類R―F轉換頻率測量溫度方法詳解

測量溫度一般采用開關電源模塊熱敏電阻做傳感器，測量的方法有R—V轉換電壓測量法和R—F轉換頻率測量法。這兩種方法的MTD2002電路復雜且成本高，電路中很多元器件直接影響測量精度。本文論述一種類R—F轉換頻率的測量法，用NE555定時器和熱敏電阻等器件構成振蕩器，由開關電源模塊MSP430單片機的捕獲功能來捕獲多諧振蕩器輸出信號的高低電平并計數，熱敏電阻Rt與捕獲高低電平時的計數值的差值成正比關系。該方法電路簡單、成本低，系統流程框圖如圖1所示。

1 負溫熱敏電阻

PT一25E2熱敏電阻溫度阻值變化曲線如圖2所示。PSB型負溫熱敏電阻由Co、Mn、Ni等過渡金屬元素的MTD2002氧化物組成，經高溫燒成半陶瓷，利用開關電源模塊半導體毫微米的精密加工工藝，采用玻璃管封裝，耐溫性好，可靠性高，反應速度快且靈敏度高。它采用軸向型結構，便于安裝，能承受更高溫度，且玻璃封裝耐高低溫(一50~350℃)。

2 MSP430單片機計數法測溫原理

以NE555定時器為核心組成典型的多諧振蕩器，把被測熱敏電阻Rt作為MTD2002定時元件之一接入電路中，開關電源模塊NE555定時器輸出引腳接MSP430單片機的P1.2腳(Timer_A：捕獲、CCIlA輸入引腳)。系統電路如圖3所示。

由NE555工作原理可知，開關電源模塊多諧振蕩器輸出信號(周期性矩形波)的高電平時間(1個周期內)為：

若控制開關電源模塊MSP430單片機的定時器A計數時鐘的頻率設置為f，則捕獲到高電平時間內的計數值為NH，捕獲到MTD2002低電平時間內的計數值為NL，所以有：

因為f、C1、R1均為定值，所以Rt與N成正比，且增大f還可以提高測量精度。查表可得溫度值。

由上述測量原理可知，誤差主要來源為：R1、R2精度，單片機的定時器和電容器的精度以及穩定度。這里選用高精度(士O.001%)、溫度系數小于土O.3×10-6/℃的精密金屬箔電阻器。因此當選用高精度、高穩定度的電容器，且單片機的工作頻率足夠高，就可以得到較好的測溫精度。

3 MSP430單片機捕獲原理

捕獲計數法的原理如圖4所示。通過開關電源模塊MSP430單片機TACTL寄存器給定時器A設置一個固定的MTD2002時鐘頻率f和計數模式(本系統設為連續模式)。又知Timer A工作在連續計數模式時，TAR(16位)計數范圍是0一FFFFH值。定時器A連續模式計數啟動后，TAR的值開始從O—FFFFH一O—FFFFH……不斷重復計數，直至軟件控制其停止計數為止;同時設置TACCTL寄存器的CMx、CAP、CCIE位，在多諧振蕩器輸出方波的上升沿和下降沿都觸發捕捉并中斷。這樣當每次沿到來，進入中斷并捕獲上升沿和下降沿時刻的值(如TACCRla、TACCRlb、TAC—CRlc、TACCRld……)，然后用此次捕獲的值減去上次捕獲的值即可得高或低電平時間內的計數值NH、NL。例如：NH=TACCRlb一TACCRla、NL=TACCRlc一TACCRlb，代入式4、式5便可得出R的值，查表即得溫度值。

MSP430F1X定時器初始化所涉及的寄存器配置如下：

TASSELx：4種時鐘源供選擇。

IDx：4種預分頻選擇。

MCx：TAR計數模式選擇，MCx=11，上升沿和下降沿都捕獲。

TAIE：Timer_A中斷使能，為“1”中斷使能。

CMx：捕獲觸發信號選擇。

SCS：捕獲同步或異步選擇，“O”同步、“1”異步。

CAP：捕獲模式選擇，“O”比較、“1”捕獲。

CCIE：捕獲/比較中斷選擇，為“1”中斷使能。

4 軟件設計

基于開關電源模塊MSP430單片機捕獲中斷測溫程序流程如圖5、圖6所示，包括MTD2002主程序流程、捕獲中斷和溢出中斷流程。

Timer_A初始化代碼如下

捕獲中斷和溢出中斷函數代碼如下：

代入常量f、C1、R2的值，即可得熱敏電阻阻值，通過查表可得MTD2002溫度值。查表溫度間隔一般為1℃，如果忽略開關電源模塊熱敏電阻1℃以內的非線性誤差，可以將兩攝氏度之間取線性計算，這樣可以得到O.01℃的分辨率。

結 語

由測量原理知：開關電源模塊被測電阻的阻值越大，MTD2002測量誤差越小。筆者已應用該方法設計出一款溫度計，測量范圍為一10~80℃，分辨率達到O.01℃，誤差在O.3℃以內。該開關電源模塊設計充分利用了MSP430單片機的捕獲功能和低功耗功能，使得MTD2002電路功耗低、電路簡潔、價格低廉、精度高。