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基于LM35温度传感器的温控系统设计
发表于 2007-8-4 10:39:10
基于LM35温度传感器的温控系统设计
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

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0.1Ω；
•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。
点击看大图

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。

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)<mini THEN mini="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
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自适应可调稳压
发表于 2007-7-16 15:00:32
 
 
 LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
      LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

特性(Features):
  • 内部频率补偿   
  • 直流电压增益高(约100dB)   
  • 单位增益频带宽(约1MHz)   
  • 电源电压范围宽：单电源(3—30V)；
    双电源(±1.5一±15V)   
  • 低功耗电流，适合于电池供电   
  • 低输入偏流   
  • 低输入失调电压和失调电流   
  • 共模输入电压范围宽，包括接地   
  • 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围   
  • 输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)   
下载资料(英文 PDF-477K)

红外线探测报警器

该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。
　　工作原理
点击看大图
该装置电路原理见图1。由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由IC1的②脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2①脚输出的信号已足够强。IC3作电压比较器，它的第⑤脚由R10、VD1提供基准电压，当IC2①脚输出的信号电压到达IC3的⑥脚时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3的⑦脚由原来的高电平变为低电平。IC4为报警延时电路，R14和C6组成延时电路，其时间约为1分钟。当IC3的⑦脚变为低电平时，C6通过VD2放电，此时IC4的②脚变为低电平，它与IC4的③脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4的①脚变为高电平，VT2导通，讯响器BL通电发出报警声。人体的红外线信号消失后，IC3的⑦脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC4的①脚才变为低电平，时间约为1分钟，即持续1分钟报警。
　　由VT3、R20、C8组成开机延时电路，时间也约为1分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。
　　该装置采用9－12V直流电源供电，由T降压，全桥U整流，C10滤波，检测电路采用IC5 78L06供电。本装置交直流两用，自动无间断转换。
　　元器件选择与制作
　　元器件清单见下表。

编　号 名　称 型　号 数　量 编　号 名　称 型　号 数　量
R1 电阻 47K 1 C10 电解电容 470u/25V 1
R2 电阻 1M 1 C11 涤纶电容 0.1u 1
R3 电阻 1K 1 VD1－VD5 整流二极管 IN4001 5
R4 电阻 4.7K 1 U 全桥 2A/50V 1
R5、R6、R9、R12、R13、R15、 电阻 100K (R12为线性微调电阻) 6 VT1 晶体三极管 9014 1
R7、R10、R11、R17 电阻 10K 4 VT2 晶体三极管 MPSA13 0.5A 30V 1
R8、R16 电阻 300K 2 VT3 晶体三极管 8050 1
R14 电阻 470K 1 IC1 红外线传感器 Q74 1
R18 电阻 2.4K 1 IC2 运算放大器 LM358 1
R19 电阻 220Ω 1 IC3 比较器 LM393 1
R20 电阻 560K 1 IC4 三端稳压器 78L06 1
C1、C2、C6、C8、C9 电解电容 47u/16V (C2、C5用钽电解） 5 BL 电磁讯响器 U=12V 1
C3、C5 电解电容 22u/16V 2 T 电源变压器 12V    5W 1
C4 涤纶电容 0.01u 1 S 钮子开关 　 1
C7 电解电容 220u/16V 1 　 　 　 　

IC1采用进口器件Q74，波长为9－10um。IC2采用运放LM358，具有高增益、低功耗。IC3、IC4为双电压比较器LM393，低功耗、低失调电压。其中C2、C5一定要用漏电极小的钽电容，否则调试会受到影响。R12是调整灵敏度的关键元件，应选用线性高精度密封型。
　　制作时，在IC1传感器的端面前安装菲涅尔透镜，因为人体的活动频率范围为0.1－10Hz，需要用菲涅尔透镜对人体活动频率倍增。
　　安装无误，接上电源进行调试，让一个人在探测器前方7－10m处走动，调整电路中的R12，使讯响器报警即可。其它部分只要元器件质量良好且焊接无误，几乎不用调试即可正常工作。
　　本机静态工作电流约10mA，接通电源约1分钟后进入守候状态，只要有人进入监视区便会报警，人离开后约1分钟停止报警。如果将讯响器改为继电器驱动其它装置即作为其它控制用。

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