基于LM35的高精度溫控系統(tǒng)的設(shè)計

李香宇，任建存，王世功，徐向美

（1.海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺 264001；2.煙臺東方分析儀器有限公司 山東 煙臺 264001；3.煙臺南山學(xué)院 山東 煙臺 264001）

基于LM35的高精度溫控系統(tǒng)的設(shè)計

李香宇1，任建存1，王世功2，徐向美3

（1.海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺 264001；2.煙臺東方分析儀器有限公司 山東 煙臺 264001；3.煙臺南山學(xué)院 山東 煙臺 264001）

溫度穩(wěn)定性是儀器儀表制造的一個關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，因此設(shè)計采用線性較好的溫度傳感器LM35，通過對傳感器、信號放大及AD采樣電路的優(yōu)化，提高溫度采樣精度，采用高度集成的STM32F103，內(nèi)置數(shù)字PID控制算法，結(jié)合PWM控制模式，不僅大大提高溫度控制精度，也提高了控制效率，有效地提高儀器儀表測量分析性能。

溫度傳感器LM35；STM32F103；溫控系統(tǒng)；PID

對于儀器儀表制造中，溫度穩(wěn)定性成為一個非常關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)[1]。特別是光學(xué)儀器，環(huán)境溫度波動會造成光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)漂移，給儀器測量分析帶來較大系統(tǒng)誤差，溫度成為制約儀器工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[2]。一般情況下，儀器儀表都是安裝在室內(nèi)，正常工作溫度一般在0～40℃，而一些高精密的儀器還需要在室內(nèi)專門安裝空調(diào)設(shè)施，保證室內(nèi)溫度相對恒定。所以，針對儀器儀表的關(guān)鍵系統(tǒng)只需要控制在超過室內(nèi)溫度即可，一般在30～40℃。為了保證儀器關(guān)鍵系統(tǒng)穩(wěn)定工作，達(dá)到最佳工作性能，由此設(shè)計儀器儀表的恒溫控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用內(nèi)部集成PWM單元的ARM微控制器STM32F103作為主控制器，采用測溫范圍在-55～150℃的溫度傳感器LM35采集溫度，采用LM358設(shè)計放大倍數(shù)為5倍的信號放大電路，模擬溫度信號經(jīng)主控制器STM32F103上集成的12位ADC進(jìn)行采樣，根據(jù)采集的溫度值與預(yù)設(shè)溫度值采用PID處理分析，根據(jù)PID計算控制量由PWM輸出控制信號到光耦隔離器MOC3061，然后驅(qū)動雙向晶閘管BTA12，控制加熱器，最終實現(xiàn)對儀器儀表加熱恒溫[3]。該溫控系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 溫控系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器采用LM35CAZ，該器件是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的系列精密集成電路溫度傳感器，它輸出電壓與攝氏溫度線性成比例[4]，優(yōu)于用開爾文標(biāo)準(zhǔn)的線性溫度傳感器，LM35無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)就可以提供±0.25℃的室溫精度，在-55～+150℃溫度范圍內(nèi)可以達(dá)到±0.75℃[5]。本設(shè)計中采用LM35實現(xiàn)10～50℃溫度測量，通過對LM35電源電路和信號調(diào)理電路的優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)±0.1℃控制精度，LM35的輸出電壓與溫度存在著較好的線性關(guān)系，其靈敏度為10.0 mV/℃。本設(shè)計中LM35工作在單電源模式，LM35供電電路如圖2所示。

圖2 LM35供電電路圖

2.2 放大電路

LM35在 10～50℃輸出信號約為 100～500 mV，ADC采用2.5V外部參考源電路，最大采樣電壓是2.5V，需要設(shè)計放大倍數(shù)為5倍的放大電路，以提高ADC采樣精度，以提高溫度測量精度。本設(shè)計采用LM358D構(gòu)成低通正向放大電路[6]，所以，溫度信號采取正向輸入，獲得較高輸入阻抗，R3選擇為2kΩ，反饋電阻 R4=2kΩ*（5-1）=8kΩ，輸入阻抗 R2=R3//R4≈2kΩ，反饋電容C3為低通濾波電容，溫度實際為變化緩慢的參量，設(shè)計選擇帶寬1 kHz，可以計算濾波電容C3=0.47μF。低通濾波放大電路如圖3所示。

圖3 低通濾波放大電路圖

2.3 STM32F103控制器

STM32F103是意法半導(dǎo)體公司推出的一款32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3[7]。最高工作頻率達(dá)到72 MHz，在存儲器的0等待周期訪問時可達(dá) 1.25DMIPS/MHz， 片內(nèi)集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種功能外設(shè)。 集成最大64 K字節(jié)的SRAM，128 K字節(jié)的FLASH[8]。集成2個DMA控制器，共12個DMA通道，其中DMA1有7個通道，DMA2有5個通道。集成3個16位定時器，每個定時器有多達(dá)4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入。ADC采用STM32F103片內(nèi)集成ADC，ADC轉(zhuǎn)化精度12 bit，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到1 MSa/S，多達(dá)16個模擬輸入通道，該系統(tǒng)采用ADC0作為溫度信號的輸入通道[9]。

2.4 功率驅(qū)動電路

功率驅(qū)動電路工作在一種高效的PWM控制模式，只需要控制單元提供一定周期的開關(guān)信號，STM32F103的端口驅(qū)動電流達(dá)到10 mA，完全可以驅(qū)動MOC3061前級光電二極管，功率開關(guān)采用BTA系列的晶閘管，根據(jù)加熱器輸出功率需要，可以選擇不同負(fù)載能力的晶閘管。該系統(tǒng)控制加熱功率為1kW，如果采用電源220VAC，則選擇驅(qū)動電流至少為5 A的晶閘管，為了提高功率開關(guān)的可靠性，該系統(tǒng)選擇BTA12。功率驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 功率驅(qū)動電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

選擇合適的軟件開發(fā)環(huán)境可以加快開發(fā)進(jìn)度，節(jié)省開發(fā)成本。STM32F103微處理器基于ARM核，所以很多基于ARM的嵌入式開發(fā)環(huán)境都可用于STM32開發(fā)平臺[10]。本設(shè)計采用STM32系列ARM常用的開發(fā)工具Keil MDK。Keil是德國知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前ARM內(nèi)核單片機(jī)開發(fā)的主流工具[11]。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（u Vision）將這些功能組合在一起。u Vision當(dāng)前最高版本是u Vision4，它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序、軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。

3.2 啟動ADC

STM32F103內(nèi)部集成ADC，通過軟件編程讓ADC工作在軟啟動模式[12]，由DMA方式將AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直接讀取到SRAM，整個AD轉(zhuǎn)換過程不需要CPU干預(yù)，只需要到指定的SRAM存儲區(qū)讀取數(shù)據(jù)即可，在做這些工作之前，需要對ADC的模擬輸入端口、時鐘、DMA通道等進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)如下：

3.3 數(shù)字PID

PID是智能控制領(lǐng)域常用的控制方式，傳統(tǒng)模擬PID通過在電路中植入比例、積分、微分環(huán)節(jié)實現(xiàn)[13]，各環(huán)節(jié)電路參數(shù)計算較為復(fù)雜，同時，電路參數(shù)調(diào)試也很不方便。本設(shè)計通過采集溫度數(shù)據(jù)，采用數(shù)字PID算法，軟件設(shè)計PID實現(xiàn)參數(shù)計算，各參數(shù)調(diào)試整定更加靈活，可以快速找到系統(tǒng)控制參數(shù)。PID計算子程序的主要功能是根據(jù)整定的PID參數(shù)進(jìn)行計算。PID計算的子程序如下：

3.4 PWM輸出模式

該系統(tǒng)將采集溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定溫度通過PID計算出系統(tǒng)控制量，采用STM32F103內(nèi)置的PWM控制器輸出固定頻率的不同占空比的PWM信號，通過光電耦合器隔離驅(qū)動功率開關(guān)，實現(xiàn)加熱器輸出功率控制。這是比較常用一種固定周期PWM控制模式[14]。也可以選擇工作在低電平或高電平時間固定，由控制量給出另一種狀態(tài)的工作時間，這是一種變周期PWM控制模式，溫控系統(tǒng)會根據(jù)目標(biāo)不同自動改變工作周期。無論工作哪種PWM模式，根據(jù)PWM占空比很容易給出不同時刻加熱器的加熱效率和加熱功率。

4 實驗結(jié)果

PID控制難點(diǎn)在給定控制對象和控制目標(biāo)的情況下，如何選擇PID各環(huán)節(jié)的參數(shù)[15]，本設(shè)計根據(jù)實驗調(diào)試，初步給定系統(tǒng)控制參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)速度、控制精度對各參量進(jìn)行優(yōu)化，在實際應(yīng)用中，在室溫不超過10℃/小時的變化條件下，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗擾動能力，得到較好的控制效果。下面數(shù)據(jù)是該系統(tǒng)裝備到一款光電儀器中測試的結(jié)果，溫控實際控制精度可以達(dá)到35±0.1℃，達(dá)到進(jìn)口儀器中溫控應(yīng)用的主流水平。本系統(tǒng)在密閉環(huán)境下進(jìn)行實驗，得到8個小時內(nèi)溫度變化趨勢圖，如圖5所示。

5 結(jié)束語

本溫控系統(tǒng)采用高度集成的STM32F103，內(nèi)置數(shù)字PID控制算法，結(jié)合PWM控制模式，不僅大大提高溫度控制精度，也提高了控制效率，有效地提高儀器儀表分析測量性能，這為儀器儀表高端應(yīng)用提供了保障。經(jīng)實驗測試，本系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高、電路簡單，完全能夠滿足高性能儀器儀表的應(yīng)用要求。

圖5 8小時內(nèi)的溫度變化趨勢圖

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Design of high-precision temperature control system based on LM35

LI Xiang-yu1，REN Jian-cun1，WANG Shi-gong2，XU Xiang-mei3
（1.Naval Aeronautical Engineering Institute， Yantai 264001，China；2.Yantai Dongfang Analytical Instruments Ltd.，Yantai 264001，China；3.Yantai Nanshan University， Yantai 264001，China）

Temperature stability has become a key technical indicators，so the design uses linear better temperature sensor LM35，sampling circuit through to sensors，signal amplification and AD optimization，raising the temperature sampling precision，highly integrated STM32F103，built-in digital PID control algorithm，combined with the PWM control mode，not only greatly improve the accuracy of temperature control，but also improve the control efficiency and effectively improve the instrument analytical measuring performance.

temperature sensor LM35；STM32F103；temperature control system；PID

TN02

：A

：1674－6236（2017）15-0094-04

2016-07-04稿件編號：201607021

李香宇（1982—），女，遼寧阜新人，碩士研究生，講師。研究方向：檢測技術(shù)、智能儀器儀表。