恒温箱温度控制系统的硬件电路设计
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系主任签名：日期：
说明
课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；
摘要…………………………………………………………………………………...6
1.设计内容及要求………………………………………………………………………………..6
2.系统方案…………………………………………………………………........................ ....7
学生姓名
罗永健
指导教师
包艳
课题名称
恒温箱温度控制系统的硬件电路设计
内容及任务
一、设计内容：
基本功能：设计程序稳定控制系统，系统方框图如下
二、任务：
1、绘制控制系统结构框图，并用PROTEL软件绘制主要电路原理图，和相应的PCB板印制电路板图。
2、制作硬件电路板
3、对硬件电路进行调试。
4、完成设计说明书的撰写。
2 AD590K
(双腿集成电路温度传感器)
封装及引脚图如下：
3.OP07（精密运算放大芯片）
引脚及封装图：
4 AD1674(高精度模数转换芯片)
封装及内部结构图：
四、电路设计
1．测量部分
采用温度传感器AD590K。它具有较高精度和重复性，其良好的非线性可以保证优于正负0.1°C的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿，可以达到正负0.1°C测量精度。
。HIS——高速输入（HIS。0~HIS。3）引脚，其中HIS。2和HIS。3与两个高速输出引脚公用。
。HSO——高速输出（HSO。0~HSO。5）引脚，其中HSO。4和HSO。5与两个HIS引脚公用。
。P0口——4路高阻输入口，既可作为A/D转换器的模拟量输入（ACH4~ACH7），又可作为数字量输入（P0.4~宽。7），也可同时输入模拟信号和数字信号。
（2）温度调节范围：室温到60℃；温度误差<2℃；温度上升调节时间<50秒；
（3）温度显示保留1位小数；
（4）恒温箱内放置一个灯泡加热，电源为220VAC；
二、系统方案
本题目是设计制作一个恒温箱控制系统，为测量和温度调节方便，内加2L纯净水，加热器为100W电炉。要求能在20度到60度范围内设定控制水温，静态控制精度为0.2°C，并具有较好的快速性与较小的超调．含有十进制数码管显示、温度曲线打印等功能。
。P2口——4位多功能口（P2.0，P2.1，P2.5）。它们除用作标准的I/O口之外，还具有复用功能，表13.5给出P2口各引脚的基本功能和复用功能。
。P3/P4口——均为8位双向I/O口，具有两种功能，既可用作具有漏极开路输出的双向口，也可作为系统总线。用作系统总线时，P3口传送低8位地址及8位数据，P4口传送高8位地址，此时，引脚内部有上位作用。
引脚图如下：
主要引脚功能如下：
。Vcc ——主电源（+5V）。
。Vss ——数字地（0V），有两个Vss，须同时接地。
。Vpd —— RAM备用电源（+5V）。正常操作期间，此电源必须接通。在掉电情况下，当Vcc尚未降至RAM所需规范电压值以下时（Vpd正常供电），RESET信号有效，则片内寄存器顶部的16个字节内容得以维持不变，在掉电期间RESET必须保持低电平，直至Vcc恢复正常且振荡器达到稳定时为止。
超调：系统在达到设定值后一般并不能立即稳定在设定值，而是超过设定值后经一定的过渡过程才重新稳定。传感器滞后是指由于传感器本身热传导特性或是由于传感器安装位置的原因，使传感器测量到的温度比系统实际的温度在时间上滞后，系统达到设定值后调节器无法立即作出反应，产生超调。
三、主要元器件介绍：
1.8098单片机
[5]唐俊翟、许雷、张群，《单片机原理与应用》，冶金工业出版社，2003
[6]朱定华等，《单片机原理与应用》，清华大学出版社、北方交通大学出版社，2002
[7]丁元杰，《单片微机原理及应用》（第2版），机械工业出版社，2001.
[8]张培仁，《MCS-51单片机原理与应用》，清华大学出版社，2002
。ALE/ADV——地址锁存允许或地址输出有效（由芯片控制器CCR选择）。当ALE为高电平时，表示地址/数据总线上传送的是存储器地址，ALE下降沿将地址锁存到地址锁存到地址锁存器中。
。RD——外部存储器读信号，输出低电平有效。
。WR——外部存储器写信号，输出低电平有效。
。READY——准备就绪信号（输入）。它用来延长对外部存储器的访问周期，以便与慢速存储器或动态存储器接口。它也可用于总线共享，总线周期最多可延长至1μs。通过CCR寄存器可控制插入总线周期中的状态数。该引脚内部有微弱的上位作用，在无外部驱动器时，为高电平。
。Vref——片内A/D的参考电压（+5V），同时也是A/D模拟部分的电源电压及读P0所用逻辑电路的供电电压。
。ANGND——A/D的模拟地，通常应与Vss保持同电位。
。Vpp ——片内EPROM的编程电压针对8795BH而言。
。STAL1——片内反相振荡器的输出，也是片内时钟发生器的输入，通常接外部晶体。
简介：80年代中期，单片机的应用进入了16位单片机的时代。Intel公司继MCS-51单片机之后，于1983年推出16位单片机8098，1988年年底Intel公司推出了具有8位机价格16位机性能的8098单片机，从而使MCS-96系列单片机的应用有了飞跃性的突破。在此基础上，Intel公司又推出了性能更强的CMOS芯片80C196/80C198，它们除保留了8096BH/8098的功能外，还增加了许多内部功能和指令功能，且速度相当于9096BH/8098的两倍，使其在高层次的应用中有很大的前景。
实施方案：
根据以上分析，采用如下方案：
1，温度测量部分采用集成温度传感器AD590K，加上软件非线性补偿来实现高精度测量，见下图
2动按制部分采用脉冲移相触发可控硅改变电炉的有效功率，见下图：
拟达到的要求或技术指标
拟达到的要求：
（1）通过控制器调节，使恒温箱达到键盘设置温度，显示器要同时显示设置温度和恒温箱实际温度；
（2）温度调节范围：室温到60℃；温度误差<2℃；温度上升调节时间<50秒；
（3）温度显示保留1位小数；
（4）恒温箱内放置一个灯泡加热，电源为220VAC；
（5）设计说明书应根据实际设计内容和过程来撰写，并合乎长沙学院毕课程设计的各种规范。
进度安排
起止日期
工作内容
备注
2010.12.27—2010.12.29
查找资料、理解课题；
确定设计思路。
2010.12.30—2011.1.4
完成系统的全部设计、安装、调试；
在设计过程中为设计书准备材料。
2011.1.5—2011.1.6
根据设计内容完成设计书的撰写。
2011.1.7
通过评审与答辩，提交设计书。
[9]梁恩主，《Protel99SE电路设计于仿真应用》,清华大学出版社，2000.11
[10]丁枫等，《电子工程师制图与制版技术》，科学出版社，2004
[11]谭浩强，《C语言程序设计》，清华大学出版社，1998.1
[12]楼然苗等，《单片机课程设计指导》，北京航空航天大学出版社，2007
教研室
意见
。STAL2——片内反相振荡器的输出，通常接外部晶体。
。RESET——复位信号输入，低电平有效，两个状态周期以上的低电平输入可使芯片复位。RESET再变为高电平时（高电平持续时间大于10个状态周期）可产生10个周期的内部复位序列。
。EA——存储器选择输入端。当EA=0时，CPU对外部存储器操作，当EA=1时，CPU对片内存储器（EPROM/ROM）的2000H––3FFFH单元操作，地址在4000H以后，访问外部存储器，此引脚内部有下拉作用，若引脚无驱动，它总保持低电平。
主要参考资料
[1]何立民主编,《单片机中级教程》,北京航空航天大学出版社，2002
[2]康华光主编，《电子技术基础》（模拟部分）第四版，高等教育出版社，1999
[3]康华光主编，《电子技术基础》（数字部分）第四版，高等教育出版社，1999
[4]胡汉才，《单片机原理与接口技术》（第2版），清华大学出版社，2003
3.主要元器件介绍………………………………………………………......................................7
4.电路设计……………………………………………………………………………………….11
5理论分析.……………………………………………………………………….........................12
2．驱动控制部分
(1)电炉有效功率控制
采用移相控制交流电压的有效功率，依据HIS口得到的过零检测信号控制HSO口输出同步脉冲，移相量由温度误差计算给出，这样对交流电的单个周期的有效值周期性调节．以保证系统的动态指标。
(2)交流电过零检测电路设计
交流电源经变压器降压后进行过零检测，再通过光电耦合器件输出过零检测信号，避免交流电平干扰，其安全性可靠性高，见下图。
一、设计内容及要求：
1、设计内容：
基本功能：设计程序稳定控制系统，系统方框图如下
2、任务：
1）、绘制控制系统结构框图，并用PROTEL软件绘制主要电路原理图，和相应的PCB板印制电路板图。
2）、制作硬件电路板
3）、对硬件电路进行调试。
4）、完成设计说明书的撰写。
3、拟达到的要求：
（1）通过控制器调节，使恒温箱达到键盘设置温度，显示器要同时显示设置温度和恒温箱实际温度；
年月日
系（部）主管领导意见
年月日
长沙学院课程设计鉴定表
姓名
罗永健
学号
2007042230
专业
电气工程及其自动化
班级
2
设计题目
恒温箱温度控制系统的硬件电路设计
指导教师
包艳
指导教师意见：
评定等级：教师签名：日期：
答辩小组意见：
评定等级：答辩小组长签名：日期：
教研室意见：
教研室主任签名：日期：
系（部）意见：
恒温箱主要用来控制温度，目前广泛用于实验室及科研工厂、企业同时也为农业研究，生物技术测试提供所需要的各种环境模拟条件，因此可以广泛用于药物、纺织、食品加工等无菌实验、稳定性检查以及工业产品的原料性、产品包装、产品寿命等测试。恒温箱还可以共科研机关及医院做细菌培养之用，也可以育种，发酵以及大型养殖孵化等用途。总之，恒温箱在日前工业生产及科学院中有着重要的作用，因此设计一个搞精度的温度控制系统有着重要的实际意义和应用价值。
关键词：
非线性补偿：大多数被测参数与显示值之间呈现非线性关系，为了消除非线性误差，必须在仪表中加入非线性补偿电路。常用的方法有：模拟式非线性补偿法、非线性数模转换补偿法、数字式非线性补偿法等。
分段非线性：由于热敏电阻的阻值与温度之间的关系存在着非线性，需通过计算机进行非线性改正，消除非线性的影响。为克服非线性的影响，采用分段线性法补偿。如果该温度计的测量范围为5℃至45℃，将整个温度测量范围等分为10个小区间，每4度为一个区间，在每个区间内温度与频率的关系可视为线性。
过零检测光耦：过零检测光藕就是在交流电网过零检测光藕.在电网过零时干扰最小,不会影响模拟测量的结果，这种光耦是在直流电时导通的.它的前级结构是二极管。
热惯性：系统在升温过程中，加热器温度总是高于被控对象温度，在达到设定值后，即使减小或切断加热功率，加热器存储的热量在一定时间内仍然会使系统升温，降温有类似的反向过程，这称之为系统的热惯性。
6.硬件程序………………wk.baidu.com……………………………………………………..........................13
7.实验心得………………………………………………………………………………………..20
参考文献…………………………………………………………………………………………..21
摘要
恒温箱在工业生产和科学研究中有着重要的作用，因此设计一个合适的温度控制系统有着重要的意义，而恒温箱的温度控制系统比较复杂，是一个大时滞、时变、非线性系统，很难用数学方法简历精确的数学模型。目前主要采用经典控制、智能控制和两种控制算法相结合的控制算法对恒温箱的温度控制系统进行控制。有PID控制算法、模糊控制算法及模糊PID控制算法对恒温箱的温度控制。
长沙学院
专业综合设计说明书
题目恒温箱温度控制系统硬件电路设计
系(部)电子与通信工程系
专业(班级)电气工程及其自动化二班
姓名罗永健
学号2007042230
指导教师包艳
起止日期2010.12.27-2011.1.7
《专业综合设计》课题任务书
系（部）：电子与通信工程系专业：2007级电气工程及其自动化专业
说明
课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；
摘要…………………………………………………………………………………...6
1.设计内容及要求………………………………………………………………………………..6
2.系统方案…………………………………………………………………........................ ....7
学生姓名
罗永健
指导教师
包艳
课题名称
恒温箱温度控制系统的硬件电路设计
内容及任务
一、设计内容：
基本功能：设计程序稳定控制系统，系统方框图如下
二、任务：
1、绘制控制系统结构框图，并用PROTEL软件绘制主要电路原理图，和相应的PCB板印制电路板图。
2、制作硬件电路板
3、对硬件电路进行调试。
4、完成设计说明书的撰写。
2 AD590K
(双腿集成电路温度传感器)
封装及引脚图如下：
3.OP07（精密运算放大芯片）
引脚及封装图：
4 AD1674(高精度模数转换芯片)
封装及内部结构图：
四、电路设计
1．测量部分
采用温度传感器AD590K。它具有较高精度和重复性，其良好的非线性可以保证优于正负0.1°C的测量精度，利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿，可以达到正负0.1°C测量精度。
。HIS——高速输入（HIS。0~HIS。3）引脚，其中HIS。2和HIS。3与两个高速输出引脚公用。
。HSO——高速输出（HSO。0~HSO。5）引脚，其中HSO。4和HSO。5与两个HIS引脚公用。
。P0口——4路高阻输入口，既可作为A/D转换器的模拟量输入（ACH4~ACH7），又可作为数字量输入（P0.4~宽。7），也可同时输入模拟信号和数字信号。
（2）温度调节范围：室温到60℃；温度误差<2℃；温度上升调节时间<50秒；
（3）温度显示保留1位小数；
（4）恒温箱内放置一个灯泡加热，电源为220VAC；
二、系统方案
本题目是设计制作一个恒温箱控制系统，为测量和温度调节方便，内加2L纯净水，加热器为100W电炉。要求能在20度到60度范围内设定控制水温，静态控制精度为0.2°C，并具有较好的快速性与较小的超调．含有十进制数码管显示、温度曲线打印等功能。
。P2口——4位多功能口（P2.0，P2.1，P2.5）。它们除用作标准的I/O口之外，还具有复用功能，表13.5给出P2口各引脚的基本功能和复用功能。
。P3/P4口——均为8位双向I/O口，具有两种功能，既可用作具有漏极开路输出的双向口，也可作为系统总线。用作系统总线时，P3口传送低8位地址及8位数据，P4口传送高8位地址，此时，引脚内部有上位作用。
引脚图如下：
主要引脚功能如下：
。Vcc ——主电源（+5V）。
。Vss ——数字地（0V），有两个Vss，须同时接地。
。Vpd —— RAM备用电源（+5V）。正常操作期间，此电源必须接通。在掉电情况下，当Vcc尚未降至RAM所需规范电压值以下时（Vpd正常供电），RESET信号有效，则片内寄存器顶部的16个字节内容得以维持不变，在掉电期间RESET必须保持低电平，直至Vcc恢复正常且振荡器达到稳定时为止。
超调：系统在达到设定值后一般并不能立即稳定在设定值，而是超过设定值后经一定的过渡过程才重新稳定。传感器滞后是指由于传感器本身热传导特性或是由于传感器安装位置的原因，使传感器测量到的温度比系统实际的温度在时间上滞后，系统达到设定值后调节器无法立即作出反应，产生超调。
三、主要元器件介绍：
1.8098单片机
[5]唐俊翟、许雷、张群，《单片机原理与应用》，冶金工业出版社，2003
[6]朱定华等，《单片机原理与应用》，清华大学出版社、北方交通大学出版社，2002
[7]丁元杰，《单片微机原理及应用》（第2版），机械工业出版社，2001.
[8]张培仁，《MCS-51单片机原理与应用》，清华大学出版社，2002
。ALE/ADV——地址锁存允许或地址输出有效（由芯片控制器CCR选择）。当ALE为高电平时，表示地址/数据总线上传送的是存储器地址，ALE下降沿将地址锁存到地址锁存到地址锁存器中。
。RD——外部存储器读信号，输出低电平有效。
。WR——外部存储器写信号，输出低电平有效。
。READY——准备就绪信号（输入）。它用来延长对外部存储器的访问周期，以便与慢速存储器或动态存储器接口。它也可用于总线共享，总线周期最多可延长至1μs。通过CCR寄存器可控制插入总线周期中的状态数。该引脚内部有微弱的上位作用，在无外部驱动器时，为高电平。
。Vref——片内A/D的参考电压（+5V），同时也是A/D模拟部分的电源电压及读P0所用逻辑电路的供电电压。
。ANGND——A/D的模拟地，通常应与Vss保持同电位。
。Vpp ——片内EPROM的编程电压针对8795BH而言。
。STAL1——片内反相振荡器的输出，也是片内时钟发生器的输入，通常接外部晶体。
简介：80年代中期，单片机的应用进入了16位单片机的时代。Intel公司继MCS-51单片机之后，于1983年推出16位单片机8098，1988年年底Intel公司推出了具有8位机价格16位机性能的8098单片机，从而使MCS-96系列单片机的应用有了飞跃性的突破。在此基础上，Intel公司又推出了性能更强的CMOS芯片80C196/80C198，它们除保留了8096BH/8098的功能外，还增加了许多内部功能和指令功能，且速度相当于9096BH/8098的两倍，使其在高层次的应用中有很大的前景。
实施方案：
根据以上分析，采用如下方案：
1，温度测量部分采用集成温度传感器AD590K，加上软件非线性补偿来实现高精度测量，见下图
2动按制部分采用脉冲移相触发可控硅改变电炉的有效功率，见下图：
拟达到的要求或技术指标
拟达到的要求：
（1）通过控制器调节，使恒温箱达到键盘设置温度，显示器要同时显示设置温度和恒温箱实际温度；
（2）温度调节范围：室温到60℃；温度误差<2℃；温度上升调节时间<50秒；
（3）温度显示保留1位小数；
（4）恒温箱内放置一个灯泡加热，电源为220VAC；
（5）设计说明书应根据实际设计内容和过程来撰写，并合乎长沙学院毕课程设计的各种规范。
进度安排
起止日期
工作内容
备注
2010.12.27—2010.12.29
查找资料、理解课题；
确定设计思路。
2010.12.30—2011.1.4
完成系统的全部设计、安装、调试；
在设计过程中为设计书准备材料。
2011.1.5—2011.1.6
根据设计内容完成设计书的撰写。
2011.1.7
通过评审与答辩，提交设计书。
[9]梁恩主，《Protel99SE电路设计于仿真应用》,清华大学出版社，2000.11
[10]丁枫等，《电子工程师制图与制版技术》，科学出版社，2004
[11]谭浩强，《C语言程序设计》，清华大学出版社，1998.1
[12]楼然苗等，《单片机课程设计指导》，北京航空航天大学出版社，2007
教研室
意见
。STAL2——片内反相振荡器的输出，通常接外部晶体。
。RESET——复位信号输入，低电平有效，两个状态周期以上的低电平输入可使芯片复位。RESET再变为高电平时（高电平持续时间大于10个状态周期）可产生10个周期的内部复位序列。
。EA——存储器选择输入端。当EA=0时，CPU对外部存储器操作，当EA=1时，CPU对片内存储器（EPROM/ROM）的2000H––3FFFH单元操作，地址在4000H以后，访问外部存储器，此引脚内部有下拉作用，若引脚无驱动，它总保持低电平。
主要参考资料
[1]何立民主编,《单片机中级教程》,北京航空航天大学出版社，2002
[2]康华光主编，《电子技术基础》（模拟部分）第四版，高等教育出版社，1999
[3]康华光主编，《电子技术基础》（数字部分）第四版，高等教育出版社，1999
[4]胡汉才，《单片机原理与接口技术》（第2版），清华大学出版社，2003
3.主要元器件介绍………………………………………………………......................................7
4.电路设计……………………………………………………………………………………….11
5理论分析.……………………………………………………………………….........................12
2．驱动控制部分
(1)电炉有效功率控制
采用移相控制交流电压的有效功率，依据HIS口得到的过零检测信号控制HSO口输出同步脉冲，移相量由温度误差计算给出，这样对交流电的单个周期的有效值周期性调节．以保证系统的动态指标。
(2)交流电过零检测电路设计
交流电源经变压器降压后进行过零检测，再通过光电耦合器件输出过零检测信号，避免交流电平干扰，其安全性可靠性高，见下图。
一、设计内容及要求：
1、设计内容：
基本功能：设计程序稳定控制系统，系统方框图如下
2、任务：
1）、绘制控制系统结构框图，并用PROTEL软件绘制主要电路原理图，和相应的PCB板印制电路板图。
2）、制作硬件电路板
3）、对硬件电路进行调试。
4）、完成设计说明书的撰写。
3、拟达到的要求：
（1）通过控制器调节，使恒温箱达到键盘设置温度，显示器要同时显示设置温度和恒温箱实际温度；
年月日
系（部）主管领导意见
年月日
长沙学院课程设计鉴定表
姓名
罗永健
学号
2007042230
专业
电气工程及其自动化
班级
2
设计题目
恒温箱温度控制系统的硬件电路设计
指导教师
包艳
指导教师意见：
评定等级：教师签名：日期：
答辩小组意见：
评定等级：答辩小组长签名：日期：
教研室意见：
教研室主任签名：日期：
系（部）意见：
恒温箱主要用来控制温度，目前广泛用于实验室及科研工厂、企业同时也为农业研究，生物技术测试提供所需要的各种环境模拟条件，因此可以广泛用于药物、纺织、食品加工等无菌实验、稳定性检查以及工业产品的原料性、产品包装、产品寿命等测试。恒温箱还可以共科研机关及医院做细菌培养之用，也可以育种，发酵以及大型养殖孵化等用途。总之，恒温箱在日前工业生产及科学院中有着重要的作用，因此设计一个搞精度的温度控制系统有着重要的实际意义和应用价值。
关键词：
非线性补偿：大多数被测参数与显示值之间呈现非线性关系，为了消除非线性误差，必须在仪表中加入非线性补偿电路。常用的方法有：模拟式非线性补偿法、非线性数模转换补偿法、数字式非线性补偿法等。
分段非线性：由于热敏电阻的阻值与温度之间的关系存在着非线性，需通过计算机进行非线性改正，消除非线性的影响。为克服非线性的影响，采用分段线性法补偿。如果该温度计的测量范围为5℃至45℃，将整个温度测量范围等分为10个小区间，每4度为一个区间，在每个区间内温度与频率的关系可视为线性。
过零检测光耦：过零检测光藕就是在交流电网过零检测光藕.在电网过零时干扰最小,不会影响模拟测量的结果，这种光耦是在直流电时导通的.它的前级结构是二极管。
热惯性：系统在升温过程中，加热器温度总是高于被控对象温度，在达到设定值后，即使减小或切断加热功率，加热器存储的热量在一定时间内仍然会使系统升温，降温有类似的反向过程，这称之为系统的热惯性。
6.硬件程序………………wk.baidu.com……………………………………………………..........................13
7.实验心得………………………………………………………………………………………..20
参考文献…………………………………………………………………………………………..21
摘要
恒温箱在工业生产和科学研究中有着重要的作用，因此设计一个合适的温度控制系统有着重要的意义，而恒温箱的温度控制系统比较复杂，是一个大时滞、时变、非线性系统，很难用数学方法简历精确的数学模型。目前主要采用经典控制、智能控制和两种控制算法相结合的控制算法对恒温箱的温度控制系统进行控制。有PID控制算法、模糊控制算法及模糊PID控制算法对恒温箱的温度控制。
长沙学院
专业综合设计说明书
题目恒温箱温度控制系统硬件电路设计
系(部)电子与通信工程系
专业(班级)电气工程及其自动化二班
姓名罗永健
学号2007042230
指导教师包艳
起止日期2010.12.27-2011.1.7
《专业综合设计》课题任务书
系（部）：电子与通信工程系专业：2007级电气工程及其自动化专业