嵌入温度电路设计

很多的应用不需要精确的温度测量。精确的温度测量是成本高的。降低一点精度要求，就会有很多可供选择的成效方案，例如可选用：二极管、热敏电阻、RTD（电阻温度计）、热电偶、硅温度计等测温方法。

在选择温度感测电路时，传感器的成本比温度范围、稳定性或精度更重要。实现温度信号调理3种最经济的方法是用热电偶、二极管和热敏电阻。本文将对这3种经济的测温电路进行描述。

热电偶电路

图1示出热电偶电路和一种信号调理电路，其基本单元包括：

热电偶网络
模拟滤波器、增益单元
A/D变换器
微控制器



在热电偶网络中，TC1是处于实际温度测量点的热电偶。TC2是和TC1相同型号的第二个热电偶。TC1和TC2都是E型热电偶。热电偶TC3和TC4是硬件实现所需配件，它们连接TC1和TC2到PCB的铜线 。

4个热电偶有3个放置在同温单元中使它们保持在给定温度。用模拟增益单元获得所有4个热电偶的等效输出电压并进行滤波。增益单元有一个单电源CMOS放大器（MCP601），配置做为一个2阶低通切比雪夫滤波器。放大器的输出信号用12位A/D变换器（MCP3201）数字化。MCP3201输出码串行送到微控制器（PIC12C508），微控制器把来自热电偶网络的电压变为用摄氏或华氏表示的温度。

热电偶由两个不同的金属构成。在E型热电偶中，两种金属是铬镍和康铜。热电偶所产生的电压通常称之为EMF（电动势）电压，它代表热电偶两端的温度差。此电压随温度变化，不用任何电流或电压激励。

热电偶EMF电压参照0C是很容易定义的。用图1所示的感测电路，从TC1和TC4中扣除TC2和TC3的电压。因为TC3和TC4的材料和温度是相同的，所以这些结对测量误差的贡献是零。TC2用于从测量点热电偶（TC1）扣除同温单元温度误差，使TC1的EMF电压以0C为其准。每个热电偶温度感测电路都需要第2个温度电路消除PCB上由不希望热电偶的引起的误差。第二个温度电路通常用增加一个热敏电阻的简单电路设计。

热电偶所产生EMF电压的范围从几微伏到几十毫伏。此电压是可重复的，但是，是非线性的，可用查表法从系统中消除这种非线性。在信号调理电路中需要一个模拟增益级。假若在测量点的温度范围为250C~6000C，则MCP601放大器的滤波器/增益级合适的增益设置应为104V/V。

二极管测温电路

二极管测温电路示于图2.在此温度感测元件是用IN4148(Fairchild公司)二极管。对于不需要高精度的应用来说，二极管是有用的、便宜的温度感测器件。假若用恒流激励它，则标准二极管(如IN4148)电压随温度的变化是~5mv/0C。用电流激励，二极管具有相当好的线性电压-温度性能。电压激励（VDIODE）与跨接在二极管上随温度变化的电压之比值越大，线性误差就越小。表1列出3个电压基准，其中10V提供最好的线性度。应当注意，基准电压的变化改变流经二极管的电流。因此，建议对于较高精度应用应采用精确电压基准。

表1 实现流经IN4148二极管额定0.1uA电流所需合适的电阻值与二极管基准电压的关系

VDIODE(V)	R4(Ω)
4.096	9.76K
5.0	12.1K
10.0	27K

图2中的温度检测电路采用A/D变换器。基本的A/D变换器由两部分电路组成一调制器和滤波器。功能的调制器部分用单电源放大器MCP601和R/C网络设计，此电路部分的电阻器设计方程是：

VR3-VIN(CM)=VRAO(1+R1/R3) (1)
VIN(P-P)=VRA3(P-P)(R1/R2) (2)
式中：
VIN(CM)=[VIN(max)-VIN(min)]/2+VIN(min)
=[625Mv(@-40C)-425mV(@85C)]/2+425mV
=525mV (3)
VBAO=加到比较器非倒相输入的电压
=VDD/2
=2.5V
VIN(P-P)=[(VIN(max)-VIN(min))
=625Mv(@-40C)-425Mv(@850C)
=200mV
VRA3(P-P)=VRA3(max)-VRA3(min)
=5V-0V
=5V

积分电路的功能用外部电容器(CINT)实现。此电路的积分输出与系统基准（RA2）进行比较。

微控制器内部比较器充当1位数字转换器，为微控制器内数字滤波器程序提供数据。微控制器也为R/C网络提供一反馈途径。当PIC16C622的RA3设置为高态时，RAO电压增加直到比较器（CMCON<6>）触发为低态为止。在该点，到RA3输出的驱动器从高态到低态转换，而RAO减小直到比较器触发为高态为止。然后，设置RA3为高态，而周期重复。当该电路的调制器部分是周期性工作时，两个计数器记录时间和比较器输出的1对0的数。随着时间，累积数字滤波器输出给出多位变换结果。

在一稳定的、预先确定的时间间隔内取每次积分结果。一个10位变换需要210取样或1024个取样。对于给定的系统线性误差，该电路的210变换结果实际是8位精度。假若微控制器采集所有1024个取样需要20ms，则一个完整的变换需要20.48ms(0.48ms用于变换结束的程序辅助操作)。