基于MSP430內嵌溫度傳感器的溫度告警系統

1. 系統的總體方案

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，可以應用在不同的場(chǎng)合。MSP430與MCS-51的一個(gè)顯著(zhù)不同就是它在片內集成了模數轉換（ADC）模塊，使得A/D轉換得以容易的實(shí)現。其中在MSP430的13x、14x、43x、44x系列器件中，都有內嵌的溫度傳感器。它的輸出送入ADC12模塊的通道10，然后對其進(jìn)行A/D轉換，進(jìn)而可以測量芯片內的溫度。在本告警系統中就是采用這個(gè)溫度傳感器的輸出來(lái)實(shí)現溫度的實(shí)時(shí)告警。

圖1 基于MSP430F449內嵌溫度傳感器的溫度告警系統原理圖

本系統的基本方案是這樣的：ADC12模塊的通道10對芯片的溫度進(jìn)行測量，當測量溫度高于或者低于預設告警值時(shí)，便通過(guò)I/O端口的輸出來(lái)驅動(dòng)LED，顯示告警狀態(tài)。芯片在整個(gè)過(guò)程中處于低功耗模式。本系統的原理比較簡(jiǎn)單，圖1給出其簡(jiǎn)單的原理圖。

2. 溫度傳感器的測溫原理和過(guò)程
MSP430內嵌的溫度傳感器實(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應的溫度近似成簡(jiǎn)單的線(xiàn)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℃；
V_ST ：ADC模塊的通道10測量到的電壓，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(guò)下面的A/D轉換公式求得：

（2）

其中，ADC12_CH10：通道10所測得的溫度傳感器的12位A/D值；
V_R＋：正參考電壓，可以取內部參考VREF+ 、AVcc或者外部參考VeREF+ ，單位mV；
V_R－：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(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

（3）

由（1）式和（3）式可見(jiàn)，把A/D轉換所得的結果VST經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單轉換就可得到對應的溫度。

表1：MSP430微控制器溫度傳感器電氣特性表

3. 測量誤差及其減小辦法
很容易發(fā)現這個(gè)溫度傳感器具有較大的測量誤差，實(shí)驗也證明了這一點(diǎn)。這將導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℃基準參考電壓誤差
由表1可見(jiàn)，V_0℃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(wú)疑會(huì )導致很大的虛警或者漏警概率，所以必須要對它進(jìn)行校準。

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）

因為MSP430是低功耗的，所以在開(kāi)機的一段時(shí)間內，它的片內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(kāi)機時(shí)的室溫TRT，將開(kāi)機時(shí)測得的V_ST作為V_RT，然后將V_RT和T_RT代入（5）式進(jìn)行溫度計算。這樣就消除（至少是減?。┝擞蒝_0℃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(gè)實(shí)際的系統，絕大多數時(shí)間工作在0℃ ~ +50℃之間。因此，用 做基準參考會(huì )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(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(guò)由傳感電壓引入的誤差相對于 來(lái)說(shuō)還是比較小的。