基于电子温控方式的电冰箱控制电路的设计方案

重庆航天职业技术学院毕业论文 基于电子温控方式的电冰箱控制电路的设计方案 1 引言 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。 电冰箱作为应用较为普及的家用电器 ,近年来 ,随着微电子技术、传感器技术以及控制理论的发展 ,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。而此次设计的目的则是熟悉温控器的原理，并通过开发板模拟实现电冰箱温控器。 长期以来，在电子行业，温控器正快速发展。温控器是控制末端装置，实现分室温度控制和节能运行的关键。 普通电冰箱温控器基本上是一个独立的闭环温度调节系统，主要由温度传感器、控制器、温度设定机构等装置组成。其控制原理是电冰箱 温控器根据温度传感器测得的室温与设定值的比较结果发生控制信号，控制电冰箱压缩机电源的开关，即用切断和打开压缩机电源的方式，调节 电冰 箱内温度。 第一代空调温控器主要是电气式产品，空调温控器的温度传感器采用双金属片或气动温包，通过 “ 给定温度盘 ” 调整预紧力来设定温度，风机三速开关和季节转换开关为泼档式机械开关。这类温控器产品普遍存在 “ 温度设定分度值过粗 ” 、 “ 时间常数太大 ” 、“ 机械开关易损坏 ” 等问题。 第二代空调温控器为电子式产品，温度传感器采用热敏电阻或热电阻，部分产品的重庆航天职业技术学院毕业论文 温度设定和风速开关通过触摸键和液晶显 示屏实现人机交互界面，冷热切换自动完成，运算放大电路和开关电路实现双位调节。这类智能空调温控器产品改善了人机交互界面，解决了 “ 温度设定分度值过粗 ” 等问题，但仍存在 “ 控制精度不高 ” 、 “ 时间常数大 ” 、 “ 操作较复杂 ” 等问题。 目前国内外生产厂家正在研究开发第三代智能型温控器，如 别 厂家积极响应国家的政策，应用新型控制模型和数控芯片实现智能控制。现在已有国内厂家生产出了智能型温控器，并已应用于实际工程。这一生产带动电子行业的发展。 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 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。 研究的内容主要包括以下方面： 设计一种基于电子温控方式的电冰箱控制电路。 1） 用 9 电子 设计出相应的 2）用仿真软件仿真出效果，要有仿真图证明其仿真过程。 。 1）该电路至少具有温度指示、双温双控、瞬间断电压缩机延时保护、敞门报警、速冻等多种功能。 2）一定要具 有电源部分的电路图 。 1、熟悉掌握单片机程序的编写，并养成好的程序编写习惯； 2、学习传感器的工作原理及其应用、学习温度控制的基本原理； 3、熟练应用相应的绘图软件并制板，提高自己的动手能力； 4、熟练掌握系统的调试方法，提高自己分析问题的能力以及解决问题的能力； 2方案研究与主要器件选择 本系统要求设计一个 基于电子温控方式的电冰箱控制系统，该系统是 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。系统原理图如图 2 图 2统原理图 方案一 :采用 为本系统的主控芯片。 2位处理器， 72封装，片内 12K，片内 4有 2 个 口， 5 个 口， 3 个 口，一个 口，功能特别强大，如果这款芯片用在本系统中就真的是大材小用了，而且成本高。 方案二：采用 为本系统的主控芯片。 片内含有 8K 量的程序存储器，拥有 32 个 I/件编程的自由度大，能够通过编程实现各种各样重庆航天职业技术学院毕业论文 的算术算法和逻辑控制。体积足够小，硬件电路设计简单，调试方便，而且价格便宜，非常适合本系统。 综上所诉，采用 为本系统的主控芯片，性价比最高。 方案一 ：使用数码管。 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8” 可分为 1 位、 2 位、 4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 由于本电路要求。要 4 位一体的数码管才行，但其硬件电路复杂，且只能显示单纯的数字，不能显示电机运转状态。 方案二 :使用液晶 能显示 2 行，每行 16 个字符，字符包括英文字符及阿拉伯数字，但其不能显示汉字，价格便宜。 方案三 ：使用液晶 12864. 带中文字库的 128位 /8 位并行、 2线或 3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块 ；其显示分辨率为 12864, 内置 8192个 16*16 点汉字，和 128个 16*8 点 利用该模 块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行 1616 点阵的汉字 . 也可完成图形显示 该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 兼于方案三显示性能 优良、 价格适中 、 使用 范围广、 使用简单，因此本设计采用方案三。 方案一：采用传统的测温元件，即热电耦和热电阻。温控器的第一选择就可以选择热电耦和热电阻，他们测出 的一般都是电压，再转换成对应的温度，但是需要比较多的外部硬件支持。因此这种选择就有如下主要缺点： 硬件电路复杂； 软件调试复杂； 重庆航天职业技术学院毕业论文 制作成本高； 方案二：采用美国 导体公司 生产的高性能数字 智能温度传感器 为检测元件，测温范围为 25，最高分辨率可达 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。 综上所诉，采用 本设计的温度传感器器最合适不过。 方案一：采用独立按键作为键盘电路。硬件电路设计方法非常简单，一端接地，另一端与单片机的 I/序一旦检测到 I/O 变为低电平时，则说明按键被按下，然后单片会执行相应的指令 1。当某单片机系统需要较多按键时，如果继续使用独立按键的话，便会占用过多的 I/ 方案二：采用矩阵键盘作为键盘电路。 4 4 矩阵键盘采用的是行扫描和列扫描的方式来实现对键盘的识别的。它有效的减少了对单片机 I/大的降低了硬件电路设计的负担。同时在程序的编写上，有了更大的可操作性。 综上所述 ，采用矩阵键盘作为键盘电路对于本系统来说是最好的选择。 51单片机 内部基本组成为：一个 8位的中央处理器（ 256元， 4膜式 2 个 16 位的定时器计数器，四个 8 位的并行 I/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。 主要功能如表 2 2 重庆航天职业技术学院毕业论文 图 2表 2管脚说明： 电电压。 地。 位漏级开路双向 I/脚可吸收 8 时，被定义为高阻输入。 可以被定主要功能特性 兼容 82个双向 I/256个 16 位可编程定时 /计数器中断 时钟频率 0个串行中断 可编程 2个外部中断 源 共 6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 重庆航天职业技术学院毕业论文 义为数据 /地址的第八位。在 作为原码输入口，当 行校验时，时 位双向 I/后，被内部上拉为高，可用作输入， 输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 程和校验时， 位双向 I/出 4个 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， 输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 6 位地址外部数据存储器进行存取时， 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， 个带内部上拉电阻的双向 I/接收输出 4个 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， 是由于上拉的缘故。 051的一些特殊功能口，如下所示： 口管脚 备选功能 行输入口） 行输出口） /部中断 0） /部中断 1） 时器 0外部输入） 时器 1外部输入） /部数据存储器写选通） /部数据存储器读选通） 接收一些控制信号。 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 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 引脚用于输入编程脉冲。在平时， 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 想禁止 。此时， 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 位无效。 /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 /在访问外部数据存储器时，这两次有效的 / / /在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， /内部锁定为 /间内部程序存储器。在 引脚也用于施加 12 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 本系统中以 +5电压供电为主，系统所需的 +5V 电压是由 围电路简单，只需要外加两个滤波电容就行，便可达到稳定的 +5典型电路如图 2 1、 （ 1）输出电压 5V； （ 2）输出电流 1A； （ 3）输出电 流 1小输入输出电压小于 （ 4）最大输入电压 26V； （ 5）工作温度 125； （ 6）内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路； 重庆航天职业技术学院毕业论文 图 2图 2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 有 3引脚 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/温分辨率可达 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 以并联到 3根或 2根线上 ,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 要由 4部分组成： 64位 度传感器、非挥发的温度报警触发器 置寄存器。 如图 2 图 2 为数字信号输入输出端 ; 电源地 ; 外接供电电源输入端 重庆航天职业技术学院毕业论文 的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 地址序列码，每个 4位序列号均不相同。 64位 8 1）。 这样就可以实现一根总线上挂接多个 6 4 位R O M 和单 线 接 口存 储 器 和 控 制 器高 速 缓 冲 存 储器8 位 C R C 生 成 器温 度 敏 感 元 件低 温 触 发 器 T 触 发 器 T 寄 存 器图 2- 6 构 12 位存贮温度值，最高位为符号位。以下图表为 温度存储方式，负温度 S = 1，正温度 S = 0，如 :0550H 为 + 85， 0191， 55。 23 22 21 20 21 22 23 24 温度值低字节 S S S S 26 25 24 温度值高字节 高低温报警触发器 置寄存器均由一个字节的 用一个存储器功能命令可对 配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下： 0 0 1 1 1 1 1 0， 9位精度 ,最大转换时间为 11， 10位精度 ,最大转换时间为 0， 11位精度 ,最大转换时间为 37511， 12位精度 ,最大转换时间为 750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 置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；第 6、 7、 8重庆航天职业技术学院毕业论文 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 用来保证通信正确。 始化 作指令存储器操作指令数据传输。 于其强大的功能以及高性价比因而被广泛运用于日常生活中各种各样的人机交互场合， 实物图见图 3屏时可以显示 4行 8列共 32个汉字，也能显示英文字母的大小写、专用的符号，多样的图案和曲线等，而且每个字符都对应相应 的 果我们想显示中文字符，只需要设定显示字符位置，即设定显示地址，再写入中文字符编码即可。显示 过在显示连续字符时，只需设定一次显示地址，由模块自动对地址加 1指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空的 图 2物图 3硬件电路详细设计 本设计是关于 电子温控方式的电冰箱控制 设计与实现，硬件电路主要包括：单片机最小系统电路设计、整流电路设计、稳压电路设计、测温电路、过欠电压检测电路等，以下则是硬件电路的详细介绍。 在本设计中采用 为人机交互界面 2，用来显示设定转速值以及实际转速值，以下是对该显示电路的简单介绍。 在原理图设计时将 0口，因为 因此需要外加 1第三管脚是液晶显示器清晰度的调整端，接正电源时清晰度最低，接地时清晰度最高。清晰度过高时会产生“鬼影”，这里通过一个 10为不管是接地还是接电源都会使得 路图如图 4 S、 过对 脚的操作就能对 图 3示电路图 重庆航天职业技术学院毕业论文 矩阵键盘的电路图如图 3用的是 4*4 的非编码键盘。图中列线通过串接上拉电阻接入单片机的高四位 I/3作为输入端，而行线接单片机第四位 I/O 口作为输出端。那么，如果按键没有被按下的话，行线跟列线之间是不会倒通的。如 果第 N 行第 么第 列之间就会导通。通常我们都是在行线上逐行追加一个扫描信号（一般选用低电平）用来判断按键的具体位置。 图 3把交流电变成直流电的过程，称为整流。通常的整流电路 有单相全波整流、单相半波整流、单相桥式整流、倍压整流及多相整流等几种 4。虽然单相桥式整流电路所需的二极管个数是全波整流电路的双倍，但是由于电路中两只二极管一起分担反向电压，所以每只二极管只需承受一半的电压，而且其流过的电流也比较小，因此在实际的电路设计中被广泛使用。 本系统采用的是单相桥式整流电路，如图 3示。变压器将 220通过单相桥式整流电路，整成直流电。 重庆航天职业技术学院毕业论文 图 3由于图中变压器的额定功率是 5W，工作频率是 50次级电压为 +12V，因此整流二极管只需要用普通的二极管就行。这里使用的是 流出来的直流电压是 +16V，滤波电路用一个 2200电解电容和一个瓷片 104 电容。 基本稳压电路如图 3于电路对电压的稳定性要求较高，所以稳压电路中 使用的是 内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。 脚为输入端， 2脚接地， 3脚为输出端。 图 3重庆航天职业技术学院毕业论文 。 图 3报警电路如图 3示，主要是利用 极管（ ） 5来驱动蜂鸣器，从而实现高低电平控制发声。 极管属于 ，发射极串接蜂鸣器线圈接至 +5V，集电极直接接地，基集通过一个 1K 的限流电阻接至单片机的 。 跳线，可接跳线冒，作为测试点，主要是方便调试使用。当 极管的基集接收到低电平时，三极管导通，蜂鸣器得电工作；当 极管截止，蜂鸣器失电停止工作。本系统中，当实测误差值超过设定误差范围 时，蜂鸣器报警。 图 3重庆航天职业技术学院毕业论文 如图 3称为电压窗口比较器。 在图 3， 2是专用电压比较器 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 6。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 ，比较器 比较器 窗口比较器的输出电平将由比较器 只有当输入电压处于窗口电压之内，即 温故 障 排 除显 示 故 障 ， 压 缩机 停 止 工 作压 缩 机 不 工 作压 缩 机 延 时 启 动显 示 状 态返 回4- 6 判断控制程序流程图 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 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 4开启延时程序流程图 10。 开 始T 1 定 时 模 式 ， 工 作模 式 1填 入 初 值 6 0 m T 1 中 断开 启 C P U 中 断启 动 T 1 中 断满 足 n 次启 动 压 缩 机 1 ， T 1 填 入6 0 m s 的 初 值4- 7 开启延时程序流程 5仿真调试 目前最好的模拟单片机外围器件的工具，真的很不错。 可以仿真 51 系列、常用的 其外围电路（如 盘，马达， D/分 件，部分 件，） 其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾 和现象。 如图 55别为温度传感器采集仿真图、温度显示仿真图。该仿真是在 统仿真图见附录 1。 图 5- 1 温度传感器采集仿真 图 重庆航天职业技术学院毕业论文 图 5- 2 温度显示仿真图 结论 本设计综合运用了 大的开发应用功能，成功实现了 中文显示和矩阵键盘的编译。实现了温控电冰箱电路的设计， 该电路具有温度指示、双温双控、瞬间断电压缩机延时保护、敞门报警、速冻等多种功能。 通过这次毕业设计，使我对 51单片机的认识更为深刻，更能够在 晶上随意显示中文字符，对矩阵键盘的编译也有了深刻的认识。在今后的学习过程中，相信通过自己的学习，能够编译出更为美观更为简洁的程序 参考文献 1 雷建龙 M子工业出版社， 2012. 2 吉红 M学工业出版， 2010. 3 王用伦 第 2版 M庆大学出版 社， 2010. 4 张伟 M械工业出版社， 2001. 5 王栓柱 9 印刷电路板设计技术 M北工业大学出版社，2001. 6 钱金发 M械工业出版社， 2005 致 谢 首先感谢学院能够给我可以让我把自己所学的知识总结起来的机会，通过这次毕业设计，我对温度系统有了一个整体上的了解，也让我对单片机有了更深的 认识，尤其是对12864 液晶中文显示有了更为深刻的研究，对矩阵键盘的功能设计也有了很深刻的认识。 这次毕业设计在周老师的指导下完成，在老师的指导下使我对自己所学知识有了深入了解，让我受益匪浅。 在此我还要感谢我的同组同学。在做毕业设计时，正是在这些同学的帮助下，我克服了一个又一个困难，直到本文的顺利完成。他们此次设计中做了很多工作，在这里请接受我诚挚的谢意！ 附录 附录 1 系统仿真图： 系统仿真图 附录 2 源代码： #; 0; n=0; ; 25; E= ; 21; 23; 17;/口 11;/控制继电器 ; /上 ; /下 ; / ; / 模拟电压是否正常 重庆航天职业技术学院毕业论文 I); n); m); i); = 重庆航天职业技术学院 应用电子技术 1 班 ; = 预设： 当前： 工作状态： ; 重庆航天职业技术学院毕业论文 =; =; =-; =-; = 压缩机工