基于MSP430的热敏电阻高精度测温设计

　　0　引言

　　测温电路通常需要恒压或恒流源、A/D转换器和高精度运放。当测量精度要求较高时,复杂的调理电路和高位数的A/D转化器使成本和功耗上升。随着电子技术的发展,出现很多低功耗大规模集成电路,其片上带有多种外设模块可以形成集成解决方案,为设计低功耗高精度测温系统提供了硬件基础[1]。利用MSP430F2013的片上16位A/D和18 ppm(1 ppm=10-6)电压基准,辅助以非平衡电桥和过采样的方式,能实现高精度的热敏电阻信号激励和数字化。所完成的测温系统具有集成度高、精度高、功耗低、对分立器件要求低的特点。

　　1　热敏电阻和其测温硬件电路设计

　　高精度温度测量通常可以使用RTD和高精度热敏电阻实现。RTD(尤其是铂电阻)具有卓越的重复性和稳定特性;热敏电阻互换性不好,阻值随温度变化的线性度也很差,但其灵敏度很高,响应速度很快,尤其是珠状玻封热敏电阻,这种特性在一些特殊应用中是有价值的(如海水温度剖面测量)。在温度采集应用中,需要高分辨率A/D变换器把测量电路所含热敏电阻产生的信号进行数字化。MSP430是16位单片机,其F20XX系列具有超低功耗和最高16 MIPS的运行速度,MSP430F2013(文中简称F2013)内部有功能强大的SD16 A(增强16位的Σ-ΔADC)模块,集成程控增益放大器(PGA)和温漂18 ppm的1·2 V参考电压[2],适合做低功耗智能传感器信号采集和处理MCU.

　　系统利用MSP430F2013进行智能数据采集,从前端传感器采集来的数据经过程控增益放大器进行放大,随后进入模数转换器进行模数转换,转换完成后进行滤波和校正计算最终获得温度结果。

　　图1是系统电路图。F2013片上1·2 V电压基准的特点是低温漂18 ppm,配置内部缓冲后其1 mA的输出电流能力也足够用于激励热敏电阻电桥。该电压基准既为A/D变换器产生基准,同时用于激励热敏电阻电桥,以形成比值测量系统,因为比值工作,所以消除测量系统中的漂移误差,该方法是完全比值,电压源变化不降低系统性能[3]。

　　电路中3个电阻器与热敏电阻Rth构成一个单臂电桥,电桥的作用在于激励出热敏电阻差分电压信号。设计中R1、R2、R3均采用7·5 K(1/1000)25 ppm的标准精密金属膜电阻,热敏电阻阻值3~15Ω变化会形成约-0·25~+0·20 V的差分信号输出。当SD16 A工作在内部电压基准、增益为2的差分输入模式时,F2013适用±0·25 V的输入信号范围,通过Σ-ΔADC的过采样技术系统能达到所需的μV级测量分辨率。

　　F2013的SD16 A模块不带输入缓冲,其差分输入阻抗在PGA增益等于2时约为250 kΩ,直接测量输出阻抗为kΩ级的电桥输出时,会造成mV级的测量偏差。为提高测量精度,要在外部提供输入缓冲。缓冲运放选用低噪低温漂双运放[4]。系统对前端模拟电路分立器件要求不高,选择温漂、时漂小的元器件可以提高系统整体稳定性,各种容差可在单片机软件中进行校正。同时系统具有低功耗的特点,当运行在1 MHz的时钟条件下,F2013工作电流为220μA,其内部的SD16 A模块和参考电压模块耗电小于1·5 mA(采样时峰值电流)。由于间断休眠的运行方式降低了系统耗电,系统连续采样温度整体运行功耗(包括前端电路)小于1 mA,适合电池供电的连续温度采集应用。