CN0153: 利用精密模拟微控制器ADuC7122和外部热敏电阻构建基于USB的温度监控器

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概览

电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 198 kB)
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优势和特点
  • 典型温度范围为-90 C至+150 C
  • 热敏电阻温度监控器
  • 带ARM7处理内核的单芯片解决方案
    应用: 
  • 温度控制器
  • 传感器和传感器接口
  • 高温产品

电路功能与优势

本电路显示如何在精密热敏电阻温度监控应用中使用精密模拟微控制器 ADuC7122 。ADuC7122集成多通道12位SAR ADC、12个12位DAC、1.2 V内部基准电压源、ARM7内核、126 kB闪存、8 kB SRAM以及各种数字外设,例如UART、定时器、SPI和两个I2C 接口等。它与一个4.7 kΩ热敏电阻相连。

ADuC7122采用7 mm × 7 mm、108引脚BGA小型封装,因此整个电路可以放在极小的PCB上,从而进一步降低成本。

热敏电阻是对温度敏感的低成本电阻,功能与RTD相似,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,可以检测RTD或热电偶无法观察到的细微温度变化。然而,热敏电阻具有高度非线性特征;因此,如果不采用线性化技术,它只能应用于非常窄的温度范围。电路线性化技术可以通过软件实现,但这不在本文讨论范围之内。

尽管具有功能强大的ARM7内核和高速SAR ADC,但ADuC7122仍是一款低功耗解决方案。当ARM7内核在326.4 kHz工作、主ADC有效并测量外部温度传感器时,整个电路的典型功耗为7 mA。在两次温度测量之间可以关断ADC和/或微控制器,使功耗进一步降低。

图1. 与一个热敏电阻接口、用作温度监控器的ADuC7122(原理示意图,未显示所有连接)

电路描述

图1所示电路完全通过USB接口供电。利用3.3 V低压差线性调节器ADP3333 ,可将USB接口提供的5 V电源调节至3.3 V,进而向ADuC7122提供DVDD电压。ADuC7122的AVDD电源经过额外滤波处理,如图所示。在线性调节器的输入端也放置一个滤波器,对USB电源进行滤波。

本应用中用到ADuC7122的下列特性:

  • 12位SAR ADC
  • ARM7TDMI® 内核:功能强大的16/32位ARM7内核集成了126 kB闪存和SRAM存储器,用来运行用户代码,可配置并控制ADC,对来自热敏电阻传感器的信号进行模数转换处理,以及控制UART/USB接口的通信。
  • UART: UART用作与PC主机的通信接口。
  • 两个外部开关\按钮(未显示)用来强制该器件进入闪存引导模式:使DOWNLOAD处于低电平,同时切换RESET开关,ADuC7122将进入引导模式,而不是正常的用户模式。在引导模式下,通过USB接口并利用I2CWSD工具可以对内部闪存重新编程。
  • BUF_VREF: 带隙基准电压源也通过缓冲连接到BUF_VREF1和BUF_VREF2引脚,用作系统中其它电路的基准电压源。这些引脚需连接至少0.1 μF的电容,以降低噪声。
  • 本电路所用的热敏电阻为4.7 kΩ电阻,型号为NCP18XM472。它采用0603表贴封装。25°C时,图2电路所用热敏电阻具有以下特性:β = 3500(β参数描述电阻与温度的关系),电阻(R25) = 4.7 kΩ。

    ADuC7122的USB接口通过FT232R UART转USB实现,它将USB信号直接转换为UART协议。

    除图1所示的去耦外,USB电缆本身还应采用铁氧体磁珠来增强EMI/RFI保护功能。本电路所用铁氧体磁珠为Taiyo Yuden BK2125HS102-T,它在100 MHz时的阻抗为1000 Ω。

    本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能,必须采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考教程MT-031, 教程MT-101ADuC7122 评估板布局)。

    图2中的输入热敏电阻电路旨在产生0°C至90°C的精确温度测量结果。请注意,此系统不含温度校正。该电路包含一个简单的热敏电阻电路,其不具备电路线性化功能。如果采用线性化技术,它可以在更广的温度范围内工作,不过这会降低传感器的分辨率。

    图2. 利用ADuC7122实现简单温度传感器电路

    图2所示电路采用分压器配置,因而可以将ADC结果D转换为RTH(热敏电阻)的电阻测量结果,计算公式如下:

    equation

    计算出热敏电阻的电阻值之后,就可以利用Steinhart-Hart方程确定传感器的当前温度。

    ADuC7122使用以下公式确定传感器温度:

    equation

    其中:

    T2 = 未知温度

    T1 = 298K

    β = 298K或25°C时热敏电阻的β参数,β = 3500

    R25 = 298K或25°C时热敏电阻的电阻值,R25 = 4.7 kΩ

    RTH = 通过以上公式计算出的未知温度时热敏电阻的电阻值

    图3显示ADuC7122对图2所示热敏电阻传感器的响应与温度的关系。

    代码说明
    用于测试本电路的源代码和“超级终端”配置文件可从以下网址下载(zip压缩文件):www.analog.com/CN0153_Source_Code

    UART配置为波特率9600、8数据位、无极性、无流量控制。如果本电路直接与PC相连,则可以使用“超级终端”(HyperTerminal)等通信端口查看程序来查看该程序发送给UART的结果(请参考图4)。源代码附有注释说明,方便了解、使用。可利用Keil μVision 3应用程序对代码进行编译和测试。

    图3. 利用ADC0得到的ADuC7122热敏电阻传感器测量输出(转换为V)与温度的关系

    常见变化

    ADP120 (2.5 V)可以代替ADP3333 (3.3 V),前者具有更宽的工作温度范围(−40°C至+125°C),功耗更低(典型值为20 μA,而后者为70 μA),但最大输入电压较低(前者为5.5 V,后者为12 V)。请注意,ADuC7122可以通过标准JTAG接口编程或调试。对于标准UART至RS-232接口,可以用ADM3202等器件代替FT232R收发器,前者需采用3 V电源供电。

    本笔记所述的热敏电阻电路经过适当调整,可以配合其它精密模拟微控制器工作,例如 ADuC7020 系列、ADuC7023ADuC7061系列。

    此电路中所用产品:

    产品 描述 可提供样片的产品型号
    ADP3333 高精度,超低IQ、300 mA、ANYCAP®低压差稳压器 ADP3333ARMZ-2.5-R7 ADP3333ARMZ-5-R7 ADP3333ARMZ-3.15R7 ADP3333ARMZ-1.8RL7 ADP3333ARMZ-3.3-R7
    ADUC7019 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU内核 ADUC7019BCPZ62I
    ADUC7020 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU内核 ADUC7020BCPZ62 ADUC7020BCPZ62I
    ADUC7021 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU ADUC7021BCPZ62I ADUC7021BCPZ32 ADUC7021BCPZ62
    ADUC7022 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU ADUC7022BCPZ62 ADUC7022BCPZ32
    ADUC7023 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,具有增强型IRQ处理程序的ARM7TDMI MCU ADUC7023BCPZ62I ADUC7023BCP6Z62I
    ADUC7024 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU ADUC7024BSTZ62 ADUC7024BCPZ62I ADUC7024BCPZ62
    ADUC7025 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU ADUC7025BCPZ32 ADUC7025BCPZ62 ADUC7025BSTZ62
    ADUC7026 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU ADUC7026BSTZ62 ADUC7026BSTZ62I
    ADUC7027 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU ADUC7027BSTZ62 ADUC7027BSTZ62I
    ADUC7028 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU ADUC7028BBCZ62
    ADUC7029 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI MCU ADUC7029BBCZ62 ADUC7029BBCZ62I
    ADUC7121 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI MCU ADUC7121BBCZ
    ADUC7122 精密模拟微控制器,12位模拟I/O,ARM7TDMI® MCU ADUC7122BBCZ
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