基于LM35的温度测控电路设计

实验三温度控制电路的设计

一、实验目的

（1）了解传感器的基本知识，掌握传感器的基本用法。

（2）了解有关控制的基本知识。

（3）掌握根据温度传感器来设计控制电路的基本思路。

二、设计指标与要求

(1)电源：+12V或±12V单双电源供电均可。

(2)要求温度设定范围为-20℃—+130℃，温度非线性误差不得超过±5℃。

(3)控制部分：监控温度高于设定的上限温度或低于设定的下限温度时，分别点亮不同颜色的二极管。

三、实验原理与电路

本实验要求根据监控温度来做出相应的报警响应，该温度传感控制系统如图1所示。

图1 温度传感器控制框图（一）

温度传感器将温度信号转换为电信号，经过信号处理电路对其进行处理，最后通过报警控制电路来控制发光二极管的指示。

（一）温度传感器

1、有关温度传感元件介绍

集成芯片LM35。LM35是美国国家半导体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呈线性关系。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，LM无须外部校准和微调，可以提供常用的室温精度。

特点与基本参数：

直接以摄氏温度校准：

线性比例因数：+10.0mV/；

0.5℃的精确性保证（+25℃）；

额定全工作范围：-55～+150℃；

电压供电范围：直流4～30V；

漏电电流：小于60μA；

低自发热量，在静止空气中：0.08℃；

非线性特性：±1/4℃；

封装形式及管脚说明、典型应用：LM35采用TO--220塑料封装形式，其引脚排列如图2所示。典型应用如图3所示，在图4中，若

R=-V S/50μA

VOUT =+1500mV (+150℃)

=+250mV (+250℃)

=-550mV (-55℃)

图2 LM35引脚排列图图3 基本摄氏温度图4全工作范围摄氏

传感器（例一）温度传感器（例二）典型性能特性如图5所示：

图5 最小电压输入与温度关系

（2）温度传感元件的选择

根据设计指标与要求中对电源的要求，热敏电阻、LM35和AD590都可以选用，但根据对传感器工作条件和精度要求综合考虑，选择LM35作为温度传感元件。

（二）信号处理

由LM35的技术资料可知，LM35把温度信号转变成了电压信号，输出范围在-50——1500mV内并且输出电压和温度呈良好的线性关系。要点亮发光二极管，仅仅靠LM35提供的输出电压显然是远远不够的，需要对其输出信号进行放大。所以选择电压放大器作为信号处理部分。下面给出用运放实现的基本电压放

大器的实例：

R 2 R2

O

图7 反相比例放大器 图8 同相比例放大器

如图8所示，若R3=R1||R2 , 则

12R R Vi Vo

Av -==

。 如图9所示，若R3=R1||R2 ,则有

121R R Vi Vo

Av +==

,

再次要求放大器的输入电阻要尽量大。

（三） 报警控制

虽然对传感器的输入信号进行放大，但如果直接点亮二极管就无法起到对设定的上限温度或设定的下限温度进行判断的作用，从而分别点亮不同颜色的二极管。在此可以选择电压比较器来对输出电压和某特定电压进行比较，这个比较电压可以根据LM35的输出电压和温度的线性特性，以及放大后的信号和LM35的输出信号的关系得出。

下面给出简单的电压比较器的实例：

如图9所示，图中+V CC 为系统供电电压，Rw 为电位器D1，D2和D3均为稳压管，LED 为发光二极管。从图可知，该比较器的比较电压即为Vp ，即滑动端P 到地之间的电压，可见，该比较电压为正。此电压由系统供电电压提供，为系统供电电压稳定，一般R1较大；为使比较电压Vp 更加稳定，给Rw 并联一个稳压管D1，以稳定电位器两端电压，稳压管稳压电压选择可以根据下式：

CC

W W

D V R R R V 2

1+=

D2和D3构成双向稳压管，R3为限流电阻（保护发光二极管），LED 点亮条件一般为1.6V ，10mA,故可以更具下式来选择限流电阻R3: mA

V R D 107

.023+=

根据以上分析，可以画出该温度控制系统的框图，如图10所示。

图10 温度传感控制电路框图（二）

（四）设计步骤

（1）根据设计指标和温度传感器 的有关资料，选择LM35作为温度传感器，

由于Multisim 中没有LM35，故选用可调电压源代替温度传感器，具体电路设计如图11所示：

图11 可调直流电源

(2)选择合适的电压放大电路，使放大器的输出电压不得超过5V 。LM35输

出端的电压因温度改变1摄氏度而改变10mV ，很难检测。所以必须经过一定的处理方可成为测量以及控制部分所使用的信号。处理方法也就是将它无损的放大一定的倍数。本实验采用同相比例放大电路，因控制或测量最高温度在130摄氏度的时候，LM35输出电压为1.3V 。温度在-20℃摄氏度的时候输出为-200mV 。经下面计算

max v ×A 5V V ≤ min v ×A 0V V ≥

得 max

5

0V V

V A V ≤≤

即03V A ≤≤

考虑计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数为3 为宜。电路如图12所示：

图12 电压放大电路

(3)根据设计要求，设定上限温度为30℃，下限温度为23℃，由温度传感器的线性比例关系可知LM35输出的上门限电压为300mV ,下门限电压为230mV ，经过同相比例放大器的放大，电压比较器的输入电压上限为900mV ，下限为690mV 。因此需要设定同相电压比较器的参考电压V PH = 0.9V ，反相电压比较器的参考电压V PL = 0.69V 。 稳压管稳压电压选择：

CC

W W

D V R R R V 2

1+=

=

1210

11010

?+ =1V

限流电阻选择：

mA V R D 107.023+=

=mV

V

V 107.07.0+=540Ω

当温度高于30℃时，同相比较输出电压V O1输出高电平，此时LED1报警，

亮红灯；当温度高于23℃时，同相比较输出电压V O2输出高电平，此时LED2报警，亮蓝灯；

电压比较器电路设计如下图所示：

图13 同相比较器（1）

图14 同相比较器（2）

（2）将温度传感电路、电压放大电路和报警控制电路级联，完成完整的电路，并调试。

图15 整体电路图

五、实验仪器与设备

直流电源，函数发生器，示波器，毫伏表，温度计

六、测试报告要求

（1）设计完整电路，并在电路图中标出各元件参数，需要计算的要有计算过程。（2）设定上限温度30℃，下限温度23℃，根据所给定的温度计算出比较较电路的比较电压Vp，调整相应的电路参数，并测试，将测试结果填入表1中。

测试温度/实测温度/℃Vp/mV 传感器输出电压

/mV

放大器输出电压

/mV

二极管指示情

况

17——20 690 170—200 510—600 蓝灯亮

25——27 690/900 250—270 750—810 不亮

55——80 900 550—800 1650—2400 红灯亮

（1）蓝灯亮

（2）两灯均不亮

（3）红灯亮

七、实验思考与讨论

（1）什么是传感器？对于温度传感器来说，有什么具体参数指标？

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

对温度传感器来说，具体参数指标有：线性比例因数、额定全工作范围、电

压供电范围、漏电电流、低自发热量、非线性特性等。

（2）在设计放大器时，要求放大器的输入电阻要适当大，为什么？

放大器的输入电阻要适当大是为了让电源电压尽可能全部加在放大器两端。

（3）在所涉及的电压比较电路中，若要求监测温度范围均为正，应当如何调整电路参数，均为负呢？

可以通过电阻R5、R9调节电压放大倍数；通过滑动变阻器改变参考电压（门限电压）。

（4）实际应用中，控制报警部分是通过继电器实现的，这要求将两路输出信号合并为一路，并且能够反映输出情况，试设计电路。

可以再增加一个电压比较器，输入端分别接V O1、V O2，通过这两个值的大小来控制输出电压。