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數字溫度傳感器LM92在電子天平中的應用
發布時間：2017-09-01
1概述
LM92是美國國家半導體公司近年推出的單片高精度數字溫度傳感器,它具有成本低、功耗低、可靠性高、接口簡單、傳輸距離遠等特點。LM92的溫度測量范圍為-55℃~150℃,內部的13位溫度模數轉換器(12位模數轉換+1位符號)使其溫度分辨率可達到0.0625℃,常溫下測量精度可高達0.33℃。LM92還具有高/低溫度窗口門限及臨界溫度告警門限設定功能,通過I2C總線可對其內部寄存器進行讀/寫操作。
2LM92的工作原理
LM92的工作電壓為+2.7V~+5.5V,采用8腳SO-8封裝形式。其典型工作電流為350μA,在低功耗休眠模式,工作電流典型值僅為5μA。LM92內部結構框圖如圖1所示。
圖1中,SDA為串行數據輸入、輸出端;SCL為時鐘信號輸入端;T CRIT A為臨界溫度告警輸出端;INT為漏極開路中斷輸出端;A1、A0為串行總線地址端。由于只有兩位地址,因此I2C總線上最多允許掛接4片LM92。
LM92片內13位A/D轉換器按預先設定的工作方式對溫度進行實時測量,并將結果送溫度值寄存器。同時其內部數字比較器將所測溫度值與用戶所設臨界告警溫度(T CRIT)及溫度上下限值(THIGH、TLOW)進行比較,當溫度超過臨界告警溫度或偏離溫度門限時,比較器動作, T CRIT A或INT對應輸出有效信號。
LM92的片內寄存器有溫度值寄存器(地址00H)、配置寄存器(地址01H)、遲滯溫度值寄存器(地址02H)、臨界溫度告警點T CRIT寄存器(地址03H)、TLOW溫度點寄存器(地址04H)、THIGH溫度點寄存器(地址05H)。
溫度寄存器為16位只讀寄存器,用于讀取溫度值及狀態位,其格式如表1所示。
其中低三位D0~D2為狀態位。當被測溫度偏離高/低溫度窗口門限或超過用戶設置的臨界告警溫度時,相應的狀態信息位為1。D3~D14存溫度值,D15為符號位。
表2為溫度與數值的對應關系。
配置寄存器是8位讀/寫寄存器,用于設定LM92工作方式,其格式如表3所示。
(1) D0:通過串行總線可設置LM92的工作方式。D0=0為自動測溫方式,此方式下LM92每500ms刷新一次溫度寄存器;D0=1為低功耗休眠方式,此時內部模數轉換器及比較器停止工作,但可通過I2C總線讀/寫各寄存器。
(2) D1:INT工作模式設置。D1=0為比較中斷模式,當溫度超限時,INT輸出有效電平一直保持到溫度返回到窗口門限內;D1=1為事件中斷模式,溫度超限時觸發INT輸出,其輸出有效電平一直保持到下次讀操作,在此期間即使溫度返回到窗口門限內,INT輸出電平也不變。
(3) D2、D3:分別為T CRIT A有效輸出極性位和INT有效輸出極性位。為0表示低電平有效,為1表示高電平有效。
(4) D4:故障隊列啟動位。D4=1表示啟動故障隊列,默認隊列長度為4。啟動故障隊列,可防止溫度測量過程中由于干擾而造成對中斷INT及臨界溫度告警T CRIT A的誤觸發。
(5) D5~D7位未用,為0。
上電復位時,配置寄存器的默認值為00H。遲滯溫度值等寄存器均為16位讀/寫寄存器,數據存入高13位,低三位D0~D2未定義。
遲滯溫度設置是為了避免溫度偏離窗口門限或超過臨界告警溫度后,引起INT和T CRIT A輸出信號的頻繁跳動而設定的返回溫度差值。
上電復位后,各寄存器默認值THYST為2℃、TCRIT為80℃、TLOW為10℃、THIGH為65℃。實際應用中LM92通過I2C串行總線和數據傳輸協議實現同外設的數據傳輸。數據線SDA和時鐘信號線SCL需外接10kΩ左右的上拉電阻。為防止環境干擾, LM92的電源與地之間要接0. 1μF的濾波電容。
3LM92在電子天平中的應用
3.1電子天平的溫度影響
電子天平是一種智能化高精度質量稱量儀器。以作者研制的TMP-200電子天平為例,其稱量范圍為0~200g,感量0.0001g,允許稱量誤差為0.0002g。電子天平受溫度影響較大,因此對環境溫度要求較高。實際研究表明,溫漂是影響電子天平計量性能的主要因素。圖2為電子天平的原理結構圖。圖中虛線方框內為天平的電磁力平衡傳感器。
秤盤加載前,磁力平衡傳感器處于平衡狀態,遮光片擋住了發光二極管D1的光線,光敏二極管D2的輸出電壓為0,流經動圈的電流為0。秤盤加載后,通過電磁力平衡傳感器、光電轉換機構及PID調節,產生一個與被稱試樣質量m成正比的電流I流經動圈及取樣電阻RN。此時載流動圈在永磁體的磁場作用下,將產生向上的力F,使傳感器達到平衡狀態.
載流動圈發熱、電路元件發熱、環境溫度變化等,都將引起永磁體氣隙中的磁感應強度B、動圈導線長度L與動圈導線電阻RL的變化,引起測量誤差。因此,必須對電子天平的溫度影響加以抑制。減小溫度漂移的措施之一就是保持動圈溫度恒定。圖2中的正弦電流發生器,就是為消除動圈載流發熱以及環境溫度影響而采取的溫度自動補償措施。對永磁體,則要準確測量出溫度變化,通過軟件補償磁感應強度B變化引起的稱量誤差。
3.2LM92在電子天平溫度測量與補償中的應用
為抑制溫度影響,在電子天平中設置了2個LM92數字溫度傳感器,分別用于準確測量動圈和永磁體的溫度和監測電子天平的環境溫度。兩傳感器作為從器件通過I2C總線與單片機89C52相連(圖3)。LM92(1)和LM92(2)的配置寄存器上電后采用默認值,即工作在自動測溫方式下,傳感器的T CRITA、INT有效輸出電平為低電平。
LM92 (1)的I2C總線地址為00H,臨界告警溫度設置為45℃; LM92 (2)的I2C總線地址為11H,設定溫度窗口門限為22℃~28℃,其他設定均為默認值。
軟件設計中用500ms定時中斷程序來實現溫度測量,另用一INT0外部中斷程序來實現溫度異常報警。當電子天平內部工作異常,動圈溫度超過45℃或電子天平工作在非正常環境溫度下,數字溫度傳感器將產生一個外部中斷報警信號,單片機進入INT0外部中斷處理程序,通過讀取兩溫度傳感器溫度值寄存器中的狀態位,做出相應報警并執行相應保持措施。圖4為基于LM92溫度測量及異常報警的軟件工作流程。
摘自：中國計量測控網
