基于LM35温度传感器的温控系统设计
Design of temperature control system based on LM35 temperature sensor
李志宇Li,Zhiyu肖前贵Xiao,Qiangui
摘要：本文介绍了一种应用LM35温度传感器开发的温控系统，重点阐述了系统结构、工作原理以及采样值量化。同时对LM35传感器特性、系统硬件电路设计、软件设计也作了介绍。该系统体积小、成本低、工作可靠，具有很高工程应用价值。系统稍加改动或扩展，还可以完成温度测量等功能。
关键词：温度传感器工作原理硬件设计软件设计
中图分类号：TP273
文献标识码：B
Abstract: The article introduces a temperature control system which is based on LM35 temperature sensor. The author emphasizes particularly on the structure of system, working theory and the measurement of sampling value. What’s more, it includes the characteristics of LM35 temperature sensor, the circuit design of system hardware and the design of software. The system has many characteristics―little volume, low cost and working stability, and it is very useful to the engineering application. This system also can accomplish the function of measuring temperature if we change or extend it slightly.
Keywords：temperature sensor；working theory；the design of hardware；the design of software.
1．引言
在各类民用控制、工业控制以及航空航天技术方面，温度测量和温度控制得到了广泛使用。在很多工作场合，元器件工作温度指标达不到工业级或普军级温度要求，可以通过设计加温电路的办法得以解决。小型、低功耗、可靠性高、低成本的温度传感器已经越来越受到设计者的关注。本文介绍了一种基于LM35温度传感器开发的温控系统硬件电路及软件设计。
2．LM35温度传感器
LM35是NS公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。因而，从使用角度来说， LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度。
?工作电压：直流4～30V；
?工作电流：小于133μA
?输出电压：+6V～-1.0V
?输出阻抗：1mA负载时0.1?；
?精度：0.5℃精度（在+25℃时）；
?漏泄电流：小于60μA；
?比例因数：线性+10.0mV/℃；
?非线性值：±1/4℃；
?校准方式：直接用摄氏温度校准；
?封装：密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装；
?使用温度范围：-55～+150℃额定范围。
引脚介绍：
①正电源Vcc；②输出；③输出地/电源地。
3．系统结构及工作原理
温控电路由传感器电路、信号调理电路、A/D采样电路、单片机系统、输出
控制电路、加温电路构成。电路基本工作原理：传感器电路将感受到的温度信号以电压形式输出到信号调理电路，信号经过调理后输入到A/D 采样电路，由A/D 转换器将数字量值送给单片机系统，单片机系统根据设计的温度要求判断是否需要接通加温电路。本文设计时以0℃为判别依据，当温度量值低于或等于0℃时，使加温电路接通。当温度量值高于0℃时，加温电路停止工作。
图1 温控系统原理框图
从图1中可以看出，无论是何种原因导致环境温度低于0℃，单片机系统将输出相应的逻辑电平（本例设计为低电平），经驱动后控制输出电路的继电器闭合，使加温电路工作。此系统是一个开环控制系统。
4．核心硬件电路设计及采样值量化
传感器电路采用核心部件是LM35AH ，供电电压为直流15V 时，工作电流为120mA ，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。电压输出采用差动信号方式，由2、3引脚直接输出，电阻R 为18K 普通电阻，D1、D2为1N4148。如图2。此电路适用于测温范围为-55～+150℃场合。如果测温范围变化，可以对此电路作一些调整。笔者曾单独对此电路做过温度试验，把传感器放在温变循环箱中，每隔5℃作为一个测试点，观测并记录输出电压（测试数据和U-T 曲线限于篇幅，从略），试验结果表明LM35AH 的线性度是令人满意的。
信号调理电路主要完成对传感器信号放大和限幅的功能，将传感器电路输出的变化范围为2V 左右的直流电压，调理为±10V 直流电压，运放采用LF412。A/D 采样电路选用12位AD 转换器AD574。单片机系统以AT89C55为CPU ，外接锁存器及输出驱动电路。输出电路使用松下PhotoMOS 继电器AQZ202，来控制加温电路的通断。加温电路采用功率电阻加温的方法，单独设计一块加温板，电阻采用“串联＋并联”的方式，总阻值为14Ω左右，供电电压为直流28V ，整板加温功率为50W 。
图2 传感器电路原理图
采样值的准确量化是温控电路正常工作的关键，这里采用以下换算办法来进行量化。
设经过信号调理后的电压为Ui，则－10V≤Ui≤10V，已知－10V对应的温度为－55℃，10V对应的温度为125℃，易求得比例因数Kt＝0.111V/℃。
温度为0℃时，ΔT＝55℃（即相对于－55℃的变化量）。
Ui＝－10V+ΔT·Kt＝－10V+55℃×0.111V/℃＝-3.895 V。
Ui转换为数字量后，每个数字量对应电压值为4.883mV，（由12位AD，满量程20V可得），用Ks表示。可求得数字量变化与温度变化的对应关系： Kt/Ks ＝（0.111V/℃）/（4.883mV/数字量）＝22.73数字量/℃
0℃时，AD输出的数字量D0 = 0+55℃×22.73数字量/℃＝1250＝04E2H。
其他温度对应的数字量也可通过以上方法算出。
5．系统软件设计
软件采用PLM/51语言与ASM混合编程，采用模块化结构，主要由主模块、AD采样模块、初始化模块、定时器模块、出错处理模块等部分构成，修改和维护十分方便。
AD与单片机系统AT89C55连接采用中断方式。当AD转换完毕后，CPU读取转换后的数字量，通过比较判断，如果数字量大于0℃时对应的数字量04E2H，则刷新逻辑输出口P1，送低电平。否则，P1口为高电平。软件工作流程如图3：
图3：系统软件流程图
为了避免因干扰而产生误动作，软件采取了一些冗余和容错处理。在AD模
块处理采样数据时，采用了软件滤波措施，以滤除电路中可能会出现的尖峰干扰。方法为连续采样五次，通过比较判断，去掉其中的最大、最小值。其余三次的值求和后取平均值，把平均值作为CPU用来判别的有效数据，再和04E2H（0℃对应数字量）进行比较。AD模块部分代码如下：
$DEBUG
$ROM(LARGE)
AD_mod:DO;
$INCLUDE(REG51.DCL)
$INCLUDE(WKEXT.DCL)
$INCLUDE(WKPRO.DCL)
AD_zl: PROCEDURE PUBLIC;
DECLARE max WORD;
DECLARE mini WORD;
DECLARE AD_S WORD;
DECLARE (dtime ,i,j) BYTE;
DECLARE adtemp(5) STRUCTURE(x BYTE,y BYTE);
DECLARE temp(5) WORD AT(.adtemp(0).x);
DO j=0 TO 4;
DO i=0 TO 20;
dtime=dtime+1;
END;
IF NOT(ad_ok) THEN DO;
adtemp(j).x=port_ad_read;
adtemp(j).y=port_ad_read;
END;
temp(j)=SHR(temp(j),4);
END;
max=temp(0);
mini=temp(0);
DO j=1 TO 4;
IF temp(j)>max THEN max=temp(j);
IF temp(j) END; DO j=1 TO 4; temp(0)=temp(0)+temp(j); END; AD_S=(temp(0)-max-mini)/3; END AD_zl; END AD_mod; 6．结束语 基于LM35开发的温控系统经过反复试验、测试，工作稳定可靠，具有体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点。该系统成本低廉，器件均为常规元件，有很高的工程价值，现已应用于某型无人机飞控系统。如稍加改动，本系统可以很方便的扩展成为集温度测量、控制为一体的产品，同时传感器LM35的小范围非线性可以利用软件算法进行修正。 参考文献： [1]成都木马科技《单片机原理及应用》，北京希望电子出版社，2000 [2] 杨季文《80X86汇编语言程序设计教程》，清华大学出版社，1998 [3] 袁涛，孙腾谌《PL/M程序设计语言及其应用》，清华大学出版社，1990 作者简介： 李志宇，男，1976年生，汉族，助工，现工作于南京航空航天大学自动化学院飞行控制研究所，现在职攻读导航制导与控制专业硕士学位，主要研究方向为数字控制系统。电话：025-********（O），025-********（H），139********；电子信箱：skyfly@https://www.doczj.com/doc/d64859848.html, 肖前贵，男，1952年生，高级工程师，现工作于南京航空航天大学自动化学院飞行控制研究所。主要研究方向为无人机飞行控制。 （210016 江苏省南京航空航天大学自动化学院飞行控制研究所）李志宇肖前贵 （Flight Control Research Institute of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu province 210016,China）Li,Zhiyu Xiao,Qiangui 说明：本文拟投稿《微计算机信息》杂志“测控仪表自动化”方面
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