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Arduino ADC + 模拟温度传感器LM35D
LM35是美国国家半导体(后被TI收购)推出的精密温度传感IC系列,其信号输出方式为模拟输出,输出电压值与摄氏温度值呈正比,且用户不需额外的校正就能获得较高的测量精度。其主要特性有:
- 供电电压:4~30V
- 测量范围:与芯片相关,单个正电源供电时最大+2~+150°C
- 测量精度:与芯片、测量温度有关,如下图。可见室温附近误差典型值大约在+-0.5°C,最大值在+-0.5°C到+-1.5°C不等。本文中使用的LM35D是精度最差的芯片,误差最大值约+-1.5°C。
- 功耗:与测量电路、温度有关,大约在50~100μA范围。
- Sensor Gain:10mV/°C,电压与温度的关系为 Vout = Temperature × 10mV/°C。
- 长期稳定性:量程最高温度下1000小时漂移+-0.08°C。
- 封装:有TO-92、Metal Can、SOIC-8、TO-220。本文使用的LM35D为TO-92封装。
电路连接
LM35D采用Arduino UNO板上的5V电压供电,信号输出端与A0管脚相连。
简单的电压读取和转换
转换采用Arduino的ADC功能实现,测量电压与AD采样值的关系为:
其中,Vin是被测量(输入)电压;Vref是参考电压,若不特殊设置的话即为供电电压,对于UNO板为5V;resolution是ADC的比特数(不含符号位),对于atmega328p为10比特;ADC为读取的转换结果。严格来讲,上式的分母应该再减去1,但是否减1对结果的影响可以忽略不计。实现的代码非常简单:
1 /* 2 Measuring the temperature using the LM35 sensor 3 Connection: 4 LM35 UNO 5 Vs <------> 5V 6 GND <-----> GND 7 Vout <----> A0 8 9 */10 11 const int PIN_LM35 = A0; //pin connection12 13 float sensorVolt; //unit: mV14 float temperature; //unit: centigrade15 16 void setup()17 {18 Serial.begin(115200); //initialize serial communication19 }20 21 void loop()22 {23 sensorVolt = analogRead(PIN_LM35)*5000.0/1023; //do conversion24 temperature = sensorVolt/10.0;25 26 Serial.print("Temperature: "); //print the result27 Serial.print(temperature); 28 Serial.println(" `C"); 29 30 delay(1000); //delay 1s31 }
获得更高分辨率
除了采用电源电压作为基准源外,atmega328p提供了1.1V的内部基准源。在室温条件下测量时,LM35的输出电压在几百mV量级,因此可以利用内部基准源获得更高的测量分辨率。
- 若使用5V的电源电压作为基准源时,测量分辨率为5000mV/1024 = ~4.9mV,对应温度0.49°C;
- 若使用1.1V的内部基准源,测量分辨率为1100mV/1024 = ~1.1mV,对应温度0.11°C,分辨能力有明显的提高。
代码也很简单,只需增加analogReference()语句及更改转换参数即可:
1 /* 2 Measuring the temperature using the LM35 sensor 3 Connection: 4 LM35 UNO 5 Vs <------> 5V 6 GND <-----> GND 7 Vout <----> A0 8 9 */10 11 const int PIN_LM35 = A0; //pin connection12 13 float sensorVolt; //unit: mV14 float temperature; //unit: centigrade15 16 void setup()17 {18 analogReference(INTERNAL); //use internal voltage reference19 Serial.begin(115200); //initialize serial communication20 }21 22 void loop()23 {24 sensorVolt = analogRead(PIN_LM35)*1100.0/1023; //do conversion25 temperature = sensorVolt/10.0;26 27 Serial.print("Temperature: "); //print the result28 Serial.print(temperature); 29 Serial.println(" `C"); 30 31 delay(1000); //delay 1s32 }
然而,atmega328p的手册中描述内部基准源本身的误差有+-9%左右。因此,使用内部基准源在提高分辨能力的同时,也引入了额外的测量误差。更好的方法是采用外部的高精度基准源。
参考资料
datasheet: LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors - TI
Tutorial: Analog to Digital Conversion - Thanks to SparkFun
How to Build a LM35 Temperature Sensor Circuit
Arduino LM35 Sensor (包含利用Processing实现结果可视化的程序)
TMP36 Temperature Sensor - from Adafruit
Arduino ADC + 模拟温度传感器LM35D