李香宇，任建存，王世功，徐向美

（1.海军航空工程学院 山东 烟台 264001；2.烟台东方分析仪器有限公司 山东 烟台 264001；3.烟台南山学院 山东 烟台 264001）

基于LM35的高精度温控系统的设计

李香宇1，任建存1，王世功2，徐向美3

（1.海军航空工程学院 山东 烟台 264001；2.烟台东方分析仪器有限公司 山东 烟台 264001；3.烟台南山学院 山东 烟台 264001）

温度稳定性是仪器仪表制造的一个关键的技术指标，因此设计采用线性较好的温度传感器LM35，通过对传感器、信号放大及AD采样电路的优化，提高温度采样精度，采用高度集成的STM32F103，内置数字PID控制算法，结合PWM控制模式，不仅大大提高温度控制精度，也提高了控制效率，有效地提高仪器仪表测量分析性能。

温度传感器LM35；STM32F103；温控系统；PID

对于仪器仪表制造中，温度稳定性成为一个非常关键的技术指标[1]。特别是光学仪器，环境温度波动会造成光学机械结构漂移，给仪器测量分析带来较大系统误差，温度成为制约仪器工作稳定性的关键因素[2]。一般情况下，仪器仪表都是安装在室内，正常工作温度一般在0～40℃，而一些高精密的仪器还需要在室内专门安装空调设施，保证室内温度相对恒定。所以，针对仪器仪表的关键系统只需要控制在超过室内温度即可，一般在30～40℃。为了保证仪器关键系统稳定工作，达到最佳工作性能，由此设计仪器仪表的恒温控制系统显得尤为重要。

1 系统总体设计

该系统采用内部集成PWM单元的ARM微控制器STM32F103作为主控制器，采用测温范围在-55～150℃的温度传感器LM35采集温度，采用LM358设计放大倍数为5倍的信号放大电路，模拟温度信号经主控制器STM32F103上集成的12位ADC进行采样，根据采集的温度值与预设温度值采用PID处理分析，根据PID计算控制量由PWM输出控制信号到光耦隔离器MOC3061，然后驱动双向晶闸管BTA12，控制加热器，最终实现对仪器仪表加热恒温[3]。该温控系统总体设计框图如图1所示。

图1 温控系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 温度传感器

温度传感器采用LM35CAZ，该器件是美国国家半导体公司生产的系列精密集成电路温度传感器，它输出电压与摄氏温度线性成比例[4]，优于用开尔文标准的线性温度传感器，LM35无需外部校准或微调就可以提供±0.25℃的室温精度，在-55～+150℃温度范围内可以达到±0.75℃[5]。本设计中采用LM35实现10～50℃温度测量，通过对LM35电源电路和信号调理电路的优化设计，最终实现±0.1℃控制精度，LM35的输出电压与温度存在着较好的线性关系，其灵敏度为10.0 mV/℃。本设计中LM35工作在单电源模式，LM35供电电路如图2所示。

图2 LM35供电电路图

2.2 放大电路

LM35在 10～50℃输出信号约为 100～500 mV，ADC采用2.5V外部参考源电路，最大采样电压是2.5V，需要设计放大倍数为5倍的放大电路，以提高ADC采样精度，以提高温度测量精度。本设计采用LM358D构成低通正向放大电路[6]，所以，温度信号采取正向输入，获得较高输入阻抗，R3选择为2kΩ，反馈电阻 R4=2kΩ*（5-1）=8kΩ，输入阻抗 R2=R3//R4≈2kΩ，反馈电容C3为低通滤波电容，温度实际为变化缓慢的参量，设计选择带宽1 kHz，可以计算滤波电容C3=0.47μF。低通滤波放大电路如图3所示。

图3 低通滤波放大电路图

2.3 STM32F103控制器

STM32F103是意法半导体公司推出的一款32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3[7]。最高工作频率达到72 MHz，在存储器的0等待周期访问时可达 1.25DMIPS/MHz， 片内集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种功能外设。 集成最大64 K字节的SRAM，128 K字节的FLASH[8]。集成2个DMA控制器，共12个DMA通道，其中DMA1有7个通道，DMA2有5个通道。集成3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入。ADC采用STM32F103片内集成ADC，ADC转化精度12 bit，转换速率达到1 MSa/S，多达16个模拟输入通道，该系统采用ADC0作为温度信号的输入通道[9]。

2.4 功率驱动电路

功率驱动电路工作在一种高效的PWM控制模式，只需要控制单元提供一定周期的开关信号，STM32F103的端口驱动电流达到10 mA，完全可以驱动MOC3061前级光电二极管，功率开关采用BTA系列的晶闸管，根据加热器输出功率需要，可以选择不同负载能力的晶闸管。该系统控制加热功率为1kW，如果采用电源220VAC，则选择驱动电流至少为5 A的晶闸管，为了提高功率开关的可靠性，该系统选择BTA12。功率驱动电路如图4所示。

图4 功率驱动电路图

3 系统软件设计

3.1 软件开发环境

选择合适的软件开发环境可以加快开发进度，节省开发成本。STM32F103微处理器基于ARM核，所以很多基于ARM的嵌入式开发环境都可用于STM32开发平台[10]。本设计采用STM32系列ARM常用的开发工具Keil MDK。Keil是德国知名软件公司Keil（现已并入ARM公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前ARM内核单片机开发的主流工具[11]。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（u Vision）将这些功能组合在一起。u Vision当前最高版本是u Vision4，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序、软件仿真方面也有很强大的功能。

3.2 启动ADC

STM32F103内部集成ADC，通过软件编程让ADC工作在软启动模式[12]，由DMA方式将AD转换数据直接读取到SRAM，整个AD转换过程不需要CPU干预，只需要到指定的SRAM存储区读取数据即可，在做这些工作之前，需要对ADC的模拟输入端口、时钟、DMA通道等进行设置，具体设置参数如下：

3.3 数字PID

PID是智能控制领域常用的控制方式，传统模拟PID通过在电路中植入比例、积分、微分环节实现[13]，各环节电路参数计算较为复杂，同时，电路参数调试也很不方便。本设计通过采集温度数据，采用数字PID算法，软件设计PID实现参数计算，各参数调试整定更加灵活，可以快速找到系统控制参数。PID计算子程序的主要功能是根据整定的PID参数进行计算。PID计算的子程序如下：

3.4 PWM输出模式

该系统将采集温度数据与设定温度通过PID计算出系统控制量，采用STM32F103内置的PWM控制器输出固定频率的不同占空比的PWM信号，通过光电耦合器隔离驱动功率开关，实现加热器输出功率控制。这是比较常用一种固定周期PWM控制模式[14]。也可以选择工作在低电平或高电平时间固定，由控制量给出另一种状态的工作时间，这是一种变周期PWM控制模式，温控系统会根据目标不同自动改变工作周期。无论工作哪种PWM模式，根据PWM占空比很容易给出不同时刻加热器的加热效率和加热功率。

4 实验结果

PID控制难点在给定控制对象和控制目标的情况下，如何选择PID各环节的参数[15]，本设计根据实验调试，初步给定系统控制参数，根据系统工作稳定性、调节速度、控制精度对各参量进行优化，在实际应用中，在室温不超过10℃/小时的变化条件下，表现出较强的抗扰动能力，得到较好的控制效果。下面数据是该系统装备到一款光电仪器中测试的结果，温控实际控制精度可以达到35±0.1℃，达到进口仪器中温控应用的主流水平。本系统在密闭环境下进行实验，得到8个小时内温度变化趋势图，如图5所示。

5 结束语

本温控系统采用高度集成的STM32F103，内置数字PID控制算法，结合PWM控制模式，不仅大大提高温度控制精度，也提高了控制效率，有效地提高仪器仪表分析测量性能，这为仪器仪表高端应用提供了保障。经实验测试，本系统响应速度快、精度高、电路简单，完全能够满足高性能仪器仪表的应用要求。

图5 8小时内的温度变化趋势图

[1]韦冠一，翟利华，李雪松，等.一种高稳定度的恒温电路及其应用[J].核电子学与探测技术，2013，33（5）:576-580.

[2]邹向阳，李锋，刘戎.智能仪器仪表中数字温度实时时钟功能的设计[J].自动化仪表，2009，30（2）:60-62.

[3]王春梅，吕明道，程长安.水温加热控制系统的设计[J].技术与教育，2014，28（1）:49-52.

[4]王思淼，陈战胜，胡正坤.基于LM35的单片机温度采集显示系统[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2012，30（6）:900-906.

[5]高美珍.LM35系列精密温度传感器的原理与应用[J].仪器仪表用户，2005，12（1）:114.

[6]秦增煌，姜三勇.电工学（电子技术）[M].7版.高等教育出版社，2009.

[7]袁野，程善美，胡仙.基于STM32F103的SVPWM算法实现[J].电气传动自动化，2012，34（4）.

[8]雷慧杰.基于STM32的直流电机PID调速系统设计[J].现代电子技术，2016，39（8）:165-170.

[9]沈瑞，于海勋，王耀文.基于ARM7和LM35的温度采集系统设计 [J].实验室研究与探索，2012，35（6）:173-175.

[10]方华龙，曹清华，辛燕，等.STM32平台的TinyOS系统移植开发[J].数据通信，2015（4）:17-20.

[11]李军政，王雅.基于STM32F103的交流综保测量算法和保护逻辑实现[J].船电技术， 2015，35（1）:73-76.

[12]鄢秋荣，马耀中，柏欢，等.基于STM32单片机和移动通信模块的门户智能锁网络[J].现代电子技术，2016，35（3）:115-118.

[13]薛美盛，薛生辉，雷超杰，等.一种改进的脉宽调制PID控制算法及其应用[J].环境工程，2013，31（5）:30-34.

[14]龚光松，吴涛.基于FPGA的PID温度控制系统的设计与实现[J].咸宁学院学报，2011，31（12）:64-78.

[15]艾诚，韩峻峰.基于DS18B20的温度控制系统设计[J].微型机与应用，2013，32（17）:11-13.

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稿件编号：201607021

李香宇（1982—），女，辽宁阜新人，硕士研究生，讲师。研究方向：检测技术、智能仪器仪表。