【经验】温度传感器的精度测量及误差校准方法
消费和商业的热应用均依靠温度传感器。简单的应用诸如户外的电子温度计和车载室内电子温度计，只是简单的反馈当前的环境温度。更复杂的应用则在控制循环中用到了温度数据，基于这些数据做出反应。比如暖通系统中控制的加热和制冷单元来达成预设的室内温度；电池系统控制充电电流来保护电池不被过充；光转化器控制激光的输出；电脑存储模块采用的温度管理技术，这些只是众多应用中温度的精度对于控制来说是非常重要的部分应用，下面分别测验一下标注使用温度是-25℃ 到100℃的集成和分立温度传感器的精度。
集成传感器
因为板子空间和BOM成本的限制，集成温度传感器的MCU能够提供一个获得温度数据的低成本的，单芯片的解决方案。集成到MCU中去的温度传感器的结构如下图1，温度传感器和多路ADC中的一路连在了一起。温度传感器上的电压通过等式1与变化的温度联系在一起。温度传感器的固件接口通过读取ADC寄存器获取的数值在通过等式1和2计算出温度值。
图1：集成到MCU中的温度传感器
等式1
等式2
精度在这些系统中的单位摄氏度并不能够直观的读出来，因为MCU的规格书并没有描述这些，取代的是规格书以斜率，线性误差，偏差和偏差误差描绘出来，通常，这些误差源被ADC的参考电压进一步放大。举个例子，我们假设某MCU有一个10位的ADC带有以下特性：
• 温度传感器的斜率：2.8±0.03mV/C
• 温度传感器的偏差：770±9mV
• ADC参考电压：2.4±0.05V
如果温度传感器和ADC参考电压是理想无误差的，通过等式1和2可以算出ADC的输出329对应0摄氏度，448对应100摄氏度，如果累加上误差，ADC输出329大约和0±9℃差不多，而ADC输出448大约和100±12℃差不多。
应用中12℃的误差是不能接受的，3种校准技术能够用来减小这些误差。首先，可以通过外部电压表来测量ADC的参考电压，把测量结果保存下来使得未来软件可以在计算等式2的时候用到。
其次，温度传感器的偏置误差可以通过单点校准。把单片机置于一个确定的，稳定的温度中测量ADC的值通过等式2和1计算出来的温度结果与已知温度有偏差，保存下该偏差作为未来程序计算时的误差量。
第三，温度传感器的斜率误差可以通过两点校准来达成。先是执行单点校准，然后在另外一个温度继续执行一遍单点校准，通过等式3就能够计算出斜率，将该数据保留以便后续软件可以使用。
等式3
分立传感器
传统的分立元件式的温度传感器都有着较高的偏差以适应复杂的使用环境，类似于图1，图2显示了温度传感器的固件接口是通过读取ADC输出寄存器。因为是作为一个分立元件独立于MCU之外，所以分立传感器能够在更宽广的温度范围内工作。分离传感器有可能需要放大电压来使用ADC的全量程。这些额外的器件图2中并没有显示出来，并且有可能额外增加BOM成本。
图2：温度传感器的固件接口通过读取ADC输出寄存器
分立传感器的电压随着温度而变化，但是这种变化不能保证是线性的，诸如RTD和热敏电阻，但是固件计算时只能按照线性公式来进行。除了放大器的误差和传感器固有的非线性误差，ADC的参考电压仍然也是一个误差源，而更高的精度的分立传感器需要更高的BOM成本，以及代码空间开销，程序执行开销和实际板子空间的开销。
总结
温度传感器有多种接口和不同的精度，高精度往往意味着高成本，更多的产品测试时间和复杂性，更大的代码空间以及更多的板子空间等等，一个优秀的解决方案必需能够提供高精度，合适的接口，以及滤除分立传感器缺点。能够达成此目标的就有SILICON LABS 出品的C8051F39x单片机。集成51内核的高集成度单片机提供一个1/128摄氏度分辨率和±2℃误差的集成温度传感器，可以工作在-40℃到105℃。集成温度传感器的MCU能够降低BOM成本，使得温度补偿环节得到加强，产品更加稳定可靠。
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产品型号
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品类
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系列
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Frequency（MHz）
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Flash (kB)
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RAM (kB)
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Vdd min（V）
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Vdd max（V）
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Package Type
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Package Size (mm)
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Internal Osc.
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Dig I/O Pins
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ADC 1
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Temp Sensor
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Timers (16-bit)
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PCA Channels
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DAC
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Comparators
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UART
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SPI
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I2C
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HS I2C Slave
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EMIF
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CAN
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LIN
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VREF
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Debug Interface
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C8051F392-A-GM
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8位MCU
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C8051F39x Small Form Factor
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50
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16
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1
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1.8
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3.6
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QFN20
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4x4
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±2
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17
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10-bit, 16-ch., 500 ksps
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Temp Sensor
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6
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3
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10-bit, 2-ch.
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1
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1
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1
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2
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0
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0
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0
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0
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VREF
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C2
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不同的体温计，误差不一样。水银体温计，一般是0.1，电子红外线测温仪一般是0.2左右，水银体温计，测的时间比较长，使用不方便；红外线体温计，测起来快捷方便，但是会受到环境各方面的影响，有时候偏差会到0.5左右。Silicon Labs的温度传感器Si7051在人体体温范围 +35.8 °C 到 41 °C时精度能到±0.1 °C,在1Hz采样率时平均功耗只有195 nA ,而且此温度传感器是工厂校准的，校准数据是 存储在片上非易失性存储器中，这样可以省去软件校准的工作。
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