摘要
本课题的目的设计一小型的温度自动调节设备，即家用恒温暖箱。依据反馈控制的原理，通过间接测量的方法进行温度测量，并由逻辑电路对温度比较后进行温度控制从而实现控温。实现了温度设定后的自动温度控制。具有简易、价格低、实用的特点。其可广泛应用于实验室、工业的产品储藏、产品测试等。
关键词：集成运算放大器；温度控制；可控硅
目录
前言
第一章 恒温暖箱系统构成
第二章 系统的设计
2-1温度测量系统
2-1.1测温探头
2-1.2温度信号的处理
2-2分析比较系统
2-2.1外部预期温度输入电路
2-2.2比较分析电路
2-3温控系统
第三章 系统的调试
3-1温度测量系统的调试
3-1.1测温探头的调试
3-1.2信号放大电路的调试
3-2比较分析电路的调试
3-3温控电路的调试
第四章 总结
附录：
参考文献：
前言通过电子器件的调节维持环境温度的稳定可称为恒温设备。随着时代迅速发展，在生产和生活中越来越离不开对恒温的需求。它有着广泛的用途，可用于医疗卫生、生物科技等。科研中用于储存菌种，细胞培养，精密实验。制药中可用于对药品进行对人体细胞的损害检测。医疗时可用于临床检验。同时在农业生产中作为作物育种，发酵，育雏及各种菌种的培养。工厂生产中用于对各种产品的老化测试及高精产品的生产。这些都离不开恒温设备对其的支持。所以从家庭生活到科技研发，从工业生产到物流运输，随处都可见到恒温设备。例如恒温箱在医药行业中作用较直观，多数药品的运输、储存过程离不开恒温设备，因为大多数的药品对温度有着较为严格的保存条件。
面对着市场对恒温设备与日俱增的需求，一个问题日益凸显。显然市场上的各种恒温设备价格虽层次不齐，可普遍价格较高。虽然对于某些高价值的产品，这并非太大的花销。然而对于低价值，对温度要求不高的产品而言，迫切的需要一种价格低廉，构造简单的恒温设备。
恒温暖箱可利用反馈控制系统对其进行控制，使得其能自主的控制温度，从而实现自动控制。反馈控制系统可通过比较系统行为（实时温度）与期望行为（期望温度）的偏差对系统行为进行调节，使之趋于期望。
本文针对恒温暖箱整个系统，融合反馈控制的概念。从而使恒温暖箱具有自动控制，构造简单廉价的优点。
第一章 恒温暖箱系统构成恒温暖箱由于需要根据自身温度调节其温度，故系统应有三部分组成，分别是测温系统，控制系统，温控系统组成。
其中测温系统用于测量温度并将其测量的结果信号送给分析比较系统，分析比较系统比较外部输入的期望温度和实际温度后决定是否加热，亦或者降温从而使温度趋近期望。温控系统可实际控制温度升高与降低，受到分析比较系统的控制。
恒温暖箱具体系统原理框图如图1-1。环境温度被温度测量系统感知后，将温度信号t传递给比较分析系统。比较分析系统从外部获知了期望温度T，又从温度测量系统处获得了实际温度，比较T与t后，控制温控系统，决定加热与降温。温控系统由加热与降温两部分组成。
第二章 系统的设计2-1温度测量系统温度测量电路在恒温暖箱系统设计中极其重要，其主要作用用于将温度转化为被分析比较系统可识别的信号。它直接影响着温度控制的精度。同时其要能实用可靠的反馈信号，同时要廉价。
2-1.1测温探头本次设计采用高速二极管1N4148作为传感器，其不易损坏，同时廉价多见。
二极管4148是一种由硅掺杂其他物质组成的pn结。利用pn结的温度特性，可通过二极管4148将温度信号物理性质变为电压信号数字量。
图 2-1
图2-1是二极管4148在导通时电流为10mA的电压温度特性曲线，其中x轴为温度，y轴为二极管两端导通电压。其为一条极其近似直线y=0.00125x+0.7725的曲线。利用高速二极管1N4148在不同温度下导通压降随温度的升高而降低的特性，将其作为测温传感器对暖箱内温度进行测量。通过对高速二极管1N4148两端电压压降变化测量间接对温度进行测量，同时应当使用双绞线作为其数据传输线，避免因电磁场干扰使得测量的信号夹杂可掩盖信号本体的噪声。
由于采用+12V电源供电，电路图2-2， D3是系统工作指示灯，R4为设定的对比电压（作用在2-2.2）其中Us为两个二极管两端电压。经过计算，通过两个1N4148二极管的电流i:
i=（12V-Us ）V/R2 （式2-1）
由图可知i应近似图中10mA的特性曲线。由式1.01和1N4148电压与结温图知，当10mA<i<12mA且二极管1N4148导通压降呈似线性变化。
2-1.2温度信号的处理由于二极管传递的电压信号较小，为mv级别的小信号，在系统中容易被其他信号掩盖。所以需要有电路对其进行不失真放大处理。
隔离缓冲电路该电路用于对信号与系统其他部分隔离，防止其受到干扰亦或者干扰其他部分系统。如果没有加入缓冲级电路，上一级探测部分电压传递给放大电路部分时由于前级电路电阻较小，放大部分的电阻R7、R8和二极管1N4148产生分压效果。且在前级电路电压变化由于所需测量信号为小信号，将由于放大电路的分压干扰从而无法准确进行测量。产生较大误差使系统无法正常工作。缓冲隔离电路由U1A,U1C集成运
放组成，即利用集成运放芯片LM324N构成电压跟随电路。LM324为低功率单电源四路运算放大器，输入电压最小3V最大32V。
如图2-4所示为电压跟随电路，实质为同相比例运算电路的一个特例。电路将输出电压全部引回到集成运放的反相输入端，使比例系数等于1。具体分析如下：11脚和4脚为供电引脚，令2脚输入电压为Un，Up为3脚输入电压。由于集成运放的净输入电压和净输入电流均为0，Uo=Un,Un=Up。所以
Up=Uo （式2-2）
输入电压可通过该电压跟随电路将电压信号传递给下一级电路，使得其输出只受输入的影响。
信号放大电路： 由于电压变化是mV级别，但传递过来的信号在1.4V～1.6V间。而对小信号放大的倍数必定是一个数量级或更多的，如果不对信号进行处理，很明显是受电源电压限制无法放大的,而放大的准确程度恰恰决定了其精度。所以需要对信号进行加工，将变化的信号“裁剪”出来。可利用差分放大电路对其进行运算，从而得到一个实际变化的小信号。
令U2电压为0V，U１单独作用。成为反相比例运算电路，输出电压:
Uo1=-（R6/R5）*U１ （式2-3）
令U１电压为0V， U2单独作用。成为同相比例运算电路，输出电压:
Uo2=（1+R6/R5）*[R8/(R8+R7)]* U2 （式2-4）
令R6=R5=R7=R8，所以
Uo= Uo1+ Uo2 （式2-5）
Uo= U2- U１ （式2-6）
使其电阻都为100KΩ，令其几乎接近断路。减小电路功耗。
信号放大电路：
由于需要对小信号进行放大，由于测温电路每升高1℃其变化约为2.7mV。设计的温度变化区间为30℃~60℃。则压降变化为82mV上下浮动。由于供电电压为+12V，故而可选取对其放大100倍。可使用同相比例运算放大电路进行放大。
图2-6是放大电路。设输入信号为同相输入Up。集成运放的净输入电压和净输入电流均为0，所以
Un=Up=Uo （式2-7）
计算可得
Uo=(1+R9/R10)*Up
（式2-8）
令R9=100KΩ，R10=1KΩ。则放大倍数为101倍。
2-2分析比较系统比较系统包括了外部输入及分析比较部分。
2-2.1外部预期温度输入电路
该部分电路由电位器R12和电阻R11、运算放大器组成。R11作为一个限流保护电阻存在，防止旋转R12过程中调节电阻过小，导致电源短路烧毁。所以设置R11=1KΩ。
同时R11也作为一个分压电阻存在用于配合R12在用户通过对R12的调节改变运算放大器的同相端的电压数值（即用户设定温度）。因传递的Uo为代表温度信号的电压信号。所以可通过对同相端电压的设置，调节电压从而控制温度，其范围计算如下：
令同相端电压为U1，因供电电源为+12V直流电源，通过计算其电压U1改变范围为：
U1=12V/（R11+R12） （式2-9）
R12为100KΩ电位器，可在0Ω至100KΩ中调节，则U1范围是11.881V至0V。
2-2.2比较分析电路通过对输入与输出结果的分析，可以得出一个关系，如下表2-1所示，t为实际温度，T为预期温度。
表2-1
分析后可用一比较器作为其分析控制电路如电路图2-7所示。
当输入电压变大，即反相端输入电压增大，代表环境温度t升高。同相端输入电压代表用户设定温度T。当反相电压高于同相电压时，输出低电平，降温电路工作。反之，输出高电平，加热电路开始工作。
2-3温控系统温控电路的设计
温控电路利用输出周期波给可控硅开关，通过控制其占空比，改变每秒的导通次数进而控制加热时间，进而产生两种工作状态。图2-8是电路图。
温控电路：由温度设置电路传过来的控制信号Vo控制温控电路。温控电路分为两块，分别为加热与降温电路。在Vo为高电平时，加热电路工作，在Vo为低电平时为降温工作。
其实质为方波发生电路，如图2-9。D4为稳压二极管，稳压12V。当电路开始工作时，
Un=(Uo*R18) /(R18+R15) （式2-10）
设其为门限电压UT=Un。
设某一时刻输出电压Uo=12V，则同相端电压Un=UT。电容C1通过R13正向充电使得Up增大，当Up大于Un时。Uo由+12V跃变为-12V时：
Un=（-Uo*R18）/(R18+R15) （式2-11）
则电容通过R13放电。至Up小于Un时，Uo跃变为+12V。具体分析如下：
电容两端的电压
Uc=Us+(U0-Us)*e^[-t/(R13*C1)] （式2-12）
其中Us为电容在t=∞时稳定值，U0为其初始电压值。
令Us=+Uo=12V，U0=-Uo=-12V。在其达到UT时
Uc=UT=Uo+(UT-Uo)*e^[-（T/2）/(R13*C1)]
（式2-13）
可得其周期
T=2*R13*C1*ln(1+2*R18/R15) （式2-14）
温控电路的不同的工作模式
该设计电路中，放电通路由R13与C1组成。放电电路由输入信号Vo控制两条通路，该通路为电容C1的充电通路。 通过改变充电通路，实现对其周期的控制。
充电时间：
T1=R13*C1*ln(1+2*R18/R15) （式2-15）
放电时间：
T2=R16*C1*ln(1+2*R18/R15) （式2-16）
T3=R17*C1*ln(1+2*R18/R15) （式2-17）
设置R13=10KΩ,R16=5KΩ，R17=100KΩ，电容C1=1μF。R18=100KΩ，R15=1KΩ。
则理论计算
T1≈198μS
T2≈99μS
T3≈1980μS
加热电路占空比δ1=T1/（T2+T1）*100%=66.7%,一个周期为397μS。
降温温电路占空比δ2=T1/（T3+T1）*100%=9.09%，一个周期为2178μS。
改变放电通路从而调节了占空比，具体调节如下。
当Vo输入高电平时，三极管Q2、MOS管Q2导通，三极管Q1、MOS管Q1截止。则R16所在放电回路导通，R16接入电路。R17所在回路三极管截止，回路断路。电路占空比为δ1，电路开始加热。
当Vo输入低电平时，三极管Q1、MOS管Q1导通，三极管Q2、MOS管Q2截止。则R16所在放电回路导通，R17接入电路。R16所在回路三极管截止，回路断路。电路占空比为δ2，电路开始恒温加热。恒温加热具体占空比视恒温箱具体散热决定，可通过调节R17阻值调节占空比。
实际中，由于二极管与三极管存在导通压降。所以
Uc=Us’+(U0-Us’)*e^[-t/(R13*C1)] （式2-17）
其中Us代表的为电容在t=∞时稳定值需要减去二极管的导通压降。即Us’=Us-∆U，∆U为二极管与三极管导通压降之和。
第三章 系统的调试3-1温度测量系统的调试3-1.1测温探头的调试室温30℃下测得压降为0.695mV，串联后升温至37℃约变化19mV，电压为1.460V。约1.35mV变化每摄氏度。同时与之串联电阻R2作为对其过流保护电阻。R1与D3作为它的工作显示灯。R3同样作为过流保护电阻同时，与经过调节的电位器R4组成作为在22℃时测温探头的等电压电路，电压为1.535V。用于进行差值比较。
3-1.2信号放大电路的调试缓冲级电路 输入等于输出，由于仪器精度，在0.1mV时，电压仍然相等。可近似默认为相等，无变化。
差分放大电路 实际使用万用表粗略测量R5=99.5KΩ,R6=100.5KΩ，R7=99.5KΩ,R8=100.4KΩ，U2=1.535V，U１=1.460V，Uo=78.1mV。(见图2-5)则结合理论分析
Uo≈1.009 U2-1.010 U１ （式3-1）
由式2-6可算得设计时理想理论值为Uo=75mV，
由式3-1可算得实际理论值为Uo=73.976mV。对比后很容易发现实际与理论分析不同，其中收的了多方面的影响。
1：集成运放实际并不是阻值无穷大的理想运放，对理论中的电压分布有一定的影响。它使得其运放两端等效电阻不完全等效于理论计算值。
2：电阻、电压测量由于测量工具的精度，无法做到准确测量。
3：供电电源存在的微弱电压波动。
4：集成运放芯片LM324N本身存在的精度及工艺水平限制导致的误差。
5：集成运放实际中放大区域电压变化并非是线性的，而是存在大部分区域近似线性变化的曲线。
放大电路理论值R9=100KΩ，R10=1KΩ。则Uo=7.881V，实际粗略测量得R9=100.7KΩ,R10=982Ω。由式2-8则实际理论分析中Uo=8.0869V。但实测Uo=8.06V，Up=78.1mV,与实际理论分析中Uo=8.0869V近似吻合实际测量值，具体误差产生原因有以下几点：
芯片内部电阻较小，受外部电路影响较大
仪器万用表测量的精确误差
芯片的位于放大区线性度不是很好，使得放大有误差
3-2比较分析电路的调试比较分析电路主要一个比较器构成，反相端输入信号为转换过的实际温度信号（具体表现为电压信号）。
当温度升高时，反相端输入电压升高。当反相输入电压高于或者等于设定的同相输入电压时，即温度升高至设定温度时，集成运放输出电压为低电位，温控电路进入降温状态。反之，集成运放输出电压为高电位，温控电路进入加热状态。
实际测量时发现反相输入端当比同相输入端高出7mV时，输出电平才翻转，其原因为LM324N芯片的集成运放最小的比较的差值分辨为7mV。
同时设当测温电路两端变化1℃时，压降变化为2.7mV,由3.2中测量值与实际值的关系，其在差分电路放大倍数为78.1/73.976。在放大电路放大倍数8.06/0.0781。则总放大倍数为108.955。
由于缓冲电路的输出只能确认小数点后一位仍然相等，则由比较电路的分辨最小的误差可得其最小分辨温度为
T=（7mV+0.1mV*108.955）/(2.7mV*108.955)≈0.0608℃
3-3温控电路的调试经过调试仿真后，加热电路波形如图3-1，占空比δ1=64.93%
降温电路波形如图3-2，占空比δ2=9.17%，大致与理论值相符。其中二极管分压使得电容充放电并未完全，使得其存在误差。且其充放电时受到其他原件的干扰。
第四章 总结本次电子设计实验中，完成了任务设计书的要求。设计成功完成实物的调试。
但设计中许多地方仍有不足，如针对小信号的特点专门设计了不同的防干扰措施，尽力避免了较多的干扰源，但是由于元件选择不恰当，仍然产生了较大的误差。同时也发现较多的实践与理论不符之处。并且设计时由于选择元件失误，使用了集成运放OP系列。因其并非传统的集成运放，使得无法实现普通集成运放的各种功能。使得在设计课程初期检查不出系统无法正常工作的故障，经过多次的仔细排查，发现并解决了该问题，使用了LM324 芯片取代了它。
随后查阅了其他资料，最终将电路调试成功，完成了任务。本次课程实验加深了我对元器件的认识，锻炼了动手能力。
附录：
全部设计资料51hei下载地址：
http://www.51hei.com/bbs/dpj-120713-1.html
当t小于T时，系统控制温控电路加热，从而改变实际温度，温度升高。当t大于T时系统控制温控电路降温，使实际温度下降。当t等于T时，由于恒温箱的本身存在散热，所以温度应一直处于动态稳定中而非等于T，但近似T。
差分放大电路：差分放大电路由U1B、R6、R5、R7、R8组成，使用LM324N集成运放,如。通过调节R4使之电压较二极管两端电压大十几毫伏，使用上述原件构成放大比例为1的加减运算电路，令同相输入信号（R4两端电压信号）为U１，反相输入信号（1N4148两端电压信号）为U2，输出端信号为U０。通常集成运放两个输入端外接电阻应对称，即R5∥R6＝R7∥R8。
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