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℃；
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，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，可以取內部參考VREF+ 、AVcc或者外部參考VeREF+ ，單位mV；
V_R－：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，V_0℃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V_ST作為V_RT，然后將V_RT和T_RT代入（5）式進行溫度計算。這樣就消除（至少是減小）了由V_0℃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。