構建基于USB的高精度溫度傳感器電路

時間:2019-06-12

  使用模擬MCU,LDO,外部熱敏電阻和一些分立器件,您可以構建高精度的溫度傳感應用。
  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。
  與RTD類似,熱敏電阻是低成本的溫度敏感電阻器,由固體半導體材料構成,具有正或負溫度系數。熱敏電阻價格低廉,靈敏度高。它們檢測溫度的微小變化,這是RTD或熱電偶無法觀察到的。但是,熱敏電阻是高度非線性的;因此,如果不應用線性化技術,它們僅限于具有非常窄的溫度範圍的應用。電路線性化技術可以用軟件完成。
  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。
  電路描述
  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。
  在此應用中使用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用作主機PC的通信接口。
  兩個外部開關/按鈕(未顯示)用于強制部件進入閃光啓動模式。通過將DOWNLOAD保持爲低電平並切換RESET開關,ADuC7122將進入引導模式而不是正常用戶模式。在引導模式下,可以使用USB接口通過I2CWSD工具重新編程內部閃存。
  BUF_VREF:帶隙參考還通過緩沖器連接到BUF_VREF1和BUF_VREF2引腳,這些引腳可用作系統中其他電路的參考。這些引腳應連接至少0.1μF的電容,以降低噪聲。
  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。


  圖2:采用ADuC7122實現的簡單溫度傳感器電路。
  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。
  電路必須在具有大面積接地平面的多層PC板上構建。必須使用適當的布局,接地和去耦技術來實現最佳性能。
  圖2中的輸入熱敏電阻電路設計用于在0°C至90°C範圍內進行精確的溫度測量。請注意,此系統不包含溫度校准。該電路包含一個簡單的熱敏電阻電路,不包含電路線性化。如果該電路采用線性化技術,它可以在更寬的溫度範圍內工作;然而,這會降低傳感器的分辨率。
  圖2中的電路設置爲分壓器配置。這將允許我們使用以下公式將ADC結果D轉換爲RTH(熱敏電阻)電阻的測量值:


  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


  圖3描繪了ADuC7122對圖2中詳細說明的熱敏電阻傳感器的響應溫度。
  圖3:ADuC7122熱敏電阻傳感器測量輸出(轉換爲伏特),ADCO與溫度的關系。
  代碼說明
   UART配置爲波特率爲9600,8個數據位,無奇偶校驗且無流量控制。如果電路直接連接到PC,則可以使用通信端口查看應用程序(如HyperTerminal)查看程序發送到UART的結果(圖4)。對源代碼進行了注釋,以便于理解和操作。使用KeilμVision3應用程序編譯和測試代碼。
  常見變化
  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。
  此處描述的熱敏電阻電路可以適用于其他精密模擬微控制器,如ADuC7020系列,ADuC7023和ADuC7061系列。

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