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：

/*
Measuring the temperature using the LM35 sensor
Connection:
LM35        UNO
Vs <------> 5V
GND <-----> GND
Vout <----> A0

*/

const int PIN_LM35 = A0; //pin connection

float sensorVolt; //unit: mV
float temperature; //unit: centigrade

void setup()
{
    Serial.begin(115200); //initialize serial communication
}

void loop()
{
    sensorVolt = analogRead(PIN_LM35)*5000.0/1023; //do conversion
    temperature = sensorVolt/10.0;
    
    Serial.print("Temperature: "); //print the result
    Serial.print(temperature);    
    Serial.println(" *C"); 
    
    delay(1000); //delay 1s
}

 

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。

此外，由于板上3.3V是通过稳压芯片获得（精度+/-1%），将Vref管脚与3.3V相连，使用3.3V作为基准电压，亦可以获得较高的分辨率及精度。

• 若使用5V的电源电压作为基准源时，测量分辨率为5000mV/1023 = ~4.9mV，对应温度0.49°C；
• 改进方法一. 在5V电压作为基准源基础上，通过测量板上3.3V电源来估算5V电源（仅USB供电时）的误差；
• 改进方法二. 直接使用3.3V的稳压芯片电源输出作为基准源，测量分辨率为3300mV/1023 = ~3.2mV，对应温度0.32°C；
• 改进方法三. 使用1.1V的内部基准源，测量分辨率为1100mV/1023 = ~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，以方法三为例：

/*
Measuring the temperature using the LM35 sensor
Connection:
LM35        UNO
Vs <------> 5V
GND <-----> GND
Vout <----> A0

*/

const int PIN_LM35 = A0; //pin connection

float sensorVolt; //unit: mV
float temperature; //unit: centigrade

void setup()
{
    analogReference(INTERNAL); //use internal voltage reference
    Serial.begin(115200); //initialize serial communication
}

void loop()
{
    sensorVolt = analogRead(PIN_LM35)*1100.0/1023; //do conversion
    temperature = sensorVolt/10.0;
    
    Serial.print("Temperature: "); //print the result
    Serial.print(temperature);    
    Serial.println(" `C"); 
    
    delay(1000); //delay 1s
}

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。更好的方法是利用3.3V板上电源，或者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