基于USB 供电的热敏电阻精确温度检测电路Word下载.docx
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多晶陶瓷PTC热敏电阻具有较高的正温度系数，常用于开关应用。
NTC陶瓷半导体热敏电阻具有较高的负温度系数，随着温度升高而电阻值下降，因而适用于精密温度测量。
NTC热敏电阻共有三种工作模式：
电阻-温度、电压-电流和电流-时间。
在利用电阻-温度特性的工作模式下，热敏电阻的检测结果精度最高。
电阻-温度电路将热敏电阻配置为“零功率”状态。
“零功率”状态假定器件的激励电流或激励电压不会引起热敏电阻的自热现象。
MurataElectronics的NCP18XM472J03RB是一款典型NTC热敏电阻，该器件电阻值为4.7k?
，采用0603封装，电阻-温度特性具有高度非线性（图1）。
图1：
典型NTC热敏电阻的电阻-温度特性具有高度非线性，因此设计人员必须设法使指定温度范围内的这种非线性得到控制。
（图片：
BonnieBaker，根据Murata提供的电阻值计算和绘制）
如图1曲线所示，4.7k?
热敏电阻的电阻-温度特性高度非线性。
NTC热敏电阻值随温度下降的速率是一个常数，称为β（图中未显示）。
对于Murata的4.7k?
热敏电阻而言，β=3500。
使用高分辨率模数转换器（ADC）和经验三阶多项式或查找表，可以在软件中校正热敏电阻的非线性响应。
然而，有一种硬件技术效果更佳、应用更简单且成本更低，只需应用于ADC之前，就可以解决±
25℃温度范围内的热敏电阻线性化问题。
硬件线性化解决方案
实现热敏电阻输出初步线性化的简单方法是，将热敏电阻与标准电阻器（1%，金属膜）和电压源串联。
串联的电阻值决定热敏电阻电路线性响应区间的中点。
根据热敏电阻值（RTH）和Steinhart-Hart方程，可确定热敏电阻的温度（图2）。
据证实，Steinhart-Hart方程是确定NTC热敏电阻温度的最佳数学表达式。
图2：
分压器（RTH和R25）配置可使热敏电阻响应线性化。
ADC0（ADC输入端）的线性范围约为50℃的温度范围。
BonnieBaker）
为推导热敏电阻的实际电阻值RTH，首先要确定分压器输出（VADC0），然后使用VADC0求得ADC数字输出十进制代码DOUT，而DOUT取决于ADC位数（N）、ADC最大输入电压（VREF）和ADC输入电压（VADC0）。
求解RTH的第三步，即最后一步是用R25（25℃时的RTH值）乘以ADC代码数与ADC数字输出十进制代码的比值。
第三步计算过程从下述等式2开始。
等式2
最后一步计算使用上述Steinhart-Hart方程，将热敏电阻值转换为开氏温度。
ADuC7023精密模拟微控制器使用等式4求得传感器温度：
等式4
其中：
T2=测量的热敏电阻温度（以K为单位）
T1=298K（25℃）
β=298K或25℃时的热敏电阻β参数。
β=3500
R25=298K或25℃时的热敏电阻值。
R25=4.7kΩ
RTH=未知温度时的热敏电阻值，由等式3计算
图2中，25℃时的热敏电阻值（RTH）等于4.7k?
。
由于R25的阻值等于25℃时的热敏电阻值，因此分压器的线性区间以25℃为中心（图3）。
图3：
4.7k?
热敏电阻与4.7k?
标准电阻器串联的线性响应，分压器两端电压为2.4V。
图3中，热敏电阻串联电路约在0℃至+50℃的有限温度范围内可实现线性温度响应。
在此范围内，温度变化误差为±
1℃。
线性化电阻值（R25）应等于目标温度范围中点对应的热敏电阻值。
在±
25℃的温度范围内，该电路可实现的精度典型值为12位，热敏电阻的标称温度为R25的阻值。
基于USB的温度监测器
该电路解决方案的信号路径始于低成本的4.7k?
热敏电阻，然后连接AnalogDevices的低成本ADuC7023微控制器。
该微控制器集成四个12位数模转换器（DAC）、一个多通道12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC和一个1.2V内部基准源，以及ARM7?
内核、126KB闪存、8KB静态随机存取存储器（SRAM）和UART、定时器、SPI和两个I2C接口等各种数字外设（图4）。
图4：
该温度检测电路使用USB接口进行供电，使用ADuC7034微控制器的I2C接口进行数字通信。
AnalogDevices）
图4中，电路的电源和接地都来自四线USB接口。
AnalogDevices的ADP3333ARMZ-5-R7低压差线性稳压器使用5VUSB电源产生3.3V输出。
ADP3333稳压输出为ADuC7023的DVDD端供电。
ADuC7023的AVDD电源需要另接滤波器，如图所示。
此外，USB电源与线性稳压器的IN引脚之间也需接入滤波器。
温度数据交换也是通过USB接口的D+和D-引脚实现。
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接口发送数据并接收配置命令。
该应用使用了如下ADuC7023特性：
12位SARADC。
带SRAM的ArmARM7TDMI。
集成的62KB内部闪存用于运行用户代码，以配置和控制ADC、管理USB接口的通信以及处理热敏电阻的ADC转换。
I2C接口用于与主机PC通信。
两个外部开关/按钮（图中未显示）可强制器件进入闪存引导模式：
使DOWNLOAD保持低电平并切换RESET开关，ADuC7023将进入引导模式，而不是正常的用户模式。
在引导模式下，利用USB接口连接器件相关的I2CWSD软件工具，可以对内部闪存重新编程。
VREF是带隙基准。
此基准电压可用作系统中其他电路的电压基准。
各引脚连接的最小0.1μF电容用于降噪。
ADuC7023外形小巧（5mm×
5mm），采用32引脚芯片级封装，因此整个电路占用的印刷电路板空间极小，有利于节省成本和空间。
虽然ADuC7023具有功能强大的ARM7内核和高速SARADC，但仍能提供低功耗解决方案。
整个电路的典型功耗为11mA，ARM7内核时钟速度达5MHz，主ADC用于测量外部热敏电阻。
在两次温度测量之间，可以关闭微控制器和/或ADC以进一步节省功耗。
布局注意事项
图4所示的信号处理系统很容易导致误解，乍看之下，该系统仅包含三个有源器件，但是如此简洁的布局中却隐藏着一些问题值得注意。
例如，ADuC7023微控制器是相当复杂的模拟数字系统，需要特别注意接地规则。
虽然该系统的模拟域频率似乎“很慢”，但片上采样保持ADC却是高速多通道器件，采样速率高达1MS/s，最大时钟速度达41.78MHz。
该系统的时钟上升和下降时间只有数纳秒，因此该应用属于高速应用。
显然，面对混合信号电路时需要特别注意。
下述四点核对清单涵盖了主要方面：
使用电解电容器
选择较小的电容器
接地平面注意事项
可以选择小型铁氧体磁珠
该电路中常用10mF至100mF的大电解电容器，距离芯片不超过2英寸。
此类电容器可充当电荷储存器，用于消除走线电感产生的瞬时电荷。
该电路中常用0.01mF至0.1mF的小电容，应尽可能靠近器件的电源引脚放置。
此类电容器可用于高频噪声的快速高效接地。
接地平面（去耦电容下方）可对高频电流去耦，最大限度地减少EMI/RFI辐射。
请选择面积较大的低阻抗区域作为接地平面。
为了最大限度地减小走线电感，电容器应使用通孔或较短印制线接地。
除了图4中的去耦电容外，USB电缆的EMI/RFI保护也需要使用铁氧体。
该电路中使用的铁氧体磁珠是TaiyoYuden的BK2125HS102-T，100MHz时的阻抗为1000Ω。
总结
温度传感器是应用最广泛的传感器之一，但其设计要求却始终给设计人员带来艰巨挑战——既要缩减成本和尺寸，又要提高检测精度。
考虑到这些要求，本文介绍了基于USB的低功耗商用热敏电阻系统实现方法。
该系统采用AnalogDevices的小型12位ADC和高精度ADuC7023微控制器解决方案。
这一组合成功使用电阻器来校正NTC热敏电阻的非线性响应，可精确检测和监视温度。
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