基礎教程8 Arduino溫度計與參考電壓精度

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我是潘，曾經是個工程師。這是為 http://Ardui.Co 製作的 「Arduino 公開課」 系列的入門教程。第8課我們會用溫度感測器實驗，來介紹 ADC 的解析度，同時會學到怎樣利用 Arduino 內部參考電壓提高測量精度。有任何疑問請在評論區提出，我會逐一回答。

LM35 是美國國家半導體（現被 TI 收購）推出的精密溫度感測，其信號輸出為模擬量：電壓值與溫度（攝氏）呈正比。不僅體積非常小（常見TO-92封裝），而且不需額外的校正，就能獲得較高的精度。

其主要特性：

測量精度：與晶元有關，LM35A 性能最優，這次實驗用的 LM35D最差，其典型值為 ±0.8°C，最大值 ±2°C

電壓與溫度的關係： Vout = Temperature × 10mV/°C

想了解更多，可以參考官方 DataSheet。接線方式如下：

電壓轉換方式：

Vin為輸入（被測量）電壓；Vref 是參考電壓，若不設置就是供電電壓，Arduino UNO 為 5V；resolution 是模擬埠的 ADC bit，Uno 模擬埠為10bit，Result 為 模擬埠的測量結果，數值為0~1023。程序如下：

/* 作者：Ardui.Co 效果：LM35 簡單溫度測量 版本：1.0 更新時間：2017年1月9日*/int LM35 = A0; //指定A0埠讀取LM35float Vin; //存儲感測器電壓float temperature; //存儲溫度測量結果 void setup(){ Serial.begin(9600); //初始化串口連接}void loop(){ Vin = analogRead(LM35) * 5.0 / 1024; //計算出A0的電壓，單位為V temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //將A0電壓要轉換成mV，根據LM35轉換係數10mV/°C，除以10，得出溫度 Serial.print("Temperature: "); //在串口監視器輸出結果 Serial.print(temperature); Serial.println(" *C"); delay(500); //延時0.5s}

ADC 測量精度問題：

對於 5V 參考電壓來說，每級為 5V / 1024 = 4.88mV，轉化為溫度，每級解析度就是 0.488 °C。如果環境溫度為 T ，Arduino Uno 的測量結果是 0.488 Result ，但 Result 是 0 ~ 1023 的正整數，誤差 τ 就是

τ = T mod 0.488 （mod 為求余運算）

Arduino Uno 內置了1.1v 參考電壓，使用這個參考電壓，每級為 1.1V / 1024 = 1.07mV，每級解析度提高到 0.107°C。

如果環境溫度為10°C，取5V參考電壓的解析度為 0.24°C，取1.1V 參考電壓則為 0.049°C；如果環境溫度為25°C，取5V參考電壓的誤差為 0.112°C，取1.1V 參考電壓則為 0.069°C。

接線不變，調整一下程序，引入Arduino 的內部參考電壓：

/* 作者：Ardui.Co 效果：LM35 使用1.1內部參考電壓提高解析度 版本：1.0 更新時間：2017年1月9日*/int LM35 = A0; //指定A0埠讀取LM35float Vin; //存儲感測器電壓float temperature; //存儲溫度測量結果 void setup(){ analogReference(INTERNAL); //使用內部參考電壓 Serial.begin(9600); }void loop(){ Vin = analogRead(LM35) * 1.1 / 1024; //計算出A0的電壓，單位為V temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //將A0電壓要轉換成mV，根據LM35轉換係數10mV/°C，除以10，得出溫度 Serial.print("Temperature: "); //在串口監視器輸出結果 Serial.print(temperature); Serial.println(" *C"); delay(500);}

參考電壓穩定性：

由於參考電壓跟 Vin 和溫度成正比，實際中的電源電壓往往十分不穩定，電池電壓會隨著電量變化（比如：單個鋰離子放電電壓約為 4.25V ~ 2.95V），開關電源會有 50 ~ 200mV 紋波，常見的USB電源在不同負載上約有 ±4% 的變化。

但別以為用 Arduino Uno 內部參考電壓就萬事大吉，其誤差更高達 5%。因此，使用內部基準源在提高分辨能力的同時，也引入了額外的測量誤差，所以要用穩定性高的參考電壓。

其實，也有一個折中的方案。Arduino Uno 內部提供了一塊 LDO（低壓差穩壓IC），為 3.3V 埠供電。LDO 一般為德州儀器的 LP2985-33DBVR，其誤差小於 1.5%，用它來做外部參考電壓，相對5V來說解析度更高，相對 1.1V 內部參考電壓來說，測量誤差更小。

要使用外部參考電壓，將 Aref 連接到 3.3V 埠：

我們將 3.3V 的埠跟 Aref 鏈接，並在內部程序中聲明：

/* 作者：Ardui.Co 效果：LM35 使用3.3外部參考電壓提高解析度 版本：1.0 更新時間：2017年1月10日*/int LM35 = A0; //指定A0埠讀取LM35float Vin; //存儲感測器電壓float temperature; //存儲溫度測量結果 void setup(){ analogReference(EXTERNAL); //使用內部參考電壓 Serial.begin(9600); }void loop(){ Vin = analogRead(LM35) * 3.3 / 1024; //計算出A0的電壓，單位為V temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //將A0電壓要轉換成mV，根據LM35轉換係數10mV/°C，除以10，得出溫度 Serial.print("Temperature: "); //在串口監視器輸出結果 Serial.print(temperature); Serial.println(" *C"); delay(500);}

我們還可以 Aref 連接到 Arduino 開發板之外的參考源上，以獲取更精確的測量結果。

另外，要提高的解析度，除了改變參考電壓，也可以採用高位數的 ADC 晶元，不少精密 ADC 可達16bit 以上解析度，我們會在提高篇中來講解。

練習6.1：嘗試結合第6課的內容，根據溫度來控制風扇的速度。