基于单片机的电冰箱温控器的毕业设计论文

基于单片机的电冰箱温控器的毕业设计 学科分类号:___________ 本科生毕业设计 题 目: 基于单片机的电冰箱温控器设计 学生姓名: 系 部: 通信与控制工程系 专业年级: 电子信息工程2006级 指导教师: 职 称: 副教授 基于单片机的电冰箱温控器的设计 摘 要: 近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 基于单片机的电冰箱温度控制器系统是利用温度传感器DS18B20采集电冰箱冷藏室的温度，通过INTEL公司的高效微控制器MCS-C51单片机进行数字信号处理，从而达到智能控制的目的。本系统可实现电冰箱温度设置、电冰箱过欠压检测、开门显示、压缩机开启延时等功能。 通过对直冷式电冰箱制冷系统的改进，实现了电冰箱的智能控制，使电冰箱能根据使用条件的变化迅速合理地调节制冷，且节能效果良好。 关键词:单片机;电冰箱;温度控制;过欠压检测;开启延时 1 湖南人文科技学院毕业设计 The refrigerator temperature controller based on microcontroller unit Abstract:In recent years, with the penetration of computers in the social sphere, SCM applications are continually deepening, while the traditional control test drive benefits updates on new moon. In real-time detection and automatic control of the microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core component, only the SCM knowledge is not enough, should be based on specific hardware architecture, as well as specific characteristics of the software application objects combine for the purpose of improving . The refrigerator temperature controller based on single chip system is the use of temperature sensor DS18B20 collecting refrigerator freezer temperature, through the company's high-performance INTEL microcontroller MCS-C51 microcontroller for digital signal processing, so as to achieve intelligent control. The system can be realized refrigerator temperature settings, refrigerators over voltage detection, open display, compressors turn delay functions. Through the direct-cool refrigerator cooling system improvements to achieve intelligent control of the refrigerator so the refrigerator according to a rapidly changing conditions of use reasonably adjust cooling, and energy-saving good effect. KeyWords:MCU; refrigerator; Temperature Control; Over-voltage detection; open display 2 目 录 第1章 绪论 ..................................................................................................... 1 1.1课题背景及目的 ............................................................................................................................. 1 1.2 电冰箱的基本介绍......................................................................................................................... 1 1.3 国内外研究状况 ............................................................................................................................ 2 1.4 关于课题研究及论文..................................................................................................................... 3 第二章 总体设计的选择 .......................................................................... 4 2.1 功能要求 ........................................................................................................................................ 4 2.2 方案论证 ........................................................................................................................................ 4 第三章 系统的总体设计介绍 .......................................................................... 5 3.1 系统硬件电路的设计..................................................................................................................... 5 3.1.1 MCS-51单片机STC89C52 ............................................................................................... 5 3.1.2 温度传感器DS18B20 ........................................................................................................ 7 3.2 部分电路简介 ................................................................................................................................ 9 3.2.1 过欠电压检测电路 ............................................................................................................. 9 3.2.2 12864液晶连接电路 ........................................................................................................ 10 3.3 系统软件程序设计....................................................................................................................... 12 3.3.1 显示子程序....................................................................................................................... 12 3.3.2 DS18B20程序 .................................................................................................................. 13 3.3.3 预置温度调节程序 ........................................................................................................... 14 3.3.4 判断控制程序................................................................................................................... 15 3.3.5 开启延时程序................................................................................................................... 15 第四章 系统调试及性能 ........................................................................ 17 致谢 ................................................................................................................. 18 参考文献 ......................................................................................................... 19 附录 ................................................................................................................. 20 附录A 1/f频谱图 ............................................................................................................................ 20 附录B 一维1/f波动数据的生成 .................................................................................................... 21 3 第1章 绪论 1.1课题背景及目的 冰箱是深刻改变了人类生活的现代奇迹之一。在人们发明冰箱之前，保存肉类的唯一方法是腌制，而在夏季喝到冰镇饮料更是一种奢望。 随着国民经济的日益发展,人民的生活水平有了很大的提高,冷冻器具在家庭,医院,旅馆,餐厅和科研单位得到了广泛的应用。 近年来,随着微电子技术、传感器技术以及控电冰箱作为应用较为普及的家用电器, 制理论的发展,其呈现迅猛发展,电冰箱向大容量、多功能、无氟、节能、智能化、人性化方向发展,因此传统的机械式、简单的电子控制难以满足现代冰箱的发展要求。电冰箱一般设有冷冻室和冷藏室。冷冻室的温度为:- 16, - 24 ?。冷藏室的温度为:2,8 ?。电冰箱控制的主要任务就是保持箱内食品最佳温度,达到食品保鲜的目的。 1.2 电冰箱的基本介绍 冰箱的基本原理很简单:冰箱利用液体蒸发吸收热量。您可能注意到皮肤沾上水会感觉凉爽。水在蒸发时，会吸收热量，使您感到清凉。擦拭酒精会感觉更凉爽，因为酒精的蒸发温度较低。冰箱中使用的液体(即制冷剂)会在极低的温度蒸发，使冰箱内部保持冰冻温度。如果您把冰箱的制冷剂放在皮肤上(这绝对不是个好主意)，它在蒸发时会使皮肤冻伤。 所有冰箱都由五个基本部件组成: 压缩机 热交换管，冰箱外部呈弯曲或盘曲状的管道 安全阀 冷交换管，冰箱内部呈弯曲或盘曲状的管道 制冷剂，冰箱内蒸发以制造低温的液体 很多工业冰箱使用纯氨作为制冷剂。纯氨在-32?时蒸发。 压缩机压缩制冷剂气体。这将升高制冷剂的压力和温度(橙色)，而冰箱外部的热交换线圈帮助制冷剂散发加压产生的热量。 1 湖南人文科技学院毕业设计 当制冷剂冷却时，制冷剂液化成液体形式(紫色)，并流经安全阀。 当制冷剂流经安全阀时，液态制冷剂从高压区流向低压区，因此它会膨胀并蒸发(浅蓝色)。在蒸发过程中，它会吸收热量，发挥制冷效果。 冰箱内的线圈帮助制冷剂吸收热量，使冰箱内部保持低温。然后，重复该循环。 1.3 国内外研究状况 1. 电冰箱实用功能的发展 冰箱的基本作用是使食物保持低温，低温有助于延长食品的保鲜时间。冷藏的基本原理是减少细菌(所有食品都含细菌)的活动，使细菌需要用更长的时间才能使食品变质。比如，如果您把牛奶放在厨房的台面上，在室温下过两到三个小时后，牛奶会因细菌作用而变质。不过，如果降低牛奶的温度，可以保鲜一到两个星期。冰箱内的低温可减少细菌的活动，达到此保鲜效果。将牛奶冰冻可完全停止细菌活动，牛奶可保存几个月(直到冻冰等作用以非细菌方式使牛奶变质)。 除臭保鲜技术:冰箱异味的存在，会影响食物存放的新鲜度。因此要保持食品的新鲜，也必须首先保证冰箱内空气的清新，由于冰箱内一般温度较低，保存于其中的食物短时间内不会产生异味。然而在使用的过程中，电冰箱内不可避免会残留鱼、肉或蔬菜等的残渣，经过细菌长时间的作用，会使食品残渣腐烂变质产生异味。针对电冰箱内的异味就要求电冰箱必须具有实用功能。 2.电冰箱技术的发展 随着人民生活水平的不断提高，对生活质量的要求越来越高。在同人自然的斗争中就发现低温能够延长食物的储存时间，但是家用电冰箱的问世却是在20世纪初。经过近百年的发展历程，电冰箱己经成为人们家庭生活的必需,,提高了人们的生活质量。我国自80年代初期开始引进国外电冰箱生产技术、生产线和关键技术，经过近几十年的消化吸收和行业之间的优化组合，电冰箱制造业获得空前的发展。电冰箱在我国的普及率正在逐步提高，设计制造技术水平和功能也日新月异。我国电冰箱行业己经具备独立开发和自行设计能力，生产的产品包括直冷式和风冷式冷藏冷冻电冰箱以及特种用途电冰箱，在功能上向多功能、高附加值方向发展。但是随着全球环保意识的增强和人民生活水平的进一步提高，对电冰箱采用的技术和使用功能提出更高的要求。 发电厂燃煤发电要向空气中排放大量的二氧化碳和其它有毒气体，造成环境污染和 2 温室效应。而电冰箱需要常年通电以保持工作状态，耗电量较大，因此有效的节能对促 使用高效压缩机;对制冷系统进行进环保的意义非常大。目前电冰箱采取的节能方法有: 优化设计，调节冷凝器而积，以降低箱体热负荷、增加蒸发器而积以加快制冷速度;改进节流系统，以提高蒸发温度，增加制冷量以提高制冷效率;降低毛细管与吸气管的回热效果，降低节流损失:对电冰箱的隔热层进行强化，降低电冰箱漏冷量;采用模糊技术控制电冰箱的运行，达到节能的目的。电冰箱使用的传统制冷剂CFC12和发泡剂CFC1 l不仅破坏大气臭氧层，而且增加温室效应。前已经开发出新型的制冷剂和发泡剂，广泛应用的有异丁烷制冷剂和环戊烷发泡剂，它们的 ODP(臭氧层破坏系数)、GWP(温室效应系数)为零，运行压力低可以降低能耗。同时新的材料不断研究中并且不断在新电冰箱上获得应用。 1.4 关于课题研究及论文 在本次课题研究中我将参考从各个方面收集到的文献，博取其精华。研究方法则是采用C51单片机开发板模拟电冰箱工作环境，并模拟设定电冰箱各项参数，以研究电冰箱温控器的工作原理及设计。 而研究的主要包括以下方面: 1、液晶显示的工作原理，并通过液晶将各项数据显示在冰箱外; 2、温度控制器原理，制冷原理，自动控制电冰箱工作使其通过制冷达到所设定的温度; 3、智能检测电冰箱工作电压是否正常，避免压缩机烧坏; 4、继电器工作原理，控制对压缩机的通电使其工作; 5、单片机C程序编程语言; 在此论文中我将详细的给大家介绍基于单片机的电冰箱温控器设计的总体设计思想和方案，及用得到的部分芯片及硬件设计的原理，还有软件设计过程中的思想和方法等内容。 3 湖南人文科技学院毕业设计 第二章 总体设计方案的选择 2.1 功能要求 通过液晶显示所设定的温度，温度能随意调节，能自动控制电冰箱工作，使其通过制冷达到所设定的温度。 2.2 方案论证 在日常生活及工农生产中，经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件有热电耦和热电阻。而热电耦和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持。其缺点如下: ? 硬件电路复杂; ? 软件调试复杂; ? 制作成本高; 本次温控器的设计采用美国DALLAS半导体半导体公司继DS18B20之后推出的一种的一种改进型智能温度传感器。DS18B20作为检测元件，测温范围为-55~125?，最高分辨率可达0.0625?。 DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 按照系统设计功能的要求，确定系统由6个模块组成:主控制器、测温电路、液晶显示电路、过欠压检测电路、按键电路、继电器压缩机电路。 温度控制器总体电路结构框图如图2-1所示。 过欠压检测12864液晶STC89C 52主控 制器 继电器压缩机DS18B20 按键电路 图 2- 1 温度控制器总体电路结构框图 4 第三章 系统的总体设计介绍 3.1 系统硬件电路的设计 温控器电路设计原理图如附录A所示，控制器使用单片机STC89C52，温度传感器使用DS18B20，及12864液晶显示屏实现温度和其他显示。 3.1.1 MCS-51单片机STC89C52 单片微机封装形式为双排直列式结构(DIP)，引脚共40个。如图3-1所示。MCS,51单片机STC89C52其内部基本组成为:一个8位的中央处理器(CPU)，256byte片内RAM单元，4Kbyte掩膜式ROM，2个16位的定时器,计数器，四个8位的并行I,O口(P0，P1，P2，P3)，一个全双工串行口5个中断源，一个片内振荡器和时钟发生电路，可编程串行通道，有低功耗的闲置和掉电模式。这种结构特点决定了单片机具有体积小、成本低、可靠性高、应用灵活、开发效率高、易于被产品化等优点，使其具有很强的面向控制的能力，在工业自动化控制、家用电器、智能化仪表、机器人、军事装置等领域获得了广泛的应用。 图 3- 1 MSC-C51单片机STC89C52引脚图 5 湖南人文科技学院毕业设计 2(管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为8051的一些特殊功能口，如下所示: 口管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) 6 P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 3.1.2 温度传感器DS18B20 温度传感器是本系统不可或缺的元件，其性能的好坏直接影响系统的性能，因此温度传感器采用DALLAS公司生产的高性能数字温度传感器DS18B20。 DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO,92小体积封装形式;温度测量范围为,55?,，125?，可编程为9位,12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625?，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2 7 湖南人文科技学院毕业设计 根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。 DS18B20内部结构如图3-3所示，主要由4部分组成:64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3-2所示: 图 3- 2 DS18B20的管脚排列图 DQ: 为数字信号输入,输出端; GND:为电源地; VDD:为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地,见图3-2)。 ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码(CRC=X8，X5，X4，1)。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 图 3- 3 DS18B20的内部结构 8 DS18B20 用12 位存贮温度值，最高位为符号位。以下图表为DS18B20的温度存储方式，负温度S = 1，正温度S = 01如:0550H为+ 85?，0191H为25.0625 ?，FC90H为- 55?。 321012342 2 2 2 2 2 2 2 温度值低字节 LSB 654S S S S S 2 2 2 温度值高字节 MSB 高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下: 0 R1 R0 1 1 1 1 1 R1、R0决定温度转换的精度位数:R1R0=00，9位精度,最大转换时间为93.75ms，R1R0=01，10位精度,最大转换时间为187.5ms，R1R0=10，11位精度,最大转换时间为375ms，R1R0=11，12位精度,最大转换时间为750ms;未编程时默认为12位精度。 高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息;第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新;第6、7、8字节未用，表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。 DS18B20的一线工作流程是:初始化?ROM操作指令?存储器操作指令?数据传输。 3.2 部分电路简介 3.2.1 过欠电压检测电路 如图3-4(a)所示即为过欠压检测电路，也称为电压窗口比较器。在图3-4(a)中，A1,A2是专用电压比较器LM311。LM311的内部采用射级接地、集电极开路的三极管集电极输出方式。在使用时，必须外接上拉电阻。过欠压检测电路只有检测出电压是否稳定便可，而这种电路允许输出端并接在一起。 此电路的工作原理是: 当输入电压UiUR1时，比较器A1的输出管导通，而比较器A2的输出管截止，此窗口比较器的输出电平将由比较器A1输出电平确定为低电平。 只有当输入电压处于窗口电压之内，及UR2实温压缩机延时启动 Y 压缩机不工作显示状态 返回 图 3- 10 判断控制程序流程图 3.3.5 开启延时程序 该功能要求压缩机停机时间超过5分钟才能启动,以延长压缩机的寿命,这就要求在 15 湖南人文科技学院毕业设计 每次电冰箱上电时,都要检查压缩机停机是否到5分钟。若未达到需延时到5分钟后才能启动,因此在设计时应有判断与延时功能。 按功能要求,电冰箱无论是自动停机还是强制停机。为了延长压缩机的寿命,都要延时5分钟后压缩机才能启动。即在每次接通压缩机时,单片机计时,利用单片机将计数值保存在软件设计时,每次上电都要检查此数据是否到5分钟。若时间不到,延时后才能接通压缩机。为了在单片机延时期间不耽搁其他程序的执行和处理，在此使用定时器T1计时，并且使用工作组2，循环定时延迟5分钟。但在本程序中压缩机的开启延时时间为30秒，方便演示。图3-11为开启延时程序流程图。 开始 N 启动T1中断T1定时模式，工作 模式1 Y 填入初值60ms n加1，T1填入N满足n次60ms的初值 Y开启T1中断 启动压缩机 开启CPU中断 图 3- 11 开启延时程序流程图 16 第四章 系统调试及性能分析 4.1 调试 系统的调试以程序调试为主。 硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。 软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验，然后分别进行主程序和各个子程序的编程和功能调试。 17 湖南人文科技学院毕业设计 致谢 在此论文最终完成之际，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示深深感谢～首先感谢通信与信息工程系的领导和老师对我的关心和帮助，感谢他们为我提供便利的条件，使我的毕业设计能顺利完成。 同时，我要衷心感谢谢四莲老师，从毕业设计的开始到毕业论文的最终定稿，在此期间谢老师给了我细心的指导和帮助,谢老师渊博的知识、诚恳的为人、严谨的治学态度深深感染了我，让我终生受用。在此，我向我的指导老师致以诚挚的谢意和深深的敬意。 此外,在我撰写论文期间，还得到了同班同学的支持和鼓励,我要特别感谢余元龙等同学，每当我遇到困难进行不下去的时候,他们都能耐心细致地给我讲解,帮助我度过了一个又一个难关,我的毕业设计和论文才得以顺利地进行,在此我衷心地对他们说声:”谢谢!”。 18 参考文献 [1] 求是科技.8051系列单片机C程序设计完全手册[M].北京:人民邮电出版社,2006 [2] 张鑫等.单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2006 [3] 陈涛.单片机应用及C51程序设计[M].北京:机械工业出版社,2008 [4] 楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导[M].北京:北京航天航空大学出版社,2007 [5] 谭浩强.C程序设计(第三版)[M].北京:清华大学出版社,2005 [6] 杨克昌,羊四清,周克江等.C程序设计[M].武汉:武汉大学出版社,2007 [7] 周兴华.单片机智能化产品——C语言设计实例详解[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007 [8] 沙占友等.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社,2003 [9] 张齐等.单片机应用系统设计技术——基本C语言编程[M].北京:电子工业出版社,2004 [10] 王东锋,董冠强.单片机C语言应用100例[M].北京:电子工业出版社,2009 [11] 余瑾,姚燕.基于DS18B20测温的单片机温度控制系统[J].单片机开发与应用,2009,25(3-2):105-106. [12] Zhang Chunzhi Feng Haiming.Design of Micro-controllers Control System of Electric Refrigerator[J] .Journal of Beijing Vocational&Technical Institute of Industry.2002,(03). 19 湖南人文科技学院毕业设计 附录 附录A 1/f频谱图 图A1 频谱图 20 附录B 一维1/f波动数据的生成 clear all close all M = 2*256; K = 1; f = 1:M; s = K*1./f ; figure(1); plot(s); grid; LOGs = log10( s ); LOGf = log10( f ); figure(4); plot( LOGf,LOGs ); grid; hh = sqrt( m*s ); m = 2*M-1; h2( 1:M ) = hh( 1:M ); h2( M:m ) = hh( M:-1:1 ); figure(2); plot(h); grid; pp = rand( 1,m ); re = h2 .* cos( pp ) ; = h2 .* sin( pp ) ; im hh = re + i*im ; „„ 如需要图纸等资料，联系QQ1961660126 21 湖南人文科技学院毕业设计 如需要图纸等资料，联系QQ1961660126 如需要图纸等资料，联系QQ1961660126 22