低功耗高精度温度传感器

低功耗高精度数字温度计的设计

摘要: 数字温度计设计主要从硬件选型和软件设计两方面着手, 可有效降低功耗, 延长工作时间, 提高测量精度。软件设计采用间歇式工作模式, 在保证系统性能要求的情况下缩短CPU的工作时间, 使系统较长时间工作在低功耗模式下, 有效地降低了系统的能耗; 同时, 使用集成于单片机内部的Slope A/D转换器, 并采用多点校准技术和线性插值方法, 提高温度采样的精度。

关键词: 传感器; 单片机温度计; 低功耗; A/D

现代测温应用中, 温度传感器趋于向数字化方向发展, 近年来出现了由各种微控制器构成的数字式温度传感器。利用MSP430单片机具有极低功耗的特点, 它的CPU可以在1. 8~3. 6V电压、1MHz的时钟条件下运行, 耗电电流会因不同的工作模式而不同, 利用该款单片机强大的运行模式和特殊功能, 本文设计了一种由超低功耗单片机MSP430F435构成的数字式温度计, 可方便快捷地实现低功耗测量。

1 低功耗温度计的总体设计

1. 1 总体目标

智能温度计采用电池供电, LCD液晶显示,利用MSP430在不工作状态下低功耗的特点, 使该温度计在不更换电池的情况下可以工作2年以上, 达到高可靠性、误差小、抗震、工作温度范围0~100, 生产成本较低。

1. 2 设计思路

系统设计的总体思路是围绕如何实现低功耗开展。控制功耗, 必须从内部着手。对于数字化的测量系统, 通过适当地选择采样周期, 在一个采样周期内, 迅速地测量温度, 然后进入电流消耗较低的“休息”状态, 就可以大幅度地减小整个系统的电流的消耗。假设采样可以在Ts = 10ms之内完成, 采样时消耗的电流为Is =1mA, 采样周期为TA=1s, 非测量状态的电流消耗为Ib =0. 04mA,整个系统的平均电流消耗为:

从公式中得出, 在Ts/TA 采样时消耗的电流对整个系统的平均电流影响并不很大, 只要恰当地选择Ib, Is, Ts, TA 就可以达到降低功耗的目的。可以从以下几个方面入手:

(1)减小Ib, 减小休息时的电流消耗, 方法一是尽量减少在休息状态下还要工作的模块数量, 二是选用低功耗元器件。

(2)减小Is, 采样时, 工作的元件要尽量降低功耗, 选择电流消耗较小的型号。

(3)减小Ts, 减小工作时间, 完成采样后尽快结束工作。

(4)增大TA, 加大采样周期, 尽量多“休息“，使系统的响应变慢。

1. 3 方案总体设计

温度系统由如图1所示的几个模块组成。

总体设计应该是全面考虑系统的总体目标,进行硬件选型, 确定MSP430F435单片机为数字温度计的核心。

并选择低功耗和低成本的存储器、放大器、液晶显示器等元件, 总体方案系统的基本组成如图2所示。

以单片机为核心, 通过单片机来控制温度传感器和放大器的供电, 传感器感受的温度信

号转换为电信号后, 经过放大器放大转化为适合于A/D转换的电压范围。然后通过MSP430单片机内部集成的A/D转化器进行A/D转换, 温度信号就转换为数字。单片机根据存储于外部存储器中的校准数据计算出测得的温度送液晶显示器显示。

集成数字输出的绝对温度传感器

智能温度传感器被描述为一个可提供脉冲频率输出，且非常适合于通信与微处理器。

温度传感器产生一个绝对的温度电流以及一个独立于温度的参考电流。完全同步输出

信号提供了相较于异步信号的重要优势，如频率或占空比，它们都常被用到。高数字

抗干扰是同步的主要后果之一。因此，描述的智能温度传感器是与先进芯片的数字过

程或数字总线系统高度兼容的。

绝对温度的信息在许多集成传感器的应用中是至关重要的。温度不仅是在许多热传感

器信号直接被测量，也有大多数物理现象特征温度具有交叉灵敏温度。温度的影响，

不能被屏蔽因此，必须进行测量和补偿。压力传感器是后者的一个广为人知的例子。

随着自动化水平的不断提高,传感器的大规模使用将成为必要。在不久的将来未来普通消费产品将包含约10至100个传感器。标准模拟信号在必要的先进的通信中将变得不再能胜任 [1][2]。这里所说的绝对温度传感器提供了一个脉冲频率输出，这是与微处

理器完全兼容。“智能芯片是单独作为一个独立的传感器，适合直接连接一个处理器。

此外，不同于报告的许多其他智能传感器，该系统是特别适合于结合数字补偿技术且

可以通过具有集成智能传感器总线驱动程序升级，它可支持传感器并联。这已通过使

用同步信号和时间持续集成实现，它们的结合提供了一个高的数字抗干扰。

温度传感器

绝对温度传感器是基于之前详述的发射极电压的温度特性双极晶体管[3]。正如我们可以看出的，

为了电子电路的实现,集成电容调节为lOOpF且时钟频率为200kHz。

这些值是芯片空间，延缓时间和渗漏电流之间的折中值。

图1电子电路的Σ三角转换器

从图1可以看出比较器和门触发器通过使用一个单一主从触发器实现。我们使用了射

极耦合逻辑，以确保恒流工作，最大限度地减少对电源和控制线峰值。一个简单的双

极电流开关用于切换的参考电流。

回顾之前提到的条件,Σ-Δ的工作原理完全匹配。

就像其他电荷平衡转换器,结构简单保证小的芯片空间,参考电流反馈使组件容错正向路径成为可能。

我们通过时间持续性集成的输入信号来实现大幅减少干扰噪声。所有使用的信号同步

给出了一个绝对的同步干扰的抑制。

Σ-Δ转换器是作为一个标准应用中的块并适应特定的应用。

一个位的脉冲频率信号，具有独特的通信属性。它可用于三种不同的通讯方式。

使用微处理器的单线连接是可能的，因为同步输出的占空比信号仍然完好无损。

使用一个额外的时钟线，可以充分利用一位数字信号，它可以简单地由微处理器计算。一个位的脉冲频率信号是唯一的在一个串行线中提供数字信号给微处理器并且不用传

感器芯片本身的附加电路的方法。

使用数字传感器总线是仅仅是向前的一小步，因为脉冲频率信号芯片上可升级到任何

所需的分辨率的数字代码。当然，在对芯片柜台和总线控制中电路成为必要。

集成电路

总电路，温度传感器和Σ-Δ阿托D转换器，被综合在在一个标准双极过程中并且只有

1X3平方厘米，特别隔离衬底的接触和数字和模拟电路独立的电源供应线帮助保持低