本課題的目的設(shè)計(jì)一小型的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備，即家用恒溫暖箱。依據(jù)反饋控制的原理，通過(guò)間接測(cè)量的方法進(jìn)行溫度測(cè)量，并由邏輯電路對(duì)溫度比較后進(jìn)行溫度控制從而實(shí)現(xiàn)控溫。實(shí)現(xiàn)了溫度設(shè)定后的自動(dòng)溫度控制。具有簡(jiǎn)易、價(jià)格低、實(shí)用的特點(diǎn)。其可廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)的產(chǎn)品儲(chǔ)藏、產(chǎn)品測(cè)試等。

關(guān)鍵詞：集成運(yùn)算放大器；溫度控制；可控硅

通過(guò)電子器件的調(diào)節(jié)維持環(huán)境溫度的穩(wěn)定可稱為恒溫設(shè)備。隨著時(shí)代迅速發(fā)展，在生產(chǎn)和生活中越來(lái)越離不開(kāi)對(duì)恒溫的需求。它有著廣泛的用途，可用于醫(yī)療衛(wèi)生、生物科技等。科研中用于儲(chǔ)存菌種，細(xì)胞培養(yǎng)，精密實(shí)驗(yàn)。制藥中可用于對(duì)藥品進(jìn)行對(duì)人體細(xì)胞的損害檢測(cè)。醫(yī)療時(shí)可用于臨床檢驗(yàn)。同時(shí)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作為作物育種，發(fā)酵，育雛及各種菌種的培養(yǎng)。工廠生產(chǎn)中用于對(duì)各種產(chǎn)品的老化測(cè)試及高精產(chǎn)品的生產(chǎn)。這些都離不開(kāi)恒溫設(shè)備對(duì)其的支持。所以從家庭生活到科技研發(fā)，從工業(yè)生產(chǎn)到物流運(yùn)輸，隨處都可見(jiàn)到恒溫設(shè)備。例如恒溫箱在醫(yī)藥行業(yè)中作用較直觀，多數(shù)藥品的運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程離不開(kāi)恒溫設(shè)備，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的藥品對(duì)溫度有著較為嚴(yán)格的保存條件。

面對(duì)著市場(chǎng)對(duì)恒溫設(shè)備與日俱增的需求，一個(gè)問(wèn)題日益凸顯。顯然市場(chǎng)上的各種恒溫設(shè)備價(jià)格雖層次不齊，可普遍價(jià)格較高。雖然對(duì)于某些高價(jià)值的產(chǎn)品，這并非太大的花銷。然而對(duì)于低價(jià)值，對(duì)溫度要求不高的產(chǎn)品而言，迫切的需要一種價(jià)格低廉，構(gòu)造簡(jiǎn)單的恒溫設(shè)備。

恒溫暖箱可利用反饋控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，使得其能自主的控制溫度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。反饋控制系統(tǒng)可通過(guò)比較系統(tǒng)行為（實(shí)時(shí)溫度）與期望行為（期望溫度）的偏差對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之趨于期望。

本文針對(duì)恒溫暖箱整個(gè)系統(tǒng)，融合反饋控制的概念。從而使恒溫暖箱具有自動(dòng)控制，構(gòu)造簡(jiǎn)單廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。

恒溫暖箱由于需要根據(jù)自身溫度調(diào)節(jié)其溫度，故系統(tǒng)應(yīng)有三部分組成，分別是測(cè)溫系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)組成。

其中測(cè)溫系統(tǒng)用于測(cè)量溫度并將其測(cè)量的結(jié)果信號(hào)送給分析比較系統(tǒng)，分析比較系統(tǒng)比較外部輸入的期望溫度和實(shí)際溫度后決定是否加熱，亦或者降溫從而使溫度趨近期望。溫控系統(tǒng)可實(shí)際控制溫度升高與降低，受到分析比較系統(tǒng)的控制。

恒溫暖箱具體系統(tǒng)原理框圖如圖1-1。環(huán)境溫度被溫度測(cè)量系統(tǒng)感知后，將溫度信號(hào)t傳遞給比較分析系統(tǒng)。比較分析系統(tǒng)從外部獲知了期望溫度T，又從溫度測(cè)量系統(tǒng)處獲得了實(shí)際溫度，比較T與t后，控制溫控系統(tǒng)，決定加熱與降溫。溫控系統(tǒng)由加熱與降溫兩部分組成。

當(dāng)t小于T時(shí)，系統(tǒng)控制溫控電路加熱，從而改變實(shí)際溫度，溫度升高。當(dāng)t大于T時(shí)系統(tǒng)控制溫控電路降溫，使實(shí)際溫度下降。當(dāng)t等于T時(shí)，由于恒溫箱的本身存在散熱，所以溫度應(yīng)一直處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定中而非等于T，但近似T。

溫度測(cè)量電路在恒溫暖箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極其重要，其主要作用用于將溫度轉(zhuǎn)化為被分析比較系統(tǒng)可識(shí)別的信號(hào)。它直接影響著溫度控制的精度。同時(shí)其要能實(shí)用可靠的反饋信號(hào)，同時(shí)要廉價(jià)。

本次設(shè)計(jì)采用高速二極管1N4148作為傳感器，其不易損壞，同時(shí)廉價(jià)多見(jiàn)。

二極管4148是一種由硅摻雜其他物質(zhì)組成的pn結(jié)。利用pn結(jié)的溫度特性，可通過(guò)二極管4148將溫度信號(hào)物理性質(zhì)變?yōu)殡妷盒盘?hào)數(shù)字量。

圖2-1是二極管4148在導(dǎo)通時(shí)電流為10mA的電壓溫度特性曲線，其中x軸為溫度，y軸為二極管兩端導(dǎo)通電壓。其為一條極其近似直線y=0.00125x+0.7725的曲線。利用高速二極管1N4148在不同溫度下導(dǎo)通壓降隨溫度的升高而降低的特性，將其作為測(cè)溫傳感器對(duì)暖箱內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)對(duì)高速二極管1N4148兩端電壓壓降變化測(cè)量間接對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)應(yīng)當(dāng)使用雙絞線作為其數(shù)據(jù)傳輸線，避免因電磁場(chǎng)干擾使得測(cè)量的信號(hào)夾雜可掩蓋信號(hào)本體的噪聲。

由于采用+12V電源供電，電路圖2-2， D3是系統(tǒng)工作指示燈，R4為設(shè)定的對(duì)比電壓（作用在2-2.2）其中Us為兩個(gè)二極管兩端電壓。經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)兩個(gè)1N4148二極管的電流i:

i=（12V-Us ）V/R2                 （式2-1）

由圖可知i應(yīng)近似圖中10mA的特性曲線。由式1.01和1N4148電壓與結(jié)溫圖知，當(dāng)10mA<i<12mA且二極管1N4148導(dǎo)通壓降呈似線性變化。

由于二極管傳遞的電壓信號(hào)較小，為mv級(jí)別的小信號(hào)，在系統(tǒng)中容易被其他信號(hào)掩蓋。所以需要有電路對(duì)其進(jìn)行不失真放大處理。

隔離緩沖電路該電路用于對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)其他部分隔離，防止其受到干擾亦或者干擾其他部分系統(tǒng)。如果沒(méi)有加入緩沖級(jí)電路，上一級(jí)探測(cè)部分電壓傳遞給放大電路部分時(shí)由于前級(jí)電路電阻較小，放大部分的電阻R7、R8和二極管1N4148產(chǎn)生分壓效果。且在前級(jí)電路電壓變化由于所需測(cè)量信號(hào)為小信號(hào)，將由于放大電路的分壓干擾從而無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)量。產(chǎn)生較大誤差使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。緩沖隔離電路由U1A,U1C集成運(yùn)放組成，即利用集成運(yùn)放芯片LM324N構(gòu)成電壓跟隨電路。LM324為低功率單電源四路運(yùn)算放大器，輸入電壓最小3V最大32V。

如圖2-4所示為電壓跟隨電路，實(shí)質(zhì)為同相比例運(yùn)算電路的一個(gè)特例。電路將輸出電壓全部引回到集成運(yùn)放的反相輸入端，使比例系數(shù)等于1。具體分析如下：11腳和4腳為供電引腳，令2腳輸入電壓為Un，Up為3腳輸入電壓。由于集成運(yùn)放的凈輸入電壓和凈輸入電流均為0，Uo=Un,Un=Up。所以

Up=Uo           （式2-2）

輸入電壓可通過(guò)該電壓跟隨電路將電壓信號(hào)傳遞給下一級(jí)電路，使得其輸出只受輸入的影響。

信號(hào)放大電路： 由于電壓變化是mV級(jí)別，但傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)在1.4V～1.6V間。而對(duì)小信號(hào)放大的倍數(shù)必定是一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多的，如果不對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，很明顯是受電源電壓限制無(wú)法放大的,而放大的準(zhǔn)確程度恰恰決定了其精度。所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工，將變化的信號(hào)“裁剪”出來(lái)。可利用差分放大電路對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算，從而得到一個(gè)實(shí)際變化的小信號(hào)。

差分放大電路：差分放大電路由U1B、R6、R5、R7、R8組成，使用LM324N集成運(yùn)放,如。通過(guò)調(diào)節(jié)R4使之電壓較二極管兩端電壓大十幾毫伏，使用上述原件構(gòu)成放大比例為1的加減運(yùn)算電路，令同相輸入信號(hào)（R4兩端電壓信號(hào)）為U１，反相輸入信號(hào)（1N4148兩端電壓信號(hào)）為U2，輸出端信號(hào)為U０。通常集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端外接電阻應(yīng)對(duì)稱，即R5∥R6＝R7∥R8。

令U2電壓為0V，U１單獨(dú)作用。成為反相比例運(yùn)算電路，輸出電壓:

Uo1=-（R6/R5）*U１                    （式2-3）

令U１電壓為0V， U2單獨(dú)作用。成為同相比例運(yùn)算電路，輸出電壓:

                  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）                                    

使其電阻都為100KΩ，令其幾乎接近斷路。減小電路功耗。

由于需要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，由于測(cè)溫電路每升高1℃其變化約為2.7mV。設(shè)計(jì)的溫度變化區(qū)間為30℃~60℃。則壓降變化為82mV上下浮動(dòng)。由于供電電壓為+12V，故而可選取對(duì)其放大100倍。可使用同相比例運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大。

圖2-6是放大電路。設(shè)輸入信號(hào)為同相輸入U(xiǎn)p。集成運(yùn)放的凈輸入電壓和凈輸入電流均為0，所以

    Un=Up=Uo   （式2-7）

計(jì)算可得

Uo=(1+R9/R10)*Up

（式2-8）

令R9=100KΩ，R10=1KΩ。則放大倍數(shù)為101倍。

比較系統(tǒng)包括了外部輸入及分析比較部分。

該部分電路由電位器R12和電阻R11、運(yùn)算放大器組成。R11作為一個(gè)限流保護(hù)電阻存在，防止旋轉(zhuǎn)R12過(guò)程中調(diào)節(jié)電阻過(guò)小，導(dǎo)致電源短路燒毀。所以設(shè)置R11=1KΩ。

同時(shí)R11也作為一個(gè)分壓電阻存在用于配合R12在用戶通過(guò)對(duì)R12的調(diào)節(jié)改變運(yùn)算放大器的同相端的電壓數(shù)值（即用戶設(shè)定溫度）。因傳遞的Uo為代表溫度信號(hào)的電壓信號(hào)。所以可通過(guò)對(duì)同相端電壓的設(shè)置，調(diào)節(jié)電壓從而控制溫度，其范圍計(jì)算如下：

令同相端電壓為U1，因供電電源為+12V直流電源，通過(guò)計(jì)算其電壓U1改變范圍為：

        U1=12V/（R11+R12）              （式2-9）

R12為100KΩ電位器，可在0Ω至100KΩ中調(diào)節(jié)，則U1范圍是11.881V至0V。

通過(guò)對(duì)輸入與輸出結(jié)果的分析，可以得出一個(gè)關(guān)系，如下表2-1所示，t為實(shí)際溫度，T為預(yù)期溫度。

分析后可用一比較器作為其分析控制電路如電路圖2-7所示。

當(dāng)輸入電壓變大，即反相端輸入電壓增大，代表環(huán)境溫度t升高。同相端輸入電壓代表用戶設(shè)定溫度T。當(dāng)反相電壓高于同相電壓時(shí)，輸出低電平，降溫電路工作。反之，輸出高電平，加熱電路開(kāi)始工作。

溫控電路利用輸出周期波給可控硅開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制其占空比，改變每秒的導(dǎo)通次數(shù)進(jìn)而控制加熱時(shí)間，進(jìn)而產(chǎn)生兩種工作狀態(tài)。圖2-8是電路圖。

溫控電路：由溫度設(shè)置電路傳過(guò)來(lái)的控制信號(hào)Vo控制溫控電路。溫控電路分為兩塊，分別為加熱與降溫電路。在Vo為高電平時(shí)，加熱電路工作，在Vo為低電平時(shí)為降溫工作。

其實(shí)質(zhì)為方波發(fā)生電路，如圖2-9。D4為穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓12V。當(dāng)電路開(kāi)始工作時(shí)，

Un=(Uo*R18) /(R18+R15)       （式2-10）

設(shè)其為門限電壓UT=Un。

設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=12V，則同相端電壓Un=UT。電容C1通過(guò)R13正向充電使得Up增大，當(dāng)Up大于Un時(shí)。Uo由+12V躍變?yōu)?12V時(shí)：

Un=（-Uo*R18）/(R18+R15)       （式2-11）

則電容通過(guò)R13放電。至Up小于Un時(shí)，Uo躍變?yōu)?12V。具體分析如下：

電容兩端的電壓

Uc=Us+(U0-Us)*e^[-t/(R13*C1)]     （式2-12）   

其中Us為電容在t=∞時(shí)穩(wěn)定值，U0為其初始電壓值。

令Us=+Uo=12V，U0=-Uo=-12V。在其達(dá)到UT時(shí)

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）

該設(shè)計(jì)電路中，放電通路由R13與C1組成。放電電路由輸入信號(hào)Vo控制兩條通路，該通路為電容C1的充電通路。 通過(guò)改變充電通路，實(shí)現(xiàn)對(duì)其周期的控制。

充電時(shí)間：

T1=R13*C1*ln(1+2*R18/R15)         （式2-15）

放電時(shí)間：

T2=R16*C1*ln(1+2*R18/R15)        （式2-16）

T3=R17*C1*ln(1+2*R18/R15)        （式2-17）

設(shè)置R13=10KΩ,R16=5KΩ，R17=100KΩ，電容C1=1μF。R18=100KΩ，R15=1KΩ。

則理論計(jì)算        

T1≈198μS

T2≈99μS

T3≈1980μS

加熱電路占空比δ1=T1/（T2+T1）*100%=66.7%,一個(gè)周期為397μS。

降溫溫電路占空比δ2=T1/（T3+T1）*100%=9.09%，一個(gè)周期為2178μS。

改變放電通路從而調(diào)節(jié)了占空比，具體調(diào)節(jié)如下。

當(dāng)Vo輸入高電平時(shí)，三極管Q2、MOS管Q2導(dǎo)通，三極管Q1、MOS管Q1截止。則R16所在放電回路導(dǎo)通，R16接入電路。R17所在回路三極管截止，回路斷路。電路占空比為δ1，電路開(kāi)始加熱。

當(dāng)Vo輸入低電平時(shí)，三極管Q1、MOS管Q1導(dǎo)通，三極管Q2、MOS管Q2截止。則R16所在放電回路導(dǎo)通，R17接入電路。R16所在回路三極管截止，回路斷路。電路占空比為δ2，電路開(kāi)始恒溫加熱。恒溫加熱具體占空比視恒溫箱具體散熱決定，可通過(guò)調(diào)節(jié)R17阻值調(diào)節(jié)占空比。

實(shí)際中，由于二極管與三極管存在導(dǎo)通壓降。所以

Uc=Us’+(U0-Us’)*e^[-t/(R13*C1)]     （式2-17）

其中Us代表的為電容在t=∞時(shí)穩(wěn)定值需要減去二極管的導(dǎo)通壓降。即Us’=Us-∆U，∆U為二極管與三極管導(dǎo)通壓降之和。

室溫30℃下測(cè)得壓降為0.695mV，串聯(lián)后升溫至37℃約變化19mV，電壓為1.460V。約1.35mV變化每攝氏度。同時(shí)與之串聯(lián)電阻R2作為對(duì)其過(guò)流保護(hù)電阻。R1與D3作為它的工作顯示燈。R3同樣作為過(guò)流保護(hù)電阻同時(shí)，與經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的電位器R4組成作為在22℃時(shí)測(cè)溫探頭的等電壓電路，電壓為1.535V。用于進(jìn)行差值比較。

緩沖級(jí)電路 輸入等于輸出，由于儀器精度，在0.1mV時(shí)，電壓仍然相等。可近似默認(rèn)為相等，無(wú)變化。

差分放大電路  實(shí)際使用萬(wàn)用表粗略測(cè)量R5=99.5KΩ,R6=100.5KΩ，R7=99.5KΩ,R8=100.4KΩ，U2=1.535V，U１=1.460V，Uo=78.1mV。(見(jiàn)圖2-5)則結(jié)合理論分析

Uo≈1.009 U2-1.010 U１                （式3-1）              

由式2-6可算得設(shè)計(jì)時(shí)理想理論值為Uo=75mV，

由式3-1可算得實(shí)際理論值為Uo=73.976mV。對(duì)比后很容易發(fā)現(xiàn)實(shí)際與理論分析不同，其中收的了多方面的影響。

1：集成運(yùn)放實(shí)際并不是阻值無(wú)窮大的理想運(yùn)放，對(duì)理論中的電壓分布有一定的影響。它使得其運(yùn)放兩端等效電阻不完全等效于理論計(jì)算值。

2：電阻、電壓測(cè)量由于測(cè)量工具的精度，無(wú)法做到準(zhǔn)確測(cè)量。

3：供電電源存在的微弱電壓波動(dòng)。

4：集成運(yùn)放芯片LM324N本身存在的精度及工藝水平限制導(dǎo)致的誤差。

5：集成運(yùn)放實(shí)際中放大區(qū)域電壓變化并非是線性的，而是存在大部分區(qū)域近似線性變化的曲線。

放大電路理論值R9=100KΩ，R10=1KΩ。則Uo=7.881V，實(shí)際粗略測(cè)量得R9=100.7KΩ,R10=982Ω。由式2-8則實(shí)際理論分析中Uo=8.0869V。但實(shí)測(cè)Uo=8.06V，Up=78.1mV,與實(shí)際理論分析中Uo=8.0869V近似吻合實(shí)際測(cè)量值，具體誤差產(chǎn)生原因有以下幾點(diǎn)：

芯片內(nèi)部電阻較小，受外部電路影響較大

儀器萬(wàn)用表測(cè)量的精確誤差

芯片的位于放大區(qū)線性度不是很好，使得放大有誤差

比較分析電路主要一個(gè)比較器構(gòu)成，反相端輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)換過(guò)的實(shí)際溫度信號(hào)（具體表現(xiàn)為電壓信號(hào)）。

當(dāng)溫度升高時(shí)，反相端輸入電壓升高。當(dāng)反相輸入電壓高于或者等于設(shè)定的同相輸入電壓時(shí)，即溫度升高至設(shè)定溫度時(shí)，集成運(yùn)放輸出電壓為低電位，溫控電路進(jìn)入降溫狀態(tài)。反之，集成運(yùn)放輸出電壓為高電位，溫控電路進(jìn)入加熱狀態(tài)。

實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)反相輸入端當(dāng)比同相輸入端高出7mV時(shí)，輸出電平才翻轉(zhuǎn)，其原因?yàn)長(zhǎng)M324N芯片的集成運(yùn)放最小的比較的差值分辨為7mV。

同時(shí)設(shè)當(dāng)測(cè)溫電路兩端變化1℃時(shí)，壓降變化為2.7mV,由3.2中測(cè)量值與實(shí)際值的關(guān)系，其在差分電路放大倍數(shù)為78.1/73.976。在放大電路放大倍數(shù)8.06/0.0781。則總放大倍數(shù)為108.955。

由于緩沖電路的輸出只能確認(rèn)小數(shù)點(diǎn)后一位仍然相等，則由比較電路的分辨最小的誤差可得其最小分辨溫度為

        T=（7mV+0.1mV*108.955）/(2.7mV*108.955)≈0.0608℃

經(jīng)過(guò)調(diào)試仿真后，加熱電路波形如圖3-1，占空比δ1=64.93%

降溫電路波形如圖3-2，占空比δ2=9.17%，大致與理論值相符。其中二極管分壓使得電容充放電并未完全，使得其存在誤差。且其充放電時(shí)受到其他原件的干擾。

本次電子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，完成了任務(wù)設(shè)計(jì)書(shū)的要求。設(shè)計(jì)成功完成實(shí)物的調(diào)試。

但設(shè)計(jì)中許多地方仍有不足，如針對(duì)小信號(hào)的特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了不同的防干擾措施，盡力避免了較多的干擾源，但是由于元件選擇不恰當(dāng)，仍然產(chǎn)生了較大的誤差。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)較多的實(shí)踐與理論不符之處。并且設(shè)計(jì)時(shí)由于選擇元件失誤，使用了集成運(yùn)放OP系列。因其并非傳統(tǒng)的集成運(yùn)放，使得無(wú)法實(shí)現(xiàn)普通集成運(yùn)放的各種功能。使得在設(shè)計(jì)課程初期檢查不出系統(tǒng)無(wú)法正常工作的故障，經(jīng)過(guò)多次的仔細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)并解決了該問(wèn)題，使用了LM324 芯片取代了它。

隨后查閱了其他資料，最終將電路調(diào)試成功，完成了任務(wù)。本次課程實(shí)驗(yàn)加深了我對(duì)元器件的認(rèn)識(shí)，鍛煉了動(dòng)手能力。