STM32L1x 温度传感器应用举例

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STMCU小助手发布时间：2022-7-17 21:59

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文章简介:	STM32L1x 温度传感器应用举例

前言
本应用笔记说明了使用 STM32L-DISCOVERY 和 32L152CDISCOVERY 板，实现简单温度测量应用的方法。本文讲解的解决方案使用 STM32L1x 微控制器集成的温度传感器。本文讲解了使用工厂或用户校准，提高温度传感器精度的方法。
演示应用不需要任何额外硬件。当使用相关固件更新 STM32L-DISCOVERY 和32L152CDISCOVERY，并通过连至主机 PC 的 USB 线给板子上电之后，应用即可显示STM32L1x 微控制器的温度。
温度传感器例程代码包含在 STM32L1x 探索固件包中（STSW-STM32072），可从http://www.st.com 获得。
参考文档
• STM32L-DISCOVERY 和 32L152CDISCOVERY 用户手册（UM1079）
• STM32L-DISCOVERY 和 32L152CDISCOVERY 板软件开发工具入门（UM1451）
• STM32L1x 电流消耗测量和触摸感应演示（AN3413）
• 超低功耗 STM32L15xx6/8/B 数据手册
• 超低功耗 STM32L151xC 和 STM32L152xC 数据手册
• 超低功耗 STM32L151xD 和 STM32L152xD 数据手册
• 超低功耗 STM32L162xD 数据手册
• STM32L100xx、STM32L151xx、STM32L152xx 和 STM32L162xx 基于 ARM 内核的 32 位高级 MCU 参考手册（RM0038）

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1 应用概述
本章说明了温度传感器的工作原理以及如何使用 STM32L-DISCOVERY 或32L152CDISCOVERY 上内置的 STM32L1x 微控制器进行温度测量。
后面会简单说明如何实现示例温度测量应用。
在整个文档中，使用 STM32L1xxDISCOVERY 表示 STM32L-DISCOVERY 或32L152CDISCOVERY 评估套件。

! V4 n; T w+ h* ~/ ^1.1 温度传感器
集成于 STM32L1x 微控制器中的温度传感器可输出与器件芯片结温成正比的模拟电压。
注：请注意，传感器提供的温度信息为芯片结温（半导体表面的实际温度），它可能与环境温度不同。若需更详细信息，请参见产品数据手册的 “ 热特性 ” 一节。
集成的温度传感器提供了较好的线性特性，典型偏差为 ± 1%。其温度范围等于器件的温度范围（–40 °C 到 85 °C），最大结温为 150 °C。
传感器的线性很好，但可交换性很差，必须对其校准以得到较好的总体精度。若应用设计为仅测量温度的相对变化，则不需要校准温度传感器。
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1.2 温度测量和数据处理
温度传感器的输出在芯片内部连至 STM32L1x 中 ADC （模数转换器）的通道 16（ADC_IN16）， ADC 通道用于采样和转换温度传感器的输出电压。必须进一步处理原始ADC 数据，以便用标准温度单位显示温度（摄氏度、华氏度、开氏温度）。
ADC 参考电压（VDDA = VREF+）连至 STM32L1xxDISCOVERY 板的 3 V VDD 电源。若不知道 VDD 的精确值，则与使用电池工作的应用一样，必须对它测量以得到正确的总体 ADC转换范围（见下节的详细信息）。

电池供电设备上的温度测量
若器件直接用电池供电，则微控制器的供电电压会有变化。若 ADC 参考电压连至 VDDA，即低引脚数封装器件的连接方式，ADC 转换的值会随电池电压漂移。需要知道供电电压以补偿该电压漂移。可使用芯片的内部电压参考（VREFINT）来确定实际供电电压（VDDA）。
ADC_IN17 内部参考输入上的 ADC 采样值（Val_VREFINT）可由下式表示：

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精确的芯片内部参考电压（VREFINT）由 ADC 单独采样，在制造过程期间，将每个器件的对应转换值（Val_VREFINT_CAL）储存于受保护的存储区，其地址为产品数据手册中规定的VREFINT_CAL。内部参考电压校准数据为 12 位的无符号数（右对齐，存储于 2 个字节中），由用于参考的 STM32L1x ADC 获取

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工厂测量的校准数据总体精度为 ± 5 mV （若需更详细信息，请参考数据手册）。
我们可使用上式确定实际的 VDDA 电压，如下所示：

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当采样温度传感器数据 ValTS_bat 时，ADC 量程会参考前面步骤中确定的实际 VDDA 值。因为温度传感器工厂校准数据是在 ADC 量程设为 3 V 时获得的，所以我们需要归一化ValTS_bat，以得到 ADC 量程为 3 V 时应获得的温度传感器数据（ValTS）。可使用下式归一化 ValTS_bat：

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若 ADC 参考为 3 V 供电（STM32L1 Discovery 的情况），则不需要这样归一化，可直接使用采样温度数据确定温度，如第 2.2.1 章节：温度传感器校准中所述。

1.3 应用程序示例说明
每 2 秒，应用从温度传感器电压获取 16 个采样。使用四分均值算法，对 ADC 原始数据滤波、平均，以降低电源系统的噪声。将结果重新计算为标准的温度测量单位下的数值（在本例中为 °C）。
ADC 原始数据或当前温度值每 2 秒更新一次 LCD 显示，单位为摄氏度。用户可通过按用户按钮在两种温度数据表示之间切换。
为演示 STM32L1x 超低功耗微控制器的低功耗能力，在温度传感器数据测量间歇期， CPU切换至停止模式， RTC （实时时钟）唤醒设为 2 秒。 ADC 数据获取和数据传输由直接存储器访问（DMA）管理在此阶段 CPU 处于低功耗睡眠模式。仅在初始化阶段和数据处理期间， CPU 才处于运行模式，其频率为 16 MHz （基于 HSI 振荡器时钟）。

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2 起始
在开始运行例程之前，必须如下节中所述更新固件和配置硬件。
2.1 搭建板子运行环境
更新固件
需要使用本应用笔记相关的固件更新 STM32L1x 程序存储器。若需如何更新固件的信息，请阅读项目目录中的 ‘readme.txt’ 文件。

例程会用到的硬件元件
本应用例程使用 STM32L1xxDISCOVERY 板上现成的硬件元件：STM32L1x 微控制器上集成的外设、 6 位 LCD 玻璃显示器、用户按钮。不需额外元件。

STM32L1xxDISCOVERY 硬件设置
IDD 跳线 JP1 必须置于 ON 位置。
必须安装 CN3 上的两个跳线，以通过串行线调试（SWD）接口启用 STM32L1x 微控制器和 ST-Link 调试工具之间的通信。
注：所有焊桥必须为 UM1079 中所述的默认状态。
2.2 运行演示例程
运行演示例程很简单。
开机后，例程首先会显示欢迎消息，然后立即显示电流温度，单位为摄氏度，刷新率为 2秒。当按下用户按钮后，显示屏会显示 ADC 获取的一组 16 个样例的平均值。再按一下用户按钮会在显示当前摄氏度温度和均值之间切换。均值可在之后用作校准点，作为已知温度来提高温度测量的整体精度。

2.2.1 温度传感器校准
在制造过程期间，温度传感器校准数据存储于受保护的存储区中，用户可从该处读取并使用该数据以提高温度测量的精度。生产过程中测量两个点的校准数据：
• 室温（30 °C ± 5°C）：TS_CAL1
• 高温（110 °C ± 5°C）：TS_CAL2。
若需获取校准数据所存储的存储器地址，请参考产品数据手册。
温度传感器校准数据为 12 位的无符号数（存储于 2 个字节中），由 STM32L1x ADC 在使用3 V （± 10 mV）参考电压时获得。
例程初始化时，会检查工厂校准数据的有效性。若存储器中存在数据，则用它做温度计算。
否则，则验证并使用用户校准期间存储在 EEPROM 存储区中的校准数据。若用户校准数据也不可用，则使用默认值计算。工厂校准或用户校准数据为温度测量提供了较好的精度。
默认校准数据基于典型温度传感器特性的统计数据，由于制造过程期间温度传感器特性变化较大，所以使用默认值可能会导致温度估计的精度较差。建议使用工厂校准数据或对温度传感器执行两点校准，这代表了温度传感器的个体特性，可得到较好精度的测量。

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可由 ADC 使用线性估计采样，从数字值 ValTS 计算温度。若两个校准点 C1 和 C2 的坐标已知，则可使用此方法，如图 2 中所示。
当前温度可如下计算，其中低温坐标对表示为（TC1， ValC1），高温对为（TC2， ValC2）：

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使用工厂校准数据，公式可重写如下：

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2.3 温度传感器估计的工程容差
在图 2 中可以看到，两点校准方法极大提高了测量精度。温度测量的偏移主要有两个原因：校准点的温度裕度及传感器的线性。其它造成偏移的原因，例如 ADC 参考电压裕度可被有效降低。对于使用 3 V （± 10 mV）参考电压测量的工厂校准值则可忽略。
温度估计的工程容差示于图 2 中，它有两个边界线：最小偏移值（绿色）和最大偏移值（蓝色）。校准点之间的区域具有恒定的容差，比外面的容差稍微增加。因此，校准点的建议位置应与测量范围的最大和最小值尽量接近。

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