確定溫度是工程師需要設(shè)計(jì)的最常見(jiàn)的事情之一。也許我們沒(méi)有做我們應(yīng)該做的那么多。在嵌入式設(shè)計(jì)中，我們（幾乎總是）有一個(gè)可以輕松收集溫度數(shù)據(jù)的微控制器。那么，為什么不測(cè)量同一個(gè) MCU 的溫度來(lái)幫助提高設(shè)計(jì)的可靠性呢？如果您有一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，那么了解該溫度會(huì)很有用——控制器 IC 或開(kāi)關(guān)電感器，或兩者兼而有之。如果您的設(shè)計(jì)有電機(jī)和軸承等機(jī)械鉆頭，我們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度在故障發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)它。這也可以為您的設(shè)計(jì)提供額外的安全性。

當(dāng)然，有時(shí)工程師需要精確測(cè)量溫度作為過(guò)程控制系統(tǒng)的一部分，有時(shí)他或她需要在擴(kuò)展范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。我們也會(huì)考慮這些情況。

實(shí)際應(yīng)用的溫度傳感器基本上有四種類(lèi)型：硅、熱電偶、熱敏電阻和 RTD。因?yàn)樗鼈兺ǔ７浅？煽浚こ處熆梢砸揽繙囟葌鞲衅鱽?lái)監(jiān)視他們的產(chǎn)品——使它們成為模擬的英雄。

熱電偶傳感器覆蓋范圍廣泛

熱電偶有多種類(lèi)型，其中 J、K 和 T 型最受歡迎。每種類(lèi)型都有不同的兩種金屬配對(duì)。它們提供非常廣泛的溫度范圍——低至 -600°C 至高達(dá) 2300°C。標(biāo)準(zhǔn)精度約為±2°C，但有些甚至達(dá)到±0.5°C。它們并不便宜。價(jià)格差異很大，但帶有保護(hù)管的 ?” 直徑探頭的起價(jià)可低至 8 至 9 美元。它們可能是最不穩(wěn)定和可重復(fù)的傳感器類(lèi)型，并且可能會(huì)受到電噪聲的困擾。

好消息是 IC 可用于 A/D 轉(zhuǎn)換和線性化所有類(lèi)型熱電偶的輸出。Maxim 的MAX31855就是這種器件的一個(gè)例子，它可用于七種不同的 TC 類(lèi)型，并集成了冷端補(bǔ)償。轉(zhuǎn)換器將溫度解析為 0.25°C。它使用 K 型熱電偶在 -200°C 至 +700°C 的溫度范圍內(nèi)提供 ±2°C 的精度，并具有減少熱電偶線引入的噪聲誤差的電路。數(shù)據(jù)輸出為帶符號(hào)的 14 位、SPI 兼容、只讀。該 IC 采用 8 引腳 SO 封裝，工作溫度范圍為 -40° 至 125°C。電源電流為 900μA，典型值。

硅傳感器：易于使用且準(zhǔn)確

由于我不明白的原因，有成千上萬(wàn)個(gè)可用的硅傳感器。許多制造商中的每一個(gè)都有數(shù)百個(gè)。您可以在 100 片中以低至 0.20 美元的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)一個(gè)。但是，您可能想花更多的錢(qián)來(lái)購(gòu)買(mǎi)更準(zhǔn)確、更通用的設(shè)備。

我選擇 Maxim DS18B20U作為示例，它是一款出色的全能器件，在 -10°C 至 85°C 范圍內(nèi)具有 ±0.5°C 的精度，并且1-Wire? 數(shù)字接口。芯片可以直接從數(shù)據(jù)線獲取電力（“寄生電力”）。它涵蓋了一個(gè)完整的 -55°C 至 125°C 范圍，并在 3.0V 至 5.0V 數(shù)據(jù)線范圍內(nèi)工作。待機(jī)電流為 1μA。

圖 1：DS18B20U 框圖

每個(gè) DS18B20U 都有一個(gè)唯一的 64 位串行代碼，允許多個(gè)器件在同一 1-Wire 總線上運(yùn)行。該芯片是可編程的，這很重要。首先，分辨率從 9 位到 12 位可選，轉(zhuǎn)換時(shí)間從 94 毫秒到 750 毫秒不等。其次，報(bào)警功能具有非易失性用戶可編程上下觸發(fā)點(diǎn)。該 IC 采用 8 引腳 SO （150 mils）、8 引腳 μSOP 和 3 引腳 TO-92 封裝。有幾個(gè)參考原理圖可用。

Maxim還為溫度計(jì)應(yīng)用提供精度為±0.1°C（最大值）的MAX30205臨床級(jí)人體溫度傳感器。

熱敏電阻：低成本和快速響應(yīng)時(shí)間

熱敏電阻具有一些誘人的品質(zhì)。最常見(jiàn)的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù) （NTC）。熱敏電阻的電阻與溫度曲線近似為指數(shù)，需要線性化，但這可以在微控制器中完成。IC 可用于傳感和 A/D 轉(zhuǎn)換。

熱敏電阻的特性包括 -55° 至 125°C 的適中溫度范圍（盡管有些能夠承受更高的溫度）、中低成本（取決于精度）和快速響應(yīng)時(shí)間。熱敏電阻采用探頭、標(biāo)準(zhǔn) 0402 和其他 SMT 封裝，以及帶裸引線的磁珠。您可以獲得在其范圍內(nèi)具有 1% 容差的熱敏電阻，電阻值從 1Ω 到 1GΩ。數(shù)量為 10，000 件時(shí)，價(jià)格低至每件 2 美分（數(shù)量 1 為 0.10 美元）。不過(guò)要小心，因?yàn)橐恍└咝阅軉卧總€(gè)要 100 美元。需要注意不要通過(guò)測(cè)量加熱小珠，但可用的 IC 可以解決這個(gè)問(wèn)題。

MAX6682熱敏電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)很好的例子。它根據(jù)熱敏電阻電阻產(chǎn)生一個(gè) 10 位 +sign 輸出代碼。它不對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行線性化，但在有限范圍內(nèi)使用合適的外部固定電阻器可以提供相當(dāng)準(zhǔn)確的可重復(fù)測(cè)量，無(wú)需線性化。該 IC 具有 3 線 SPI 兼容輸出接口。該芯片降低了平均熱敏電阻電流，最大限度地減少了自熱。在轉(zhuǎn)換之間，電源電流降至 21μA（典型值）。它使用 25°C 時(shí)標(biāo)稱(chēng)電阻為 10kΩ 的熱敏電阻，采用 8 引腳 μMAX 封裝，額定溫度范圍為 -55° 至 125°C。另外還有MAX6691四通道熱敏電阻溫度-脈寬轉(zhuǎn)換器。

RTD 傳感器在大溫度范圍內(nèi)工作

RTD 比其他傳感器稍大一些，大約為 0.25 平方英寸，但它們可以在 -200° 至 850°C 的大范圍內(nèi)工作。最精確的 RTD 使用鉑制成，但成本較低的 RTD 可以用鎳制成。這些不是那么穩(wěn)定或可重復(fù)的。鉑 RTD 提供相當(dāng)線性的輸出，在 -200 至 600°C 范圍內(nèi)高度準(zhǔn)確（±0.1° 至 ±1°C）。他們的響應(yīng)時(shí)間確實(shí)很慢。精度為 ±1.5 度的鎳設(shè)備的起價(jià)約為 1.50 美元/100 美元。精度為 ±0.3°C 的鉑金單元每 1，000 件的成本約為 1.70 美元。

圖 2：MAX31865 RTD 數(shù)字轉(zhuǎn)換器框圖

MAX31865 RTD-數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片易于使用，具有15位delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器。由于 RTD 的非線性，該 IC 產(chǎn)生 0.031°C 的輸出變化，并且在最大 0.5°C（滿量程的 0.05%）的總體工作條件下的總精度。它提供 21ms（最大值）的轉(zhuǎn)換時(shí)間和 ±45V 輸入保護(hù)，并與 2 線、3 線和 4 線傳感器連接兼容。該 IC 使用 SPI 兼容輸出，采用 20 引腳 TQFN 和 SSOP 封裝。

選一個(gè)

事實(shí)上，所有這四種類(lèi)型都做得很好并且具有成本效益 - 或者如果你小心的話，至少可以。除了用于極高溫度的熱電偶外，如果我有一個(gè) PC 板安裝應(yīng)用程序，我會(huì)采用 8 引腳 μSOP SMT 封裝的硅傳感器。如果我要做點(diǎn)測(cè)量，那將是一個(gè)珠狀熱敏電阻（小心那些精致的引線）。正是轉(zhuǎn)換 IC 使設(shè)計(jì)工作變得非常容易。

審核編輯：郭婷