单片机原理理解与应用

单片机原理理解与应用 韩叶永 机械 0911 0920116105 摘要 众所周知，电冰箱是现代家庭中必不可少的家用电器。而目前我国市场销售的 冰箱大多采用传统的机械式温控，其控制精度差，功能单一，控制方式简单难以满 足冰箱发展的要求。随着经济的发展和人民生活水平的进一步提高，人们对多功能 的发展要求越来越高。由于单片机性能好，控制功能强，工作可靠，成本低等优点， 现在已经在家电产品中得到了广泛的应用。面临国内电冰箱发展的现状，在技术上 还与其他发达国家有一定的差距，我们在原有的基础上对电冰箱进行了一定的改进， 使其适应当代个性时尚、节能环保、智能高端、精确温控的发展方式，使人们体验 闻所未闻的个性化感受，快捷与原汁原味不再是梦想。新一代产品在控制上还增加 了人工智能，使家电性能更优异，使用更方便可靠。 本次设计基于大量的市场调查和理论研究。首先，我对传统电冰箱控制系统进 行了分析。调查了 10 多个品牌的电冰箱的控制系统，研究了他们制冷的优缺点，吸 收了一些比较好的设计思想。其后，我又查阅了大量的资料文献，其中最多的是国 内外最新发表的关于制冷方面的论文，丰富了我们的理论依据。然后，根据我拥有 的材料用单片机实现电冰箱控制系统的硬件设计，最后在硬件设计的基础上实现了 其软件设计。 正文 单片机概述 自从 1971 年微型计算机问世以来，随着大规模集成电路技术的进一步发展，导 致微型计算机正向两个方向发展：一是高速度、高性能、大容量的高档微型计算机 及其系列化，向大、中型计算机挑战；另一个是稳定可靠、小而廉、能适应各种领 域需要的单片机。 单片机是指把中央处理器、随机存储器、只读存储器、定时器/计数器以及 I/O 接口电路等主要部件集成在一块半导体芯片上的微型计算机。虽然单片机只是一个 芯片，但从组成和功能上看，它已经具有了微型计算机系统的含义，从某种意义上 来说，一块单片机就是一台微型计算机。 自从 1975 年美国德可萨斯公司推出世界上第一个 4 位单片机 TMS-1000 型以来， 单片机技术不断发展，目前已成为微型计算机技术的一个独特分支，广泛应用于工 业控制、仪器仪表智能化、家用电子产品等各个控制领域。 (4)信息与通信技术 图形终端机、传真机、复印机、调制解调器、声响处理器、 数字滤波器等。 家用电冰箱的发展趋势 随着家用电冰箱的发展和普及，其耗电量占民用总用电量的比例越来越大(美国 为13 %) ，因而，提高冰箱的能源效率，增加我国家电产品在国内外市场上的竞争 力，与国际水平接轨，已成为生产企业的重要任务。为了鼓励企业生产节能冰箱和 用户购买节能冰箱，世界各国采取了一系列的政策措施。 如美国颁布了能源法，制 定了包括冰箱在内的十二种家用电器的能耗限制标准；日本实施了家用电器系列节 能标准；欧洲对冰箱实行了能效等级标准；此外，加拿大、澳大利亚、台湾、香港 等国家和地区也制定或实施了电冰箱的能效标准。 我国家用电器节能技术也是 “九五”国家重点技术开发指南中的重大关键技术之一，而且国家经贸委已正式 确定“九五”期间，节能与CFCS替代技术的开发将 作为家用电器行业参与国际竞争、 赶超国际水平的重点项目。 节能已成为全球关心的一大课题。 但由于我国冰箱工 业发展较晚，冰箱节能技术的开发和应用与发达国家相比有大的差距，因此我们必 须加强和发达国家的技术交流，参考和借鉴国外先进的节能经验和措施，促进我国 冰箱节能工作的开展。 同时政府部门采取倾斜政策鼓励企业进行技术创新，大力开 展节能产品认证工作，推动冰箱节能技术的快速发展。总之，在家电市场竞争日趋 激烈的今天，如何在节能、变频等技术领先一步，以提升产品的高科技含量来占领 市场，从而引导家电产品的更新换代，已成为家电行业竞争的前沿阵地。 节能是世 界家电的发展趋势。 MCS-51单片机硬件介绍 单片机主要组成部分分为中央处理器(CPU)、内部数据存储器-内部RAM、内部 程序存储器-内部ROM、I/O端口、串行口、定时器、终端程序系统。 内部主要组成部分介绍 一、 MCS-51单片机中央处理器 单片机的内部最核心的部分是CPU，它是单片机的大脑和心脏。CPU的主要功能 是产生各种控制信号、以控制存储器、输入/输出端口的数据传送、数据的算术运算 和逻辑运算以及位操作处理等。它的功能可分为运算器和控制器两种。 - 3 - 二、 MCS-51单片机存储器 89C51单片机中共有256个RAM单元，包括低128个单元(地址为00H 7FH)的内部 RAM区和高128位(地址为80H FFH)的特殊功能寄存器区。 89C51单片机还有4KB的内部ROM，用于存放程序或表格，称为程序存储器。 三、 MCS-51单片机中断系统 89C51单片机的中断功能比较强，有5个中断元，即外部中断2个，定时器中断2 个，串行中断1个，有2个中断优先级。中断控制电路主要包括用于中断控制的四个 寄存器:定时器控制寄存器TCON，串行口控制寄存器SCON，中断允许控制寄存器IE， 中断优先级控制寄存器IP等。 MCS-51单片机引脚介绍 MCS-51系列单片机采用40引脚双列直插式封装(DIP)，4个并行口共有32根引脚， 可分别作为地址线、数据线和I/O线；2根电源线；2根时钟震荡电路引脚和4根控制 线。 MCS-51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有许多引脚具有第二 功能，以89C51芯片为例，说明各引脚功能如下： (1)电源引脚Vcc和Vss Vss：接地端。 Vcc：芯片+5V电源端。 (2)时钟信号引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1、XTAL2：当使用单片机内部震荡电路时，用来外接石英晶体和微调电容， XTAL1是片内震荡电路反相放大器的输入端，XTAL2是片内震荡电路反相放大器的输 出端，震荡电路的频率就是晶体的固有频率。当使用外部时钟时，XTAL1接地， XTAL2接外部时钟信号源。 (3)控制信号引脚RST/V PD、ALE/Error!、Error! 和Error!/V PP RST/VPD：RST是复位信号输入端。当输入的复位信号保持两个机器周期(24个时 钟周期)以上的高电平时有效，用来完成复位操作；第二功能V PD作为备用电源输入 端，当主电源V CC发生故障，电压降低到低电平规定值时，可通过V PD为单片机内部 RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使系统在上电后能继续正常运行。 ALE/Error!:ALE为地址锁存允许输出信号。在访问外部存储器时，ALE用来锁存 P0口扩展低8位地址的控制信号。在不访问外部存储器时，ALE也以时钟震荡频率的 1/6的固定频率输出，因而它又可用作对外输出时钟信号或其他需要，例如可以用示 波器查看ALE是否有脉冲信号输出来确定89C51芯片的好坏；第二功能Error!是对内 部有EPROM的单片机的EPROM编程时编程脉冲输入端，它和31号引脚的第二功能Vpp一 起使用。 Error!:外部 ROM的读选通信号输出端。在访问外部ROM时，Error!产生负脉冲作 为读外部ROM的选通信号。而在访问外部RAM或片内ROM时，不会产生有效Error!信号。 Error!/VPP:Error!是访问外部 ROM的控制信号。当Error!为低电平时，CPU只执 行外部ROM中的程序。当Error!为高电平且PC值小于0FFF(4K)时，CPU执行内部ROM的 程序，但当PC的值超出4K时将自动转去执行片外ROM的程序。对于无片内ROM的8031 或不使用内部ROM的89C51，需外扩EPROM，此时Error!必须接地；第二种功能V PP是 对8751的片内EPROM的+21V编程电源输入端。 (4)并行I/O端口P0、P1、P2和P3 P0口(P0.0 P0.7)：P0口是一个8位双向I/O端口(需外接上拉电阻)。在访问外 部存储器时，分时提供低8位地址线和8位双向数据线。P0口先输出片外存储器的低8 位地址并锁存在地址锁存器中，然后再输入或输出数据。 P1口(P1.0 P1.7)：P1口是一个内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口 只能作为一般I/O口使用。 P2口(P2.0 P2.7)：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口。在访 问外部ROM或外部RAM时，输出高8位地址，与P0口提供的低8位地址一起组成16位地 址总线。P0口和P2口用做数据/地址线后，不能在作为通用I/O口使用。 P3 口(P3.0 P3.7)：P3 口是一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口，在 系统中 8 个引脚都有各自的第二功能。 单片机的时钟及复位 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作则使 单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。 一、 时钟电路 89C51 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡 方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了 内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成 了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 2-2 所示。图中 ，电容器 C01，C02 起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在 5-30pF。 晶振频率的典型值为 12MH2，采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟 信号比较稳定，实用电路中使用较多。 外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单 片机的时钟与外部信号保持同步。为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号 经过一个带有上拉电阻的 TTL 反相门后接入 XTAL2。 - 5 - 二、 基本时序单位 单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位， 片内的各种微操作都以此周期为时序基准。 振荡频率二分频后形成状态周期或称 s 周期，所以，1 个状态周期包含有 2 个 振荡周期。振荡频率 foscl2 分频后形成机器周期 MC。所以，1 个机器周期包含有 6 个状态周期或 12 个振荡周期。1 个到 4 个机器周期确定一条指令的执行时间，这个 时间就是指令周期。8031 单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在 1 个到 4 个 机器周期之间。 4 种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值(例如，波特 率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。下面是单片机外接晶振频率 12MHZ 时的 各种时序单位的大小： 振荡周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833S 三、复位电路 当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高 电平时，单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位 状态。 根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位 。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图 A 中 左图所示。图中电容 C1 和电阻 R1 对电源+5V 来说构成微分电路。上电后，保持 RST 一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻 R1，也能达到上 电复位的操作功能，如下图(A)中右图所示。 上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间， 用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如下图(B)所示。上电后 ，由于电容 C3 的充电和反相门的作用，使 RST 持续一段时间的高电平。当单片机已 在运行当中时，按下复位键 K 后松开，也能使 RST 为一段时间的高电平，从而实现 上电或开关复位的操作。 根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。 Cl10-30uF，R11k C：1uF，Rllk，R210k 单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括 使程序计数器 PC0000H，这表明程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机冷启动 后，片内 RAM 为随机值，运行中的复位操作不改变片内 RAM 区中的内容，21 个特殊 功能寄存器复位后的状态为确定值。 值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机 的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。 说明：表中符号*为随机状态； A00H，表明累加器已被清零； 特殊功能寄存 器 初始状态 特殊功能寄存 器 初始状态 A 00H TMOD 00H B 00H TCON 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL0 00H DPL 00H TH1 00H DPH 00H TL1 00H P0P3 FFH SBUF 不定 IP *0000 0B SCON 00H IE 0*0000 0B PCON 0* *B 特殊功能寄存器功能表 PSW00H，表明选寄存器 0 组为工作寄存器组； SP07H，表明堆栈指针指向片内 RAM 07H 字节单元，根据堆栈操作的先加后压 法则，第一个被压入的内容写入到 08H 单元中； Po-P3FFH，表明已向各端口线写入 1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出 ；IP00000B，表明各个中断源处于低优先级； IE000000B，表明各个中断均被关断； - 7 - 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态 下。51 单片机的复位是由 RESET 引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过 24 个振 荡周期后，51 单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到 RE SET 引脚转为低电平后，才检查 EA 引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片 内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。 51 单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内 部 RAM 内部的数据则不变。 单片机应用 (1)工业控制 单片机广泛应用于工业自动化控制系统中，无论是数据采集、过 程控制、生产线上的机器人系统，都是用单片机作为控制器。自动化能使工业系统 处于最佳工作状态、提高经济效益、改善产品质量和减轻劳动强度。因此，单片机 技术广泛应用于机械、电子、石油、化工、纺织、食品等工业领域。 (2)智能化仪器仪表 在各种仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化、数字 化、自动化，提高测试精度和准确度，结构简单，减少体积及重量，提高其性能价 格比。例如：智能仪器、医疗器械、数字示波器等。 (3)智能家电 家电产品智能化程度的进一步提高就需要有单片机的参与，例如 “微电脑控制”的洗衣机、电冰箱、微波炉、空调机、电视机、音响设备等，这里 的微电脑实际上就是“单片机”。 (4)信息与通信技术 图形终端机、传真机、复印机、调制解调器、声响处理器、 数字滤波器等。 电路组成和转换原理 ADC0809是采用CMOS工艺制造的双列直插式单片8位A/D转换器。分辨率8位，精 度7位，带8个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。 启动信号为脉冲启动方式，最大可调节误差为1LSB，ADC0809内部设有时钟电路， 故CLK时钟需由外部输入，允许范围为500kHz1MHz，典型值为640kHz。每通道的转 换需6673个时钟脉冲，大约100110S。工作温度范围为-40+85。功耗为 15MW，输入电压范围为05V，单一+5V电源供电。它可以直接与 Z80、8085、8080、8031等CPU相连，也可以独立使用。 一、 ADC0809外部引脚及引脚功能 (1)IN0IN7：8路输入通道的模拟量输入端，输入； (2) D0D7：8位数字量输出端；D0为最低位(LSB)，D7为最高位(MSB)，输出， 三态； (3)ALE：地址锁存控制信号，输入,上升沿有效。将地址选择信号A、B、C锁入 地址寄存器； (4)START：启动A/D转换控制信号，输入，上升沿有效。当输入一个正脉冲，便 立即启动A/D转换器，同时使EOC变为低电平； (5)EOC：A/D转换结束信号，输出，高电平有效。EOC由低电平变为高电平，表 明本次A/D转换已经结束； (6)OE：输出允许控制信号，输入，高电平有效。OE由低电平变为高电平，打开 三态输出锁存器，将转换的结果输出到数据总线上； (7)VREF(-)、VREF(+)：片内D/A转换器的参考电压输入端。VREF(-)不能为负值， VREF(+)不能高于VCC，且1/2VREF(-)+VREF(+)与1/2VCC 之差不得大于0.1V； (8)CLOCK：时钟输入端。500kHz1MHz，典型值为640kHz。 (9)ADD A、B、C：8路模拟开关的3位地址选通输入端。 压缩机电动机 压缩机是制冷系统的心脏，它在电动机的带动下压缩和输送制冷剂蒸汽，使制 冷循环得以实现。在电冰箱中多采用活塞式和旋转式压缩机，一般为封闭式结构。 压缩机的机械部分比较简单，下面重点对压缩机电动机进行介绍。压缩机电动机一 般采用单相异步电动机，输出功率在 1.5kw 以上的全封闭式压缩机组才使用三相异 步电动机。压缩机电动机的种类: (1)单向电阻分相式异步电动机 电子主绕组与副绕组在空间相差 90电角嵌放，副绕组与启动继电器相接。接 通电源后，因副绕组线细、匝数又少，阻抗、感抗与主绕组不同，于是形成旋转磁 场，电动机启动运行。当电动机转速达到 75%左右的同步转矩时，启动继电器切断 副绕组，这时只有主绕组参与运行。这种电动机启动转矩较小，启动电流较大，适 用功率为 40W130W。 (2)单相电容启动式异步电动机 这种电动机的结构和功能与电阻分相式基本相同，只是在副绕组中串联一启动 电容(45uF100uF)。副绕组线细、匝数多，启动容易。启动完成后继电器动作，切 断副绕组，只有主绕组参与运行。具有启动转矩较大，启动电流较小的特点，适用 功率 40W300W。 (3)单相电容启动电容运转式异步电动机 这种电动机的结构和功能与上述二种基本相同，不过电路中有两只电容。电动 机在启动时，两电容并联，增大了启动转矩。启动完成后，启动继电器将启动电容 - 9 - 切断、运转电容仍接于电路中。具有启动转矩较大，运行电流较小的特点，多用于 日产冰箱。 启动继电器 在电冰箱这类小型制冷设备中，制冷压缩机多采用单相分相式异步电动机，启 动继电器的作用是帮助电动机启动，启动完成后自动断开副绕组，避免烧坏副绕组 线圈。常用的启动继电器有以下几种。 (1)重锤式启动继电器 重锤式启动继电器是目前电冰箱中广泛采用的启动元件，主要有继电器线圈、 衔铁、重锤、动触点、静触点等组成。工作原理如下： 可由电冰箱的电器原理图进行分析。在接通电源瞬间，电流经温控器、过载保 护器，进入压缩机主绕组，通电继电器线圈形成回路，因此时电流较大，电磁力克 服重锤重力而使副线圈接通，于是满足了电动机旋转磁场形成条件，电动机启动运 行。待电动机启动完成后，因此时线路中电流趋向于正常值，这时电磁力不足以克 服重锤重力，于是在重锤重力作用下，断开触点，这时只有主绕组参与运行。 (2)PTC启动器 PTC 启动器结构与工作原理如下： PTC 元件是具有正温度系数的热敏电阻，是一种钛酸钡半导体陶瓷晶体。PTC 在 刚加上电压时，温度低、电阻小，呈现“低阻”状态，此后 PTC 启动继电器由于自 身发热而升温，在 1s 以内温度升高到居里点以上，电阻值急剧增大，呈现“高阻” 状态，电流大幅度减小，几乎成为断路。 温控器接通时，电流通过压缩机电动机主绕组，同时经过PTC启动器进入电动机 副绕组，这时压缩机启动，因PTC启动器自身发热升温，超过居里点，电阻值急剧增 大，副绕组相当于断路只有主绕组参与运行。压缩机停转后PTC温度下降，约 3min5min后，又可以重新启动。 因PTC启动器无触点、无噪音、结构简单、工作可靠、受电压波动影响小、与电 动机匹配条件较宽松，因而有代替重锤启动继电器的趋势。 PTC常温电阻值可用万用表测量，也可直接读取。如松下330M355型启动器，电 阻值33，耐压355V；470N400型启动器，电阻值47，耐压400V。东芝、日立压缩 机配用PTC电阻一般取22，松下、三菱压缩机取30，国产上菱压缩机取100。 选用PTC时，可根据压缩机功率特性，主要从常温电阻、最大冲击电流等考虑选 择合适的PTC元件型号 (3)电容启动器 电容启动器是一种辅助启动装置，主要用于冷藏箱等制冷设备中。其作用是在 增加启动电流的前提下，增加电动机的启动转矩。当电源电压低时，压缩机电动机 启动困难，这时电动机电流增大，会导致过载保护器开路，甚至烧坏电动机绕组。 在这种情况下，采用电容辅助启动装置，就可解决这一问题。 电容器的好坏的判别方法：测量前，先将电容器两引线短接，使其放电。然后 用万用表两表笔分别接电容器两引线，正常情况下，万用表两指针由电阻大的方向 向电阻小的方向偏移，然后再回偏。否则说明电容已损坏，应按原容量、耐压更换 新件。 过载保护器 工作原理如下： 过载保护器一般有外接式和内埋式两大类。 (1)外接式 外接过载保护器由双金属片，动触点、静触点、电热丝和外壳组成。一般串联 在主电路中使用。当有较大电流流过时，电热丝发热升温，双金属片受热弯曲，触 点断开，切断电源，以保护压缩机电动机不被烧坏。当电热丝冷却后，双金属片恢 复原状，又可接通电源。 (2)内埋式 内埋式过热保护继电器一般用于功率较大的全封闭式压缩机中，直接控制绕组 温度，使用中只要绕组温度超出正常范围，即可切断电源。 化霜装置 电冰箱的化霜方式主要有半自动化霜、全自动化霜、电子化霜和人工除霜。 (1)半自动化霜 半自动化霜装置是在普通压力式温控器基础上，加装化霜控制板、化霜弹簧、 化霜按扭杆、化霜平衡弹簧和化霜温度调节螺丝等组成。 (2)全自动化霜 全自动化霜器是在半自动化霜器的基础上增加了装在蒸发器上的双金属化霜温 控器和化霜保护熔断器。 在化霜期间，因化霜定时器内部电阻远大于化霜加热器内阻，因而在加在化霜 加热器上的电压很小(约10V)，产生的热量较小。当化霜定时器与压缩机同步运转到 调定的化霜间隔时间(一般为8h)，化霜定时器断开与压缩机的通路，这时220V电压 几乎全部加到化霜加热器上，进行化霜。霜化完，蒸发器温度上升到双金属温控器 跳开温度时，触头动作，加热器停止加热，约2min后，内部触头跳回压缩机回路， 进行下一周期制冷。如此循环，从而形成了对电冰箱化霜的全自动周期性控制。 - 11 - 电加热器 电冰箱中使用的电加热器主要包括除霜加热器和排水加热器，一般为加热管。 电加热器的工作状态由温控开关控制，常见故障有电热丝烧断、丝间短路或绝 缘损坏，检查时可用万用表测电阻以确定故障。若将选择开关调至“热”位置，仍 不见有热风吹出，可能是电热丝故障，电热器出现故障时，一般应更换新件。 电冰箱控制系统的硬件设计 本系统处于监控状态时，具有以下功能: (1)利用功能键分别控制冷冻室温度、冷藏室温度等; (2)利用数码管显示冷冻室温度、冷藏室温度，压缩机的启、停和报警状态; (3)制冷压缩机停机后自动延时3min 后方能再启动; (4)具有自动除霜功能，当霜厚达到3mm 时自动除霜; (5)冷藏室温度超过18 时声光报警，提醒用户采取应急措施; (6)开门超过2min 将声光报警，提醒用户及时关门; (7)连续冷冻时间设定范围18小时; (8)工作电压180240V ，当欠压或过压时，禁止启动压缩机并用指示灯显示。 本系统硬件主要是由单片机、存储器、键盘、显示器、传感放大器、执行器、 过欠压检测、报警器等电路组成。 微电脑硬件控制结构 系统硬件结构如图所示。系统的硬件电路由89C51单片机、A/D转换芯片 ADC0809、复位电路、直流电源供电电路、键盘显示电路、LED显示电路、电压检测 和报警电路等组成。 系统结构框图 微电脑正常工作必备条件电路 一、 供电直流电源 直流电源图 89C51芯片的VCC、P3.4拐脚和复位电压、A/D转换器的VREF(+)都是为+5V供电电 压的输入端，该电压的获得如上图所示。 整流滤波后得到的直流输入电压U1接在输入端和公共端之间，在输出端即可得 到稳定的输出电压U0。为了改善纹波电压，常在输入端接入电容C1，一般C1的电容 为0.33uF。同时在输出端接上电容C0，以改善负载的瞬时响应，C0的电容一般为 0.1uF。 二、 时钟震荡电路 该电路由89C51的XTAL1和XTAL2脚内电路及外接的晶体和外接电容等组成。震荡 电路产生的震荡信号提供给微电脑电路作为时基信号。震荡电路的震荡频率为 6MHZ，由晶体震荡频率确定。 三、 复位电路 89C51的RST脚为复位信号输入端，低电平复位，在每次开机时进行复位，然后 在+5V的高电平进入工作状态。10uS电容用于使芯片在反复上电的情况下得到可靠复 位。 温度检测电路 温度检测电路主要由温度传感器和运算放大器等组成如图5-3所示： 一、 温度传感器 温度传感器主要用来接收冷藏室和冷冻室温度信息及霜厚信息。冷藏室、冷冻 室传感器的电阻值随电冰箱内的温度变化而变化，温度越低，其阻值越大。通过温 - 13 - 度的变化，转化成阻值的变化，引起电压变化导致控制电路工作，分别控制压缩机 的开、停。这里温度传感器选用了MF53-1型热敏电阻，具有负温度系数，灵敏度较 高，和互换性好、寿命长、价格低的特点，特别是在-26+26范围内，热敏电阻 上分压与温度成线性关系。其阻值和温度的关系为：R(t)=286/(26.8+t)-2.68k。 温度传感器属于电压检测方式，即通电后随着温度改变便有微弱的电压变化。此电 压的变化经运算放大器放大后供微电脑进行分析。 二、 运算放大电路 由比较器和运算放大器组成。用于将微弱的电压进行放大。为了和ADC0809模拟 输入电压05V相匹配，分压电阻上所得的信号需要经两级LM324运算放大，前极接成 射级跟随器，主要是为了得到高输入阻抗，后级才是为了完成差分放大。 键盘电路和显示电路 键盘电路和LED 显示电路由串行口扩展5 片74LS164 实现。系统采用了2个功能 键控制冷冻室、冷藏室，4个LED 数码管用于显示冷冻室、冷藏室温度及压缩机启、 停和故障等状态。键盘工作原理也很简单，89C51 通过RXD 端向键盘扫描移位寄 存器74LSI64 逐位发送数据“0”，每次发送后即从 T0 端读入键盘信号，若读得 “0”表示有键按下，转入处理键功能程序。 除霜电路 除霜电路则是将热敏电阻安装在距蒸发器3mm 的某个合适的位置，当霜厚大于 3mm 时，热敏电阻接触到霜层，从而感到较低的温度，其阻值有所变化，运算放大 器输出信号改变，经A/ D 转换后送入CPU ，经单片机分析、判断、给出除霜命令。 过、欠电压检测 本系统交流电源工作电压为180240V，为了保护冰箱，电压过高或过低时自动 禁止压缩机启动。电源过欠压的检测采用了经光电耦合器直接对电源电压进行检测 的方法。图中R和W为降压电阻，LED为光电耦合器的反向旁路二极管兼作电源指示灯。 调节W可使光电耦合器工作在线性区，其次级输出电压经阻容滤波后即得到反映初级 输入电压变化的模拟量，该信号经LM324电压跟随器送至ADC0809的IN3引脚进行A/D 转换。采用这种方案，中间环节少，反应快，并且在一定电压范围内，能保护较好 的线性度。电源是否过欠压由软件辨识判别。 存储器 由8D锁存器74LS373用于单片机P0口的地址低8位和数据分割。 键盘/显示器 本系统采用串行口扩展键盘和显示器。单片机RXD和TXD分别提供串行输出数据 和移位脉冲。89C51送出的8位串行数据经74LS164变成并行数据，并作为键盘的列扫 描信号。显示部分采用LED数码管显示。他们可设置或显示有关温度、时间和状态。 执行器 本系统包括压缩机电动机、除霜电热丝。89C51产生的控制信号经 P1.7、P1.3、P1.4脚输出，并在74LS273中锁存。输出在经达林顿型驱动器MC1413驱 动后控制交流固态继电器SSR1、SSR2。使用74LS273锁存的目的是防止单片机复位时 引起输出控制的误操作，同时也增加了输出驱动能力。采用SSR作为压缩机电热丝的 开关元件无火花产生，无触头损耗，不产生电磁干扰，并且把控制部分和交流高压 部分光电隔离，使系统的安全可靠性得到提高。 开关检测 开关状态的检测电路由门开关和LED发光二极管组成。开门时，触点A接通89C51 的P1.0位高电平；关门时，触点B接通，P1.0为低电平。软件通过对P1.0查询来分析 门的开闭，并计时开门状态的时间。当开门时间超过2min则自动报警以防忘记关门。 报警器 当出现电源过欠压、温度超限失控、开门超时等情况时，系统自动发生报警， 并显示报警原因。 电冰箱控制系统的软件设计 系统软件采用模块化程序设计思想，用汇编语言编制。控制程序主要有三部分