TMP03/04型數(shù)字溫度傳感器及其在溫度保護中的應(yīng)用

1 TMP03/04的性能特點
TMP03/04是美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的串行輸出數(shù)字溫度傳感器，輸出數(shù)據(jù)的高低電平占空比與器件溫度成比例關(guān)系。其內(nèi)置的溫度傳感器產(chǎn)生的電壓與熱力學(xué)溫度精確成比例，與內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)做比較后，輸入內(nèi)置的高精度∑-△數(shù)字調(diào)制器。與目前常用的串行數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)(如壓頻轉(zhuǎn)換)相比，TMP03/04內(nèi)置調(diào)制器采用的比率計調(diào)制技術(shù)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(zhǔn)。
TMP03和TMP04二者的主要區(qū)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(yīng)管輸出，其輸出電平與CMOS/TTL電路兼容，適用于與微處理器直接交互的電路。TMP03/04既可以檢測溫度，也可以通過單片機實現(xiàn)溫度控制功能，適用于溫度遠程檢測微機或電子設(shè)備的溫度監(jiān)視器及工業(yè)控制過程等領(lǐng)域。低電壓供電，微功耗。電源電壓范圍為+4.5 V~+7 V。采用+5 V供電時，電源電流不超過1.3 mA。其最大功耗僅為6.5 mW，特別適用于低功耗的電路設(shè)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(shù)據(jù)輸出端。

TMP03/04的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括4大部分：

(1)基準(zhǔn)電壓源和溫度傳感器。其中，基準(zhǔn)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(xué)溫度成正比的UPTAT電壓，接到求和器的一個輸入端；
(2)∑-△調(diào)制器。內(nèi)含模擬求和器(也稱加法器)、積分器、比較器(也稱量化器)和l位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(1位DAC)；
(3)數(shù)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(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，比較器還起到負反饋作用。它能根據(jù)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(shù)，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(zhuǎn)換器，經(jīng)過多次快速比較之后，輸出的數(shù)字量就與被測溫度成比例關(guān)系。
TMP03/04的工作原理是將被測溫度的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并且把數(shù)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(xù)時間，固定值，標(biāo)稱值為10ms，最大不會超過12 ms；t2指低電平持續(xù)時間，隨溫度變化而變化，最大值為44 ms，對應(yīng)于最高溫度+125℃。t1和t2在時間上是連續(xù)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(guān)系可以用公式(1)及(2)表示：

式(1)被測溫度的單位為攝氏度(℃)，式(2)被測溫度的單位為華氏度(F)。

3 接口電路及程序設(shè)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(jīng)大電流并且處于頻繁的“開-關(guān)”狀態(tài)，晶閘管功率模塊發(fā)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(fēng)機或者鼓風(fēng)機來輔助散熱。但是散熱器及風(fēng)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(fā)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(yīng)反應(yīng)。
微處理器采用美國德州儀器公司(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(yè)控制中。
由前面介紹可知，TMP03/04數(shù)字溫度傳感器輸出為占空比隨測量溫度變化的串行數(shù)據(jù)，測量溫度由公式(1)或公式(2)計算得到。可見溫度測量的關(guān)鍵是得到t1和t2的計數(shù)值。這兩個計數(shù)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/0口較準(zhǔn)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(shè)計。
3.1 通過捕獲口獲取計數(shù)值
MSP430的Timer_A定時器具有強大的功能，可支持同時進行的多個捕獲/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(chǎn)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(nèi)部時鐘或外部時鐘，可由其內(nèi)部的寄存器來設(shè)置分頻，所選最高計數(shù)頻率必須合適，才能防止計數(shù)器t2時間內(nèi)溢出。可以用公式(3)計算最高計數(shù)頻率fcpmax：

用16位計數(shù)器，N2max=65 535，t2max=44 ms(對應(yīng)最高溫度+125℃)，由公式(3)可得fcpmax=65 535/44ms=l.5 MHz，MSP430工作頻率為8 MHz，分頻器選擇8分頻，使定時器工作在l MHz，可以保證計數(shù)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(huán)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(qū)動相應(yīng)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/0口獲取計數(shù)值
實際上，在晶閘管功率模塊的溫度保護電路應(yīng)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(yè)控制中，帶捕獲功能的I/0口資源十分緊張。因此，通過普通I/0口與TMP03/04連接獲取溫度值的方法具有相當(dāng)大的實際應(yīng)用價值。
該方法接口電路與圖4類似，只需要將捕獲口Pl.2更換成普通的I/0口即可。程序流程圖如圖6所示。

在程序設(shè)計方面，因為t1是固定的，變化的是t2，所以微處理器預(yù)設(shè)一個超溫數(shù)值T2，該數(shù)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(shù)值大于該預(yù)設(shè)值，就啟動超溫保護。

其中，t1max=12 ms，θ為超溫溫度值。

4 結(jié)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(shù)字溫度傳感器與微處理器的接口以及程序設(shè)計都相當(dāng)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。