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數(shù)字溫度傳感器LM92在電子天平中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
1概述
LM92是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司近年推出的單片高精度數(shù)字溫度傳感器,它具有成本低、功耗低、可靠性高、接口簡(jiǎn)單、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。LM92的溫度測(cè)量范圍為-55℃~150℃,內(nèi)部的13位溫度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12位模數(shù)轉(zhuǎn)換+1位符號(hào))使其溫度分辨率可達(dá)到0.0625℃,常溫下測(cè)量精度可高達(dá)0.33℃。LM92還具有高/低溫度窗口門限及臨界溫度告警門限設(shè)定功能,通過(guò)I2C總線可對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1中,SDA為串行數(shù)據(jù)輸入、輸出端;SCL為時(shí)鐘信號(hào)輸入端;T CRIT A為臨界溫度告警輸出端;INT為漏極開(kāi)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(nèi)13位A/D轉(zhuǎn)換器按預(yù)先設(shè)定的工作方式對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,并將結(jié)果送溫度值寄存器。同時(shí)其內(nèi)部數(shù)字比較器將所測(cè)溫度值與用戶所設(shè)臨界告警溫度(T CRIT)及溫度上下限值(THIGH、TLOW)進(jìn)行比較,當(dāng)溫度超過(guò)臨界告警溫度或偏離溫度門限時(shí),比較器動(dòng)作, T CRIT A或INT對(duì)應(yīng)輸出有效信號(hào)。
LM92的片內(nèi)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(diǎn)T CRIT寄存器(地址03H)、TLOW溫度點(diǎn)寄存器(地址04H)、THIGH溫度點(diǎn)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(tài)位,其格式如表1所示。
其中低三位D0~D2為狀態(tài)位。當(dāng)被測(cè)溫度偏離高/低溫度窗口門限或超過(guò)用戶設(shè)置的臨界告警溫度時(shí),相應(yīng)的狀態(tài)信息位為1。D3~D14存溫度值,D15為符號(hào)位。
表2為溫度與數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
配置寄存器是8位讀/寫寄存器,用于設(shè)定LM92工作方式,其格式如表3所示。
(1) D0:通過(guò)串行總線可設(shè)置LM92的工作方式。D0=0為自動(dòng)測(cè)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(shí)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器及比較器停止工作,但可通過(guò)I2C總線讀/寫各寄存器。
(2) D1:INT工作模式設(shè)置。D1=0為比較中斷模式,當(dāng)溫度超限時(shí),INT輸出有效電平一直保持到溫度返回到窗口門限內(nèi);D1=1為事件中斷模式,溫度超限時(shí)觸發(fā)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(nèi),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(duì)列啟動(dòng)位。D4=1表示啟動(dòng)故障隊(duì)列,默認(rèn)隊(duì)列長(zhǎng)度為4。啟動(dòng)故障隊(duì)列,可防止溫度測(cè)量過(guò)程中由于干擾而造成對(duì)中斷INT及臨界溫度告警T CRIT A的誤觸發(fā)。
(5) D5~D7位未用,為0。
上電復(fù)位時(shí),配置寄存器的默認(rèn)值為00H。遲滯溫度值等寄存器均為16位讀/寫寄存器,數(shù)據(jù)存入高13位,低三位D0~D2未定義。
遲滯溫度設(shè)置是為了避免溫度偏離窗口門限或超過(guò)臨界告警溫度后,引起INT和T CRIT A輸出信號(hào)的頻繁跳動(dòng)而設(shè)定的返回溫度差值。
上電復(fù)位后,各寄存器默認(rèn)值THYST為2℃、TCRIT為80℃、TLOW為10℃、THIGH為65℃。實(shí)際應(yīng)用中LM92通過(guò)I2C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)同外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘信號(hào)線SCL需外接10kΩ左右的上拉電阻。為防止環(huán)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(yīng)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(zhì)量稱量?jī)x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(duì)環(huán)境溫度要求較高。實(shí)際研究表明,溫漂是影響電子天平計(jì)量性能的主要因素。圖2為電子天平的原理結(jié)構(gòu)圖。圖中虛線方框內(nèi)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(tài),遮光片擋住了發(fā)光二極管D1的光線,光敏二極管D2的輸出電壓為0,流經(jīng)動(dòng)圈的電流為0。秤盤加載后,通過(guò)電磁力平衡傳感器、光電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)及PID調(diào)節(jié),產(chǎn)生一個(gè)與被稱試樣質(zhì)量m成正比的電流I流經(jīng)動(dòng)圈及取樣電阻RN。此時(shí)載流動(dòng)圈在永磁體的磁場(chǎng)作用下,將產(chǎn)生向上的力F,使傳感器達(dá)到平衡狀態(tài).
載流動(dòng)圈發(fā)熱、電路元件發(fā)熱、環(huán)境溫度變化等,都將引起永磁體氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、動(dòng)圈導(dǎo)線長(zhǎng)度L與動(dòng)圈導(dǎo)線電阻RL的變化,引起測(cè)量誤差。因此,必須對(duì)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(dòng)圈溫度恒定。圖2中的正弦電流發(fā)生器,就是為消除動(dòng)圈載流發(fā)熱以及環(huán)境溫度影響而采取的溫度自動(dòng)補(bǔ)償措施。對(duì)永磁體,則要準(zhǔn)確測(cè)量出溫度變化,通過(guò)軟件補(bǔ)償磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化引起的稱量誤差。
3.2LM92在電子天平溫度測(cè)量與補(bǔ)償中的應(yīng)用
為抑制溫度影響,在電子天平中設(shè)置了2個(gè)LM92數(shù)字溫度傳感器,分別用于準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)圈和永磁體的溫度和監(jiān)測(cè)電子天平的環(huán)境溫度。兩傳感器作為從器件通過(guò)I2C總線與單片機(jī)89C52相連(圖3)。LM92(1)和LM92(2)的配置寄存器上電后采用默認(rèn)值,即工作在自動(dòng)測(cè)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(shè)置為45℃; LM92 (2)的I2C總線地址為11H,設(shè)定溫度窗口門限為22℃~28℃,其他設(shè)定均為默認(rèn)值。
軟件設(shè)計(jì)中用500ms定時(shí)中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量,另用一INT0外部中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度異常報(bào)警。當(dāng)電子天平內(nèi)部工作異常,動(dòng)圈溫度超過(guò)45℃或電子天平工作在非正常環(huán)境溫度下,數(shù)字溫度傳感器將產(chǎn)生一個(gè)外部中斷報(bào)警信號(hào),單片機(jī)進(jìn)入INT0外部中斷處理程序,通過(guò)讀取兩溫度傳感器溫度值寄存器中的狀態(tài)位,做出相應(yīng)報(bào)警并執(zhí)行相應(yīng)保持措施。圖4為基于LM92溫度測(cè)量及異常報(bào)警的軟件工作流程。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
