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基于MSP430單片機(jī)高精度溫度測(cè)量的補(bǔ)償方法
摘要：用MSP430P315單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)阻性溫度傳感器的電阻檢測(cè)；用查表和線性插值結(jié)合的方法，簡化標(biāo)度變換的算法結(jié)構(gòu)。對(duì)電池電壓的降低進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)分析補(bǔ)償電阻的精度對(duì)溫度檢測(cè)的影響。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 線性插值 補(bǔ)償 溫度檢測(cè)
引言
長期以來，人們?cè)跍y(cè)量溫度時(shí)，大部分使用常規(guī)的測(cè)量方法測(cè)量。檢測(cè)精度要求較高時(shí)，調(diào)理電路復(fù)雜、A/D的位數(shù)高，使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本居高不，很難普及。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多功能完備的低功耗、低電壓大規(guī)模集成電路，為設(shè)計(jì)便攜式高精度測(cè)溫系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。本文介紹的高精度便攜式測(cè)溫儀，使用了非常適合作低功耗便攜式測(cè)試設(shè)備美國TI公司的MSP430P325為控制器，用Pt500鉑電阻完成溫度檢測(cè)，檢測(cè)的溫度通過液晶顯示器顯示。本測(cè)試儀的測(cè)溫精度達(dá)到0.03℃。
硬件電路設(shè)計(jì)
MSP430P325單片機(jī)內(nèi)部集成了可切換的精密恒流源。精密恒流源的電流大小由外部精密電阻確定，同時(shí)內(nèi)部又集成了6個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器和液晶控制器。這樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適合驅(qū)動(dòng)性傳感器。因此，可減少信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)和顯示環(huán)節(jié)的擴(kuò)展，大大地簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，效降低了系統(tǒng)功耗。
1.溫度傳感器數(shù)學(xué)模型
溫度敏感元件采用鉑電阻Pt500，在～630.75℃溫度范圍內(nèi)鉑電阻阻值與溫度關(guān)系為
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b=-5.847×10-7/(℃) 2
根據(jù)上式進(jìn)行溫度計(jì)算，需要求解二階方程的解，計(jì)算程序復(fù)雜，精度也難以保證。為此本文使用表格法和線形插值法進(jìn)行溫度標(biāo)度變換。方法如下：首先，以溫度增加1℃對(duì)應(yīng)的絕對(duì)電阻值建立120個(gè)表格，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與表格內(nèi)的電阻值進(jìn)行比較，直到Rn≤RM<Rn+1時(shí)停止比較，求出溫度整數(shù)部分，根據(jù)R-Rn和Rn+1-Rn的比值求解溫度的小數(shù)部分，就可求出溫度值。這種方法計(jì)算簡單方便，也能滿足設(shè)備精度要求。
2.MSP430P325單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換原理
MSP430系列單片機(jī)具有低功耗、高抗干擾、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。其中MSP430P325單片機(jī)具6有個(gè)通道14位A/D轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。6個(gè)通道中A0～A3可編程為恒流源工作、適合于外妝電阻性、無源傳感元件的應(yīng)用場合。SVCC端是A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓端，它可連接于片內(nèi)的AVCC，也可由外部穩(wěn)壓源提供。A/D轉(zhuǎn)換采用逐次逼近原理，由內(nèi)部一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)生個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)配合D/A及比較器等電路來實(shí)現(xiàn)，由時(shí)鐘ADCLK控制轉(zhuǎn)換的進(jìn)程。轉(zhuǎn)換過程經(jīng)過兩卡，首先通過電阻陣列分壓值與輸入信號(hào)的比較來確定輸入信號(hào)電壓的范圍，這個(gè)電壓范圍是將參考電壓分成4等分，由低到高分別稱范圍A、B、C、D；然后由開關(guān)電容陣列逐位改變電容量，來搜索與輸入信號(hào)最接近的電壓值，由于電容量是以二進(jìn)制冪排列的，完成搜索后開關(guān)的接通狀態(tài)即為輸入信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換值。實(shí)際上的由電阻網(wǎng)絡(luò)確定轉(zhuǎn)換值的高2位，由開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)確定了轉(zhuǎn)換值的低12位。
當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)在ACTL中設(shè)定了信號(hào)電壓范圍，實(shí)際已確定了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高2位，經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)的高2位判別就不必進(jìn)行了，因此轉(zhuǎn)換速度較快，它的轉(zhuǎn)換速度為96個(gè)ADCLK周期。而如果啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)在ACTL中設(shè)定為自動(dòng)搜索輸入電壓范圍，ADAT中的將出現(xiàn)全部14位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間增加到132個(gè)ADCLK周期。輸入端輸入信號(hào)是經(jīng)過電阻型傳感元件實(shí)現(xiàn)的，A/D輸入端中的A0～A3，可以編程為恒流源輸出端對(duì)傳感元件供電。要實(shí)現(xiàn)這一功能，除了要對(duì)ACTL定義外，還要在引腳SVCC和REXT之間連接一個(gè)外接電阻，以構(gòu)成恒流源，恒流由A/D輸入端輸出。這時(shí)檢測(cè)的信號(hào)是傳感元件上的電壓值。關(guān)系 為VIN=0.25×Vsvcc×RSEN/REXT。其中，Vsvcc是參考電壓，RSEN是傳感元件電阻，REXT是構(gòu)成恒流源的外接電阻，VIN即為在傳感元件上檢測(cè)到的電壓值。A/D轉(zhuǎn)換的精度較高時(shí)，數(shù)據(jù)低位受干擾的可能性也增大了。因此，MSP430P325單片機(jī)的模擬數(shù)字的供電是分開的，包括AVCC、AGND、DVCC、DGND等引腳。為保證A/D轉(zhuǎn)換精度，在電路中不應(yīng)將它們的簡單地連接在一起。分成兩組電源供電比較理想，但是在實(shí)際電路中往往難以做到�？刹捎迷贏VCC與DVCC之間加LC濾波去耦電路來隔離。在AGND與DGND間串入反向并聯(lián)的二極管可使兩點(diǎn)在電壓低于0.7V時(shí)處于斷開狀態(tài)�？臻e的輸入端用作數(shù)字通道時(shí)，要防止對(duì)相鄰模擬通道的干擾。這種干擾是經(jīng)通道間的電容引入的。避免的方法是A/D轉(zhuǎn)換期間避免數(shù)字通道出現(xiàn)信號(hào)跳變。由于A/D轉(zhuǎn)換過程利用了開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻過大時(shí)會(huì)因RC常數(shù)過大而影響轉(zhuǎn)換精度。A/D輸入端的等待輸入阻抗大約相當(dāng)于2kΩ電阻與42pF電容的串聯(lián)電路。ADCLK為1MHz時(shí)，信號(hào)源內(nèi)阻低于27KΩ才能保證轉(zhuǎn)換精度。
3.外加電阻與測(cè)試精度的關(guān)系
使用鉑電阻進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，外加電阻與恒流源電流之間的關(guān)系式為
ISET=0.25×VSVCC/RSET (2)
式中：ISET為恒流源電流，VSVCC為電源電壓，RSET為外加電阻。
鉑電阻到地的電壓VIN為
VIN=Rt(t) ×ISET （3）
從式（2）中可以看出，影響鉑電阻兩端電壓檢測(cè)精度的因素有兩種：一個(gè)是電源電壓的波動(dòng)，另一個(gè)是外加電阻的精度和溫度穩(wěn)定性。從儀表使用情況來看，儀表的供電電池的電壓隨時(shí)間推移逐漸減小，如果沒有相應(yīng)的補(bǔ)償方法，鉑電阻的溫度檢測(cè)精度是無法保證的，因此本文提出如下補(bǔ)償方法。
MSP430P325有4個(gè)恒流源輸出A/D轉(zhuǎn)換通道（可以切換的），在另一個(gè)通道接一個(gè)與外加電阻RSET相同阻值的電阻，每次A/D轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行電阻電壓降低補(bǔ)償。補(bǔ)償方法如下：
恒流源給鉑電阻供電時(shí)鉑電阻兩端電壓為
VIN=0.25×VSVCC×Rt(t)/RSET （4）
V=0.25×VSVCC×R/RSET (5)
A/D轉(zhuǎn)換以后鉑電阻兩端電壓的數(shù)字量為Nx，固定電阻的兩端電壓的數(shù)字量N，因?yàn)锳/D的轉(zhuǎn)換精度和位數(shù)是一致的，因此得出如下結(jié)果：
Nx/N=Rt(t)/R (6)
從式（6）可以看出，鉑電阻兩端電壓的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與電源電壓沒有關(guān)系，這種方法也可以補(bǔ)償芯片的基準(zhǔn)電壓離散性。要保證檢測(cè)精度，外加的固定電阻R的精度是關(guān)鍵因素。如果溫度檢測(cè)范圍為0～100℃，外加的固定電阻R的精度大小應(yīng)如何選擇？下面進(jìn)行定量分析。
Nx/(N±ΔN)=Rt(t)/(R±ΔR) (7)
式（6）和式（7）相除得出如下結(jié)果：
（N±ΔN）/N=(R±ΔR)/R (8)
如果外加電阻RSET和R的阻值均為500Ω時(shí)，要求電阻精度影響數(shù)字量的大小為1LSB（溫度檢測(cè)精度0.03℃），那么電阻R的精度為0.02%。
結(jié)束語
從MSP430P325的A/D轉(zhuǎn)換原理入手，詳細(xì)論述了電源電壓的波動(dòng)對(duì)檢測(cè)精度的影響，同時(shí)分析了補(bǔ)償原理及補(bǔ)償電阻的精度選擇方法，為其它精密溫度測(cè)量場合提供了極好的應(yīng)用實(shí)例。本文提出的補(bǔ)償方法在一家電子公司已成功的應(yīng)用，補(bǔ)償效果令人滿意。
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