基于MSP430內嵌溫度傳感器的溫度告警系統

1. 系統的總體方案

??? 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，可以應用在不同的場合。MSP430與MCS-51的一個顯著不同就是它在片內集成了模數轉換（ADC）模塊，使得A/D轉換得以容易的實現。其中在MSP430的13x、14x、43x、44x系列器件中，都有內嵌的溫度傳感器。它的輸出送入ADC12模塊的通道10，然后對其進行A/D轉換，進而可以測量芯片內的溫度。在本告警系統中就是采用這個溫度傳感器的輸出來實現溫度的實時告警。

圖1 基于MSP430F449內嵌溫度傳感器的溫度告警系統原理圖

??? 本系統的基本方案是這樣的：ADC12模塊的通道10對芯片的溫度進行測量，當測量溫度高于或者低于預設告警值時，便通過I/O端口的輸出來驅動LED，顯示告警狀態。芯片在整個過程中處于低功耗模式。本系統的原理比較簡單，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內嵌的溫度傳感器實際上就是一個輸出電壓隨環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的溫度近似成簡單的線性關系。所測溫度可由的公式（1）求出：

（1）

其中，T：測量到溫度，單位℃；

??? VST ：ADC模塊的通道10測量到的電壓，單位mV；

??? V0℃ ：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轉換公式求得：

（2）

其中，ADC12CH10：通道10所測得的溫度傳感器的12位A/D值；
??? VR＋：正參考電壓，可以取內部參考VREF+ 、AVcc或者外部參考VeREF+ ，單位mV；
??? VR－：負參考電壓，單位mV。通常取VR－＝AVss，在這種情況下，求VST的公式進一步簡化為：

（3）

??? 由（1）式和（3）式可見，把A/D轉換所得的結果VST經過簡單轉換就可得到對應的溫度。

表1：MSP430微控制器溫度傳感器電氣特性表

3. 測量誤差及其減小辦法

??? 很容易發現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。這將導致較大的虛警概率或漏警概率。因此要想實用它，必須要進行誤差校正，以減小這兩個概率。產生誤差的原因主要有以下幾個方面：

0℃基準參考電壓誤差

??? 由表1可見，V0℃的最大誤差可達5％。所以由它導致的最大誤差為：。這么大的誤差，無疑會導致很大的虛警或者漏警概率，所以必須要對它進行校準。

??? 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）

??? 因為MSP430是低功耗的，所以在開機的一段時間內，它的片內外溫度可以認為是一樣的。因此我們可以用溫度計測量出開機時的室溫TRT，將開機時測得的VST作為VRT，然后將VRT和TRT代入（5）式進行溫度計算。這樣就消除（至少是減小）了由V0℃不準確而導致的測量誤差，從而減小了虛警和漏警概率。

傳感電壓誤差

??? 對于工業級標準，工作溫度范圍為：-20℃ ~ +85℃。而對于一個實際的系統，絕大多數時間工作在0℃ ~ +50℃之間。因此，用 做基準參考會導致較大的積累誤差。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。但是由于布線技術和電源和地線等的不良而導致的電源線、地線上的紋波和噪聲脈沖對轉換結果的影響卻不能不考慮。如圖1所示，如果數字地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（VR+ - VR-）較小，那么紋波的影響會變得更明顯，從而影響轉換精度。因此，電源的清潔無噪聲對A/D轉換的精度有很大的影響。當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部參考，內部參考不太穩定，會影響轉換的精度。仔細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的軟件實現。圖3為程序流程。

#include "msp430x44x.h" // 包含頭文件
#include //包含數學運算頭文件
#define Trt 25 //預先測量到的室溫
#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

void ADC12(void); //A/D轉換函數

void Alarm(float t); //告警處理函數

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; //在進行設置時首先復位ADC的轉換使能
??? ADC12CTL0 = ADC12ON+REF2_5V+SHT0_8; //采用內部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，進行溫度測量
??? ADC12CTL0 |= ENC;
??? ADC12CTL0 |= ADC12SC; // 開始轉換
??? if ((ADC12IFG & BIT0)==1) //如果轉換完畢，讀走數據?
??????? 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) //連續進行16次轉換,提高精度
??? {
????? ADC12();
????? ADC_Sum +=ADC_Result[i]; //求和
????? i++;
??? }
??? ADC_Sum>>=4; //將ADC_Sum右移4位,相當于除以16.得到平均的結果;
??? Vst=( ADC_Sum /4095.0)*2500; //完成轉換,得到電壓值
??? k++;
??? #ifndef Trt
????? T=(Vst-986)/3.35; //測出用0度作基準的溫度
??? #else
????? if (k==1) Vrt=Vst; //如果定義Trt，則將第一次的轉換結果作為室溫下的Vrt
????? T=(Vst-Vrt)/3.35+Trt; //測出用室溫作基準時的溫度
??? #endif
??? Alarm(T); //告警處理
}

void main (void)
{
??? init(); //初始化
??? LPM1; //進入低功耗模式1;
}

5. 結束語

???
本文只是對告警部分進行了描述，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、告警溫度進行預設，再對上述程序進行一些改進就是一個實用的系統了。因這兩部分相對比較簡單和成熟，文中沒有進行進一步討論。