簡(jiǎn)化微控制器與溫度傳感器之間的接口

摘要：數字系統常常需要測量、控制和保持溫度，而溫度是一個(gè)模擬量。如果采用適當的技術(shù)和元件，將模擬的溫度量轉化為數字量并不困難。本文介紹了幾種簡(jiǎn)單的微處理器與傳感器的接口電路。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器、接口、溫度控制

原理上，微處理器對溫度值的讀取很簡(jiǎn)單。將熱敏電阻或其它模擬溫度傳感器的輸出送入模數轉換器（ADC），微處理器只需讀取模數轉換器輸出的數字量即可。有些微處理器內部帶ADC，在某種程度上簡(jiǎn)化了設計。ADC需要一個(gè)基準電壓，可由外部器件產(chǎn)生。熱敏電阻傳感器的基準電壓通常與其電阻分壓網(wǎng)絡(luò )高端上的電壓相同。這類(lèi)溫度測量系統存在的問(wèn)題是：

· 傳感器輸出電壓范圍遠小于A(yíng)DC的輸入范圍：用于溫度測量的ADC一般是8位精度，采用2.5V基準電壓，通常這也就是輸入電壓范圍。如果在溫度測量范圍內傳感器對應的最大輸出僅為1.25V，則有效分辨率就下降為7位。為達到8位精度，必須利用外部運算放大器增加信號增益，或者降低ADC的基準電壓（對有些ADC而言，這樣會(huì )降低轉換精度）。

· 誤差裕量?。簾崦綦娮杈W(wǎng)絡(luò )或其它模擬溫度傳感器誤差、ADC的轉換誤差、運算放大器失調、增益設置電阻的公差、以及電壓基準誤差的總和可能已超出系統的容差。

· 非線(xiàn)性：熱敏電阻的傳遞函數具有嚴重的非線(xiàn)性，許多應用場(chǎng)合，在測量的很小溫度范圍之內它近似于線(xiàn)性。還可以通過(guò)查表法來(lái)補償非線(xiàn)性，但這種方法所需要的資源可能難以獲得。

· ADC的輸入端口有限：如果需要測量的溫度點(diǎn)比ADC的輸入端口多，就需要增加多路切換器，這會(huì )增加成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

· 微處理器的I/O引腳有限：對于內置ADC的微處理器這不成為問(wèn)題，但是外部串行ADC就需要2到4個(gè)I/O線(xiàn)與微處理器進(jìn)行通訊。

如果采用數字輸出的溫度傳感器，上述設計問(wèn)題就大為簡(jiǎn)化。當ADC輸入端口和微處理器I/O引腳不夠用時(shí)，時(shí)間或頻率輸出的溫度傳感器都可以解決問(wèn)題。MAX6576溫度傳感器輸出方波的周期與絕對溫度成正比。它采用6引腳SOT-23封裝，只占很小的電路板面積。與微處理器之間只通過(guò)一條I/O線(xiàn)進(jìn)行通訊。微處理器的內部計數器測出周期后，可直接計算出溫度值。兩個(gè)邏輯輸入端分別連接到地或電源正端，可設置4種從10μs/°k到64μs/°k周期/溫度比例系數。

芯片MAX6577輸出方波的頻率與溫度成正比，比例系數在0.06Hz/μk到4 Hz/μk之間可調。這兩種器件僅需一條I/O口線(xiàn)即可將溫度測量數據送至MPU，在需要將溫度傳感器與MPU進(jìn)行隔離的場(chǎng)合，只需增加一個(gè)簡(jiǎn)單的光耦即可，簡(jiǎn)化了溫度測量電路，節省了電路板面積、元件數量、以及模擬/數字I/O口的資源。

對于需要測量多點(diǎn)溫度的應用，方案選擇比較復雜。假設ADC有足夠多的輸入通道，可將熱敏電阻或傳統的模擬傳感器放置在合適的位置上，并連接到ADC。另一個(gè)方案是采用MAX6575，它可將溫度測量數據直接送到MPU，一條I/O線(xiàn)最多可掛8片MAX6575(圖1)。MPU只需短暫拉低I/O口線(xiàn)電平，即可啟動(dòng)測量。經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，第一片MAX6575拉低I/O口線(xiàn)，此時(shí)延長(cháng)度與絕對溫度成正比，比例系數通過(guò)MAX6575的兩個(gè)引腳設置。

圖1中，第一片MAX6575按與絕對溫度成正比的時(shí)延（5μs/°k）拉低I/O線(xiàn)電平后釋放I/O線(xiàn)，第二片MAX6575通過(guò)設置端設一個(gè)更長(cháng)的時(shí)延常數，經(jīng)過(guò)這個(gè)時(shí)延，拉低I/O線(xiàn)電平并按5μs/°k的比例系數保持一定時(shí)間。4片MAX6575可按這種方式聯(lián)在一條I/O線(xiàn)上。另外4片更長(cháng)時(shí)延設置的MAX6575也可聯(lián)在同一I/O線(xiàn)上。

MAX6575L的時(shí)延常數在55μs/°k到505μs/°k之間 ，MAX6575H在1605μs/°k 到6405μs/°k之間。這樣，最多可有8個(gè)MAX6575放置在測量系統的不同位置，通過(guò)一條I/O線(xiàn)與MPU相連。
有些系統，不需要測量精確的溫度值，只需判斷溫度是否高于或低于某個(gè)溫度點(diǎn)。這個(gè)信號可用于風(fēng)扇、空調、加熱器或其它環(huán)境控制設備。在系統保護應用中，過(guò)熱信號可觸發(fā)有序的系統關(guān)斷狀態(tài)以避免系統電源切斷時(shí)丟失數據。這個(gè)過(guò)熱信號可用前面提到的測量方法獲得，但對于這種簡(jiǎn)單應用來(lái)說(shuō)，占用了過(guò)多硬件和軟件資源。

MAX6501/MAX6502開(kāi)關(guān)型溫度傳感器可替代溫度傳感器和比較器，使系統簡(jiǎn)化(圖2)。這種單芯片集成了溫度傳感器、電壓比較器和電壓基準。當溫度超過(guò)了預設的閾值時(shí)，漏極開(kāi)路輸出給出一個(gè)低電平信號。同MAX6575一樣，多個(gè)MAX6501可連在同一條I/O線(xiàn)上，MPU可監測一個(gè)或多個(gè)位置是否有溫度報警，如果系統需要監測具體在哪個(gè)位置上有溫度告警發(fā)生，則每個(gè)開(kāi)關(guān)輸出必須連到不同的MPU I/O線(xiàn)上。

上述芯片監測的是它們自身的管芯溫度，因為管芯溫度非常接近管腳溫度，所以這些芯片應放置在合適的位置，使它們的管腳溫度與被監測器件的溫度近似相同。

有些情況需要監測的溫度點(diǎn)無(wú)法與傳感器芯片建立熱耦合關(guān)系----例如功率ASIC，它們內部的管芯溫度遠遠高于外部電路板的溫度。一個(gè)內置的溫度傳感器可以在溫度過(guò)高時(shí)關(guān)斷功率ASIC自身。但這種方式的精確度不夠，很難在出現過(guò)熱故障之前向系統發(fā)出警告。

如果在A(yíng)SIC的管芯上增加一個(gè)可外部連接的P-N結，就可直接測量管芯溫度。方法是使用2個(gè)或多個(gè)正向電流來(lái)驅動(dòng)這個(gè)P-N結，測量結電壓。兩次電壓的差值與管芯的絕對溫度成正比：V2-V1=KT/q(LnI2/I1)。I1和I2是兩次不同的驅動(dòng)電流，V1和V2是測得的P-N結電壓，K是波爾茲曼常數，T是P-N結的絕對溫度，單位是開(kāi)爾文度，°k，q是電荷量。

這種測量方法需要產(chǎn)生精確的驅動(dòng)電流比，測量出微小的電壓差信號，同時(shí)又要盡量抑制功率ASIC的瞬變過(guò)程帶來(lái)的噪聲信號。Maxim的遠端結溫傳感器可將這些精密的模擬電路功能及一個(gè)簡(jiǎn)單靈活的數字接口集成在一起。

MAX1618，可以8位（1℃）的精度，測量遠端結溫，并通過(guò)SMBus總線(xiàn)將結果送入MPU（圖3）。該芯片用于監測PC機的CPU溫度，還可減輕MPU的一些負擔。MAX1618通過(guò)一個(gè)窗口比較器檢測管芯結溫度，當溫度高于或低于MPU控制寄存器內的設定溫度時(shí)，便中斷MPU的工作。