基础教程8 Arduino温度计与参考电压精度
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入错行的工程师
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本专栏内容经修订后，已在豆瓣阅读集结成书出版：
https://read.douban.com/ebook/106875966/read.douban.com/ebook/106875966/
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第8课我们会用温度传感器实验，来介绍 ADC 的分辨率，同时会学到怎样利用 Arduino 内部参考电压提高测量精度。有任何疑问请在评论区提出，我会逐一回答。
LM35 是美国国家半导体（现被 TI 收购）推出的精密温度传感，其信号输出为模拟量：电压值与温度（摄氏）呈正比。不仅体积非常小（常见TO-92封装），而且不需额外的校正，就能获得较高的精度。
其主要特性：
供电电压：4~35V
工作范围：与芯片有关，LM35A为-55~150°C 常见 LM35D 为 0~100°C
测量范围：与封装和电路有关，常用 TO-92为 2 ~150°C
测量精度：与芯片有关，LM35A 性能最优，这次实验用的 LM35D最差，其典型值为 ±0.8°C，最大值 ±2°C
电压与温度的关系： Vout = Temperature × 10mV/°C
想了解更多，可以参考官方 DataSheet。接线方式如下：
电压转换方式：
Vin为输入（被测量）电压；Vref 是参考电压，若不设置就是供电电压，Arduino UNO 为 5V；resolution 是模拟端口的 ADC bit，Uno 模拟端口为10bit，Result 为 模拟端口的测量结果，数值为0~1023。程序如下：
/*
作者：Ardui.Co
效果：LM35 简单温度测量
版本：1.0
更新时间：2017年1月9日
*/
int LM35 = A0; //指定A0端口读取LM35
float Vin; //存储传感器电压
float temperature; //存储温度测量结果
void setup()
{
Serial.begin(9600); //初始化串口连接
}
void loop()
{
Vin = analogRead(LM35) * 5.0 / 1024; //计算出A0的电压，单位为V
temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //将A0电压要转换成mV，根据LM35转换系数10mV/°C，除以10，得出温度
Serial.print("Temperature: "); //在串口监视器输出结果
Serial.print(temperature);
Serial.println(" *C");
delay(500); //延时0.5s
}
ADC 测量精度问题：
对于 5V 参考电压来说，每级为 5V / 1024 = 4.88mV，转化为温度，每级分辨率就是 0.488 °C。如果环境温度为 T ，Arduino Uno 的测量结果是 0.488 Result ，但 Result 是 0 ~ 1023 的正整数，误差 τ 就是
τ = T mod 0.488 （mod 为求余运算）
Arduino Uno 内置了1.1v 参考电压，使用这个参考电压，每级为 1.1V / 1024 = 1.07mV，每级分辨率提高到 0.107°C。
如果环境温度为10°C，取5V参考电压的分辨率为 0.24°C，取1.1V 参考电压则为 0.049°C；如果环境温度为25°C，取5V参考电压的误差为 0.112°C，取1.1V 参考电压则为 0.069°C。
接线不变，调整一下程序，引入Arduino 的内部参考电压：
/*
作者：Ardui.Co
效果：LM35 使用1.1内部参考电压提高分辨率
版本：1.0
更新时间：2017年1月9日
*/
int LM35 = A0; //指定A0端口读取LM35
float Vin; //存储传感器电压
float temperature; //存储温度测量结果
void setup()
{
analogReference(INTERNAL); //使用内部参考电压
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
Vin = analogRead(LM35) * 1.1 / 1024; //计算出A0的电压，单位为V
temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //将A0电压要转换成mV，根据LM35转换系数10mV/°C，除以10，得出温度
Serial.print("Temperature: "); //在串口监视器输出结果
Serial.print(temperature);
Serial.println(" *C");
delay(500);
}
参考电压稳定性：
由于参考电压跟 Vin 和温度成正比，实际中的电源电压往往十分不稳定，电池电压会随着电量变化（比如：单个锂离子放电电压约为 4.25V ~ 2.95V），开关电源会有 50 ~ 200mV 纹波，常见的USB电源在不同负载上约有 ±4% 的变化。
但别以为用 Arduino Uno 内部参考电压就万事大吉，其误差更高达 5%。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，所以要用稳定性高的参考电压。
其实，也有一个折中的方案。Arduino Uno 内部提供了一块 LDO（低压差稳压IC），为 3.3V 端口供电。LDO 一般为德州仪器的 LP2985-33DBVR，其误差小于 1.5%，用它来做外部参考电压，相对5V来说分辨率更高，相对 1.1V 内部参考电压来说，测量误差更小。
要使用外部参考电压，将 Aref 连接到 3.3V 端口：
我们将 3.3V 的端口跟 Aref 链接，并在内部程序中声明：
/*
作者：Ardui.Co
效果：LM35 使用3.3外部参考电压提高分辨率
版本：1.0
更新时间：2017年1月10日
*/
int LM35 = A0; //指定A0端口读取LM35
float Vin; //存储传感器电压
float temperature; //存储温度测量结果
void setup()
{
analogReference(EXTERNAL); //使用内部参考电压
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
Vin = analogRead(LM35) * 3.3 / 1024; //计算出A0的电压，单位为V
temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //将A0电压要转换成mV，根据LM35转换系数10mV/°C，除以10，得出温度
Serial.print("Temperature: "); //在串口监视器输出结果
Serial.print(temperature);
Serial.println(" *C");
delay(500);
}
我们还可以 Aref 连接到 Arduino 开发板之外的参考源上，以获取更精确的测量结果。
另外，要提高的分辨率，除了改变参考电压，也可以采用高位数的 ADC 芯片，不少精密 ADC 可达16bit 以上分辨率，我们会在提高篇中来讲解。
练习6.1：尝试结合第6课的内容，根据温度来控制风扇的速度。
