)電源模塊MSP430單片機(jī)捕獲中斷測溫程序流程如圖5、圖6所示，包括MTD2002主程序流程、捕獲中斷和溢出中斷流程。

Timer_A初始化代碼如下

捕獲中斷和溢出中斷函數(shù)代碼如下：

代入常量f、C1、R2的值，即可得熱敏電阻阻值，通過查表可得MTD2002溫度值。查表溫度間隔一般為1℃，如果忽略開關(guān)電源模塊熱敏電阻1℃以內(nèi)的非線性誤差，可以將兩攝氏度之間取線性計算，這樣可以得到O.01℃的分辨率。

結(jié) 語

由測量原理知：開關(guān)電源模塊被測電阻的阻值越大，MTD2002測量誤差越小。筆者已應(yīng)用該方法設(shè)計出一款溫度計，測量范圍為一10~80℃，分辨率達(dá)到O.01℃，誤差在O.3℃以內(nèi)。該開關(guān)電源模塊設(shè)計充分利用了MSP430單片機(jī)的捕獲功能和低功耗功能，使得MTD2002電路功耗低、電路簡潔、價格低廉、精度高。