基于單片機高精度溫度測量的補償方法

長(cháng)期以來(lái)，人們在測量溫度時(shí)，大部分使用常規的測量方法測量。檢測精度要求較高時(shí)，調理電路復雜、A/D的位數高，使設計的系統成本居高不，很難普及。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，出現了很多功能完備的低功耗、低電壓大規模集成電路，為設計便攜式高精度測溫系統提供了硬件基礎。本文介紹的高精度便攜式測溫儀，使用了非常適合作低功耗便攜式測試設備美國TI公司的MSP430P325為控制器，用Pt500鉑電阻完成溫度檢測，檢測的溫度通過(guò)液晶顯示器顯示。本測試儀的測溫精度達到0。03℃。

硬件電路設計

MSP430P325單片機內部集成了可切換的精密恒流源。精密恒流源的電流大小由外部精密電阻確定，同時(shí)內部又集成了6個(gè)14位的A/D轉換器和液晶控制器。這樣的內部結構，適合驅動(dòng)性傳感器。因此，可減少信號調理環(huán)節和顯示環(huán)節的擴展，大大地簡(jiǎn)化了系統結構，效降低了系統功耗。

1。溫度傳感器數學(xué)模型

溫度敏感元件采用鉑電阻Pt500，在～630。75℃溫度范圍內鉑電阻阻值與溫度關(guān)系為

b＝－5。847×10－7/（℃）2

根據上式進(jìn)行溫度計算，需要求解二階方程的解，計算程序復雜，精度也難以保證。為此本文使用表格法和線(xiàn)形插值法進(jìn)行溫度標度變換。方法如下：首先，以溫度增加1℃對應的絕對電阻值建立120個(gè)表格，A/D轉換結果與表格內的電阻值進(jìn)行比較，直到Rn≤RM＆lt;Rn+1時(shí)停止比較，求出溫度整數部分，根據R－Rn和Rn+1－Rn的比值求解溫度的小數部分，就可求出溫度值。這種方法計算簡(jiǎn)單方便，也能滿(mǎn)足設備精度要求。

2。MSP430P325單片機的A/D轉換原理

MSP430系列單片機具有低功耗、高抗干擾、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。其中MSP430P325單片機具6有個(gè)通道14位A/D轉換器，如圖1所示。6個(gè)通道中A0～A3可編程為恒流源工作、適合于外妝電阻性、無(wú)源傳感元件的應用場(chǎng)合。SVCC端是A/D轉換的參考電壓端，它可連接于片內的AVCC，也可由外部穩壓源提供。A/D轉換采用逐次逼近原理，由內部一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò )生個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò )配合D/A及比較器等電路來(lái)實(shí)現，由時(shí)鐘ADCLK控制轉換的進(jìn)程。轉換過(guò)程經(jīng)過(guò)兩卡，首先通過(guò)電阻陣列分壓值與輸入信號的比較來(lái)確定輸入信號電壓的范圍，這個(gè)電壓范圍是將參考電壓分成4等分，由低到高分別稱(chēng)范圍A、B、C、D；然后由開(kāi)關(guān)電容陣列逐位改變電容量，來(lái)搜索與輸入信號最接近的電壓值，由于電容量是以二進(jìn)制冪排列的，完成搜索后開(kāi)關(guān)的接通狀態(tài)即為輸入信號的A/D轉換值。實(shí)際上的由電阻網(wǎng)絡(luò )確定轉換值的高2位，由開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò )確定了轉換值的低12位。

當啟動(dòng)轉換時(shí)在A(yíng)CTL中設定了信號電壓范圍，實(shí)際已確定了轉換數據的高2位，經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò )的高2位判別就不必進(jìn)行了，因此轉換速度較快，它的轉換速度為96個(gè)ADCLK周期。而假如啟動(dòng)轉換時(shí)在A(yíng)CTL中設定為自動(dòng)搜索輸入電壓范圍，ADAT中的將出現全部14位轉換數據，這時(shí)轉換時(shí)間增加到132個(gè)ADCLK周期。輸入端輸入信號是經(jīng)過(guò)電阻型傳感元件實(shí)現的，A/D輸入端中的A0～A3，可以編程為恒流源輸出端對傳感元件供電。要實(shí)現這一功能，除了要對ACTL定義外，還要在引腳SVCC和REXT之間連接一個(gè)外接電阻，以構成恒流源，恒流由A/D輸入端輸出。這時(shí)檢測的信號是傳感元件上的電壓值。關(guān)系為VIN＝0。25×Vsvcc×RSEN/REXT。其中，Vsvcc是參考電壓，RSEN是傳感元件電阻，REXT是構成恒流源的外接電阻，VIN即為在傳感元件上檢測到的電壓值。A/D轉換的精度較高時(shí)，數據低位受干擾的可能性也增大了。因此，MSP430P325單片機的模擬數字的供電是分開(kāi)的，包括AVCC、AGND、DVCC、DGND等引腳。為保證A/D轉換精度，在電路中不應將它們的簡(jiǎn)單地連接在一起。分成兩組電源供電比較理想，但是在實(shí)際電路中往往難以做到?？刹捎迷贏(yíng)VCC與DVCC之間加LC濾波去耦電路來(lái)隔離。在A(yíng)GND與DGND間串入反向并聯(lián)的二極管可使兩點(diǎn)在電壓低于0。7V時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)?？臻e的輸入端用作數字通道時(shí)，要防止對相鄰模擬通道的干擾。這種干擾是經(jīng)通道間的電容引入的。避免的方法是A/D轉換期間避免數字通道出現信號跳變。由于A(yíng)/D轉換過(guò)程利用了開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò )，當信號源的內阻過(guò)大時(shí)會(huì )因RC常數過(guò)大而影響轉換精度。A/D輸入端的等待輸入阻抗大約相當于2kΩ電阻與42pF電容的串聯(lián)電路。ADCLK為1MHz時(shí)，信號源內阻低于27KΩ才能保證轉換精度。

3。外加電阻與測試精度的關(guān)系

使用鉑電阻進(jìn)行測溫時(shí)，外加電阻與恒流源電流之間的關(guān)系式為

ISET＝0。25×VSVCC/RSET（2）

式中：ISET為恒流源電流，VSVCC為電源電壓，RSET為外加電阻。

鉑電阻到地的電壓VIN為

VIN＝Rt（t）×ISET

從式中可以看出，影響鉑電阻兩端電壓檢測精度的因素有兩種：一個(gè)是電源電壓的波動(dòng)，另一個(gè)是外加電阻的精度和溫度穩定性。從儀表使用情況來(lái)看，儀表的供電電池的電壓隨時(shí)間推移逐漸減小，假如沒(méi)有相應的補償方法，鉑電阻的溫度檢測精度是無(wú)法保證的，因此本文提出如下補償方法。

MSP430P325有4個(gè)恒流源輸出A/D轉換通道，在另一個(gè)通道接一個(gè)與外加電阻RSET相同阻值的電阻，每次A/D轉換時(shí)進(jìn)行電阻電壓降低補償。補償方法如下：

恒流源給鉑電阻供電時(shí)鉑電阻兩端電壓為

VIN＝0。25×VSVCC×Rt（t）/RSET

V＝0。25×VSVCC×R/RSET（5）

A/D轉換以后鉑電阻兩端電壓的數字量為Nx，固定電阻的兩端電壓的數字量N，因為A/D的轉換精度和位數是一致的，因此得出如下結果：

Nx/N＝Rt（t）/R（6）

從式可以看出，鉑電阻兩端電壓的A/D轉換結果與電源電壓沒(méi)有關(guān)系，這種方法也可以補償芯片的基準電壓離散性。要保證檢測精度，外加的固定電阻R的精度是關(guān)鍵因素。假如溫度檢測范圍為0～100℃，外加的固定電阻R的精度大小應如何選擇？下面進(jìn)行定量分析。

Nx/（N±ΔN）＝Rt（t）/（R±ΔR）（7）

式和式相除得出如下結果：

/N＝（R±ΔR）/R（8）

假如外加電阻RSET和R的阻值均為500Ω時(shí)，要求電阻精度影響數字量的大小為1LSB，那么電阻R的精度為0。02%。

結束語(yǔ)

從MSP430P325的A/D轉換原理入手，具體論述了電源電壓的波動(dòng)對檢測精度的影響，同時(shí)分析了補償原理及補償電阻的精度選擇方法，為其它精密溫度測量場(chǎng)合提供了極好的應用實(shí)例。本文提出的補償方法在一家電子公司已成功的應用，補償效果令人滿(mǎn)足。