基于温度传感器的温控系统设计
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! 传感器与仪表应用 200 例"
李志 宇!助 工
基于 !"#$ 温度传感器的温控系统设计
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!南京航空航天大学" 李志宇 肖前贵
Li,Zhiyu Xiao,Q iangui
摘要 !本 文 介 绍 了 一 种 应 用 #$%& 温 度 传 感 器 开 发 的 温 控 系
统 "重 点 阐 述 了 系 统 结 构 %工 作 原 理 以 及 采 样 值 量 化 & 同 时
对 #$%& 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 &
关键 词 !温 度 传 感 器" 工 作 原 理" 硬 件 设 计" 软 件 设 计
中图 分 类 号 !#$%&’ 文 献 标 识 码 !(
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) 引言
在各类民用控制#工业控制以及航空航天技术方面$温度测
量和温度控制得到了广泛使用%在很多工作场合$元器件工作温
度指标达不到工业级或普军级温度要求$ 可以通过设计加温电
路的办法得以解决%小型#低功耗#可靠性高#低成本的温度传感
器已经越来越受到设计者的关注% 本文介绍了一种基于 #$%&
温度传感器开发的温控系统硬件电路及软件设计%
2 JK’- 温度传感器
#$%& 是 DE 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$从使用角度来说$ #$%& 与
用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处$#$%& 无
需外部校准或微调$可以提供"FGH#的常用的室温精度%
&工作电压’直流 H$%IJ(
&工作电流’小于 F%%!K
&输出电压’LMJ$NF:IJ
&出阻抗’F5K 负载时 I:F"(
&精度’I:&%精度)在LO&%时*(
&漏泄电流’小于 MI!K(
&比例因数’线性LFI:I5JG%(
&非线性值’"FGH%(
&校准方式’直接用摄氏温度校准(
&封装’密封 ’PNHM 晶体管封装或塑料 ’PNQO 晶体管封装(
&使用温度范围’N&&$LF&I%额定范围%
引脚介绍’
#正电源 J..($输出(%输出地G电源地%
’ 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#KGR 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 $信号经过调理后输入到 KGR 采样电路$由 KGR 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 I%为判别依据$当温度
量值低于或等于 I%时$使加温电路接通% 当温度量值高于 I%
时$加温电路停止工作%
图 F 温控系统原理框图
从图 F 中可以看出$ 无论是何种原因导致环境温度低于
I%$单片机系统将输出相应的逻辑电平)本例设计为低电平*$
经驱动后控制输出电路的继电器闭合$使加温电路工作%此系统
是一个开环控制系统%
/ 核心硬件电路设计及采样值量化
传感器电路采用 核 心 部 件 是 #$%&KS$ 供 电 电 压 为 直 流
F&J 时$工作电流为 FOI5K$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 O#% 引脚直接输
出$电阻 T 为 FUV 普通电阻$RF#RO 为 FDHFHU% 如图 O% 此电路
适用于测温范围为N&&$LF&I%场合% 如果测温范围变化$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 &%作为一个测试点$观测并记录输
出电压)测试数据和 WN’ 曲线限于篇幅$从略*$试验结果表明
#$%&KS 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 OJ 左右的直流电压$调理为"
FIJ 直流电压$运放采用 #XHFO% KGR 采样电路选用 FO 位 KR 转
换器 KR&YH% 单片机系统以 K’UQZ&& 为 Z[W$外接锁存器及输
出驱动电路% 输出电路使用松下 [(1,1$PE 继电器 K\]OIO$来
控制加温电路的通断%加温电路采用功率电阻加温的方法$单独
设计一块加温板$电阻采用+串联&并联,的方式$总阻值为 FH"
左右$供电电压为直流 OUJ$整板加温功率为 &IA%
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 W-$则’FIJ!W-!FIJ$已知’
M%N N
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中 文 核 心 期 刊 !微 计 算 机 信 息 "(测 控 自 动 化)2004 年 第 20 卷 第 10 期
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!
"#$%#$
&’()
*+
*,
-.//
+0. 对应的温度为!11"#+2. 对应的温度为 +,1"#易求得比例
因数 3$#24+++.5"$
图 , 传感器电路原理图
温度为 2"时#!6#11"%即相对于!11"的变化量&$
78#!+2.9!6’3$#!+2.-))"$24+++.5"#:;4<=) .$
78 转换为数字量后# 每个数字量对应电压值为 >4<<;?.#
%由 +, 位 @*#满量程 ,2. 可得&#用 3A 表示$ 可求得数字量变
化与温度变化的对应关系(
3$53A #%24+++.5"&5%>4<<;?.5数字量&#,,4B( 数字量5"
2"时 #@* 输 出 的 数 字 量 *2 C 2911"$,,4B( 数 字 量5"#
+,12#2DE,F$
其他温度对应的数字量也可通过以上方法算出$
! 系统软件设计
软件采用 GH’51+ 语言与 @I’ 混合编程#采用模块化结构#
主要由主模块)@* 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*
@* 与单片机系统 @6<=J11 连接采用中断方式* 当 @* 转
换完毕后#JG7 读取转换后的数字量#通过比较判断#如果数字
量 大 于 2" 时 对 应 的 数 字 量
2>E,F# 则刷新逻辑输出口 G+#
送低电平* 否则#G+ 口为高电平*
软件工作流程如图 ;(
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 @* 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 JG7 用 来 判 别 的 有
效数 据 #再 和 2>E,F%2"对 应 数
字量&进行比较, @* 模块部分代
码如下(
K*EL7M
K!"’NH@!MEO
@*P?QRS*"T
UVWJH7*EX!EM)+Y*JHO
KVWJH7*EXZ3E[6Y*JHO
KVWJH7*EXZ3G!"Y*JHO
@*P\]S G!"JE*7!E G7L&VJT
*EJ&@!E ?^_ Z"!*T
*EJH@!E ?8‘8 Z"!*T
*EJH@!E @*PI Z"!*T
*EJH@!E XR$8?a b8bcO Ld6ET
*EJH@!E ^R$a?%X1O I6!7J67!EX_ Ld6Ebe Ld6EOT
*EJH@!E $a?%X1O Z"!* @6XY^R$a?%X2OY_OT
*" cC2 6" DT
*" 8C2 6" ,2T
R$8?aCR$8?a9+T
EW*T
Vf W"6X^RPQgO 6FEW *"T
^R$a?%XcOY_C%Qh$P^RPha^RT
^R$a?%XcOYeC%Qh$P^RPha^RT
EW*T
$a?%XcOCIF!X$a?%XcOb>OT
EW*T
?^_C$a?%X0OT
?8‘8C$a?%X0OT
*" cC+ 6" >T
Vf $a?%XcOi?^_ 6FEW ?^_C$a?%XcOT
Vf $a?%XcOj?8‘8 6FEW ?8‘8C$a?%XcOT
EW*T
*" cC+ 6" >T
$a?%X0OC$a?%X0O9$a?%XcOT
EW*T
@*PICX$a?%X0Ok?^_k?8‘8O5;T
EW* @*P\]T
EW* @*P?QRT
" 结束语
基于 Hl;1 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 H’;1 的小范围非线性可以利用
软件算法进行修正,
参考文献!
m+n成都木马科技b!单片机原理及应用"#北京希望电子出版社#,000
m,n杨季文b !<0[
m;n袁涛#孙腾谌b!G&pl 程序设计语言及其应用"#清华大学出版社#+==2
作者 简 介 (李志宇#男#+=Bo 年生#汉族#助工#现工作于南京航空
航天大学自动化学院飞行控制研究所#现在职攻读导航制导与控
制专业硕士学位# 主要研究方向为数字控制系统, 电话(2,1k
<><=,;o, %",1 k<>,BB;+1 %F&#+;=1+=+;;2>- 电 子 信 箱 (
Ageq]er‘#^^YaR#Y/‘ -肖前贵#男#+=), 年生#高级工程师#现工作
于南京航空航天大学自动化学院飞行控制研究所,主要研究方向
为无人机飞行控制,
"#$%%$" 江 苏 省 南 京 航 空 航 天 大 学 自 动 化 学 院 飞 行 控 制 研
究 所 #李 志 宇 肖 前 贵
"&’()*+ ,-.+/-’ 01213/4* 5.2+(+6+1 -7 83.9(.) :.(;1/2(+< -7
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%收稿日期(,22>Y;Y,;&
图 ; 系统软件流程图
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