室温传感是电子行业中应用最广泛的传感之一，应用范围包括校验、安全、暖通空调(HVAC)等。虽然应用广泛，并且设计人员若要以最低的成本实现最高精度的性能，气温传感及其实现依然极具挑战性。
体温测量的方式有许多种。最常见的方式是使用热敏内阻、电阻体温测量器(RTD)、热电偶或硅室温计等气温传感。不过，选择合适的传感只是解决方案的一部份。在此以后，所选传感必须联接讯号链，该讯号链除了要保持讯号完整性，还要精确补偿特定检查技术的独有特点，以确保才能提供精确的数字化气温值。
本文介绍了一种USB供电电路解决方案来完成这项任务。该解决方案使用负气温系数(NTC)热敏内阻电阻的测量如何引入，结合的-R7精密模拟微控制器来精确检测体温。
NTC热敏内阻的特点
热敏内阻是一种对湿度非常敏感的阻值器，可分为两种类型：正气温系数(PTC)热敏内阻和负气温系数(NTC)热敏内阻。多晶陶瓷PTC热敏内阻具有较高的正气温系数，常用于开关应用。NTC陶瓷半导体热敏内阻具有较高的负气温系数电阻的测量如何引入，随着气温下降而内阻值增长，因此适用于精密体温检测。
NTC热敏内阻共有三种工作模式：内阻-体温、电压-电压和电压-时间。在借助内阻-气温特点的工作模式下，热敏内阻的测量结果精度最高。
内阻-气温电路将热敏内阻配置为“零功率”状态。“零功率”状态假设元件的激励电压或激励电流不会导致热敏内阻的自热现象。
的是一款典型NTC热敏内阻，该元件内阻值为4.7kΩ，采用0603封装，内阻-气温特点具有高度非线性（图1）。
图1：典型NTC热敏内阻的内阻-气温特点具有高度非线性，因而设计人员必须设法使指定气温范围内的这些非线性得到控制。（图片来源：Baker，按照提供的阻值值估算和勾画）
如图1曲线所示，4.7kΩ热敏内阻的阻值-气温特点高度非线性。NTC热敏内阻值随气温升高的速度是一个常数，称为β（图中未显示）。对于的4.7kΩ热敏内阻而言，β=3500。
使用高帧率模数转换器(ADC)和经验三阶方程或查找表，可以在软件中校准热敏内阻的非线性响应。
但是，有一种硬件技术疗效更佳、应用更简单且成本更低，只需应用于ADC之前，就可以解决±25℃温度范围内的热敏内阻线性化问题。
硬件线性化解决方案
实现热敏内阻输出初步线性化的简单方式是，将热敏内阻与标准内阻器（1%，金属膜）和电流源串联。串联的阻值值决定热敏内阻电路线性响应区间的中点。按照热敏内阻值(RTH)和-Hart多项式，可确定热敏内阻的体温（图2）。据否认，-Hart多项式是确定NTC热敏内阻体温的最佳物理表达式。
图2：分压器（RTH和R25）配置可使热敏内阻响应线性化。ADC0（ADC输入端）的线性范围约为50℃的气温范围。（图片来源：Baker）
为推论热敏内阻的实际内阻值RTH，首先要确定分压器输出(VADC0)，之后使用VADC0求得ADC数字输出十补码代码DOUT，而DOUT取决于ADC位数(N)、ADC最大输入电流(VREF)和ADC输入电流(VADC0)。求解RTH的第三步，即最后一步是用R25（25℃时的RTH值）除以ADC代码数与ADC数字输出十补码代码的比值。第三步估算过程从下列方程2开始。
最后一步估算使用上述-Hart多项式，将热敏内阻值转换为开氏体温。精密模拟微控制器使用方程4求得传感气温：
方程4
其中：
T2=检测的热敏内阻气温（以K为单位）
T1=298K(25℃)
β=298K或25℃时的热敏内阻β参数。β=3500
R25=298K或25℃时的热敏内阻值。R25=4.7kΩ
RTH=未知气温时的热敏内阻值，由方程3估算
图2中，25℃时的热敏内阻值(RTH)等于4.7kΩ。因为R25的电阻等于25℃时的热敏内阻值，因而分压器的线性区间以25℃为中心（图3）。
图3：4.7kΩ热敏内阻与4.7kΩ标准内阻器串联的线性响应，分压器两端电流为2.4V。（图片来源：Baker，按照提供的阻值值估算和勾画）
图3中，热敏内阻串联电路约在0℃至+50℃的有限气温范围内可实现线性气温响应。在此范围内，气温变化偏差为±1℃。线性化内阻值(R25)应等于目标气温范围中点对应的热敏内阻值。
在±25℃的气温范围内，该电路可实现的精度典型值为12位，热敏阻值的标称水温为R25的电阻。
基于USB的体温检测器
该电路解决方案的讯号路径源于低成本的4.7kΩ热敏阻值，之后联接的低成本微控制器。该微控制器集成四个12位数模转换器(DAC)、一个多通道12位逐次迫近寄存器(SAR)ADC和一个1.2V内部基准源，以及ARM7®内核、126KB闪存、8KB静态随机存取储存器(SRAM)和UART、定时器、SPI和两个I2C插口等各类数字外设（图4）。
图4：该气温检查电路使用USB插口进行供电，使用微控制器的I2C插口进行数字通讯。（图片来源：）
图4中，电路的电源和接地都来自四线USB插口。的-5-R7低压差线性稳压器使用5VUSB电源形成3.3V输出。稳压输出为的DVDD端供电。的AVDD电源须要另接混频器，如图所示。据悉，USB电源与线性稳压器的IN引脚之间也需接入混频器。
室温数据交换也是通过USB插口的D+和D-引脚实现。才能使用I2C合同发送和接收数据。该应用电路使用双线I2C插口发送数据并接收配置命令。
该应用使用了如下特点：
外观精巧(5mm×5mm)，采用32引脚芯片级封装，因而整个电路占用的彩印电路板空间极小，有利于节约成本和空间。
尽管具有功能强悍的ARM7内核和高速SARADC，但仍能提供低帧率解决方案。整个电路的典型帧率为11mA，ARM7内核时钟速率达5MHz，主ADC用于检测外部热敏内阻。在两次体温检测之间，可以关掉微控制器和/或ADC以进一步节约帧率。
布局注意事项
图4所示的讯号处理系统很容易造成误会，乍看之下，该系统仅包含三个有源元件，并且这么简约的布局中却隐藏着一些问题值得注意。
比如，微控制器是相当复杂的模拟数字系统，须要非常注意接地规则。其实该系统的模拟域频度虽然“很慢”，但片上取样保持ADC却是高速多通道元件，取样速度高达1MS/s，最大时钟速率达41.78MHz。该系统的时钟上升和增长时间只有数毫秒，因而该应用属于高速应用。
其实，面对混和讯号电路时须要非常注意。下列四点核实清单囊括了主要方面：
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大型铁氧体磁珠
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。这种电容器可充当电荷存储器，用于清除走线电感形成的瞬时电荷。
该电路中常用0.01mF至0.1mF的小电容，应尽可能紧靠元件的电源引脚放置。这种电容器可用于高频噪音的快速高效接地。
接地平面（去耦电容下方）可对高频电压去耦，最大限度地降低EMI/RFI幅射。请选择面积较大的低阻抗区域作为接地平面。为了最大限度地减少走线电感，电容器应使用通孔或较短印制线接地。
不仅图4中的去耦电容外，USB线缆的EMI/RFI保护也须要使用铁氧体。该电路中使用的铁氧体磁珠是TaiyoYuden的-T，100MHz时的阻抗为1000Ω。
总结
室温传感是应用最广泛的传感之一，但其设计要求却一直给设计人员带来繁重挑战——既要削减成本和规格，又要提升检查精度。考虑到这种要求，本文介绍了基于USB的低帧率商用热敏内阻系统实现方式。该系统采用的大型12位ADC和高精度微控制器解决方案。这一组合成功使用内阻器来校准NTC热敏内阻的非线性响应，可精确测量和监视水温。
