基于MSP430內(nèi)嵌溫度傳感器的溫度告警系統(tǒng)

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(hào)處理器。其中包括一系列的器件，可以應(yīng)用在不同的場(chǎng)合。MSP430與MCS-51的一個(gè)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(shí)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(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可以測(cè)量芯片內(nèi)的溫度。在本告警系統(tǒng)中就是采用這個(gè)溫度傳感器的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)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(duì)芯片的溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)量溫度高于或者低于預(yù)設(shè)告警值時(shí)，便通過(guò)I/O端口的輸出來(lái)驅(qū)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(tǒng)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(cè)溫原理和過(guò)程

??? MSP430內(nèi)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(duì)應(yīng)的溫度近似成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。所測(cè)溫度可由的公式（1）求出：

（1）

其中，T：測(cè)量到溫度，單位℃；

??? VST ：ADC模塊的通道10測(cè)量到的電壓，單位mV；

??? V0℃ ：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(shù)值上等于溫度每升高1℃，增加的輸出電壓。

??? 對(duì)于12位的ADC模塊，VST可以通過(guò)下面的A/D轉(zhuǎn)換公式求得：

（2）

其中，ADC12CH10：通道10所測(cè)得的溫度傳感器的12位A/D值；
??? VR＋：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；
??? VR－：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(jiǎn)化為：

（3）

??? 由（1）式和（3）式可見(jiàn)，把A/D轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果VST經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換就可得到對(duì)應(yīng)的溫度。

表1：MSP430微控制器溫度傳感器電氣特性表

3. 測(cè)量誤差及其減小辦法

??? 很容易發(fā)現(xiàn)這個(gè)溫度傳感器具有較大的測(cè)量誤差，實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。這將導(dǎo)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(zhǔn)參考電壓誤差

??? 由表1可見(jiàn)，V0℃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(wú)疑會(huì)導(dǎo)致很大的虛警或者漏警概率，所以必須要對(duì)它進(jìn)行校準(zhǔn)。

??? 用TRT 表示室溫，VRT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?yàn)镸SP430是低功耗的，所以在開(kāi)機(jī)的一段時(shí)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(jì)測(cè)量出開(kāi)機(jī)時(shí)的室溫TRT，將開(kāi)機(jī)時(shí)測(cè)得的VST作為VRT，然后將VRT和TRT代入（5）式進(jìn)行溫度計(jì)算。這樣就消除（至少是減小）了由V0℃不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，從而減小了虛警和漏警概率。

傳感電壓誤差

??? 對(duì)于工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍為：-20℃ ~ +85℃。而對(duì)于一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，絕大多數(shù)時(shí)間工作在0℃ ~ +50℃之間。因此，用 做基準(zhǔn)參考會(huì)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(cè)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(duì)于 來(lái)說(shuō)還是比較小的。

A/D轉(zhuǎn)換引入的誤差

??? 由芯片資料可見(jiàn)，對(duì)于12位A/D，因漏電流引入的誤差1LSB，這個(gè)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(duì)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(kāi)供電的，則可以在這兩點(diǎn)之間接入反相并接的二極管對(duì)，以消除700mV的電壓差。另外如果參考電壓（VR+ - VR-）較小，那么紋波的影響會(huì)變得更明顯，從而影響轉(zhuǎn)換精度。因此，電源的清潔無(wú)噪聲對(duì)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（VR+ - VR- ）。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(huì)影響轉(zhuǎn)換的精度。仔細(xì)安排各自接地點(diǎn)的旁路電容對(duì)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(méi)有畫(huà)出）的引腳上并接一個(gè)10uF的鉭電容和一個(gè)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(cè)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(cè)量取平均等。所以要綜合考慮各方面的因素，才能取得滿(mǎn)意的效果。

4. 軟件描述

??? MSP430另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序簡(jiǎn)捷而且編譯效率很高。下面就以MSP430F449為例來(lái)簡(jiǎn)要描述這個(gè)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。圖3為程序流程。

#include "msp430x44x.h" // 包含頭文件
#include //包含數(shù)學(xué)運(yùn)算頭文件
#define Trt 25 //預(yù)先測(cè)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(cè)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(shí)器初始化,工作在"up"模式
??? CCTL0|=CCIE; //使能CCR0中斷
??? CCR0=0x0FF; //設(shè)定定時(shí)值
??? _EINT(); //打開(kāi)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(shí)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(kāi)通道10REFON自動(dòng)打開(kāi)
??? ADC12CTL1 = SHP+ADC12SSEL_2; //上升沿采樣，主時(shí)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(cè)量
??? ADC12CTL0 |= ENC;
??? ADC12CTL0 |= ADC12SC; // 開(kāi)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(wú)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(cè)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(cè)出用室溫作基準(zhǔn)時(shí)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(yǔ)

???
本文只是對(duì)告警部分進(jìn)行了描述，若是再加上液晶就可以實(shí)時(shí)顯示溫度，加上鍵盤(pán)就可以對(duì)室溫、告警溫度進(jìn)行預(yù)設(shè)，再對(duì)上述程序進(jìn)行一些改進(jìn)就是一個(gè)實(shí)用的系統(tǒng)了。因這兩部分相對(duì)比較簡(jiǎn)單和成熟，文中沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步討論。