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发表于 2007-6-26 14:35:30

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基于LM35温度传感器的温控系统设计

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。
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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

系统分类: 单片机   |   用户分类: 测量 传感器   |   来源: 转贴   |   【推荐给朋友】   |   【添加到收藏夹】

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