TMP03/04型數字溫度傳感器及其在溫度保護中的應用

1 TMP03/04的性能特點(diǎn)
TMP03/04是美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的串行輸出數字溫度傳感器，輸出數據的高低電平占空比與器件溫度成比例關(guān)系。其內置的溫度傳感器產(chǎn)生的電壓與熱力學(xué)溫度精確成比例，與內部的電壓基準做比較后，輸入內置的高精度∑-△數字調制器。與目前常用的串行數據調制技術(shù)(如壓頻轉換)相比，TMP03/04內置調制器采用的比率計調制技術(shù)具有更好的抗干擾性能，由于不受時(shí)鐘漂移誤差影響，該器件的溫度測量范圍一般在-25℃~+100℃之間，測量誤差為1.5℃(典型值)，且不需要校準。
TMP03和TMP04二者的主要區別在于：TMP03是集電極開(kāi)路輸出，適用于需要通過(guò)光電耦合器與微處理器隔離的電路；而TMP04為互補型MOS場(chǎng)效應管輸出，其輸出電平與CMOS/TTL電路兼容，適用于與微處理器直接交互的電路。TMP03/04既可以檢測溫度，也可以通過(guò)單片機實(shí)現溫度控制功能，適用于溫度遠程檢測微機或電子設備的溫度監視器及工業(yè)控制過(guò)程等領(lǐng)域。低電壓供電，微功耗。電源電壓范圍為+4.5 V~+7 V。采用+5 V供電時(shí)，電源電流不超過(guò)1.3 mA。其最大功耗僅為6.5 mW，特別適用于低功耗的電路設計。

2 TMP03/04的工作原理
TMP03/04有3種封裝形式：TO-92、SO-8和RU-8，引腳排列如圖1所示。其中V+接電源正極，GND為公共地。DOUT為串行數據輸出端。

TMP03/04的內部結構框圖如圖2所示，主要包括4大部分：

(1)基準電壓源和溫度傳感器。其中，基準電壓源的輸出電壓接至1位的DAC(圖中未畫(huà))，溫度傳感器輸出與熱力學(xué)溫度成正比的UPTAT電壓，接到求和器的一個(gè)輸入端；
(2)∑-△調制器。內含模擬求和器(也稱(chēng)加法器)、積分器、比較器(也稱(chēng)量化器)和l位數/模轉換器(1位DAC)；
(3)數字濾波器；
(4)高速時(shí)鐘振蕩器。
模擬求和器、積分器、比較器和1位DAC構成一個(gè)閉環(huán)系統，比較器還起到負反饋作用。它能根據輸入溫度信號的變化情況，來(lái)改變比較器輸出信號的占空因數，通過(guò)負反饋電路使積分器輸出電壓UINT為最低。上述電路也屬于電荷平衡式轉換器，經(jīng)過(guò)多次快速比較之后，輸出的數字量就與被測溫度成比例關(guān)系。
TMP03/04的工作原理是將被測溫度的模擬量轉換成數字量，并且把數字化信號編碼成時(shí)間比率(t1/t2)的形式。圖3所示為T(mén)MP03/04的輸出波形。

t1指高電平持續時(shí)間，固定值，標稱(chēng)值為10ms，最大不會(huì )超過(guò)12 ms；t2指低電平持續時(shí)間，隨溫度變化而變化，最大值為44 ms，對應于最高溫度+125℃。t1和t2在時(shí)間上是連續的，因此，用同一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘即可得到它們之間的比率。
被測溫度θ與t1、t2比率關(guān)系可以用公式(1)及(2)表示：

式(1)被測溫度的單位為攝氏度(℃)，式(2)被測溫度的單位為華氏度(F)。

3 接口電路及程序設計
晶閘管功率模塊在三相整流電路中起到核心作用，由于長(cháng)時(shí)間流經(jīng)大電流并且處于頻繁的“開(kāi)-關(guān)”狀態(tài)，晶閘管功率模塊發(fā)熱量十分嚴重，除了要安裝散熱器降溫之外，一般散熱器本身還要增加抽風(fēng)機或者鼓風(fēng)機來(lái)輔助散熱。但是散熱器及風(fēng)機本身只起到散熱的作用，并不能起到超溫保護的作用，因此，微處理器在輸出晶閘管觸發(fā)脈沖的工作之余，還要通過(guò)TMP03/04檢測散熱器的溫度(晶閘管功率模塊安裝在散熱器上)，進(jìn)行超溫判斷，并作出相應反應。
微處理器采用美國德州儀器公司(TI)先進(jìn)的MSP430系列Flash型低功耗16位單片機，該系列單片機具有超低功耗、強大處理能力、豐富的片上外圍模塊等特點(diǎn)，廣泛使用于工業(yè)控制中。
由前面介紹可知，TMP03/04數字溫度傳感器輸出為占空比隨測量溫度變化的串行數據，測量溫度由公式(1)或公式(2)計算得到?？梢?jiàn)溫度測量的關(guān)鍵是得到t1和t2的計數值。這兩個(gè)計數值通過(guò)微處理器定時(shí)器的捕獲功能精確獲取，或者通過(guò)普通I/0口較準確地獲取。下面分別介紹這兩種方式的接口電路以及程序設計。
3.1 通過(guò)捕獲口獲取計數值
MSP430的Timer_A定時(shí)器具有強大的功能，可支持同時(shí)進(jìn)行的多個(gè)捕獲/比較功能，每個(gè)捕獲/比較模塊可以獨立編程，由比較或捕獲外部信號來(lái)產(chǎn)生中斷。外部信號可以是信號的上升沿、下降沿或所有跳變。
Timer_A定時(shí)器時(shí)鐘源來(lái)自?xún)炔繒r(shí)鐘或外部時(shí)鐘，可由其內部的寄存器來(lái)設置分頻，所選最高計數頻率必須合適，才能防止計數器t2時(shí)間內溢出?？梢杂霉?3)計算最高計數頻率fcpmax：

用16位計數器，N2max=65 535，t2max=44 ms(對應最高溫度+125℃)，由公式(3)可得fcpmax=65 535/44ms=l.5 MHz，MSP430工作頻率為8 MHz，分頻器選擇8分頻，使定時(shí)器工作在l MHz，可以保證計數值不會(huì )溢出，精確測量溫度。
由于TMP03/04工作在晶閘管功率模塊周?chē)?，環(huán)境比較惡劣，因此，為防止干擾從工作電源地線(xiàn)竄入微處理器，在TMP03/04與微處理器之間加上光電耦合器進(jìn)行隔離。隔離后的信號加到Timer_A的捕獲口P1.2。微處理器判斷過(guò)溫后通過(guò)P1.3輸出電平驅動(dòng)相應繼電器，切斷晶閘管功率模塊工作電源以保護電路。具體的電路圖如圖4所示。程序流程如圖5所示。

3.2 通過(guò)普通I/0口獲取計數值
實(shí)際上，在晶閘管功率模塊的溫度保護電路應用中，對溫度測量并不要求很精確，只要求微處理器在散熱器溫度超過(guò)某一個(gè)溫度值時(shí)啟動(dòng)超溫報警；而且在一般工業(yè)控制中，帶捕獲功能的I/0口資源十分緊張。因此，通過(guò)普通I/0口與TMP03/04連接獲取溫度值的方法具有相當大的實(shí)際應用價(jià)值。
該方法接口電路與圖4類(lèi)似，只需要將捕獲口Pl.2更換成普通的I/0口即可。程序流程圖如圖6所示。

在程序設計方面，因為t1是固定的，變化的是t2，所以微處理器預設一個(gè)超溫數值T2，該數值可由公式(4)求得。一旦TMP03/04輸入到P5.1上面的低電平的計數值大于該預設值，就啟動(dòng)超溫保護。

其中，t1max=12 ms，θ為超溫溫度值。

4 結束語(yǔ)
實(shí)踐證明，在晶閘管功率模塊溫度保護電路中，TMP03/04型數字溫度傳感器與微處理器的接口以及程序設計都相當簡(jiǎn)單方便，并且精度較高，抗干擾能力強，能夠有效地起到超溫保護的作用。