基于单片机的冰箱温度智能控制系统

编号：_______________ 商丘工学院毕业论文（设计）题 系 专目别业电气自动化 梁子鹏学生姓名成绩 指导教师2012年04月 冰箱温度控制系统设计 摘要 单片机即单片微型计算机，是集CPU,RAM,ROM,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。其中51单片机是各种单片机中最为典型和最有代性的一种,广泛应用于各个领域。 本课题设计的电冰箱的电控系统主要应用AT89C51单片机作为核心控制元件进行分析和设计，对各部分的软件编程、硬件电路设计、及调试进行了介绍。电冰箱温度控制系统是利用温度传感器DS18B20采集电冰箱冷藏室和冷冻室的温度，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冷藏室和冷冻室的温度设置、电冰箱自动除霜、开门报警等功能。 本文在第一章介绍了电冰箱的系统组成及工作原理，第二章论述了本控制系统的硬件设计部分。第三章论述了系统的软件设计部分。 通过对直冷式电冰箱制冷系统的改进和采用模糊控制技术，实现了电冰箱的双温双控，使电冰箱能根据使用条件的变化迅速合理地调节制冷量，且节能效应明显。关键词：AT89C51单片机A/DC0809智能仪器 II 目录 前言.............................................................................................................................................3 第一章电冰箱的系统概述.....................................................................................................2 1.1电冰箱的设计原理.......................................................................................................2 1.2工作过程的设计.............................................................................错误！未定义签。 1.3冷冻室冷藏室温度检测采样电路.................................................错误！未定义书签。 第二章硬件部分设计...............................................................................................................4 2.1系统结构......................................................................................................................4 2.2冷冻室冷藏室温度检测采样原理...............................................................................4 2.2.1主要特性...................................................................................................................4 2.2.2管脚说明...................................................................................................................5 2.2.3振荡特性...................................................................................................................6 2.2.4计算器.......................................................................................................................6 2.3过欠压保护电路..........................................................................................................6 2.4电压检测装置的设计....................................................................错误！未定义书签。 2.5功能按键的设计..........................................................................................................7 2.6开门报警点路...............................................................................................................8 第三章软件部分的设计............................................................................................................9 3.1主程序的设计...............................................................................................................9 3.2始化程序的设计...........................................................................................................9 3.3关闭压缩机的设计....................................................................................................10结论....................................................................................................................................11参考文献............................................................................................................................12 III 商丘工学院毕业论文（设计） 前言 单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其在日常生活中发挥的作用也越来越大。人们对家用电冰箱的控制功能越来越高，这对电冰箱控制器提出了更高的要求。多功能，智能化是其发展方向之一，传统的机器控制，简单的电子控制已经难以满足发展的要求。而采用基于单片机温度控制系统，不仅可大大缩短设计新产品的时间，同时只要增加少许外围器件在软件设计方面就能实现功能的扩展，以及智能化方面的提高，因此可最大限度地节约成本。本文即为基于单片机的电冰箱温度控制系统传统的电冰箱温度一般是由冷藏室控制，冷藏室、冷冻室的不同温度是通过调节蒸发器在两室的面积大小来实现的，温度调节完全依靠压缩机的开停来控制.但是冰箱内的温度受诸多因素的影响，如放入冰箱物品初始温度的高低、存放品的散热特性及热容量、物品在冰箱的充满率、环境温度的高低、开门的频繁程度等.因此对这种受控参数及随机因素很多的温度控制，既难以建立一个的数学模型，也无法用传统的PID调节来实现.一台品质优良的电冰箱应该具有较高的温度控制精度，同时又有最优的节能效果，而为了达到这一设计要求采用模糊控制技术无疑是最佳的选择. 1 冰箱温度控制系统设计 第一章 1.1电冰箱的设计原理电冰箱的系统概述 直冷式电冰箱的控制原理是根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启动与停止，使冰箱内的温度保持在设定的温度范围内。一般，当蒸发器温度高至3~5°C时，启动压缩机制冷，当温度低于-10°C~-20°C时，停止制冷。本电冰箱电控系统要完成冷冻室及冷藏室的温度检测和动态显示的功能，霜厚检测及除霜的功能，开门报警功能，温度设置功能，以及电源过欠压保护功能。此设计的电冰箱电控系统是以AT89C51作为主控制芯片,ADC0809为模数转换芯片,AD590温度传感器为温度检测元件，液晶显示器,按键开关等元器件组成,通过软硬件结合实现键盘扫描,液晶显示,I/O口扩展功能。该系统具有简洁，操作简便，实用方便的特点，设计的总框图如下图1-1 所示； 图1-1系统总体设计硬件方框图 直冷式电冰箱的控制原理是根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启、停，使冰箱内的温度保持在设定温度范围内。冷冻室用于冷冻食品通常用于冷冻的温度为－3C～－15C,冷藏室用于相对于冷冻室较高的温度下存放食品，要求有一定的保鲜作用，不能冻 2 商丘工学院毕业论文（设计） 伤食品，温度一般为0C～10C，当测得冷冷冻室温度高至－3C~0C时或者是冷冻室温度高至10C～13C是启动压缩机制冷，当冷冻室温度低于－15C～－18C或都冷藏室温度低于0C～－3C时停止制冷，关断压缩机。采用单片机控制，可以使控制更为准确、灵活。 1.2工作过程的设计 根据冷藏室和冷冻室的温度情况决定是否开压缩机，若冷藏室的温度过高，则打开电磁冷门V1,关闭阀门V2，V3，同时打开压缩机，产生高温高压过热蒸气，经过冷凝器冷凝，干燥过滤器干燥，毛细节流管降压后，在蒸发器汽化制冷，产生低温低压的干燥气体。经过电磁阀门V1流入冷藏室，使冷藏的温度迅速降低，当温度达到要求时关闭压缩机，同时关闭电磁阀门V1。若是冷冻室的温度过高，则应打开V2关闭V1,V3。电磁阀门V3主要用于冷冻室的化霜。需要化箱时打开V3,从压缩机流出的高温高压气体流经冷冻室可匀速将冷冻室霜层汽化。达到化霜的效果。一般化霜的时间要短，不然会伤存放的食品。 1.3冷冻室冷藏室温度检测采样电路 利用AD590温度传感器完成温度的测量采样，把转换成电量值的温度值的模拟量送入ADC0809的其中一个通道进行A/D转换，将转换的结果送入单片机内，控制压缩机的开停，并结合软件编程，进行温度值变换之后送入数码管显示。 3 冰箱温度控制系统设计 第二章硬件部分设计 2.1系统结构 控制系统结构主要由电源开关，电压检测装置，温度传感器，功能按键，单片机，延时电路，显示电路，指示灯电路，除霜装置和故障报警等构成。 2.2冷冻室冷藏室温度检测采样原理 AD590作为温度传感器，安装于冷藏室和冷冻室内的内侧壁。AD590在25℃（298.2K）时，理想输出电流为298.2µA，但实际上存在一定误差，可以在外电路中进行修正。如图3-12所示，将AD50串联了一个可调电阻R12，在已知温度下调整电阻值，使输出电压V0满足1mV/K的关系（如25℃时，V0应为298.2mV）。调整好后，固定可调电阻，即可由输出电压V0读出AD590所处的热力学温度。冷冻室和冷藏室的温度分别经AD590感测并转换为电压量后，通过电压跟随器分别输入ADC0809的两个模拟通道INT0和INT1，进行模拟量到数字量的转换。转换后的数字量送入单片机内，结合编程，控制压缩机的开启于停止工作，并通过转换，在LED中进行温度值的显示。AD590检测采样冷藏室温度电路如图2-1 所示： 图2-1冷藏室温度检测电路 2.2.1主要特性： 4 商丘工学院毕业论文（设计） 与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM编程I/O线定位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2.2.2管脚说明 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P上2口被写“1”时，其管脚被内部拉电阻拉高，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。 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。 5 冰箱温度控制系统设计 /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。 2.2.3振荡特性 /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。 2.2.4计算器 (1)算术／逻辑部件ALU：用以完成+、-、*、/的算术运算及布尔代数的逻辑运算，并通过运算结果影响程序状态寄存器PSW的某些位，从而为判断、转移、十进制修正和出错等提供依据。 (2)累加器A：在算术／逻辑运算中存放一个操作数或结果，在与外部存储器和I/O接口打交道时，进行数据传送都要经过A来完成。 (3)寄存器B：在*、/运算中要使用寄存器B。乘法时，B用来存放乘数以及积的高字节；除法时，B用来存放除数及余数。不作乘除时，B可作通用寄存器使用。 (4)程序状态标志寄存器PSW：用来存放当前指令执行后操作结果的某些特征，以便为下一条指令的执行提供依据。 2.3过欠压保护电路 当电源电压小于176V或大于240V时，压缩机应自动停机并报警显示。为了使电冰箱安全可靠地运行，要求其电源电压在176V～240V之间。因此，采用过压欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。温度是影响电源设备可靠性的最重要因素，根据有关资料分析表明电子元器件温度升高，可靠性即会下降。为了避免功率器件过热造成损坏，需要在电源设置电源的过欠压保护电路，电源的过欠压电路如下图2-2所示： 6 商丘工学院毕业论文（设计） 图2-2电源过欠压采样保护电路 2.4电压检测装置的设计 电压检测装置是为了保护系统的稳定运行，采用WB系列电压越限报警传感器WB系列电压越限报警传感器以电压隔离传感器为基础，增配比较器电路、基准电压设定电路、输出驱动电路组成，用来隔离监测主回路中的交流或直流电压，当被监测的电压超过预先设定的上限值，或低于预先设定的下限值时，给出开关量控制信号。 主要特点： 1.测控一体化，体积小、精度高、反应快； 2.具有瞬态干扰抑制功能，防止误动作； 3.报警界限值可在设定值（±20%）内连续可调； 4.密封式继电器触点输出，触点寿命＞30万次； 5.隔离电压：交流监测＞2.5kVDC,1分钟；直流监测＞1.5kVDC,1分钟 6.输入过载能力:10倍阈值，持续5秒； 2.5功能按键的设计 因本系统使用的按键数目少，故按键采用硬件去抖。按键电路用两个与非门构成一 7 冰箱温度控制系统设计 个RS触发器。当按键未按下时输出为1;刚键按下时输出为0。此时即使用按键的机器性能，使按键因弹性抖动而产生瞬时断开(抖动跳开B)，只要按键不返回原来状态A，双稳态电路的状态不会改变，输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说，即使B点的电压波形是抖动的，但经双稳态电路之后，其输出为正规矩形波。 2.6开门报警电路 本设计含开门报警功能，当开门延时2min后发声报警，用于提醒使用者关门，以达到节电节能，延长电冰箱的使用时间，其电路图如图2-3 所示： 图2-3开门报警电路 8 商丘工学院毕业论文（设计） 第三章软件部分的设计 电压源主要用于为AT89C51，ADC0809，8279，光敏二极管，LED，报警电路等器件及电路提供稳压源。电源（Vcc）是整个实验板正常工作的动力源泉。电源电压过大会大大缩短芯片的工作寿命，严重的会烧毁芯片及其它元器件；过小将不能驱动实验板工作电路。因此设定合适的电源电压值非常重要。此实验板主要芯片工作电压均位+5V左右，所以采用7805三端稳压芯片将+12V整形为+5V直流给整个实验板供电，用LM7805设计的+5V稳压电源电路。 3.1主程序的设计： 主程序由初始化，键盘扫描，显示，温度采集，温度控制和定时化霜子程序组成，为系统软件的主干部分，化霜采用定时化霜，每三十分钟化霜一次，化霜原理见概论电冰箱式作原理部分。 3.2始化程序的设计： 初始化模块主要完成初始化I/O口、中断、内存单元,并读出存放在闪烁存储器上的温度设定值。温度设定值存放在闪烁存储器上即使断电也可保存。 程序如下： INTI1：CLRA ;读取冷藏室温度设定值MOVDPTR,#20H MOVCA,@DPTR LCALLDLY_100MS MOV60H,A INCDPTR A,@DPTR;延时确保数据读完;读取冷藏室温度设定值MOVC LCALLDLY_100MS MOV61H,A MOV64H,#00H SETBEX0 SETBIT0 SETBEA;延时确保数据读完;清空各状态位;允许外部中断0中断;选择边沿触发方式;CPU开中断 9 冰箱温度控制系统设计 3.3关闭压缩机的设计： 关闭压缩机后用定时器0中断计时，做为下次是否开压缩机的依据，因为压缩机不能连续启停。 程序如下： CLOSE：CLRA CLRP2.4 CLRL3 MOVA,64H CLRACC.0 MOV64H,A MOVTMOD,#01H MOVTL0,#0B0H MOVTH0,#3CH SETBTR0 SETBET0 RET;关闭压缩机;关闭压缩机运行指示灯;清空压缩机状态标志;设置T0工作于模式1;启动定时器T0;允许T0中断 10 商丘工学院毕业论文（设计） 结论 1.本系统运用单片机速度快、体积小、价格低廉的8位MCS51单片机,可以做出可行、可靠性强的自动控制产品---电冰箱温度的控制系统。实现了电冰箱温度的自动控制。 2.在单片机应用环境不是很恶劣的地方，利用软件抗干扰也可以达到精度不高的要求，而且，节省了硬件资源，降低了产品设计成本，有助于产品的推广、民用化。 3.本系统的设计尽量简化电路，提高软件质量。 4.本系统支持多功能模块。如果再加上少许外围器件，如语音芯片，环境温度传感器，在软件方面采用模糊控制技术，可以使电冰箱的智能化大大提高。 11