基于LM35溫度傳感器的溫控系統(tǒng)設(shè)計

　　本設(shè)計介紹了一種應(yīng)用LM35溫度傳感器開發(fā)的溫控系統(tǒng)，重點闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理以及采樣值量化。同時對LM35傳感器特性、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計也作了介紹。該系統(tǒng)體積小、成本低、工作可靠，具有很高工程應(yīng)用價值。系統(tǒng)稍加改動或擴(kuò)展，還可以完成溫度測量等功能。

　　1、lM35溫度傳感器

　　LM35是NS公司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器系列產(chǎn)品之一，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。因而，從使用角度來說， LM35與用開爾文標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，LM35無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)，可以提供±1/4℃的常用的室溫精度。

　　1）工作電壓：直流4～30V；

　　2）工作電流：小于133μA

　　3）輸出電壓：+6V～-1.0V

　　4）輸出阻抗：1mA負(fù)載時0.1?；

　　5）精度：0.5℃精度（在+25℃時）；

　　6）漏泄電流：小于60μA；

　　7）比例因數(shù)：線性+10.0mV/℃；

　　8）非線性值：±1/4℃；

　　9）校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；

　　10）封裝：密封TO-46晶體管封裝或塑料TO-92晶體管封裝；

　　11）使用溫度范圍：-55～+150℃額定范圍。 引腳介紹：

　?、僬?a target="_blank">電源Vcc；

　　②輸出；

　　③輸出地/電源地。

　　2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　溫控電路由傳感器電路、信號調(diào)理電路、A/D采樣電路、單片機系統(tǒng)、輸出控制電路、加溫電路構(gòu)成。電路基本工作原理：傳感器電路將感受到的溫度信號以電壓形式輸出到信號調(diào)理電路，信號經(jīng)過調(diào)理后輸入到A/D采樣電路，由A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量值送給單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計的溫度要求判斷是否需要接通加溫電路。本文設(shè)計時以0℃為判別依據(jù)，當(dāng)溫度量值低于或等于0℃時，使加溫電路接通。當(dāng)溫度量值高于0℃時，加溫電路停止工作。

　　從圖1中可以看出，無論是何種原因?qū)е颅h(huán)境溫度低于0℃，單片機系統(tǒng)將輸出相應(yīng)的邏輯電平（本例設(shè)計為低電平），經(jīng)驅(qū)動后控制輸出電路的繼電器閉合，使加溫電路工作。此系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。

　　3、核心硬件電路設(shè)計及采樣值量化

　　傳感器電路采用核心部件是LM35AH，供電電壓為直流15V時，工作電流為120mA，功耗極低，在全溫度范圍工作時，電流變化很小。電壓輸出采用差動信號方式，由2、3引腳直接輸出，電阻R為18K普通電阻，D1、D2為1N4148。如圖2。此電路適用于測溫范圍為-55～+150℃場合。如果測溫范圍變化，可以對此電路作一些調(diào)整。筆者曾單獨對此電路做過溫度試驗，把傳感器放在溫變循環(huán)箱中，每隔5℃作為一個測試點，觀測并記錄輸出電壓（測試數(shù)據(jù)和U-T曲線限于篇幅，從略），試驗結(jié)果表明LM35AH的線性度是令人滿意的。

　　信號調(diào)理電路主要完成對傳感器信號放大和限幅的功能，將傳感器電路輸出的變化范圍為2V左右的直流電壓，調(diào)理為±10V直流電壓，運放采用LF412。A/D采樣電路選用12位AD轉(zhuǎn)換器AD574。單片機系統(tǒng)以AT89C55為CPU，外接鎖存器及輸出驅(qū)動電路。輸出電路使用松下PhotoMOS繼電器AQZ202，來控制加溫電路的通斷。加溫電路采用功率電阻加溫的方法，單獨設(shè)計一塊加溫板，電阻采用“串聯(lián)＋并聯(lián)”的方式，總阻值為14Ω左右，供電電壓為直流28V，整板加溫功率為50W。

　　采樣值的準(zhǔn)確量化是溫控電路正常工作的關(guān)鍵，這里采用以下?lián)Q算辦法來進(jìn)行量化。

　　設(shè)經(jīng)過信號調(diào)理后的電壓為Ui，則－10V≤Ui≤10V，已知－10V對應(yīng)的溫度為－55℃，10V對應(yīng)的溫度為125℃，易求得比例因數(shù)Kt＝0.111V/℃。

　　溫度為0℃時，ΔT＝55℃（即相對于－55℃的變化量）。 Ui＝－10V+ΔT·Kt＝－10V+55℃×0.111V/℃＝-3.895 V。 Ui轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，每個數(shù)字量對應(yīng)電壓值為4.883mV，（由12位AD，滿量程20V可得），用Ks表示?？汕蟮脭?shù)字量變化與溫度變化的對應(yīng)關(guān)系：

　　Kt/Ks ＝（0.111V/℃）/（4.883mV/數(shù)字量）＝22.73數(shù)字量/℃

　　0℃時，AD輸出的數(shù)字量D0 = 0+55℃×22.73數(shù)字量/℃＝1250＝04E2H。 其他溫度對應(yīng)的數(shù)字量也可通過以上方法算出。

　　4、系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件采用PLM/51語言與ASM混合編程，采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由主模塊、AD采樣模塊、初始化模塊、定時器模塊、出錯處理模塊等部分構(gòu)成，修改和維護(hù)十分方便。

　　AD與單片機系統(tǒng)AT89C55連接采用中斷方式。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換完畢后，CPU讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，通過比較判斷，如果數(shù)字量大于0℃時對應(yīng)的數(shù)字量04E2H，則刷新邏輯輸出口P1，送低電平。否則，P1口為高電平。軟件工作流程如圖3：

　　為了避免因干擾而產(chǎn)生誤動作，軟件采取了一些冗余和容錯處理。在AD模塊處理采樣數(shù)據(jù)時，采用了軟件濾波措施，以濾除電路中可能會出現(xiàn)的尖峰干擾。方法為連續(xù)采樣五次，通過比較判斷，去掉其中的最大、最小值。其余三次的值求和后取平均值，把平均值作為CPU用來判別的有效數(shù)據(jù)，再和04E2H（0℃對應(yīng)數(shù)字量）進(jìn)行比較。AD模塊部分代碼如下：

　　基于LM35開發(fā)的溫控系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)試驗、測試，工作穩(wěn)定可靠，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)時間短、抗干擾能力強等特點。該系統(tǒng)成本低廉，器件均為常規(guī)元件，有很高的工程價值，現(xiàn)已應(yīng)用于某型無人機飛控系統(tǒng)。如稍加改動，本系統(tǒng)可以很方便的擴(kuò)展成為集溫度測量、控制為一體的產(chǎn)品，同時傳感器LM35的小范圍非線性可以利用軟件算法進(jìn)行修正。