TMP03/04型数字温度传感器及其在温度保护中的应用

摘要：介绍了TMP03/04型数字温度传感器在晶闸管功率模块温度保护电路中的应用，着重介绍了该芯片与MSP430单片机的两种接口电路及程序设计的方法。
关键词：TMP03/04；数字温度传感器；MSP430；接口电路

1 TMP03/04的性能特点
    TMP03/04是美国模拟器件公司(ADI)生产的串行输出数字温度传感器，输出数据的高低电平占空比与器件温度成比例关系。其内置的温度传感器产生的电压与热力学温度精确成比例，与内部的电压基准做比较后，输入内置的高精度∑-△数字调制器。与目前常用的串行数据调制技术(如压频转换)相比，TMP03/04内置调制器采用的比率计调制技术具有更好的抗干扰性能，由于不受时钟漂移误差影响，该器件的温度测量范围一般在-25℃~+100℃之间，测量误差为±1.5℃(典型值)，且不需要校准。
    TMP03和TMP04二者的主要区别在于：TMP03是集电极开路输出，适用于需要通过光电耦合器与微处理器隔离的电路；而TMP04为互补型MOS场效应管输出，其输出电平与CMOS/TTL电路兼容，适用于与微处理器直接交互的电路。TMP03/04既可以检测温度，也可以通过单片机实现温度控制功能，适用于温度远程检测微机或电子设备的温度监视器及工业控制过程等领域。低电压供电，微功耗。电源电压范围为+4.5 V~+7 V。采用+5 V供电时，电源电流不超过1.3 mA。其最大功耗仅为6.5 mW，特别适用于低功耗的电路设计。

2 TMP03/04的工作原理
    TMP03/04有3种封装形式：TO-92、SO-8和RU-8，引脚排列如图1所示。其中V+接电源正极，GND为公共地。DOUT为串行数据输出端。

    TMP03/04的内部结构框图如图2所示，主要包括4大部分：

    (1)基准电压源和温度传感器。其中，基准电压源的输出电压接至1位的DAC(图中未画)，温度传感器输出与热力学温度成正比的UPTAT电压，接到求和器的一个输入端；
    (2)∑-△调制器。内含模拟求和器(也称加法器)、积分器、比较器(也称量化器)和l位数/模转换器(1位DAC)；
    (3)数字滤波器；
    (4)高速时钟振荡器。
    模拟求和器、积分器、比较器和1位DAC构成一个闭环系统，比较器还起到负反馈作用。它能根据输入温度信号的变化情况，来改变比较器输出信号的占空因数，通过负反馈电路使积分器输出电压UINT为最低。上述电路也属于电荷平衡式转换器，经过多次快速比较之后，输出的数字量就与被测温度成比例关系。
    TMP03/04的工作原理是将被测温度的模拟量转换成数字量，并且把数字化信号编码成时间比率(t1/t2)的形式。图3所示为TMP03/04的输出波形。

    t1指高电平持续时间，固定值，标称值为10ms，最大不会超过12 ms；t2指低电平持续时间，随温度变化而变化，最大值为44 ms，对应于最高温度+125℃。t1和t2在时间上是连续的，因此，用同一个定时器时钟即可得到它们之间的比率。
    被测温度θ与t1、t2比率关系可以用公式(1)及(2)表示：

   
    式(1)被测温度的单位为摄氏度(℃)，式(2)被测温度的单位为华氏度(°F)。 

3 接口电路及程序设计 
    晶闸管功率模块在三相整流电路中起到核心作用，由于长时间流经大电流并且处于频繁的“开-关”状态，晶闸管功率模块发热量十分严重，除了要安装散热器降温之外，一般散热器本身还要增加抽风机或者鼓风机来辅助散热。但是散热器及风机本身只起到散热的作用，并不能起到超温保护的作用，因此，微处理器在输出晶闸管触发脉冲的工作之余，还要通过TMP03/04检测散热器的温度(晶闸管功率模块安装在散热器上)，进行超温判断，并作出相应反应。 
    微处理器采用美国德州仪器公司(TI)先进的MSP430系列Flash型低功耗16位单片机，该系列单片机具有超低功耗、强大处理能力、丰富的片上外围模块等特点，广泛使用于工业控制中。
    由前面介绍可知，TMP03/04数字温度传感器输出为占空比随测量温度变化的串行数据，测量温度由公式(1)或公式(2)计算得到。可见温度测量的关键是得到t1和t2的计数值。这两个计数值通过微处理器定时器的捕获功能精确获取，或者通过普通I/0口较准确地获取。下面分别介绍这两种方式的接口电路以及程序设计。
3.1 通过捕获口获取计数值
    MSP430的Timer_A定时器具有强大的功能，可支持同时进行的多个捕获/比较功能，每个捕获/比较模块可以独立编程，由比较或捕获外部信号来产生中断。外部信号可以是信号的上升沿、下降沿或所有跳变。
    Timer_A定时器时钟源来自内部时钟或外部时钟，可由其内部的寄存器来设置分频，所选最高计数频率必须合适，才能防止计数器t2时间内溢出。可以用公式(3)计算最高计数频率fcpmax：
   

    用16位计数器，N2max=65 535，t2max=44 ms(对应最高温度+125℃)，由公式(3)可得fcpmax=65 535/44ms=l.5 MHz，MSP430工作频率为8 MHz，分频器选择8分频，使定时器工作在l MHz，可以保证计数值不会溢出，精确测量温度。
    由于TMP03/04工作在晶闸管功率模块周围，环境比较恶劣，因此，为防止干扰从工作电源地线窜入微处理器，在TMP03/04与微处理器之间加上光电耦合器进行隔离。隔离后的信号加到Timer_A的捕获口P1.2。微处理器判断过温后通过P1.3输出电平驱动相应继电器，切断晶闸管功率模块工作电源以保护电路。具体的电路图如图4所示。程序流程如图5所示。

3.2 通过普通I/0口获取计数值
    实际上，在晶闸管功率模块的温度保护电路应用中，对温度测量并不要求很精确，只要求微处理器在散热器温度超过某一个温度值时启动超温报警；而且在一般工业控制中，带捕获功能的I/0口资源十分紧张。因此，通过普通I/0口与TMP03/04连接获取温度值的方法具有相当大的实际应用价值。
    该方法接口电路与图4类似，只需要将捕获口Pl.2更换成普通的I/0口即可。程序流程图如图6所示。

    在程序设计方面，因为t1是固定的，变化的是t2，所以微处理器预设一个超温数值T2，该数值可由公式(4)求得。一旦TMP03/04输入到P5.1上面的低电平的计数值大于该预设值，就启动超温保护。

   
    其中，t1max=12 ms，θ为超温温度值。

4 结束语
    实践证明，在晶闸管功率模块温度保护电路中，TMP03/04型数字温度传感器与微处理器的接口以及程序设计都相当简单方便，并且精度较高，抗干扰能力强，能够有效地起到超温保护的作用。