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

1 TMP03/04的性能特點(diǎn)
TMP03/04是美國(guó)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(jì)調(diào)制技術(shù)具有更好的抗干擾性能，由于不受時(shí)鐘漂移誤差影響，該器件的溫度測(cè)量范圍一般在-25℃~+100℃之間，測(cè)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(guò)光電耦合器與微處理器隔離的電路；而TMP04為互補(bǔ)型MOS場(chǎng)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(cè)溫度，也可以通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制功能，適用于溫度遠(yuǎn)程檢測(cè)微機(jī)或電子設(shè)備的溫度監(jiān)視器及工業(yè)控制過(guò)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(shí)，電源電流不超過(guò)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(jì)。

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(gè)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(shí)鐘振蕩器。
模擬求和器、積分器、比較器和1位DAC構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，比較器還起到負(fù)反饋?zhàn)饔?。它能根?jù)輸入溫度信號(hào)的變化情況，來(lái)改變比較器輸出信號(hào)的占空因數(shù)，通過(guò)負(fù)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(guò)多次快速比較之后，輸出的數(shù)字量就與被測(cè)溫度成比例關(guān)系。
TMP03/04的工作原理是將被測(cè)溫度的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并且把數(shù)字化信號(hào)編碼成時(shí)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(shí)間，固定值，標(biāo)稱值為10ms，最大不會(huì)超過(guò)12 ms；t2指低電平持續(xù)時(shí)間，隨溫度變化而變化，最大值為44 ms，對(duì)應(yīng)于最高溫度+125℃。t1和t2在時(shí)間上是連續(xù)的，因此，用同一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘即可得到它們之間的比率。
被測(cè)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(cè)溫度的單位為攝氏度(℃)，式(2)被測(cè)溫度的單位為華氏度(F)。

3 接口電路及程序設(shè)計(jì)
晶閘管功率模塊在三相整流電路中起到核心作用，由于長(zhǎng)時(shí)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(yán)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(jī)或者鼓風(fēng)機(jī)來(lái)輔助散熱。但是散熱器及風(fēng)機(jī)本身只起到散熱的作用，并不能起到超溫保護(hù)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(guò)TMP03/04檢測(cè)散熱器的溫度(晶閘管功率模塊安裝在散熱器上)，進(jìn)行超溫判斷，并作出相應(yīng)反應(yīng)。
微處理器采用美國(guó)德州儀器公司(TI)先進(jìn)的MSP430系列Flash型低功耗16位單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有超低功耗、強(qiáng)大處理能力、豐富的片上外圍模塊等特點(diǎn)，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(cè)量溫度變化的串行數(shù)據(jù)，測(cè)量溫度由公式(1)或公式(2)計(jì)算得到?？梢姕囟葴y(cè)量的關(guān)鍵是得到t1和t2的計(jì)數(shù)值。這兩個(gè)計(jì)數(shù)值通過(guò)微處理器定時(shí)器的捕獲功能精確獲取，或者通過(guò)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(jì)。
3.1 通過(guò)捕獲口獲取計(jì)數(shù)值
MSP430的Timer_A定時(shí)器具有強(qiáng)大的功能，可支持同時(shí)進(jìn)行的多個(gè)捕獲/比較功能，每個(gè)捕獲/比較模塊可以獨(dú)立編程，由比較或捕獲外部信號(hào)來(lái)產(chǎn)生中斷。外部信號(hào)可以是信號(hào)的上升沿、下降沿或所有跳變。
Timer_A定時(shí)器時(shí)鐘源來(lái)自內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘，可由其內(nèi)部的寄存器來(lái)設(shè)置分頻，所選最高計(jì)數(shù)頻率必須合適，才能防止計(jì)數(shù)器t2時(shí)間內(nèi)溢出?？梢杂霉?3)計(jì)算最高計(jì)數(shù)頻率fcpmax：

用16位計(jì)數(shù)器，N2max=65 535，t2max=44 ms(對(duì)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(shí)器工作在l MHz，可以保證計(jì)數(shù)值不會(huì)溢出，精確測(cè)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(jìn)行隔離。隔離后的信號(hào)加到Timer_A的捕獲口P1.2。微處理器判斷過(guò)溫后通過(guò)P1.3輸出電平驅(qū)動(dòng)相應(yīng)繼電器，切斷晶閘管功率模塊工作電源以保護(hù)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(guò)普通I/0口獲取計(jì)數(shù)值
實(shí)際上，在晶閘管功率模塊的溫度保護(hù)電路應(yīng)用中，對(duì)溫度測(cè)量并不要求很精確，只要求微處理器在散熱器溫度超過(guò)某一個(gè)溫度值時(shí)啟動(dòng)超溫報(bào)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(guò)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(shí)際應(yīng)用價(jià)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(jì)方面，因?yàn)閠1是固定的，變化的是t2，所以微處理器預(yù)設(shè)一個(gè)超溫?cái)?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(jì)數(shù)值大于該預(yù)設(shè)值，就啟動(dòng)超溫保護(hù)。

其中，t1max=12 ms，θ為超溫溫度值。

4 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐證明，在晶閘管功率模塊溫度保護(hù)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(jì)都相當(dāng)簡(jiǎn)單方便，并且精度較高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠有效地起到超溫保護(hù)的作用。