本设计介绍了一种应用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。

1、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。

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0.1?;

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)封装：密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装;

11)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。

2、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。

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。

3、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℃&mes;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℃&mes;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。

4、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：

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：

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。

LM35

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。

LM35分类

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。

图一：LM35封装

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。

计算公式

封装型号

TO-46金属罐形封装

LM35H,LM35AH,LM35CH,LM35CAH,LM35DH

TO-220 塑料封装

LM35DT

TO-92封装

LM35CZ,LM35CAZ LM35DZ

SO-8 IC式封装

LM35DM

规格参数

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℃

电气特性

温度传感器介绍

温度传感器(temperature transducer)是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

主要分类

接触式

接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

非接触式

它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体(吸收全部辐射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。

至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度(即介质温度)进行修正而得到介质的真实温度。

非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温 逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。

工作原理

金属膨胀原理设计的传感器

金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸，因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。

双金属片式传感器

双金属片由两片不同膨胀系数的金属贴在一起而组成，随着温度变化，材料A比另外一种金属膨胀程度要高，引起金属片弯曲。弯曲的曲率可以转换成一个输出信号。

双金属杆和金属管传感器

随着温度升高，金属管(材料A)长度增加，而不膨胀钢杆(金属B)的长度并不增加，这样由于位置的改变，金属管的线性膨胀就可以进行传递。反过来，这种线性膨胀可以转换成一个输出信号。

液体和气体的变形曲线设计的传感器

在温度变化时，液体和气体同样会相应产生体积的变化。

多种类型的结构可以把这种膨胀的变化转换成位置的变化，这样产生位置的变化输出(电位计、感应偏差、挡流板等等)。

电阻传感

金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。

对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。

电阻共有两种变化类型

正温度系数

温度升高 = 阻值增加

温度降低 = 阻值减少

负温度系数

温度升高 = 阻值减少

温度降低 = 阻值增加

热电偶传感

热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

主要用途

温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%。

温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。

由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。

温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度(如慢速行使的火车的轴承温度，旋转着的水泥窑的温度)及热容量小的物体(如集成电路中的温度分布)。

应用领域

温度传感器[2] 是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继 开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不 加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度 也各不相同。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶 温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关