溫度是咱們常常接觸到的物理量，可以被咱們所直觀的感覺獲得，例如天氣涼了須要增添衣物，吃的食物太燙須要吹一吹，同時也須要對溫度精確的測量，例如人類的正常體溫是37.5℃，一個大氣壓下純水沸騰時的溫度是100℃，都須要咱們去作實驗來找出其中的科學。下面咱們將詳細講解幾種經常使用的溫度傳感器，並利用Arduino來實現溫度的測量，包括熱敏電阻、LM3五、DS18B20、DHT11和熱電偶。html
1.熱敏電阻
1.1 熱敏電阻簡介
熱敏電阻是電阻值隨溫度變化的半導體傳感器，其典型特色是阻值對溫度很是敏感，在不一樣的溫度下會表現出不一樣的電阻值，從而根據表現的電阻值可逆推導獲得其所處的環境溫度值。具備靈敏度高、體積小、熱容量小、響應速度快、價格低廉等優勢。按照溫度係數不一樣，可分爲正溫度係數熱敏電阻（PTC）、負溫度係數熱敏電阻（NTC）和臨界負溫度係數熱敏電阻(CTR)。PTC隨着溫度升高，表現出的電阻值越大； NTC隨着溫度升高，表現出的電阻值越低；CTR具備負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增長急劇減少，具備很大的負溫度係數。因爲具備不一樣的特性，熱敏電阻的用途也是不一樣的。PTC通常用做加熱元件和過熱保護；NTC通常用於溫度測量和溫度補償；CTR通常用於溫控報警等應用。NTC的測溫範圍爲－60～＋300℃，標稱阻值通常在1Ω至100MΩ之間，採用精密電阻和熱敏電阻組合可擴大測量溫度線性範圍。圖1爲NTC實物圖，圖中所示的爲NTC 10D-9和NTC 5D-7。NTC表示爲負溫度係數的熱敏電阻，10D-9和5D-7表明其型號，10D-9表明了常溫（25攝氏度）阻值10歐姆，直徑9毫米，5D-7表明了常溫（25攝氏度）阻值5歐姆，直徑7毫米。除了圖1所示的形狀以外，熱敏電阻製成的探頭有珠狀、棒桿狀、片狀和薄膜等，封裝外殼有玻璃、鎳和不鏽鋼管等套管結構，如圖2所示。git
圖1 NTC實物圖github
圖2 NTC的各類形式編程
1.2 NTC的使用方法
NTC的測量溫度和其表現出的電阻值存在一個非線性的已知的關係，那麼測量出NTC的電阻值也能夠計算獲得其測量的溫度值。NTC的電阻值與溫度值的關係以下所示：併發
Rt = R x e^[B x (1/T1-1/T2)]函數
式中， Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值；R是熱敏電阻在T2常溫下的標稱阻值；B值是熱敏電阻的重要參數；T1和T2指的是K度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度) 攝氏度。oop
逆向計算獲得熱敏電阻的溫度值與電阻值的關係以下所示：性能
T1=1/(ln(Rt/R) /B 1/T2 )優化
電阻值的測量通常都是利用串聯已知阻值的電阻並施加已知大小的電壓，經過測量已知阻值的電阻上的分壓值，來計算出獲得被測電阻的阻值，如圖3所示。設施加的激勵電壓爲Eb，熱敏電阻的阻值爲Rt，串聯電阻阻值爲Rs，則串聯電阻上的分壓值爲：ui
Eout = Eb x Rs/(Rt Rs)
除了串聯測量法以外，還有惠斯登電橋測量法，如圖4所示。設電橋的激勵電壓爲Eb，熱敏電阻的阻值爲Rt，電橋電阻阻值爲R一、R2和R3，則電橋輸出電壓爲：
out = Eb x R3/(Rt R3) – Eb x R2/(R1 R2) = Eb x [R3/(Rt R3) – R2/(R1 R2)]
圖3 串聯測量法
圖4 電橋測量法
1.3 使用實例
（1）硬件鏈接
此處使用串聯測量法來測量來實現熱敏電阻測量實驗，其硬件鏈接圖如圖5所示，熱敏電阻爲NTC 10D-9，串聯電阻的阻值爲100Ω。
圖5 NTC測溫硬件鏈接圖
(2）程序設計
程序設計的主要思路：Arduino Uno控制器經過模擬輸入端口測量串聯電阻上的電壓值，而後經過電流相等的原理計算出熱敏電阻的阻值，最後利用公式計算出溫度值。
#include //包含數學庫void setup(){ Serial.begin(9600); //波特率設置爲9600}void loop(){ double Digital_Value=analogRead(0); //讀取串聯電阻上的電壓值（數字量） double Voltage_Value=(Digital_Value/1023)*5.00;//換算成模擬量的電壓值 double Rt_Value=(3.3-Voltage_Value)/Voltage_Value*100; //計算出熱敏電阻的阻值 //計算所感知的溫度併發送Serial.println( 1/(log(Rt_Value/10)/3000 1/( 25 273.15)) - 273.15,2); delay(1000); //一秒刷新一次}
2 LM35
LM35 是美國NS（國家半導體）所生產的的模擬溫度傳感器，其輸出的電壓與攝氏溫度成線性比例關係，在0℃時輸出0V，溫度每升高1℃，輸出電壓增長10mV。測溫範圍l ?55 ～ 150?C，精度爲0.75℃，室溫的精度可達0.25℃。經常使用的TO-92封裝的引腳排列如圖6所示，在2℃～150℃的測溫範圍內的典型應用電路如圖7所示。
圖6 TO-92封裝的引腳排列
圖7 2℃～150℃的典型電路圖
2.3 使用實例
（1）硬件鏈接
將LM35模擬式溫度傳感器的 Vs和GND分別鏈接至Arduino Uno控制器的 5V和GND，以給LM35提供工做電源，LM35的Vout引腳接至ArduinoUno控制器模擬輸入端口A0，如圖8所示。
圖8 LM35測溫硬件鏈接圖
2）程序設計
程序設計的主要思路：Arduino Uno控制器經過模擬輸入端口測量LM35輸出的電壓值，而後經過10mV/℃的比例係數計算出溫度數值。同時，在100℃的時候，LM35輸出電壓值爲1000mV，在Arduino Uno控制器的內部參考電壓範圍內，因此採用1.1V內部參考電壓。
int Digital_Value=0;float temp_Value=0;void setup(){ Serial.begin(9600); //波特率設置爲9600 //因爲測溫範圍爲0～100℃，輸出電壓爲0～1V，採用內部1.1V參考電壓analogReference(INTERNAL);}void loop(){ Digital_Value=analogRead(A0); //讀取電壓值（數字量） temp_Value=(float)Digital_Value/1023*110.00;//換算成攝氏溫度 Serial.print('Temperature for LM35 is: '); Serial.println(temp_Value,2); //發送溫度數據 delay(1000) //一秒刷新一次}
（3）實驗演示
實際的實驗硬件鏈接圖如圖9所示，串口接收到的溫度數據如圖10所示。
圖9 實驗硬件鏈接圖
圖10 串口接收的溫度數據
3 DS18B20
3.1 DS18B20簡介
DS18B20是美國DALLAS半導體公司的數字化單總線智能溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻相比，它可以直接讀出被測溫度，而且可根據實際要求經過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。從DS18B20讀出信息或寫入信息僅須要一根線(單總線)讀寫，總線自己也能夠向所掛接的設備供電，而無需額外電源。
DS18B20的性能特色以下:
(1) 單線接口方式實現雙向通信；
(2) 供電電壓範圍： 3.0V～ 5.5V，可用數據線供電；
(3) 測溫範圍：-55～ 125℃，固有測溫分辨率爲0.5℃；
(4) 經過編程可實現9～12位的數字讀數方式；
(5) 支持多點的組網功能，多個DS18B20能夠並聯在惟一的單總線上，實現多點測溫。
DS18B20的外形及管腳排列如圖11所示，DS18B20引腳定義：(1)DQ爲數字信號輸入/輸出端；(2)GND爲電源地；(3)VDD爲外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。
圖11 DS18B20封裝圖
3.2 DS18B20編程與庫的使用
Arduino要實現對DS18B20的操做，須要OneWire和Dallas Temperature Control兩個庫文件，下載地址分別爲：http://playground.arduino.cc/Learning/OneWire和https://github.com/milesburton/Arduino-Temperature-Control-Library。Dallas Temperature Control函數庫是基於OneWire函數庫進行開發的，更便於使用，下面講解一下主要函數的功能和用法。
(1) void begin(void)：初始化，無輸入參數，無返回參數。
(2) getDeviceCount(void)：獲取單總線上所鏈接器件的總數，無輸入參數，返回參數爲器件數目。
(3) validAddress(uint8_t*)：驗證指定地址的器件是否存在，輸入參數爲器件地址，返回參數爲布爾型。
(4) getAddress(uint8_t*， const uint8_t)：驗證的器件的地址與索引值是否匹配，輸入參數爲器件地址和索引值，返回參數爲布爾型。
(5) getResolution(uint8_t*)：獲取指定器件的精度，輸入參數爲器件地址，返回參數爲精度位數。
(6) setResolution(uint8_t*，uint8_t)：設置器件的精度，輸入參數爲器件地址和精度位數，無返回參數。精度位數有9，10，11和12可供選擇。
(7) requestTemperatures(void)：向單總線上全部器件發送溫度轉換的請求，無輸入參數，無返回參數。
(8) requestTemperaturesByAddress(uint8_t*)：向單總線上指定地址的器件發送溫度轉換的請求，輸入參數爲器件地址，無返回參數。
(9) requestTemperaturesByIndex(uint8_t) ：向單總線上指定索引值的器件發送溫度轉換的請求，輸入參數爲器件索引值，無返回參數。
(10) getTempC(uint8_t*)：經過器件地址獲取攝氏溫度，輸入參數爲器件地址，返回參數爲攝氏溫度。
(11) getTempF(uint8_t*)：經過器件地址獲取華氏溫度，輸入參數爲器件地址，返回參數爲華氏溫度。
(12) getTempCByIndex(uint8_t)：經過索引值來獲取攝氏溫度，輸入參數爲器件索引值，返回參數爲攝氏溫度。
(13) getTempFByIndex(uint8_t)：經過器件索引值來獲取華氏溫度，輸入參數爲器件索引值，返回參數爲華氏溫度。
3.3 使用實例
因爲單總線上能夠鏈接多個DS18B20，而很少佔用Arduino控制器的IO口，從而很容易地就能夠實現多點測溫，下面分別兩個使用實例來講明DS18B20與Arduino的用法。
3.3.1 一路溫度測量
（1）硬件鏈接
將DS18B20溫度傳感器的VCC和GND分別鏈接至Arduino Uno控制器的 5V和GND，以給DS18B20提供電源，DS18B20的DQ引腳接至ArduinoUno控制器數字引腳D2，且並聯4.7kΩ的上拉電阻，如圖12所示。
圖12 一路溫度測量硬件鏈接圖
（2）程序設計程序設計的主要思路：Arduino Uno控制器經過DallasTemperature函數庫實現單總線的啓動、發送測量溫度的請求、讀取0號傳感器溫度，最後經過串口發送出去。
#include #include #define ONE_WIRE_BUS 2 //定義單總線鏈接的端口OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);DallasTemperature sensors(&oneWire);void setup(void){ Serial.begin(9600); Serial.println('Dallas Temperature IC Control Library Demo'); sensors.begin(); //啓動單總線}void loop(void){ Serial.print('Requesting temperatures...'); sensors.requestTemperatures(); //發送溫度測量請求命令 Serial.println('DONE'); Serial.print('Temperature for the device 1 (index 0) is: '); Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0)); //獲取0號傳感器溫度數據併發送 Serial.println('℃'); delay(1000); //一秒刷新一次}
3.3.2 多路溫度測量
（1）硬件鏈接
將兩個DS18B20溫度傳感器的VCC和GND分別鏈接至Arduino Uno控制器的 5V和GND，以給兩個DS18B20提供電源，兩個DS18B20的DQ引腳接至ArduinoUno控制器數字引腳D2，且並聯4.7kΩ的上拉電阻，如圖13所示。
圖13 多路溫度測量硬件鏈接圖
（2）程序設計
程序設計的主要思路：Arduino Uno控制器經過DallasTemperature函數庫實現單總線的啓動、發送測量溫度的請求、讀取0號傳感器溫度並串口發送出去，讀取1號傳感器溫度並串口發送出去。
#include #include #define ONE_WIRE_BUS 2 //定義單總線鏈接端口OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);DallasTemperature sensors(&oneWire);void setup(void){ Serial.begin(9600) Serial.println('Dallas Temperature IC Control Library Demo'); sensors.begin(); //啓動單總線}void loop(void){ Serial.print('Requesting temperatures...'); sensors.requestTemperatures(); //發送溫度測量請求命令 Serial.println('DONE'); Serial.print('Temperature for the device 1 (index 0) is: '); Serial.println(sensors.getTempCByIndex(0)); //獲取0號傳感器溫度數據併發送Serial.print('Temperature for the device 2 (index 0) is: '); Serial.println(sensors.getTempCByIndex(1)); //獲取1號傳感器溫度數據併發送}
3.3.2 實驗演示
實際的單路實驗硬件鏈接圖如圖14所示，單路和兩路實驗中串口接收到的溫度數據分別如圖15和16所示。
圖14 單路實驗硬件鏈接圖
圖15 單路串口接收的溫度數據
圖16 兩路串口接收的溫度數據
4 DHT11
4.1 DHT11簡介
DHT11是一款含有已校準係數的數字信號輸出的溫溼度複合傳感器，採用專用的數字模塊採集技術和溫溼度傳感技術，具備極高的可靠性與卓越的長期穩定性，內部包含一個電阻式感溼元件和一個NTC測溫元件。DHT11傳感器都通過實驗室校準，校準係數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程當中要調用這些校準係數，採用單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上。DHT11數字溫溼度傳感器實物圖如17所示。
圖17 DHT11溫溼度傳感器
DHT11的引腳說明如表1所示，供電電壓爲3.3～5V，測量範圍爲溼度20～90%RH， 溫度0～50℃，測量精度爲溼度±5%RH，溫度±2℃，測量分辨率爲溼度1%RH，溫度1℃。
4.2 DH11編程與庫的使用
DHT11的Arduino庫文件下載地址：https://github.com/markruys/arduino-DHT。DHT11庫文件有以下幾個函數：dht.setup(int Pin)、dht.getHumidity()、dht.getTemperature()。
dht.setup(int Pin)：設置DHT11總線的鏈接管腳號，輸入參數爲所鏈接的管腳號，無返回參數。
dht.getHumidity()：獲取DHT11的溼度值，無輸入參數，返回值爲溼度值，double類型。
dht.getTemperature()：獲取DHT11的溫度值，無輸入參數，返回值爲溫度值，double類型。
4.3 使用實例
下面以DHT11模塊實現溫溼度的測量，而且經過串口輸出。（1）硬件鏈接將DHT11溫溼度傳感器的VCC、GND分別鏈接至Arduino Uno控制器的 5V、GND，以給DHT11提供電源，DHT11模塊的DOUT引腳接至ArduinoUno控制器數字引腳D2，且並聯5kΩ的上拉電阻，DHT11模塊的NC引腳也鏈接至GND，如圖18所示。
圖18 DHT11溫溼度測量硬件鏈接圖
（2）程序設計程序設計的主要思路：Arduino Uno控制器經過DHT11函數庫獲取溼度和溫度數據，並經過串口發送出去。
#include 'DHT.h'DHT dht;void setup(){ Serial.begin(9600); dht.setup(2); // data pin 2 delay(1000);}void loop(){ float temperature = dht.getTemperature(); float humidity = dht.getHumidity(); Serial.print('temperature is '); Serial.print(temperature, 1); Serial.println(' C'); Serial.print('humidity is '); Serial.print(humidity, 1); Serial.println('%'); delay(3000);}
（3）實驗演示實際的實驗硬件鏈接圖如圖19所示，實驗中串口接收到的溫溼度數據如圖20所示。
圖19 實驗硬件鏈接圖
圖20 串口接收的溫溼度數據
5 熱電偶
5.1 熱電偶和MAX6675簡介
將兩種不一樣材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合迴路，當導體A和B的兩個鏈接點1和2之間存在溫差時，二者之間便產生電動勢，於是在迴路中造成一個迴路電流。這種現象稱爲熱電效應，而這種電動勢稱爲熱電勢。熱電效應原理圖如圖21所示。
圖21 熱電效應原理圖
熱電偶就是利用熱電原理進行溫度測量的，其中，直接用做測量介質溫度的一端叫作工做端（也稱爲測量端），另外一端叫作冷端（也稱爲補償端）。其實是一種能量轉換器，它將熱能轉換爲電能，用所產生的熱電勢測量溫度。經常使用的K型熱電偶實物如圖22所示，能夠直接測量各類生產中從0℃到1300℃範圍的液體蒸汽和睦體介質以及固體的表面溫度。具備線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優勢。
圖22 K型熱電偶實物圖
根據熱電偶測溫原理，K型熱電偶的輸出熱電勢不只與測量端的溫度有關，並且與冷端的溫度有關，須要溫度補償電路（如圖23爲補償示意圖），同時熱電偶的電壓與溫度之間具備非線性，MAX6675模塊能夠對K型熱電偶進行信號放大、冷端補償和非線性校訂。MAX6675帶有簡單的3位串行SPI接口；可將溫度信號轉換成12位數字量，溫度分辨率達0.25℃；內含熱電偶斷線檢測電路。冷端補償的溫度範圍-20℃～80℃，能夠測量0℃～1023.75℃的溫度，基本符合工業上溫度測量的須要。
5.2 MAX6675編程與庫的使用
MAX6675的Arduino庫文件下載地址：https://github.com/aguegu/ardulibs/tree/master/max6675。MAX6675庫文件有以下幾個函數：getCelsius()、getFahrenheit()、getKelvin()和setOffset(int offset)。?
getCelsius()：獲取攝氏溫度，無輸入參數，返回值爲攝氏溫度，float類型。 ? getFahrenheit()：獲取華氏溫度，無輸入參數，返回值爲華氏溫度，float類型。 ? getKelvin()：獲取開爾文溫度，無輸入參數，返回值爲開爾文溫度，float類型。 setOffset(int offset)：設置溫度偏移，輸入參數爲偏移值，int類型，最小單位爲0.25℃，無返回值。
5.3 使用實例
下面以K型熱電偶與MAX6675模塊實現高溫的測量，而且經過串口輸出。
（1）硬件鏈接
將MAX6675模塊的VCC和GND分別鏈接至Arduino Uno控制器的 5V和GND，以給MAX6675提供電源，MAX6675模塊的信號引腳SO、CS和CSK鏈接至數字引腳五、六、7，K型熱電偶的正負極分別鏈接至MAX6675模塊的T 和T-，如圖24所示。
圖24 熱電偶測溫硬件鏈接圖
（2）程序設計
程序設計的主要思路：Arduino Uno控制器經過MAX6675函數庫獲取熱電偶所測量的溫度值，完成了熱電偶輸出電壓的信號放大、冷端補償和非線性化處理，最終經過串口輸出。
#include 'Max6675.h'Max6675 ts(5, 6, 7); //依次定義SO、CS、CSK所鏈接的引腳號void setup(){ts.setOffset(0); //設置溫度偏移量Serial.begin(9600);}void loop(){ Serial.print('temperature is '); Serial.println(ts.getCelsius(), 2); //獲取攝氏溫度，並經過串口發送 delay(1000); //一秒刷新一次}
（3）實驗演示
實際的實驗硬件鏈接圖如圖25所示，實驗中串口接收到的溫度數據如圖26所示。
圖25 實驗硬件鏈接圖
圖26 串口接收的溫度數據
6.總結
本文介紹了溫度測量的幾種經常使用傳感器，從測溫原理、器件特性、在Arduino中的編程與使用等方面作了詳細的介紹。總結本文，有如下幾點：
一、NTC熱敏電阻價格低廉，可是想要獲得很高的測量精度，須要作不少優化工做，難度較大。
二、LM35直接輸出模擬電壓，使用較爲方便，精度較高，適合用於熱電偶冷端補償中的環境溫度測量。
三、DS18B20是單總線數字溫度傳感器，性價比較高，測量精度較高，同時能夠單個總線掛多個傳感器。
四、DHT11是溫溼度傳感器，單總線，不佔用過多的I/O口，並且能夠同時輸出溼度數據，適合同時須要溫溼度數據的場合應用。
五、熱電偶和MAX6675配合使用，適合高溫測量，省去了熱電偶的冷端補償、線性化和模數轉換等工做，使用較方面，精度較高，對其數據進行二次擬合標定，能夠獲得更高的測量精度。
最後對比一下熱電偶 MAX6675模塊和DS18B20的響應速度，如圖27所示是基於Arduino與LabVIEW的實驗平臺採集到熱電偶在放進熱水中的數據變化狀況，從圖中能夠看出，最高溫度約爲60℃，熱電偶的響應曲線較爲平直，上升速度較快。如圖28所示爲基於Arduino與LabVIEW的實驗平臺採集到DS18B20對於冷熱變化的響應曲線圖，從圖中能夠看出最高溫度超過80℃，DS18B20響應曲線較爲平緩，隨着溫差的縮小，溫度響應速度愈加放緩。
圖27 熱電偶溫度變化響應曲線圖
圖28 DS18B20溫度變化響應曲線圖