基于微处理器实现便携式高精度电子温度计的软硬件系统设计

1 总体结构

以MSC1210Y5为核心，利用其内部集成的温度传感器和高精度模／数转换器，基于过采样和求均值的技术，外加液晶显示器和电源等部件，设计了一款简单实用的便携式高精度电子温度计，其结构框图如图1所示。该电子温度计结构简单，使用方便，只需按下电源开关，当前温度就会显示在液晶显示器上。温度数据每隔一定时间更新一次。

2 硬件设计

2．1 微处理器MSCl210Y5

MSC1210Y5是美国德州仪器公司（Texas Instru—ments）推出的集成数字／模拟混合信号的高性能芯片。芯片集成了大量的模拟和数字外围模块，具有很强的数据处理能力，对要求体积小、集成度高、运算速度快和精确测量的产品是理想的选择。该芯片可广泛用于智能传感器、智能变送器、工业过程控制系统、高精度测重装置、液／气色谱分析、便携式仪器等领域。

MSC1210Y5具有很高的模拟和数字集成度。它内部集成了一个24位的∑一△模／数转换器（ADC）、8通道多路开关、模拟输入通道测试电流源、输入缓冲器、可编程增益放大器（PGA）、温度传感器、内部基准电压源、8位微控制器、程序／数据Flash存储器和数据RAM等。

MSC1210Y5内部集成的温度传感器，可以用来测量温度。它的温度测量原理基于公式：

temp=αxVolts-282.14 （1）

利用公式（1）可以把电压转换为摄氏温度。Volts为ADC测得的电压，α为实验测定的系数，等于2 664．7。

MSC1210Y5内部集成的24位分辨率的∑一△模／数转换器部分由模拟多路开关（MUX）、可选择缓冲器（BUF）、可编程增益放大器（PGA）、基准电压源、二阶∑一△调制器和数字滤波器等组成。用户通过控制相应的特殊功能寄存器位就可以控制模／数转换器的所有功能，也可以根据需要将其关闭以降低功耗。

在高精度的测量中，往往对分辨率的要求比较高（16位以上），而传统的Nyquist型ADC（如积分型、逐次比较型、闪烁型等）将面临一系列严重的问题，例如需要复杂的高阶模拟混叠滤波器、定时及幅度误差都极小的采样保持电路等，实现起来困难极大，成本很高。而近年来兴起的∑一△型A／D转换器却能以较低的成本获得极高的分辨率（16位以上）；同时，由于∑一△型ADC主要使用了数字技术，除具有数字系统的可靠性和稳定性高等优点以外，还具有线性度好、抗干扰能力强、成本低廉等特点。另外，由于∑一△型ADC采用了过采样技术，不需要抗混叠滤波器，有的还可以直接接收来自传感器的微弱信号，从而节省了信号放大和调整电路。正是由于∑一△型ADC具有这么多优点，因此它在高精度测量中得到了广泛的应用。

∑一△型ADC由两部分构成：第一部分为模拟∑一△调制器，它是∑一△型A／D转换器的核心；第二部分为数字抽取滤波器。图2给出了∑一△型ADC的组成框图。

图3为∑一△调制器简化原理框图。MSC1210Y5的调制器是一个单回路二阶调制器。调制器的时钟频率（即模拟信号采样频率）fMOD是从晶振频率中分频得到的。其分频倍数可以通过模拟时钟寄存器（ACLK）的FREQ4～O设置，计算公式如下：

fMOD=［晶振频率/（FREQ+1）］/64

这样当晶振频率为11．059 2 MHz时，如果FREQ=8，那么模拟信号采样频率为19 200 Hz。

数据输出速率可由下面的公式得出：

数据输出速率一模拟采样频率／抽取因子

抽取因子可以通过寄存器ADCON2和ADCON3设置。如果ADCON2和ADCON3的设定值为1 920，那么采样数据的输出率为19 200 Hz／1 920=10 Hz。由于抽取因子比较高，故抗噪声性能增强。

MSC1210Y5的ADC有3种数字滤波器——快速稳定滤波器、Sinc2滤波器和Sinc3滤波器，用户可以通过ADC控制寄存器1（ADCON1） 的SMl～SM0（ADCON1．5～4）位来选择一种具有不同稳定模式的数字滤波器。快速滤波器、Sinc2滤波器和Sinc3滤波器的建立时间分别为 l、2、3个转换周期，因此当输入通道或PGA的值改变时，通常不会同步输出数据，而要等待几个转换周期才能得到正确的转换结果，因此它们的前1、2、3 个采样结果必须丢弃。

为了降低器件和系统的偏移误差和增益误差，往往需要采用校准的方法。MSC1210Y5的ADC提供了5种不同的校准模式。用户可以通过ADCONl寄存器的CAL2～O位来选择校准模式。

ADC转换的时候，可能引入的噪声很多：热噪声、散粒噪声、电源电压变化、基准电压变化、由采样时钟抖动引起的相位噪声以及由量化误差引起的噪声。这些噪声源的噪声功率都是可以改变的。很多技术都可以用来减小噪声，比如改进电路板设计或是在基准电压信号线上加旁路电容。但是ADC总是存在量化噪声，所以一个给定位数的数据A／D转换器的最大SNR由量化噪声（不使用过采样技术时）定义。在正确的条件下，过采样会减小噪声并改善SNR，这将有效地提高测量分辨率的位数。

对于白噪声的情况，采用过采样可以改善信噪比，但是它是以增加CPU的时间和降低数据通过率为代价的。因为在本系统的CPU完全为温度采集服务，并且对实时性要求并非苛刻，所以可以采用过采样的方法来提高精度，并在一定程度上提高温度计的抗干扰能力。MSC1210Y5与ADC相关的特殊功能寄存器 （SFR）如表1所列。

2．2 液晶显示器

液晶显示器选用的是由深圳市拓普微科技开发有限公司研发的128×96的全图形点阵的液晶显示模块LM9033A。该液晶显示模块能产生四阶灰度的显示效果，此外还具有负向显示、显示视窗移动、图像移动、软件调节对比度等功能。模块采用TAB结构，最大外形尺寸为63．8 mm×47．4 mm×7．3 mm，提供串／并型接口模式，可满足用户对不同接口的需要。此模块的特点有：单电源3．3 V供电，低电压，超低功耗；内建升压电路；高对比度，FSTN型LCD屏；白色LED背光。

LM9033A引脚名称及其功能如表2所列。

LM9033A提供了串／并两种接口模式，为了节省单片机的引脚，使用了默认的4线SPI串行接口模式，它与MSC1210Y5的连接方式如图4所示。P1．3、P1．4、P1．6作为控制端口分别与CS、RST、RS连接，P1．7作为串行时钟输入引脚与DB6相连，P3．3作为串口与DB7相连。VDD、BLA接高电平3．3 V，RSS接地。

2．3 电 源

因为设计的是便携式温度计，电源既要保持一定的供电时间，还要具有尽量小的体积。因此选用了1节3 V的普通充电电池。

3 软件设计

软件开发工具为Keil C，程序下载工具为MSC1210Y5的专用调试终端TI Downloader。软件主要包括两部分：温度ADC程序和液晶显示器程序。其中在温度ADc程序中采用了过采样和求均值的算法来进一步提高ADC的分辨率和SNR，以使得温度计能够更加精准并适应更多的测温环境，提高其抗干扰的能力。

3．1 求平均值

通常情况下，由于存在各种干扰，往往降低了ADC转换结果的精度。人们经常采用低通滤波的方法对结果进行处理，如取多次转换结果的平均值作为转换的实际结果。对ADC测量数据求均值等价于一个降采样低通滤波器。求均值的样本数量越大，低通滤波器的选择性越强。MSC12lOY5提供了一个求和／移位寄存器，可以自动完成多次转换结果的平均，从而较少了软件的开销并减轻了CPU的负担。

3．2 温度ADC程序

温度模／数转换部分首先配置ADC，允许进行自校准，然后进入温度的循环采样，最后通过串口传给主机。算法比较简单，如图5所示。

3．3 液晶显示器程序

液晶显示器程序较长，鉴于篇幅所限，在此不再赘述。

4 数据处理与分析

在不同的时间用该温度计对室温进行测量，每次测量20组数据，去掉2个最大值和2个最小值后，将剩余的16组数据取平均值，以手持式热棒温度计JM222作为参照，检验该温度计的精度。 JM222的分辨率为O．1℃，准确度为±0．3℃。实验数据如表3所列。

表3中的实验数据表明，该便携式电子温度计精度较高，完全满足常规环境下测量温度的需要，具有较高的实用价值。下一步的工作是降低该温度计的功耗和成本，并进一步提高其精度和可靠性。

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