基于LM35温度传感器的高精度恒温控制系统

　　LM35温度传感器

　　LM35 是由National Semiconductor 所生产的温度传感器，其输出电压为摄氏温标。LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。LM35有多种不同封装型式。在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到 ±1/4℃的准确率。

　　分类介绍

　　其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其引脚如图一所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。

　　工作电压4～30V，在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。

　　目前，已有两种型号的LM35可以提供使用。LM35DZ输出为0℃～100℃，而LM35CZ输出可覆盖－40℃～110℃，且精度更高，两种芯片的精度都比LM35高，不过价格也稍高。

　　规格参数

　　1、工作电压：直流4～30V；

　　2、工作电流：小于133μA

　　3、输出电压：+6V～-1.0V

　　4、输出阻抗：1mA负载时0.1Ω；

　　5、精度：0.5℃精度（在+25℃时）；

　　6、漏泄电流：小于60μA；

　　7、比例因数：线性+10.0mV/℃；

　　8、非线性值：±1/4℃；

　　9、校准方式：直接用摄氏温度校准；

　　10、额定使用温度范围：-55～+150℃。

　　11、引脚说明：①电源负GND；②电源正VCC；③信号输出S；

　　传感器参数

　　供电电压35V到-0.2V

　　输出电压6V至-1.0V

　　输出电流10mA

　　指定工作温度范围

　　LM35A -55℃ to +150℃

　　LM35C， LM35CA -40℃ to +110℃

　　LM35D 0℃ to +100℃

　　基于LM35温度传感器的高精度恒温控制系统

　　温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，如大型饲养场、人工气候、无土栽培等许多场合。在这些场合里，人们都用大量的温度计来采集温度。我们知道计量工具大多需要定期校正（常规下一年或者半年校正一次）。但是这些应用里的温度测量仪器一旦安装后，往往难以送到计量部门去校正。因此，对温度控制工艺曲线的在线快速检测与校正就显得十分重要。为此，作者采用PID控制技术开发了一套起计量传递作用的校正控制系统，以及一套全自动的PID参数测定与调整的温度分析系统。

　　系统硬件设计

　　系统原理框图见图1，与常规A/D转换相比，此系统有以下优点：

　　1、M35配合专用的V/F转换器，具有转换线性度好，精度较高，且便于利用单片机进一步提高测量精度；

　　2、由于V/F变换本身是积分模式，所以抗干扰能力强；

　　3、于V/F变换输出是脉冲，易实现光电隔离；

　　4、号传输只占据一位数据口，接口方便，成本低；

　　5、于远距离传输，实现远程温度控制。

　　其次，在设计系统时，易于安排具有强电隔离、升降温控制、显示、报警、报数等功能电路。因而，本系统可靠实用、唯一不足的是采集速度较慢，但对一般速度的温度控制而言，适当的设计仍能获得高精度的控制品质。

　　（1）测温和V/F变换电路见图2：传感器LM35的灵敏度为 10mV/℃，适合与V-F 专用芯片LM331配合使用。信号直接从 LM35 输出端取样滤波后送到 LM331 进行 V-F变换，并使 200mV~1500mV 对应 200Hz~1500Hz。为了使信号的抗干扰能力增强，在信号变换时进行了光电隔离。为了提高测量精度，适应测量周期的要求，利用555芯片对频率信号作了分频处理。

　　（2）语音电路与接口：本系统采用ISD1400芯片作为温度语音电路，它有20秒的录放时间。语音地址直接由89C52的P1口经74LS373提供。预先录制好的温度语音，由 89C52 判断被测温度，通过 74LS373 对其进行任意组合放出，从而实现实时温度报数、预置温度报警。

　　（3）过零脉冲的提取：为了在零点进行通断控制，需要提取市电的过零脉冲采用运算放大器构成过零比较器，然后通过 NE555 芯片产生单稳态触发，调节到适合控制可控硅导通的脉冲，就可以精确地提取过零点。

　　（4）市电导通周波数控制及功率驱动控制脉冲由三态门缓冲器输出，经光电隔离后送入驱动三极管的基极，经电流放大后驱动双向可控硅，达到功率控制的目的。

　　（5）直流电机驱动电路由于直流电机工作电压为12V左右，而工作电流也比较大，因而必须采取功率放大电路，为此我们选用功率场效应管的单电压功放电路。

　　（6）温度变送器电路：本单元电路以 AD694为核心，实现 0～2V 变换为 4～20mA，便于远程控制。信号传输到目的地后，再由 4～20mA 变换为 0～5V。由于从前置级输出的信号为 0～2V，所以，以 2V 作为参考电压。

　　系统软件设计

　　本系统采用了类似 PID的有较高精度的加热控制算法，并利用一台微型风扇控制超调量。程序流程图见图3。

　　由于传感器LM35的灵敏度为10mV/℃，为保证0.1℃的控制精度，因此采用V/F变换电路使每10mV的电压变化对应 10Hz的频率变化。从而有每0.1℃的温度变化对应1Hz的频率变化，达到了分辨率为0.1℃。通过测量送入脉冲个数来测定频率，其稳定性非常好。采用类似的离散型的 PID 算法来无穷逼近预置值，达到了高精度的控制。其原理是利用电阻丝加热一供测量用的简易的金属热平衡块。因此，受控对象可以看成是一个具有一定自衡能力的惯性系统，可用一阶惯性环节和一个延迟环节来近似。其近似传递函数为：

　　G（S）=K/［（1+TS）×（1+τS）］

　　在本系统中，由于T》》τ，故只需进行比例积分调节即可。最终将温度控制转化为加温脉冲个数N的控制，达到实现温控的目标一般的比例微分积分控制算法参数的整定是采用凑数法或通过温度记录仪（也可能微机）实现温度记录。而本系统可由自动测定PID参数软件，通过跟踪描绘控制曲线，验证和检查控制质量。为了适应控制系统的一般性，本系统采用扩充响应曲线法来选择PID参数。获得控制目标为 65℃时的温度控制曲线，见图4。