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2020年08月24日 | 采用MSP430F247和TMP275的测温仪设计应用

2020-08-24 来源：eefocus

　　TI公司的MSP430单片机以独特的低功耗和模块化设计赢得了设计者的青睐。新型MSP430F247其性价比相当高，该16位单片机处理速度快，超低功耗，能节省很多资源；MSP430F247内置I2C模块，方便了程序编写，大大降低了程序的出错率。同时更多的I/O口可以级联更多的外围器件，而无需使用地址数据锁存器件，既方便了程序的编写，也简化了硬件电路的设计。

　　温度传感器TMP275可直接输出数字信号，而无需取样、放大、滤波和模数信号的转换，可以直接传输给单片机信号处理系统；而且输出信号分辨率可以达到0．062 5，测温精度±O．5℃，若使用MSP430F247做控制器，可直接与其自带的I2C模块相连，使用方便。

　　2 电路设计

　　2．1 总体方案设计

　　该测温仪的硬件结构由温度测量、核心控制电路、显示电路和电源电路等4部分组成。总体方案框图如图l所示。

总体方案框图

　　2．2 单元模块设计

　　2．2．1 核心控制电路

　　核心控制电路采用MSP4313F247完成数据的测量和处理，实现温度测量和控制输出显示功能，电路如图2所示，其中的P3．1．P3．2分别是MSP430F247自带I2C模块的SCL和SDA，可以直接连接TMP275，不用再模拟I2C口，应注意接上拉电阻。

核心控制电路

　　2．2．2 温度测量

　　测温部件采用TI公司生产的温度传感器TMP275，以数字形式用I2C总线向CPU传输数据，图3给出温度测量电路。

温度测量电路

　　TMP275是一个I2C总线的温度传感器，测温范围一40℃~+125℃，在一20℃~+100℃之间最大误差仅为±0．5℃。

　　TMP275内部有指针寄存器、配置寄存器、温度值寄存器、高温和低温限制寄存器等5个寄存器。

　　指针寄存器是通过P1，P0识别哪个寄存器来响应读写命令。其格式字如表1所示，指针地址如表2所示。

格式字

　　配置寄存器是一个8位可读写的寄存器，用来存储TMP275的工作模式控制字，详细资料请参见参考文献。

　　温度寄存器是12位补码只读寄存器，用来存储最近变换得到的数据，存储形式与TI公司的TMPl00和DALLAS公司的DSl8820相同。该寄存器通过2个字节读写数据，如表3，表4所示，且先传输高8位再传输低8位，其中第一个字节8位有效，第二个字节只有高4位有效。上电和复位后读出的是0°。图4和图5分别是I℃数据写、读时序图。

寄存器通过2个字节读写数据

　　2．2．3 显示电路

　　图6给出显示电路，显示部分主要由3个共阴数码管组成，以达林顿集成电路ULN2003和74LS06作为反向驱动。

显示电路

　　2．2．4 电源电路

　　该装置的电源由两部分组成：由三端稳压器LM7805提供的+5 V。主要给ULN2003，74LS06以及温度传感器TMP275供电：由TI公司专用电平转换器TPS76033提供的3．3 V，主要提供MSP430F247单片机工作电源，如图7所示。

电源电路

　　3 程序流程图及部分核心程序代码

　　3．1 主程序

　　程序开始头文件加载、端口及各种寄存器初始化，然后进入显示测温程序，如图8所示。

主程序流程图

　　3．2 测温子程序

　　3．2．1 测温初始化子程序

　　此部分程序分别对MSP430F247自带的I2C模块相关的寄存器进行设置：①设P3．1、P3．2为外部管脚，使能SW Reset；②选择I2C模块操作模式为主机，同步模式；③选择时钟，复位R/W；④设置从机地址，清除SW中断标志，使能Rx中断；⑤设置接收字节计数器是2，目的是读2个字节的温度值；⑥发送I2C开始命令；⑦接收2个字节的温度值；⑧发送I2C停止命令。

测温子程序流程图

MSP430F247 TMP275 测温仪

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问题一：为什么数-模转换需要高稳定度的稳压电源？

回答：
数-模转换器（D/A转换器）将数字信号转换为模拟信号，其输出精度和稳定性直接受到供电电源的影响。高稳定度的稳压电源能够确保D/A转换器在转换过程中电压波动小，从而减小转换误差，提高转换精度。此外，稳定的电源还能保护D/A转换器免受电压波动可能引起的损坏，延长其使用寿命。

问题二：如何设计高稳定度的稳压电源电路？

回答：
设计高稳定度的稳压电源电路通常需要考虑以下几个方面：

选择合适的稳压元件：
- 稳压二极管（齐纳二极管）：具有稳定的反向击穿电压，可作为简单的稳压元件。
- 线性稳压器（LDO）：提供低噪声、高精度的输出电压，适用于对电源噪声敏感的场合。
- 开关稳压器：效率高，但可能引入一定的纹波噪声，需要适当的滤波电路设计。
优化电源滤波：
- 在稳压电源的输出端加入滤波电容，以减小输出电压的纹波和噪声。
- 对于开关稳压器，可能需要额外的LC滤波电路来进一步降低纹波。
考虑温度稳定性：
- 温度变化会影响元件的性能，因此在设计时应考虑元件的温度系数，并采取适当的温度补偿措施。
采用反馈控制：
- 通过引入电压反馈控制环路，可以实时监测输出电压并调整稳压元件的工作状态，以保持输出电压的稳定。
选用高质量的元件：
- 使用低漂移、高精度的电阻、电容等元件，以提高电源电路的整体稳定性。

问题三：如何评估稳压电源的稳定度？

回答：
评估稳压电源的稳定度通常需要考虑以下几个方面：

输出电压的纹波和噪声：
- 使用示波器测量输出电压的纹波和噪声水平，确保其在可接受的范围内。
负载调整率：
- 在不同负载条件下测量输出电压的变化量，评估电源对负载变化的响应能力。
线性调整率：
- 在输入电压变化时测量输出电压的变化量，评估电源对输入电压变化的抵抗能力。
温度稳定性：
- 在不同温度条件下测量输出电压的变化量，评估电源的温度稳定性。
长期稳定性：
- 在长时间运行后测量输出电压的变化量，评估电源的长期使用稳定性。

问题四：有哪些常见的稳压电源故障及其解决方案？

回答：
常见的稳压电源故障及其解决方案包括：

输出电压不稳定：
- 检查稳压元件是否损坏或老化。
- 检查滤波电容是否失效或容量不足。
- 检查反馈控制环路是否正常工作。
无输出电压：
- 检查输入电源是否正常。
- 检查保险丝是否熔断。
- 检查稳压元件是否短路或开路。
输出电压过高或过低：
- 调整稳压元件的工作参数。
- 检查负载是否过大或过小。
- 检查输入电压是否在正常范围内。
温度过高：
- 检查散热系统是否正常工作。
- 考虑增加散热装置或降低负载。

通过以上问题和答案的梳理，可以帮助网友更全面地了解数-模转换用高稳定度稳压电源电路的设计、评估和维护等方面的知识。

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