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基于USB 供电的热敏电阻精确温度检测电路

时间:2019-07-30 来源: 关键字:电阻   电流   

温度传感器是电子行业中应用最广泛的传感器之一,应用范围包括校准、安全、暖通空调 (HVAC) 等。尽管应用广泛,但是设计人员若要以最低的成本实现最高精度的性能,温度传感器及其实现仍然极具挑战性。

温度检测的方法有许多种。最常见的方法是使用热敏电阻、电阻温度检测器 (RTD)、热电偶或硅温度计等温度传感器。不过,选择合适的传感器只是解决方案的一部分。在此之后,所选传感器必须连接信号链,该信号链不仅要保持信号完整性,还要精确补偿特定检测技术的独有特性,以确保能够提供精确的数字化温度值。

本文介绍了一种 USB 供电电路解决方案来完成这项任务。该解决方案使用负温度系数 (NTC) 热敏电阻,结合 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 精密模拟微控制器来精确监测温度。

NTC 热敏电阻的特性

热敏电阻是一种对温度十分敏感的电阻器,可分为两种类型:正温度系数 (PTC) 热敏电阻和负温度系数 (NTC) 热敏电阻。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。

Murata Electronics 的 NCP18XM472J03RB 是一款典型 NTC 热敏电阻,该器件电阻值为 4.7 k?,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:Bonnie Baker,根据 Murata 提供的电阻值计算和绘制)

如图 1 曲线所示,4.7 k? 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 4.7 k? 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。(图片:Bonnie Baker)

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

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