TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器在溫度保護(hù)中的應(yīng)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(shù)字溫度傳感器,輸出數(shù)據(jù)的高低電平占空比與器件溫度成比例關(guān)系,其內(nèi)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(nèi)部的電壓基準(zhǔn)作比較后,輸入內(nèi)置的較精度σ-δ數(shù)字調(diào)制器,與目前常用的串行數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)（如壓頻轉(zhuǎn)換）相比,tmp03/04內(nèi)置調(diào)制器采用的比率計(jì)調(diào)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(zhǔn)。

 tmp03 和tmp04二者的主要區(qū)別在于：tmp03是集電極開路輸出,適用于需要通過光電耦合器與微處理器隔離的電路,而tmp04為互補(bǔ)型mos場效應(yīng)管輸出,其輸出電平與cmos/ttl電路兼容,適用于與微控制器直接交互的電路,tmp03/04既可以檢測溫度,也可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制功能,適用于溫度遠(yuǎn)程檢測微機(jī)或電子設(shè)備的溫度監(jiān)視器及工作控制過程等領(lǐng)域,低電壓供電,微功耗,電源電壓范圍為+4.5v-+7v,采用+5v供電時(shí),電源電流不超過1.3ma,其最大功率僅為6.5mw,特別適用于低功耗的電路設(shè)計(jì)。

　　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(shù)據(jù)輸出端。

TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器在溫度保護(hù)中的應(yīng)用

　　tmp03/04的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,主要包括4大部分：

TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器在溫度保護(hù)中的應(yīng)用

　?。?）基準(zhǔn)電壓源和溫度傳感器,其中,基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓接至1位的dac（圖中未畫）,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）σ-δ調(diào)制器,內(nèi)含模擬求和器（也稱加法器）、積分器、比較器（也稱量化器）和1位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（1位dac）;

　?。?）數(shù)字濾波器;

　?。?）高速時(shí)鐘振蕩器;

 模擬求和器、積分器、比較器和1位dac構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),比較器還起到負(fù)反饋?zhàn)饔?它能根據(jù)輸入溫度信號的變化情況,來改變比較器輸出信號的占空因數(shù),通過負(fù)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(zhuǎn)換器,經(jīng)過多次快速比較之后,輸出的數(shù)字量就與被測溫度成比例關(guān)系。

 tmp03/04的工作原理將被測溫度的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并且把數(shù)字化信號編碼成時(shí)間比率（t1/t2）的形式為tmp03/04的輸出波形。

TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器在溫度保護(hù)中的應(yīng)用

　　t1指高電平持續(xù)時(shí)間,固定值,標(biāo)稱值為10ms,最大不會超過12ms;t2指低電平持續(xù)時(shí)間,隨溫度變化而變化,最大值為44ms,對應(yīng)于最高溫度+125℃,t1和t2在時(shí)間上是連續(xù)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：

　　θ=235-（400t1/t2） （1）

　　θ=455-（720t1/t2） （2）

 式（1）被測溫度的單位為（℃）,式（2）被測溫度的單位為華氏度（°f）。

　　3 接口電路及程序設(shè)計(jì)

　　晶閘管功率模塊在三相整流電路中起到核心作用,由于長時(shí)間流經(jīng)大電流并且處于頻繁的"開-關(guān)"狀態(tài),晶閘管功率模塊發(fā)熱量十分嚴(yán)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(jī)或者鼓風(fēng)機(jī)來輔助散熱,但是散熱器及風(fēng)機(jī)本身只起到散熱的作用,并不能起到超溫保護(hù)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(yīng)反應(yīng)。
　微處理器采用每個(gè)德州儀器公司（ti）先進(jìn)的msp430系列flash型低功耗16位單片機(jī),該系列單片機(jī)具有超低功耗、強(qiáng)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(shù)字溫度傳感器輸出為占空比隨測量溫度變化的串行數(shù)據(jù),測量溫度由公式（1）或公式（2）計(jì)算得到。可見溫度測量的關(guān)鍵是得到t1和t2的計(jì)數(shù)值,這兩個(gè)計(jì)數(shù)值通過微處理器定時(shí)器的捕獲功能精確獲取,或者通過普通i/o口較準(zhǔn)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(shè)計(jì)。

　　3.1 通過捕獲口獲取計(jì)數(shù)值

　　msp430的timer_a定時(shí)器具有強(qiáng)大的功能,可以支持同時(shí)進(jìn)行的多個(gè)鋪或/比較功能,每個(gè)捕獲/比較模塊可以獨(dú)立編程,由比較或捕獲外部信號來產(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)鐘源來自內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘,可由其內(nèi)部的寄存器來設(shè)置分頻,所選最高計(jì)數(shù)頻率必須合適,才能防止計(jì)數(shù)器t2時(shí)間內(nèi)溢出,可以用公式（3）計(jì)算最高計(jì)數(shù)頻率fcpmax：

　　fcpmax=nmax/t2max （3）

　　用16位計(jì)數(shù)器,n2max=65535,t2max=44ms（對應(yīng)最高溫度+125℃）,由公式（3）可得fcpmax=65535/44ms= 1.5mhz,msp430工作頻率為8mhz,分頻器選擇8分頻,使定時(shí)器工作在1mhz,可以保證計(jì)數(shù)值不會溢出,精確測量溫度。

　　由于tmp03/04工作在晶閘管功率模塊周圍,環(huán)境比較惡劣,因此,為防止干擾從工作電源地線竄入微處理器。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。微處理器判斷過溫后通過p1.3輸出電平驅(qū)動相應(yīng)繼電器,切斷晶閘管功率模塊工作電源以保護(hù)電路,具體的電路圖如圖4所示,程序流程如圖5所示。

TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器在溫度保護(hù)中的應(yīng)用

TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器在溫度保護(hù)中的應(yīng)用

　　3.2 通過普通i/o口獲取計(jì)數(shù)值

 實(shí)際上,在晶閘管功率模塊的溫度保護(hù)電路應(yīng)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某一個(gè)溫度值時(shí)啟動超溫報(bào)警,而且在一般工業(yè)控制中,帶捕獲功能的i/o口資源十分緊張,因此,通過普通i/o口與tmp03/04連接獲取溫度值得方法具有相當(dāng)大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　該方法接口電路與圖4類似,只需要將捕獲口p1.2更換成普通的i/o口即可,程序流程圖如圖6所示。

TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器在溫度保護(hù)中的應(yīng)用

　　在程序設(shè)計(jì)方面,因?yàn)閠1是固定的,變化的是t2,所以微處理器預(yù)設(shè)一個(gè)超溫?cái)?shù)值t2,該數(shù)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(jì)數(shù)值大于該預(yù)設(shè)值,就啟動超溫保護(hù)。

　　t2=400t1/max/（235-θ） （4）

　　其中,t1max=12ms,θ為超溫溫度值。

　　4 結(jié)束語

 實(shí)踐證明,在晶閘管功率模塊溫度保護(hù)電路中,tmp03/04型數(shù)字溫度傳感器與微處理器的接口以及程序設(shè)計(jì)都相當(dāng)簡單方便,并且精度較高,抗干擾能力強(qiáng),能夠有效地起到超溫保護(hù)的作用。