基于LM35溫度傳感器的溫控系統設計

1．引言 在各類民用控制、工業控制以及航空航天技術方面，溫度測量和溫度控制得到了廣泛使用。在很多工作場合，元器件工作溫度指標達不到工業級或普軍級溫度要求，可以通過設計加溫電路的辦法得以解決。小型、低功耗、可靠性高、低成本的溫度傳感器已經越來越受到設計者的關注。本文介紹了一種基于LM35溫度傳感器開發的溫控系統硬件電路及軟件設計

2．LM35溫度傳感器 LM35是NS公司生產的集成電路溫度傳感器系列產品之一，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與用開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優越之處，LM35無需外部校準或微調，可以提供±1/4℃的常用的室溫精度。 工作電壓：直流4～30V； 工作電流：小于133μA 輸出電壓：+6V～-1.0V 輸出阻抗：1mA負載時0.1Ω； 精度：0.5℃精度（在+25℃時）； 漏泄電流：小于60μA； 比例因數：線性+10.0mV/℃； 非線性值：±1/4℃； 校準方式：直接用攝氏溫度校準； 封裝：密封TO-46晶體管封裝或塑料TO-92晶體管封裝； 使用溫度范圍：-55～+150℃額定范圍。 引腳介紹： ①正電源Vcc；②輸出；③輸出地/電源地。

3．系統結構及工作原理 溫控電路由傳感器電路、信號調理電路、A/D采樣電路、單片機系統、輸出控制電路、加溫電路構成。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理電路，信號經過調理后輸入到A/D采樣電路，由A/D轉換器將數字量值送給單片機系統，單片機系統根據設計的溫度要求判斷是否需要接通加溫電路。本文設計時以0℃為判別依據，當溫度量值低于或等于0℃時，使加溫電路接通。當溫度量值高于0℃時，加溫電路停止工作。 520) this.width=520;\\\" border=0> 從圖1中可以看出，無論是何種原因導致環境溫度低于0℃，單片機系統將輸出相應的邏輯電平（本例設計為低電平），經驅動后控制輸出電路的繼電器閉合，使加溫電路工作。此系統是一個開環控制系統。

4．核心硬件電路設計及采樣值量化 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箱中，每隔5℃作為一個測試點，觀測并記錄輸出電壓（測試數據和U-T曲線限于篇幅，從略），試驗結果表明LM35AH的線性度是令人滿意的。 信號調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，調理為±10V直流電壓，運放采用LF412。A/D采樣電路選用12位AD轉換器AD574。單片機系統以AT89C55為CPU，外接鎖存器及輸出驅動電路。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，單獨設計一塊加溫板，電阻采用“串聯＋并聯”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。 采樣值的準確量化是溫控電路正常工作的關鍵，這里采用以下換算辦法來進行量化。 設經過信號調理后的電壓為Ui，則－10V≤Ui≤10V，已知－10V對應的溫度為－55℃，10V對應的溫度為125℃，易求得比例因數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轉換為數字量后，每個數字量對應電壓值為4.883mV，（由12位AD，滿量程20V可得），用Ks表示。可求得數字量變化與溫度變化的對應關系： Kt/Ks ＝（0.111V/℃）/（4.883mV/數字量）＝22.73數字量/℃ 0℃時，AD輸出的數字量D0 = 0+55℃×22.73數字量/℃＝1250＝04E2H。 其他溫度對應的數字量也可通過以上方法算出。

5．系統軟件設計 軟件采用PLM/51語言與ASM混合編程，采用模塊化結構，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成，修改和維護十分方便。 AD與單片機系統AT89C55連接采用中斷方式。當AD轉換完畢后，CPU讀取轉換后的數字量，通過比較判斷，如果數字量大于0℃時對應的數字量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： 520) this.width=520;\\\" border=0> 圖3：系統軟件流程圖 為了避免因干擾而產生誤動作，軟件采取了一些冗余和容錯處理。在AD模塊處理采樣數據時，采用了軟件濾波措施，以濾除電路中可能會出現的尖峰干擾。方法為連續采樣五次，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用來判別的有效數據，再和04E2H（0℃對應數字量）進行比較。AD模塊部分代碼如下： $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)