构建基于USB的高精度温度传感器电路

使用模拟MCU，LDO，外部热敏电阻和一些分立器件，您可以构建高精度的温度传感应用。

图1中的电路显示了Analog Devices ADuC7122精密模拟微控制器的工作原理可用于精确的热敏电阻温度监测应用。 ADuC7122集成了多通道12位SAR ADC，12个12位DAC，1.2 V内部基准电压源，以及ARM7内核，126 kB闪存，8 kB SRAM以及各种数字外设，如UART，定时器，SPI ，以及两个I2C接口。 ADuC7122连接到4.7kΩ热敏电阻。

图1：ADuC7122用作温度监控器，与热敏电阻连接(简化原理图，所有连接均未由于ADuC7122(7 mm×7 mm，108球BGA封装)的小外形尺寸，整个电路可以安装在极小的PCB上，从而进一步降低了成本。

与RTD类似，热敏电阻是低成本的温度敏感电阻器，由固体半导体材料构成，具有正或负温度系数。热敏电阻价格低廉，灵敏度高。它们检测温度的微小变化，这是RTD或热电偶无法观察到的。但是，热敏电阻是高度非线性的;因此，如果不应用线性化技术，它们仅限于具有非常窄的温度范围的应用。电路线性化技术可以用软件完成。

尽管功能强大的ARM7内核和高速SAR ADC，ADuC7122仍然提供低功耗解决方案。 ARM7内核运行在326.4 kHz且主ADC处于活动状态并测量外部温度传感器，整个电路通常消耗7 mA。在温度测量之间，可以关闭ADC和/或微控制器，以进一步降低功耗。

电路描述

图1所示电路完全由USB接口供电。使用ADP3333(3.3V)低压差线性稳压器将USB的5 V电源调节至3.3 V. 3.3 V稳压电源为ADuC7122提供DVDD电压。如图所示，ADuC7122的AVDD电源具有额外的滤波功能。滤波器也放置在线性稳压器输入端的USB电源上。

在此应用中使用ADuC7122的以下功能：

12位SAR ADC。

ARM7TDMI内核：功能强大的16/32位ARM7内核，集成126 kB闪存和SRAM内存，运行用户代码，用于配置和控制ADC，处理来自热敏电阻传感器的ADC转换通过UART/USB接口控制通信。

UART：UART用作主机PC的通信接口。

两个外部开关/按钮(未显示)用于强制部件进入闪光启动模式。通过将DOWNLOAD保持为低电平并切换RESET开关，ADuC7122将进入引导模式而不是正常用户模式。在引导模式下，可以使用USB接口通过I2CWSD工具重新编程内部闪存。
BUF_VREF：带隙参考还通过缓冲器连接到BUF_VREF1和BUF_VREF2引脚，这些引脚可用作系统中其他电路的参考。这些引脚应连接至少0.1μF的电容，以降低噪声。

电路中使用的热敏电阻为4.7kΩ电阻，型号为NCP18XM472。它采用0603表面贴装封装。图2电路中使用的热敏电阻在25°C时具有以下规格：?= 3500(?参数描述电阻与温度的关系)和电阻(R25)=4.7kΩ。

图2：采用ADuC7122实现的简单温度传感器电路。

ADuC7122的USB接口采用FT232R UART转USB收发器实现，可转换USB直接向UART协议发送信号。

除了图1所示的去耦之外，USB电缆本身应该有一个铁氧体，以增加EMI/RFI保护。该电路中使用的铁氧体磁珠是Taiyo Yuden，BK2125HS102-T，在100 MHz时阻抗为1,000Ω。

电路必须在具有大面积接地平面的多层PC板上构建。必须使用适当的布局，接地和去耦技术来实现最佳性能。
图2中的输入热敏电阻电路设计用于在0°C至90°C范围内进行精确的温度测量。请注意，此系统不包含温度校准。该电路包含一个简单的热敏电阻电路，不包含电路线性化。如果该电路采用线性化技术，它可以在更宽的温度范围内工作;然而，这会降低传感器的分辨率。

图2中的电路设置为分压器配置。这将允许我们使用以下公式将ADC结果D转换为RTH(热敏电阻)电阻的测量值：

一旦计算出热敏电阻的电阻，就可以使用Steinhart-Hart方程确定当前的温度传感器。 Steinhart-Hart方程的简化?参数变化的传统形式为：


其中：

T2 =未知温度V1 =298Kβ=热敏电阻@ 298K或25°C的β参数。 β= 3500 R25 =热敏电阻@ 298K或25°C的电阻。 R25 =4.7kΩRTH=热敏电阻的电阻@未知温度，由上式计算得出

图3描绘了ADuC7122对图2中详细说明的热敏电阻传感器的响应温度。

图3：ADuC7122热敏电阻传感器测量输出(转换为伏特)，ADCO与温度的关系。


代码说明

UART配置为波特率为9600,8个数据位，无奇偶校验且无流量控制。如果电路直接连接到PC，则可以使用通信端口查看应用程序(如HyperTerminal)查看程序发送到UART的结果(图4)。对源代码进行了注释，以便于理解和操作。使用KeilμVision3应用程序编译和测试代码。


常见变化

ADP3333(3.3 V)可替换为ADP120(2.5 V)，具有更宽的工作温度范围(-40°C至+ 125°C)，功耗更低(通常为20μA与70μA相比，但具有较低的最大输入电压范围(5.5 V与12 V)。注意，可以使用标准JTAG接口对ADuC7122进行编程或调试。对于标准的UART至RS-232接口，FT232R收发器可以替换为需要3 V电源的ADM3202等设备。

此处描述的热敏电阻电路可以适用于其他精密模拟微控制器，如ADuC7020系列，ADuC7023和ADuC7061系列。

审核编辑：汤梓红