基于热敏电阻的温度传感电路设计

　　温度传感器是电子行业中使用最广泛的传感器之一，其应用范围包括校准;安全;和暖气，通风和空调（HVAC）。尽管温度传感器的应用范围很广，但温度传感器及其实现方式可能会给设计人员带来以最低成本实现最高精度性能的挑战。

　　有许多方法可以感知温度。最常用的方法是使用温度传感器，如热敏电阻，电阻温度检测器（RTD），热电偶或硅温度计。但是，选择正确的传感器只是解决方案的一部分。然后，该传感器必须连接到保持信号完整性的信号链，同时还要精确地补偿特定传感技术的独特特性，以确保温度的准确数字表示。

　　本文介绍了一种USB供电的电路解决方案来完成这项任务。它采用负温度系数（NTC）热敏电阻与ADI公司ADuC7023BCPZ62I-R7精密模拟微控制器相结合，可精确监控温度。

　　NTC热敏电阻特性

　　热敏电阻是一种热敏电阻，有两种类型：正温度系数（PTC）热敏电阻和NTC热敏电阻。多晶陶瓷PTC热敏电阻具有高PTC，通常用于开关应用。NTC陶瓷半导体热敏电阻具有高电阻NTC，因此其电阻随温度升高而降低。这使其适用于精确温度测量。

　　有三种NTC热敏电阻工作模式：电阻-温度，电压-电流和电流-时间。利用热敏电阻的电阻-温度特性的模式提供了最高精度的结果。

　　电阻-温度电路将热敏电阻配置为“零功率”状态。“零功率”条件假设器件的电流或电压激励不会导致热敏电阻自热。

　　在典型的NTC热敏电阻中，例如采用0603封装的MurataElectronics的NCP18XM472J03RB4.7千欧（kΩ）器件，电阻与温度的响应非常非线性（图1）。

　　

　　图1中的图表显示了4.7kΩ热敏电阻的高度非线性。NTC热敏电阻的电阻随温度降低的速率是一个常数，称为β（ß）（图中未显示）。对于Murata的4.7kΩ热敏电阻，β=3500。

　　可以使用高分辨率模数转换器（ADC）和经验三阶多项式或查找表在软件中完成热敏电阻非线性响应的校正。

　　然而，有一种合理，简单且成本较低的硬件技术，在到达ADC之前应用时，可以将热敏电阻的线性化问题控制在±25°C的温度范围内。

　　硬件线性化解决方案

　　热敏电阻输出的第一级线性化的简单方法是将热敏电阻与标准电阻（1％，金属膜）和电压源串联。串联电阻的值决定了热敏电阻电路的线性区域的中值。热敏电阻（RTH）和Steinhart-Hart方程的电阻值决定了热敏电阻的温度（图2）。已经发现Steinhart-Hart方程是确定NTC热敏电阻温度的最佳数学表达式。

　　

　　通过定义分压器的输出（VADC0），可以推导出热敏电阻电阻RTH的实际值。然后使用VADC0查找ADC的数字输出十进制代码DOUT，其中DOUT取决于ADC位数（N），ADC最大输入电压（VREF）和ADC输入电压（VADC0）。找到RTH的第三步也是最后一步是将R25（或25°CRTH值）乘以ADC代码数与ADC数字输出十进制代码的比率。该第三步计算过程从下面的等式2开始。

　　

　　计算的最后一步是使用上述Steinhart-Hart方程将热敏电阻器电阻转换为开尔文单位的温度。ADuC7023精密模拟微控制器使用公式4确定传感器温度：

　　

　　T2=测量的热敏电阻温度（以开尔文为单位）

　　T1=298开尔文（25°C）

　　β=热敏电阻的β参数@298开尔文或25°C。β=3500

　　R25=热敏电阻电阻@298开尔文或25°C。R25=4.7kΩ

　　RTH=热敏电阻@未知温度的电阻，由公式3计算

　　在图2中，热敏电阻（RTH）在25°C时等于4.7kΩ。由于R25的值等于热敏电阻的25°C值，因此分压器的线性区域以25°C为中心（图3）。

　　

　　在图3中，串联热敏电阻系统在约0°C至+50°C的有限温度范围内线性响应温度。在此范围内，Δ温度误差为±1°C。线性化电阻的值（R25）应等于感兴趣的温度范围中点的热敏电阻的大小。

　　该电路通常在±25°C温度范围内获得12位精度，热敏电阻的标称温度为R25值。

　　基于USB的温度监控器

　　电路解决方案中的信号路径始于低成本4.7kΩ热敏电阻，然后是ADI公司的低成本ADuC7023微控制器。微控制器集成了四个12位的数字-模拟转换器（DAC），多信道12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，和一个1.2伏的内部参考，以及一个ARM7®芯，126千字节闪存，8Kbytes静态随机存取存储器（SRAM）和各种数字外设，如UART，定时器，SPI和两个I2C接口（图4）。

　　

　　在图4中，电路的电源和接地完全来自四线USB接口。ADI公司的ADP3333ARMZ-5-R7低压差线性稳压器使用USB5V电源产生3.3V输出。稳压ADP3333输出提供ADuC7023的DVDD电压。ADuC7023的AVDD电源需要​​额外的滤波，如图所示。线性稳压器还在USB电源和IN引脚之间有一个滤波器。

　　温度数据的交换也通过USBD+和D-接口引脚。ADuC7023能够使用I2C协议发送和接收数据。该应用电路使用双线I2C接口传输数据并接收配置命令。

　　此应用程序使用以下ADuC7023功能：

　　12位SARADC

　　带有SRAM的ArmARM7TDMI。集成的62KB闪存可运行用户代码，用于配置和控制ADC，管理USB接口上的通信以及处理来自热敏电阻传感器的ADC转换。

　　I2C终端是主机PC的通信接口。

　　两个外部开关\按钮（未显示）强制器件进入闪存启动模式：通过保持低电平并切换RESET开关，ADuC7023进入启动模式而不是正常用户模式。内部闪存可以通过设备相关的I2CWSD软件工具利用USB接口在引导模式下重新编程。

　　VREF是带隙参考。该参考电压可用于系统中的其他电路参考。最小0.1微法（μF）电容连接到这些引脚以降低噪声。

　　由于ADuC7023采用小尺寸（5mm×5mm）32引脚芯片级封装，整个电路适用于印刷电路板极小的部分，节省了成本和空间。

　　ADuC7023提供低功耗解决方案，即使它具有强大的ARM7内核和高速SARADC。整个电路通常消耗11毫安（mA），ARM7内核运行在5兆赫兹（MHz），主ADC测量外部热敏电阻。可以在温度测量之间关闭微控制器和/或ADC，以进一步节省功耗。

　　布局考虑因素

　　图4中所示的信号处理系统令人惊讶地具有欺骗性。从鸟瞰图来看，该系统仅包含三个有源设备。但隐藏在这种简单性中的是一些有趣的布局挑战。

　　例如，ADuC7023微控制器是一个复杂的模拟和数字系统，需要特别注意接地规则。虽然该系统在模拟域中似乎“缓慢移动”，但其板载采样保持ADC是一种快速多通道器件，以每秒1兆样本的速率采样，具有最大时钟速度41.78MHz。在该系统中，时钟的上升和下降时间是几纳秒。这些速度将此应用程序置于高速类别中。

　　显然，混合信号电路需要特别注意。这是一个包含关键方面的四点清单：

　　使用电解电容器

　　选择较小的电容器

　　地平面考虑因素

　　可选的小铁氧体磁珠

　　通常使用大型电解电容器，其值在10mF至100mF之间，距离芯片不超过2英寸。这些电容充当电荷储存器，以适应通过电源走线电感产生的瞬时充电需求。

　　电路中较小的电容（通常为0.01mF至0.1mF）尽可能靠近器件的电源引脚放置。这些电容器的目的是快速，迅速地将高频噪声发送到地。

　　接地电容位于去耦电容下方，可解耦高频电流，并最大限度地降低EMI/RFI发射。它应该由一个大的低阻抗区域组成。为了使电感最小化，电容器与地的连接是通过通孔或短迹线。

　　除了图4的去耦电容外，USB电缆的EMI/RFI保护还需要使用铁氧体。该电路中的铁氧体磁珠是TaiyoYuden的BK2125HS102-T，在100MHz时阻抗为1000Ω。

　　结论

　　温度传感器是最广泛使用的传感器之一，但设计要求继续挑战设计师降低成本和尺寸，同时提高传感精度。考虑到这些因素，本文描述了基于USB的低功耗商用热敏电阻系统的实现，该系统采用ADI公司的小型12位ADC和高精度ADuC7023微控制器解决方案。该组合成功地使用电阻器来驯服具有非线性行为的NTC热敏电阻，以准确地感测和监测温度。