基于MSP430內(nèi)嵌溫度傳感器的溫度告警系統(tǒng)

時間：2009-11-30 10:19:25

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[導(dǎo)讀]MSP430微控制器的諸多系列中都有內(nèi)嵌的溫度傳感器。本文提出了一種基于這個傳感器的溫度報警系統(tǒng)的方案。然后分析了產(chǎn)生虛警和漏警的原因，并提出了減小這兩種概率的辦法，最后給出了以MSP430F449為例的C語言程序。

1. 系統(tǒng)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(qiáng)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(yīng)用在不同的場合。MSP430與MCS-51的一個顯著不同就是它在片內(nèi)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊，使得A/D轉(zhuǎn)換得以容易的實現(xiàn)。其中在MSP430的13x、14x、43x、44x系列器件中，都有內(nèi)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(zhuǎn)換，進(jìn)而可以測量芯片內(nèi)的溫度。在本告警系統(tǒng)中就是采用這個溫度傳感器的輸出來實現(xiàn)溫度的實時告警。

圖1 基于MSP430F449內(nèi)嵌溫度傳感器的溫度告警系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)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(dāng)測量溫度高于或者低于預(yù)設(shè)告警值時，便通過I/O端口的輸出來驅(qū)動LED，顯示告警狀態(tài)。芯片在整個過程中處于低功耗模式。本系統(tǒng)的原理比較簡單，圖1給出其簡單的原理圖。

2. 溫度傳感器的測溫原理和過程
MSP430內(nèi)嵌的溫度傳感器實際上就是一個輸出電壓隨環(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，這個溫度二極管輸出的電壓和對應(yīng)的溫度近似成簡單的線性關(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(shù)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可以通過下面的A/D轉(zhuǎn)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(nèi)部參考VREF+ 、AVcc或者外部參考VeREF+ ，單位mV；
V_R－：負(fù)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)一步簡化為：

（3）

由（1）式和（3）式可見，把A/D轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果VST經(jīng)過簡單轉(zhuǎn)換就可得到對應(yīng)的溫度。

表1：MSP430微控制器溫度傳感器電氣特性表

參數(shù)	測試條件	最小值	典型值	最大值	單位
V_0℃	Vcc= 2.2V/3V	986 - 5%	986	986 + 5%	mV
TC_SENSOR	Vcc= 2.2V/3V,TA=0℃	3.55 -3%	3.55	3.55 +3%	mV/℃
t_SENSOR	Vcc= 2.2V/3V	30			μs

3. 測量誤差及其減小辦法
很容易發(fā)現(xiàn)這個溫度傳感器具有較大的測量誤差，實驗也證明了這一點。這將導(dǎo)致較大的虛警概率或漏警概率。因此要想實用它，必須要進(jìn)行誤差校正，以減小這兩個概率。產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾個方面：

0℃基準(zhǔn)參考電壓誤差
由表1可見，V_0℃的最大誤差可達(dá)5％。所以由它導(dǎo)致的最大誤差為：。這么大的誤差，無疑會導(dǎo)致很大的虛警或者漏警概率，所以必須要對它進(jìn)行校準(zhǔn)。

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，所以在開機(jī)的一段時間內(nèi)，它的片內(nèi)外溫度可以認(rèn)為是一樣的。因此我們可以用溫度計測量出開機(jī)時的室溫TRT，將開機(jī)時測得的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(zhǔn)確而導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍為：-20℃ ~ +85℃。而對于一個實際的系統(tǒng)，絕大多數(shù)時間工作在0℃ ~ +50℃之間。因此，用做基準(zhǔn)參考會導(dǎo)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較好的方案。不過由傳感電壓引入的誤差相對于來說還是比較小的。

A/D轉(zhuǎn)換引入的誤差
由芯片資料可見，對于12位A/D，因漏電流引入的誤差1LSB，這個誤差可以忽略不記。但是由于布線技術(shù)和電源和地線等的不良而導(dǎo)致的電源線、地線上的紋波和噪聲脈沖對轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響卻不能不考慮。如圖1所示，如果數(shù)字地DVss和模擬地AVss是分開供電的，則可以在這兩點之間接入反相并接的二極管對，以消除700mV的電壓差。另外如果參考電壓（V_R+ - V_R-）較小，那么紋波的影響會變得更明顯，從而影響轉(zhuǎn)換精度。因此，電源的清潔無噪聲對A/D轉(zhuǎn)換的精度有很大的影響。當(dāng)然在可能的情況下還是要盡量采用較大的（V_R+ - V_R- ）。還有就是盡量不要采用內(nèi)部參考，內(nèi)部參考不太穩(wěn)定，會影響轉(zhuǎn)換的精度。仔細(xì)安排各自接地點的旁路電容對于減小噪聲的影響也是很有用的。圖1給出了一種典型的退耦電容配置方式，在芯片的電源以及外接參考電壓（圖中沒有畫出）的引腳上并接一個10uF的鉭電容和一個0.1uF的瓷片電容能夠較好的起到抑制噪聲的作用。

采用內(nèi)嵌溫度傳感器測量溫度，要受到很多方面的影響。除了上面討論的方法，還有減小誤差的一般方法，比如多次測量取平均等。所以要綜合考慮各方面的因素，才能取得滿意的效果。

4. 軟件描述
MSP430另一個突出優(yōu)點就是用C語言編寫程序簡捷而且編譯效率很高。下面就以MSP430F449為例來簡要描述這個系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。圖3為程序流程。

#include "msp430x44x.h" // 包含頭文件
#include <math.h> //包含數(shù)學(xué)運算頭文件
#define Trt 25 //預(yù)先測量到的室溫
#define Th 50 //高溫告警溫度
#define Tl 0 //低溫告警溫度
int i=0, k=0,Vrt; //定義全局變量
int ADC_Result[16];
float T; //測量到的溫度
void init(void); //初始化函數(shù)
void ADC12(void); //A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)
void Alarm(float t); //告警處理函數(shù)
void init(void)
{
TACTL=TASSEL1+TACLR+MC_1; //定時器初始化,工作在"up"模式
CCTL0|=CCIE; //使能CCR0中斷
CCR0=0x0FF; //設(shè)定定時值
_EINT(); //打開中斷
P2DIR|=BIT0+BIT1; //P2.0和P2.1為告警輸出;
}
void ADC12(void)
{
ADC12CTL0 &=~ ENC; //在進(jìn)行設(shè)置時首先復(fù)位ADC的轉(zhuǎn)換使能
ADC12CTL0 = ADC12ON+REF2_5V+SHT0_8; //采用內(nèi)部2.5V參考,打開通道10REFON自動打開
ADC12CTL1 = SHP+ADC12SSEL_2; //上升沿采樣，主時鐘，MEM0
ADC12MCTL0 = EOS + INCH_10+SREF_1; //選擇通道10，Vref+為參考電壓，進(jìn)行溫度測量
ADC12CTL0 |= ENC;
ADC12CTL0 |= ADC12SC; // 開始轉(zhuǎn)換
if ((ADC12IFG & BIT0)==1) //如果轉(zhuǎn)換完畢，讀走數(shù)據(jù)
ADC_Result[i]=ADC12MEM0;
}
void Alarm(float t)
{
if(t>=Th)
P2OUT|=BIT1; //高溫告警
else if(t<=Tl)
P2OUT|=BIT0; //低溫告警
else
P2OUT&=~(BIT0+BIT1); //無告警
}
interrupt[TIMERA0_VECTOR] void Timer_A (void) //中斷處理子程序//
{
int ADC_Sum=0;
float Vst;
for (i=0;i++;i<16) //連續(xù)進(jìn)行16次轉(zhuǎn)換,提高精度
{
ADC12();
ADC_Sum +=ADC_Result[i]; //求和
i++;
}
ADC_Sum>>=4; //將ADC_Sum右移4位,相當(dāng)于除以16.得到平均的結(jié)果;
Vst=( ADC_Sum /4095.0)*2500; //完成轉(zhuǎn)換,得到電壓值
k++;
#ifndef Trt
T=(Vst-986)/3.35; //測出用0度作基準(zhǔn)的溫度
#else
if (k==1) Vrt=Vst; //如果定義Trt，則將第一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果作為室溫下的Vrt
T=(Vst-Vrt)/3.35+Trt; //測出用室溫作基準(zhǔn)時的溫度
#endif
Alarm(T); //告警處理
}
void main (void)
{
init(); //初始化
LPM1; //進(jìn)入低功耗模式1;
}

5. 結(jié)束語
本文只是對告警部分進(jìn)行了描述，若是再加上液晶就可以實時顯示溫度，加上鍵盤就可以對室溫、告警溫度進(jìn)行預(yù)設(shè)，再對上述程序進(jìn)行一些改進(jìn)就是一個實用的系統(tǒng)了。因這兩部分相對比較簡單和成熟，文中沒有進(jìn)行進(jìn)一步討論。