TMP03/04型數字溫度傳感器在溫度保護中的應用

1 tmp03/04的性能特點

tmp03/04是美國模擬器件公司（adi）生產的串行輸出數字溫度傳感器，輸出數據的高低電平占空比與器件溫度成比例關系，其內置的溫度傳感器產生的電壓與熱力學溫度精確成比例，與內部的電壓基準作比較后，輸入內置的較精度σ-δ數字調制器，與目前常用的串行數據調制技術（如壓頻轉換）相比，tmp03/04內置調制器采用的比率計調制技術具有更好的抗干擾性能，由于不受時鐘漂移誤差影響，該器件的溫度測量范圍一般在-25℃-+100℃之間，測量誤差為±1.5℃（典型值）且不需要校準。

tmp03和tmp04二者的主要區別在于：tmp03是集電極開路輸出，適用于需要通過光電耦合器與微處理器隔離的電路，而tmp04為互補型mos場效應管輸出，其輸出電平與cmos/ttl電路兼容，適用于與微控制器直接交互的電路，tmp03/04既可以檢測溫度，也可以通過單片機實現溫度控制功能，適用于溫度遠程檢測微機或電子設備的溫度監視器及工作控制過程等領域，低電壓供電，微功耗，電源電壓范圍為+4.5v-+7v，采用+5v供電時，電源電流不超過1.3ma，其最大功率僅為6.5mw，特別適用于低功耗的電路設計。

2 tmp03/04的工作原理

tmp03/04有3種封裝形式：to-92、so-8和ru-8，引腳排列如圖1所示，其中v+接電源正極，gnd為公共地。dout為串行數據輸出端。

tmp03/04的內部結構框圖如圖2所示，主要包括4大部分：

（1）基準電壓源和溫度傳感器，其中，基準電壓源的輸出電壓接至1位的dac（圖中未畫），溫度傳感器輸出與熱力學溫度成正比的uptat電壓，接到求和器的一個輸入端；

（2）σ-δ調制器，內含模擬求和器（也稱加法器）、積分器、比較器（也稱量化器）和1位數/模轉換器（1位dac）；

（3）數字濾波器；

（4）高速時鐘振蕩器；

模擬求和器、積分器、比較器和1位dac構成一個閉環系統，比較器還起到負反饋作用，它能根據輸入溫度信號的變化情況，來改變比較器輸出信號的占空因數，通過負反饋電路使積分器輸出電壓uint為最低，上述電路也屬于電荷平衡式轉換器，經過多次快速比較之后，輸出的數字量就與被測溫度成比例關系。

tmp03/04的工作原理將被測溫度的模擬量轉換成數字量，并且把數字化信號編碼成時間比率（t1/t2）的形式，圖3所示為tmp03/04的輸出波形。

t1指高電平持續時間，固定值，標稱值為10ms，最大不會超過12ms；t2指低電平持續時間，隨溫度變化而變化，最大值為44ms，對應于最高溫度+125℃，t1和t2在時間上是連續的，因此，用同一個定時器時鐘即可得到它們之間的比率。

被測溫度θ與t1、t2比率關系可以用公式（1）及（2）表示：

θ=235-（400t1/t2） （1）

θ=455-（720t1/t2） （2）

式（1）被測溫度的單位為（℃），式（2）被測溫度的單位為華氏度（°f）。

3 接口電路及程序設計

晶閘管功率模塊在三相整流電路中起到核心作用，由于長時間流經大電流并且處于頻繁的"開-關"狀態，晶閘管功率模塊發熱量十分嚴重，除了要安裝散熱器降溫之外，一般散熱器本身還要增加抽風機或者鼓風機來輔助散熱，但是散熱器及風機本身只起到散熱的作用，并不能起到超溫保護的作用，因此，微處理器在輸出晶閘管觸發脈沖的工作之余，還要通過tmp03/04檢測散熱器的溫度（晶閘管功率模塊安裝在散熱器上），進行超溫判斷，并作出相應反應。

微處理器采用每個德州儀器公司（ti）先進的msp430系列flash型低功耗16位單片機，該系列單片機具有超低功耗、強大處理能力、豐富的片上外圍模塊等特點，廣泛使用于工業控制中。

由前面介紹可知，tmp03/04數字溫度傳感器輸出為占空比隨測量溫度變化的串行數據，測量溫度由公式（1）或公式（2）計算得到?？梢姕囟葴y量的關鍵是得到t1和t2的計數值，這兩個計數值通過微處理器定時器的捕獲功能精確獲取，或者通過普通i/o口較準確地獲取。下面分別介紹這兩種方式的接口電路以及程序設計。

3.1 通過捕獲口獲取計數值

msp430的timer_a定時器具有強大的功能，可以支持同時進行的多個鋪或/比較功能，每個捕獲/比較模塊可以獨立編程，由比較或捕獲外部信號來產生中斷，外部信號可以是信號的上升沿、下降沿或所有跳變。

timer_a定時器時鐘源來自內部時鐘或外部時鐘，可由其內部的寄存器來設置分頻，所選最高計數頻率必須合適，才能防止計數器t2時間內溢出，可以用公式（3）計算最高計數頻率fcpmax：

fcpmax=nmax/t2max （3）

用16位計數器，n2max=65535，t2max=44ms（對應最高溫度+125℃），由公式（3）可得fcpmax=65535/44ms=1.5mhz，msp430工作頻率為8mhz，分頻器選擇8分頻，使定時器工作在1mhz，可以保證計數值不會溢出，精確測量溫度。

由于tmp03/04工作在晶閘管功率模塊周圍，環境比較惡劣，因此，為防止干擾從工作電源地線竄入微處理器。在tmp03/04與微處理器之間加上光電耦合器進行隔離，隔離后的信號加到timer_a的捕獲口p1.2。微處理器判斷過溫后通過p1.3輸出電平驅動相應繼電器，切斷晶閘管功率模塊工作電源以保護電路，具體的電路圖如圖4所示，程序流程如圖5所示。

3.2 通過普通i/o口獲取計數值

實際上，在晶閘管功率模塊的溫度保護電路應用中，對溫度測量并不要求很精確，只要求微處理器在散熱器溫度超過某一個溫度值時啟動超溫報警，而且在一般工業控制中，帶捕獲功能的i/o口資源十分緊張，因此，通過普通i/o口與tmp03/04連接獲取溫度值得方法具有相當大的實際應用價值。

該方法接口電路與圖4類似，只需要將捕獲口p1.2更換成普通的i/o口即可，程序流程圖如圖6所示。

在程序設計方面，因為t1是固定的，變化的是t2，所以微處理器預設一個超溫數值t2，該數值可由公式（4）求得。一旦tmp03/04輸入到p5.1上面的低電平的計數值大于該預設值，就啟動超溫保護。

t2=400t1/max/（235-θ） （4）

其中，t1max=12ms，θ為超溫溫度值。

4 結束語

實踐證明，在晶閘管功率模塊溫度保護電路中，tmp03/04型數字溫度傳感器與微處理器的接口以及程序設計都相當簡單方便，并且精度較高，抗干擾能力強，能夠有效地起到超溫保護的作用。