1 總體結構

以MSC1210Y5為核心，利用其內部集成的溫度傳感器和高精度模／數轉換器，基于過采樣和求均值的技術，外加液晶顯示器和電源等部件，設計了一款簡單實用的便攜式高精度電子溫度計，其結構框圖如圖1所示。該電子溫度計結構簡單，使用方便，只需按下電源開關，當前溫度就會顯示在液晶顯示器上。溫度數據每隔一定時間更新一次。

2 硬件設計

2．1 微處理器MSCl210Y5

MSC1210Y5是美國德州儀器公司（Texas Instru—ments）推出的集成數字／模擬混合信號的高性能芯片。芯片集成了大量的模擬和數字外圍模塊，具有很強的數據處理能力，對要求體積小、集成度高、運算速度快和精確測量的產品是理想的選擇。該芯片可廣泛用于智能傳感器、智能變送器、工業過程控制系統、高精度測重裝置、液／氣色譜分析、便攜式儀器等領域。

MSC1210Y5具有很高的模擬和數字集成度。它內部集成了一個24位的∑一△模／數轉換器（ADC）、8通道多路開關、模擬輸入通道測試電流源、輸入緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、溫度傳感器、內部基準電壓源、8位微控制器、程序／數據Flash存儲器和數據RAM等。

MSC1210Y5內部集成的溫度傳感器，可以用來測量溫度。它的溫度測量原理基于公式：

temp=αxVolts-282.14 （1）

利用公式（1）可以把電壓轉換為攝氏溫度。Volts為ADC測得的電壓，α為實驗測定的系數，等于2 664．7。

MSC1210Y5內部集成的24位分辨率的∑一△模／數轉換器部分由模擬多路開關（MUX）、可選擇緩沖器（BUF）、可編程增益放大器（PGA）、基準電壓源、二階∑一△調制器和數字濾波器等組成。用戶通過控制相應的特殊功能寄存器位就可以控制模／數轉換器的所有功能，也可以根據需要將其關閉以降低功耗。

在高精度的測量中，往往對分辨率的要求比較高（16位以上），而傳統的Nyquist型ADC（如積分型、逐次比較型、閃爍型等）將面臨一系列嚴重的問題，例如需要復雜的高階模擬混疊濾波器、定時及幅度誤差都極小的采樣保持電路等，實現起來困難極大，成本很高。而近年來興起的∑一△型A／D轉換器卻能以較低的成本獲得極高的分辨率（16位以上）；同時，由于∑一△型ADC主要使用了數字技術，除具有數字系統的可靠性和穩定性高等優點以外，還具有線性度好、抗干擾能力強、成本低廉等特點。另外，由于∑一△型ADC采用了過采樣技術，不需要抗混疊濾波器，有的還可以直接接收來自傳感器的微弱信號，從而節省了信號放大和調整電路。正是由于∑一△型ADC具有這么多優點，因此它在高精度測量中得到了廣泛的應用。

∑一△型ADC由兩部分構成：第一部分為模擬∑一△調制器，它是∑一△型A／D轉換器的核心；第二部分為數字抽取濾波器。圖2給出了∑一△型ADC的組成框圖。

圖3為∑一△調制器簡化原理框圖。MSC1210Y5的調制器是一個單回路二階調制器。調制器的時鐘頻率（即模擬信號采樣頻率）fMOD是從晶振頻率中分頻得到的。其分頻倍數可以通過模擬時鐘寄存器（ACLK）的FREQ4～O設置，計算公式如下：

fMOD=［晶振頻率/（FREQ+1）］/64

這樣當晶振頻率為11．059 2 MHz時，如果FREQ=8，那么模擬信號采樣頻率為19 200 Hz。

數據輸出速率可由下面的公式得出：

數據輸出速率一模擬采樣頻率／抽取因子

抽取因子可以通過寄存器ADCON2和ADCON3設置。如果ADCON2和ADCON3的設定值為1 920，那么采樣數據的輸出率為19 200 Hz／1 920=10 Hz。由于抽取因子比較高，故抗噪聲性能增強。

MSC1210Y5的ADC有3種數字濾波器——快速穩定濾波器、Sinc2濾波器和Sinc3濾波器，用戶可以通過ADC控制寄存器1（ADCON1） 的SMl～SM0（ADCON1．5～4）位來選擇一種具有不同穩定模式的數字濾波器。快速濾波器、Sinc2濾波器和Sinc3濾波器的建立時間分別為 l、2、3個轉換周期，因此當輸入通道或PGA的值改變時，通常不會同步輸出數據，而要等待幾個轉換周期才能得到正確的轉換結果，因此它們的前1、2、3 個采樣結果必須丟棄。

為了降低器件和系統的偏移誤差和增益誤差，往往需要采用校準的方法。MSC1210Y5的ADC提供了5種不同的校準模式。用戶可以通過ADCONl寄存器的CAL2～O位來選擇校準模式。

ADC轉換的時候，可能引入的噪聲很多：熱噪聲、散粒噪聲、電源電壓變化、基準電壓變化、由采樣時鐘抖動引起的相位噪聲以及由量化誤差引起的噪聲。這些噪聲源的噪聲功率都是可以改變的。很多技術都可以用來減小噪聲，比如改進電路板設計或是在基準電壓信號線上加旁路電容。但是ADC總是存在量化噪聲，所以一個給定位數的數據A／D轉換器的最大SNR由量化噪聲（不使用過采樣技術時）定義。在正確的條件下，過采樣會減小噪聲并改善SNR，這將有效地提高測量分辨率的位數。

對于白噪聲的情況，采用過采樣可以改善信噪比，但是它是以增加CPU的時間和降低數據通過率為代價的。因為在本系統的CPU完全為溫度采集服務，并且對實時性要求并非苛刻，所以可以采用過采樣的方法來提高精度，并在一定程度上提高溫度計的抗干擾能力。MSC1210Y5與ADC相關的特殊功能寄存器 （SFR）如表1所列。

2．2 液晶顯示器

液晶顯示器選用的是由深圳市拓普微科技開發有限公司研發的128×96的全圖形點陣的液晶顯示模塊LM9033A。該液晶顯示模塊能產生四階灰度的顯示效果，此外還具有負向顯示、顯示視窗移動、圖像移動、軟件調節對比度等功能。模塊采用TAB結構，最大外形尺寸為63．8 mm×47．4 mm×7．3 mm，提供串／并型接口模式，可滿足用戶對不同接口的需要。此模塊的特點有：單電源3．3 V供電，低電壓，超低功耗；內建升壓電路；高對比度，FSTN型LCD屏；白色LED背光。

LM9033A引腳名稱及其功能如表2所列。

LM9033A提供了串／并兩種接口模式，為了節省單片機的引腳，使用了默認的4線SPI串行接口模式，它與MSC1210Y5的連接方式如圖4所示。P1．3、P1．4、P1．6作為控制端口分別與CS、RST、RS連接，P1．7作為串行時鐘輸入引腳與DB6相連，P3．3作為串口與DB7相連。VDD、BLA接高電平3．3 V，RSS接地。

2．3 電 源

因為設計的是便攜式溫度計，電源既要保持一定的供電時間，還要具有盡量小的體積。因此選用了1節3 V的普通充電電池。

3 軟件設計

軟件開發工具為Keil C，程序下載工具為MSC1210Y5的專用調試終端TI Downloader。軟件主要包括兩部分：溫度ADC程序和液晶顯示器程序。其中在溫度ADc程序中采用了過采樣和求均值的算法來進一步提高ADC的分辨率和SNR，以使得溫度計能夠更加精準并適應更多的測溫環境，提高其抗干擾的能力。

3．1 求平均值

通常情況下，由于存在各種干擾，往往降低了ADC轉換結果的精度。人們經常采用低通濾波的方法對結果進行處理，如取多次轉換結果的平均值作為轉換的實際結果。對ADC測量數據求均值等價于一個降采樣低通濾波器。求均值的樣本數量越大，低通濾波器的選擇性越強。MSC12lOY5提供了一個求和／移位寄存器，可以自動完成多次轉換結果的平均，從而較少了軟件的開銷并減輕了CPU的負擔。

3．2 溫度ADC程序

溫度模／數轉換部分首先配置ADC，允許進行自校準，然后進入溫度的循環采樣，最后通過串口傳給主機。算法比較簡單，如圖5所示。

3．3 液晶顯示器程序

液晶顯示器程序較長，鑒于篇幅所限，在此不再贅述。

4 數據處理與分析

在不同的時間用該溫度計對室溫進行測量，每次測量20組數據，去掉2個最大值和2個最小值后，將剩余的16組數據取平均值，以手持式熱棒溫度計JM222作為參照，檢驗該溫度計的精度。 JM222的分辨率為O．1℃，準確度為±0．3℃。實驗數據如表3所列。

表3中的實驗數據表明，該便攜式電子溫度計精度較高，完全滿足常規環境下測量溫度的需要，具有較高的實用價值。下一步的工作是降低該溫度計的功耗和成本，并進一步提高其精度和可靠性。

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