Датчик температуры LM35 и Arduino: подключение, формула и код

LM35 — дешёвый аналоговый датчик температуры с тремя ножками, который напрямую превращает температуру в напряжение в градусах Цельсия. Для работы LM35 с Arduino не нужны ни библиотека, ни сложный протокол: средняя ножка подключается к аналоговому пину, читается через analogRead(), а температура получается формулой в одну строку. Его выход растёт ровно на 10 mV на каждый 1 °C, так что при 25 °C он даёт 250 mV, а при 100 °C — 1 V.

В этом руководстве ты узнаешь, как работает LM35, какая у него распиновка и какую ошибку с перевёрнутым подключением почти каждый делает хоть раз, как вычислить °C из значения analogRead, как сделать показания более чем в четыре раза точнее с внутренним опорным напряжением 1,1 V у Arduino Uno и как успокоить дрожащие значения усреднением. Затем разберёшься, на что обратить внимание на ESP32 и Raspberry Pi Pico с их 3,3 V, как измеряют отрицательные температуры и когда выбирать LM35, а когда DS18B20 или DHT11.

Что такое LM35 и как он работает?

Внутри LM35 два транзистора, работающие при разной плотности тока. Разница их напряжений база-эмиттер меняется прямо пропорционально абсолютной температуре; этот метод называется delta-VBE. Внутренний усилитель усиливает эту крошечную разницу и масштабирует её так, чтобы при 0 °C на выходе было 0 V. Поэтому, в отличие от датчиков на основе шкалы Кельвина вроде LM335, из выхода не нужно вычитать большое постоянное напряжение: температура (°C) = выходное напряжение (mV) / 10. Датчик подстраивается ещё на кристалле при производстве, поэтому не требует дополнительной калибровки, а его выходная характеристика почти идеально прямая; типичная нелинейность всего ±0,25 °C.

LM35 — не одна деталь, а целое семейство. Буквенный суффикс определяет диапазон измерения и гарантированную точность, а Z на конце обозначает пластиковый корпус TO-92. По даташиту в пластиковом TO-92 выпускаются LM35C, LM35CA и LM35D, а большинство деталей, которые продаются в магазинах для радиолюбителей как «LM35», на самом деле LM35DZ. Так что твой датчик, скорее всего, гарантирован только для 0–100 °C и при 25 °C может ошибаться до ±1,5 °C, хотя его типичная погрешность около ±0,6 °C. Какой именно у тебя, подскажет маркировка на корпусе.

Распиновка LM35 и самая частая ошибка с перевёрнутым подключением

Если повернуть LM35 плоской стороной к себе, ножками вниз, порядок слева направо такой: вывод 1 +Vs (питание), вывод 2 Vout (выход) и вывод 3 GND (земля). Рисунок в даташите — вид снизу, поэтому многие мысленно переворачивают его и подключают наоборот. У модулей LM35 на маленькой плате выводы обычно подписаны VCC (или +), OUT (или S) и GND (или −); в этом случае доверяй надписям на плате.

Подключение LM35 к Arduino: Uno, ESP32 и Pico

От analogRead к °C: формула для LM35

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Arduino Uno 10-битный: он делит диапазон между 0 V и опорным напряжением на 1024 шага и выдаёт число от 0 до 1023. Опорное напряжение по умолчанию 5 V, поэтому каждый шаг равен 5 / 1024 = 4,88 mV. Сначала сырое значение переводят в напряжение, потом напряжение — в температуру: напряжение = raw × 5.0 / 1024 и температура = напряжение × 100. В сумме температура ≈ raw × 0.488. В некоторых примерах вместо 1024 стоит 1023; разница — одна тысячная, она ничтожна на фоне собственной погрешности LM35, но правильное значение — 1024. Чтобы разобраться в АЦП подробнее, загляни в статью об аналого-цифровом преобразовании (АЦП).

Присмотрись к таблице: при комнатной температуре АЦП выдаёт всего около 50, а изменение на один шаг сдвигает температуру примерно на 0,5 °C. Поэтому показание прыгает туда-сюда между 24,9 и 25,4; датчик не неисправен, это просто разрешение опорного 5 V. Скоро исправим это внутренним опорным напряжением.

Первое измерение шаг за шагом

1. Вставь LM35 в макетную плату; повернув его плоской стороной к себе, подключи левую ножку к 5V, а правую — к GND.
2. Среднюю ножку (Vout) соедини перемычкой с A0. Если есть конденсатор 0,1 µF, поставь его между +Vs и GND.
3. Подключи Arduino по USB и через несколько секунд потрогай датчик: если он комнатной температуры, всё в порядке; если горячий, подключение перевёрнуто.
4. Загрузи код ниже и открой монитор порта на скорости 9600 бод.
5. Зажми датчик между пальцами; значение должно медленно расти, а когда отпустишь — снижаться.

1const int LM35_PIN = A0;   // LM35 orta bacak (Vout) / LM35 middle leg (Vout)
2
3void setup() {
4  Serial.begin(9600);
5}
6
7void loop() {
8  int raw = analogRead(LM35_PIN);          // 0–1023 ham değer / raw value 0–1023
9  float voltage = raw * 5.0 / 1024.0;      // 5 V referansla volta çevir / convert to volts (5 V reference)
10  float tempC = voltage * 100.0;           // 10 mV/°C: 0,25 V = 25 °C / 0.25 V = 25 °C
11
12  Serial.print(F("Ham / Raw: "));
13  Serial.print(raw);
14  Serial.print(F("  Gerilim / Voltage: "));
15  Serial.print(voltage, 3);
16  Serial.print(F(" V  Sicaklik / Temp: "));
17  Serial.print(tempC, 1);
18  Serial.println(F(" C"));
19  delay(1000);
20}

Каждую секунду код читает сырое значение на A0, переводит его сначала в напряжение, потом в температуру и выводит все три числа в монитор порта. Вывод сырого значения очень помогает при отладке: если оно всегда 0, с Vout не приходит напряжение; если близко к 1023, аналоговый пин случайно соединён с 5 V; если скачет случайно, A0 висит в воздухе. Постоянные строки внутри макроса F() экономят 2 КБ ОЗУ у Uno. Больше советов по монитору порта — в статье о мониторе порта Arduino.

Повышаем разрешение внутренним опорным напряжением 1,1 V

У опорного 5 V две проблемы. Первая — грубое разрешение, которое только что было видно в таблице. Вторая коварнее: 5 V от USB часто оказываются где-то между 4,7 и 5,1 V, а в коде записано 5.0, и разница прямиком попадает в температуру. Например, если плата на самом деле работает от 4,8 V, 25 °C будут показаны как 26 °C, а когда USB-порт компьютера проседает под нагрузкой, температура будто меняется сама. Решение — использовать внутреннее опорное напряжение 1,1 V, встроенное в ATmega328P на Arduino Uno и Nano. После analogReference(INTERNAL) каждый шаг равен 1,1 / 1024 = 1,07 mV, то есть примерно 0,11 °C. Взамен можно измерить не больше 1,1 V, то есть 110 °C, чего для диапазона LM35DZ 0–100 °C и так хватает с запасом.

Опорное 1,1 V не на каждом чипе ровно 1,1 V; по даташиту ATmega328P оно может быть от 1,0 до 1,2 V. Без калибровки это означает ошибку масштаба до 9%. Исправить легко: загрузи код ниже, измерь мультиметром напряжение между пином AREF и GND и запиши значение в константу VREF (например, const float VREF = 1.083;). Это нужно сделать один раз для каждой платы, и результат остаётся верным. Кроме того, код усредняет 32 выборки на каждое показание:

1const int LM35_PIN = A0;
2const float VREF = 1.1;     // AREF'te ölçtüğün değeri yaz (ör. 1.083) / write the voltage you measured on AREF (e.g. 1.083)
3const int SAMPLES = 32;     // ortalama için ölçüm sayısı / number of samples to average
4
5void setup() {
6  Serial.begin(9600);
7  analogReference(INTERNAL);        // Uno/Nano: 1,1 V dahili referans / 1.1 V internal reference
8  for (int i = 0; i < 5; i++) {     // referans değişti, ilk okumaları at / discard the first readings after switching
9    analogRead(LM35_PIN);
10    delay(10);
11  }
12}
13
14float readTempC() {
15  long sum = 0;
16  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
17    sum += analogRead(LM35_PIN);
18    delay(2);
19  }
20  float raw = sum / (float)SAMPLES;       // ortalama ham değer / average raw value
21  return raw * VREF / 1024.0 * 100.0;     // her basamak ~0,107 °C / each step is ~0.107 °C
22}
23
24void loop() {
25  float t = readTempC();
26  Serial.print(F("Sicaklik / Temp: "));
27  Serial.print(t, 2);
28  Serial.println(F(" C"));
29  if (t > 108.0) {
30    Serial.println(F("Uyari: 1,1 V sinirina yakin / Warning: close to the 1.1 V limit"));
31  }
32  delay(1000);
33}

Усреднение и снижение шума

Одно измерение analogRead может колебаться на шаг-другой из-за наводок на проводах и пульсаций питания. Самый простой и действенный способ — усреднить несколько измерений: случайный шум падает пропорционально квадратному корню из числа выборок, так что усреднение 16 измерений снижает шум вчетверо, а 64 — в восемь раз. Температура меняется медленно, поэтому десятки измерений за несколько миллисекунд ничего не стоят. Для ещё более плавной кривой используй экспоненциальный фильтр: filtered = filtered + 0.1 × (new − filtered). Этот фильтр учитывает лишь 10 процентов каждого нового измерения и хранит в памяти одну переменную. Другие методы, например скользящее среднее и медиану, сравниваем в статье о фильтрации данных датчиков.

• Отбрасывай первое измерение после смены канала: если читаешь несколько аналоговых датчиков, конденсатор выборки АЦП ненадолго хранит напряжение предыдущего канала; читай тот же пин дважды и игнорируй первый результат.
• Веди GND датчика прямо к пину GND Arduino: если по тому же проводу земли течёт ток реле, мотора или светодиодной ленты, появляются сдвиги в милливольты, а у LM35 каждые 10 mV — это один градус.
• Кабель покороче и подальше от силовых проводов: длинные неэкранированные провода работают как антенны; при необходимости используй витую пару или экранированный кабель.
• Держи датчик подальше от источников тепла: LM35 прямо рядом со стабилизатором напряжения, модулем ESP32 или реле измеряет температуру платы, а не комнаты.
• Один раз откалибруй смещение: оставь LM35 рядом с надёжным термометром и вычти постоянную разницу в коде.

LM35 с ESP32: питание 3,3 V и линейность АЦП

ESP32 работает от 3,3 V, а даташит LM35 требует питания не ниже 4 V. LM35 с питанием 3,3 V может казаться рабочим при комнатной температуре, но его точность не гарантирована. Правильно питать датчик от пина 5V платы (на некоторых платах VIN), то есть от 5 V с USB. ESP32 это не повредит: даже при самой высокой температуре (150 °C) выход LM35 не превышает 1,5 V. Выход всегда подключай к пину ADC1 (GPIO 32–39), потому что пины ADC2 нельзя использовать при включённом Wi-Fi. Подробную карту пинов своей платы смотри в утилите «Распиновка», а если ESP32 для тебя в новинку, прочитай Что такое ESP32.

Вторая проблема — линейность АЦП ESP32. Он 12-битный (0–4095), но нелинеен на краях: напряжения ниже 100 mV он почти не различает, а отклонение меняется от платы к плате. Поскольку при комнатной температуре LM35 выдаёт всего 200–300 mV, это касается тебя напрямую. Решение в два шага: выбери ослабление под диапазон напряжений LM35 и вместо сырого значения используй analogReadMilliVolts(), которая применяет калибровочные данные, записанные в чип на производстве. Эта функция сразу возвращает милливольты, так что для температуры достаточно разделить результат на 10.

1const int LM35_PIN = 34;     // ADC1_CH6, Wi-Fi açıkken de çalışır / works while Wi-Fi is on
2const int SAMPLES = 64;      // ortalama için ölçüm sayısı / number of samples to average
3
4void setup() {
5  Serial.begin(115200);
6  analogReadResolution(12);                       // 0–4095
7  analogSetPinAttenuation(LM35_PIN, ADC_2_5db);   // ~100–1250 mV, yani 10–125 °C / i.e. 10–125 °C
8}
9
10void loop() {
11  uint32_t sum = 0;
12  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
13    sum += analogReadMilliVolts(LM35_PIN);        // kalibre edilmiş mV / calibrated millivolts
14    delay(1);
15  }
16  float mv = sum / (float)SAMPLES;
17  float tempC = mv / 10.0;                        // 10 mV = 1 °C
18  Serial.printf("Gerilim / Voltage: %.1f mV  Sicaklik / Temp: %.2f C\n", mv, tempC);
19  delay(1000);
20}

LM35 с Raspberry Pi Pico и MicroPython

12-битный АЦП Pico находится на пинах GP26, GP27 и GP28; опорным напряжением служит ADC_VREF — отфильтрованная линия 3,3 V. В MicroPython read_u16() масштабирует результат в диапазон 0–65535, так что напряжение = raw × 3.3 / 65535. Теоретическое разрешение 0,8 mV, то есть примерно 0,08 °C, но на практике АЦП Pico немного шумит и даёт небольшие скачки на определённых значениях, так что усреднение и здесь обязательно. Питай LM35 от VBUS (вывод 40), где есть 5 V от USB; если Pico работает не от USB, а от батарей, убедись, что напряжение на VSYS выше 4 V, и питай датчик оттуда. Если Pico у тебя впервые, установку MicroPython найдёшь в статье Что такое Raspberry Pi Pico.

1from machine import ADC, Pin
2import time
3
4# Pin(23, Pin.OUT, value=1)  # yalnız Pico (W değil): regülatör PWM modu, daha az gürültü / Pico (not W) only: SMPS PWM mode, less noise
5lm35 = ADC(26)               # GP26 = ADC0, fiziksel pin 31 / physical pin 31
6VREF = 3.3                   # ADC_VREF'i multimetreyle ölçüp yaz / measure ADC_VREF with a multimeter
7SAMPLES = 64                 # ortalama için ölçüm sayısı / number of samples to average
8
9
10def read_temp_c():
11    total = 0
12    for _ in range(SAMPLES):
13        total += lm35.read_u16()   # 0–65535, 12 bit sonuç 16 bite ölçeklenir / 12-bit result scaled to 16 bits
14    raw = total / SAMPLES
15    volts = raw * VREF / 65535
16    return volts * 100             # 10 mV/°C
17
18
19while True:
20    t = read_temp_c()
21    print("Sicaklik / Temp: {:.2f} C".format(t))
22    time.sleep(1)

В чипе Pico есть и датчик температуры (ADC(4)), но он измеряет температуру самого чипа, а не комнаты, и во время работы обычно завышает на несколько градусов; для комнатной температуры нужен внешний датчик вроде LM35. Чтобы получить более чистые результаты на обычной Pico, можно выставить GP23 в HIGH и перевести стабилизатор питания платы в режим PWM; это уменьшает пульсации на ADC_VREF, но в простое ток потребления чуть растёт. На Pico W этот пин занят беспроводным чипом, поэтому в коде эта строка закомментирована.

Измерение отрицательных температур с LM35

В базовой схеме LM35 измеряет только от 2 °C до 150 °C: его выходной каскад умеет отдавать ток, но почти не умеет его принимать, поэтому выход не может опуститься ниже земли. Для отрицательных температур в даташите два варианта. Первый — подключить выход к отрицательному питанию через резистор (R = Vs / 50 µA; 100 kΩ для −5 V); в проектах на Arduino он используется редко, потому что отрицательного питания нет. Второй — схема с однополярным питанием: вывод GND у LM35 поднимают примерно на 1 V над землёй двумя последовательными диодами (например, 1N4148), между выходом и землёй ставят резистор 18 kΩ, затем выход читают на A0, а вывод GND датчика — на A1. Температура равна (напряжение A0 − напряжение A1) × 100. Чтобы на выводах самого LM35 в этой схеме оставалось не меньше 4 V, питай +Vs не от 5 V, а от VIN (например, от адаптера на 9 V) и используй опорное 5 V. Помни, что распространённый LM35DZ ниже 0 °C не гарантирован; если отрицательные показания нужны часто, с DS18B20 хлопот гораздо меньше.

LM35, DS18B20 или DHT11

Коротко: если нужен простой термометр, который быстро реагирует, не требует библиотеки, занимает один аналоговый пин и работает на Arduino с 5 V, LM35 идеален; к тому же это самый наглядный датчик для изучения аналоговых измерений и опорных напряжений АЦП. Если кабель длинный, нужны отрицательные температуры, датчик опускается в жидкость или работаешь с платами на 3,3 V, такими как ESP32 и Pico, лучше выбрать DS18B20. Если нужна ещё и влажность, используй DHT11 или его более точного собрата DHT22. Более широкое сравнение, включающее NTC-термисторы, BME280 и другие, — в статье Сравнение датчиков температуры для Arduino.

Идеи проектов с LM35

Самый популярный проект с LM35 — термостат, который включает вентилятор, когда температура превышает заданное значение. Главное здесь — гистерезис: если вентилятор включается при 30 °C и выключается при 28 °C, реле не будет щёлкать каждую секунду, пока температура колеблется у порога, и его контакты не изнашиваются. Вентилятором можно управлять через модуль реле на D7:

1const int LM35_PIN = A0;
2const int RELAY_PIN = 7;          // röle modülünün IN pini / relay module IN pin
3const float ON_TEMP = 30.0;       // bu değerde fan açılır / fan turns on here
4const float OFF_TEMP = 28.0;      // bu değerde fan kapanır / fan turns off here
5const float VREF = 1.1;           // ölçtüğün AREF değeri / your measured AREF value
6bool fanOn = false;
7
8float readTempC() {
9  long sum = 0;
10  for (int i = 0; i < 32; i++) {
11    sum += analogRead(LM35_PIN);
12  }
13  return (sum / 32.0) * VREF / 1024.0 * 100.0;
14}
15
16void setup() {
17  Serial.begin(9600);
18  pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
19  digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
20  analogReference(INTERNAL);      // 1,1 V referans / 1.1 V reference
21  analogRead(LM35_PIN);           // ilk okumayı at / discard the first reading
22  delay(10);
23}
24
25void loop() {
26  float t = readTempC();
27  if (!fanOn && t >= ON_TEMP) fanOn = true;      // eşik aşıldı / threshold exceeded
28  if (fanOn && t <= OFF_TEMP) fanOn = false;     // yeterince soğudu / cooled down enough
29  digitalWrite(RELAY_PIN, fanOn ? HIGH : LOW);   // aktif-HIGH röle varsayıldı / assumes an active-HIGH relay
30  Serial.print(t, 1);
31  Serial.println(fanOn ? " C  fan ON" : " C  fan OFF");
32  delay(1000);
33}

• Термостат вентилятора с регулировкой: объедини код выше с DC-вентилятором и реле и повышай или понижай порог двумя кнопками.
• Цифровой термометр с LCD: показывай температуру на I2C LCD или OLED-дисплее вместе с минимумом и максимумом за день.
• Сигнализация перегрева: включай зуммер и светодиод, когда слишком сильно нагреваются блок питания, зарядное устройство или мотор 3D-принтера.
• Комнатный термометр с Wi-Fi: показывай температуру, измеренную ESP32, на веб-странице, которую открываешь на телефоне.
• Управление теплицей и инкубатором: собери систему, которая управляет нагревателем и вентилятором по температуре; подробности в статье о проекте умной теплицы.
• Регистратор температуры: записывай показание на SD-карту каждую минуту и строй суточную кривую температуры в Excel.

Частые ошибки и как их исправить

LM35 — идеальная стартовая деталь для изучения аналоговых измерений, опорных напряжений АЦП и фильтрации сигналов: начинаешь с одной формулы, а потом правильное опорное напряжение, усреднение и калибровка делают измерение таким же надёжным, как термометр. Тот же подход пригодится и для других аналоговых датчиков, например NTC-термистора. В приложении BlueGrays есть проекты вроде измерения температуры с NTC и LCD, температуры и влажности с DHT11, температурной станции на ESP32 с LCD и регистратора температуры, каждый с пошаговой схемой и готовым кодом.