50吨组装式冷库电控系统——毕业论文

50吨组装式冷库电控系统郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 50吨组装式冷库电控系统 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 机 电 工 程 学 院 指导教师（职称） 完成时间 年 月 日 目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 课题研究背景11.2 冷库监控系统的研究现状11.3 目前存在的难点21.4 主要研究内容41.5 冷库控制系统的组成的组成41.6 设计任务书51.6.1 原始资料：51.6.2 技术条件51.6.3 设计内容52 方案论证与监控系统的总体设计62.1 方案论证62.1.1 总控制系统方案论证62.1.2 除霜方法论证72.1.3 测温元件的选择92.2 监控系统的总体构架设计103 元器件的选择113.1 单片机113.2 外部地址锁存器123.3 ADC0809转换器143.3.1 主要特性：153.3.2 内部结构153.3.3 外部特性（引脚功能）163.4 74LS164173.5 电加热器183.5.1 化霜加热器183.5.2 防冻加热器183.5.3 温度补偿加热器193.6 显示器203.7 电磁继电器203.8 电流互感器213.9 双向可控硅223.9.1 可控硅结构223.9.2 可控硅的特性223.9.3 光电耦合器(可控硅触发电路)234 监控终端的硬件设计244.1 系统的硬件构成244.2 各监控终段端的硬件设计254.2.1 直流电源电路254.2.2 复位电路264.2.3 时钟电路274.2.4电流检测电路284.2.5 状态显示电路294.2.6 除霜电路314.2.7 除霜测温电路和冷藏室测温电路344.2.8 蜂鸣器电路354.2.9 键盘和显示电路364.2.10 电源过、欠压检测电路404.2.11 压缩机、化霜、风机控制电路414.2.12 硬件抗干扰的设计425 控终端的软件设计425.1 主函数的软件设计435.2 各功能子程序设计455.2.1 初始化模块的软件设计455.2.2 制冷子程序465.2.3 除霜子程序475.2.4 A/D转换子程序485.2.5 室内外风机速度控制495.2.6 复位子程序515.2.7 温度采集中断的软件设计515.2.8 控制模块的软件设计535.2.9 输入模块的软件设计535.2.10 显示模块的软件设计545.2.11 定时器T0中断服务程序555.2.12 定时器T1中断服务程序565.2.13 数据处理模块的软件设计57结束语60致 谢61参考文献62附 录63摘 要控制系统是日常生活中随处可见的系统，控制系统在各个领域都有积极的意义。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的数据采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中的控制水平。本设计是基于AT89S53单片机对冷库进行检测并实现自动控制的系统。主要由电源、系统控制电路、检测电路、显示电路、执行电路、提示电路等组成,以AT89S53单片机为核心元件，利用模拟集成温度传感器检测当前冷库中的温度值，通过控制器及辅助电路进行计算输出并在控制面板上显示当前冷库的温度值；如果测量到冷库中的温度值达到设定温度的上、下限值时，系统通过AT89S53发出控制信号完成提示功能，同时启动或停止执行电路，使温度快速达到设定的范围内。此冷库温度控制系统结构简单，控制效果良好。关键词 单片机/模拟集成温度传感器/控制电路/显示电路The Control System of 45 Tons Assembly Cold Storage ABSTRACTControl systems are ubiquitous systems in daily life,the control systems have positive meaning in various fields.With the rapid development and wide application of microcomputer measurement and control technology,The development and application of data acquisition and control system which used microcontroller as the core has greatly improved the control level of the production and life . This design is based on AT89S53 microcontroller testing and realize the automatic control system of cold storage . It is mainly constituted by the power supply circuit ,the system control circuit,the detection circuit,the display circuit,the executive circuit,the tips circuit,etc.AT89S53 microcontroller is used as the core element,using analog integrated temperature sensor detecting the current temperature in the cold storage,through the controller and auxiliary circuits to calculate the output and display the current cold temperature value on the control panel;if the measured temperature in the cold storage temperature reaches the setting temperature of upper 、 lower limit,the system sents out control signal by AT89S53 and performs the warning functions, start or stop the execution circuit at the same time,makes the temperature quickly reaching the set range.The cold storage temperature control system is simple in structure and has a good control effect.Keywords microcontroller ,temperature sensor, control circuit ,display circuitII1 绪论1.1 课题研究背景众所周知，我国是世界上的农业大国，而农副产品保鲜是农产品产销链上的重要环节，目前在市场上已经几乎看不到没有冷藏处理过的农副产品5。目前我国速冻食品厂2000多家，年产量超过1000万吨，并以每年20的幅度递增；冷饮业4000多家，年产量150多万吨，产量以每7左右的速度递增；冰冻产品产量4400万吨，每年以4的速度递增等8。总之，制冷技术在我国的工、农、医疗卫生等方面均有广泛的应用。然而，我国平均食物年产值约为3000亿美元，超过20的食物由于没有很好地冷藏，在运输过程中被浪费。仅水果、蔬菜等农产品在采摘、运输、储存等物流环节上损失率就达2530，每年有总值约92.5亿美元的农产品在运输中损失，腐烂损耗的果蔬可满足近2亿人口的基本营养需求，损耗量居世界首位，而发达国家的果蔬损失率则控制在5以下口10。因此，我国急需冷藏技术的发展。然而传统的冷藏技术存在诸多问题，传统冷藏技术主要有手控方式和手主令控制方式。手控方式劳动强度大，控制精度低，可靠性、安全性差；而手主令控制方式将主令开关集中置于控制室内，但人为因素仍然过高，且大量的数据电缆增加了实施的成本，同时也增加了安全隐患拍1。因此为了解决传统的冷藏技术存在诸多问题，必须使冷藏技术的载体冷库集智能化、规模化和控制复杂化于一身，对冷库系统实行在线监控。1.2 冷库监控系统的研究现状近几年来，国内外很多企业对冷库检测与控制系进行了研究，大部分都是基于PLC和单片机来实现。用PLC来构建冷库检测与控制系统的技术比较成熟，而且PLC的高可靠性和组建系统的模块化，使得其在大中型冷库检测和控制系统中被优先选用。如北京金日创科技有限公司推出的新型全自动冷库控制系统，该系统由上位机、施耐德电气MODICON系列PLC、现场控制元件组成多级、开放、模块化、可扩展的冷库全自动控制解决方案。开封空分集团有限公司使用西门子公司的S7系列PLC及Wincc组态软件及Profibus总线来设计冷库控制系统15。单片机在现代的检测与控制系统中也有其自己的优势，成本低、体积小，而且还可以根据设计者的需求进行灵活设计。在现代化的各种冷库检测与控制系统中也有许多是以单片机为开发平台的。如论文冷库单片机控制系统中，利用单片机8031对中型冷库进行自动化改造，使得控制系统自动化程度大大提高，温度控制精度大大提升，节省了能源，提高了冷库产品的质量，节省了劳动力19。总之，目前冷库温度控制均针对多点温度采用分布的集散控制方案；但可以根据不同的应用场合采取不同的实施方案。对于安全性、模块化要求高的场合，通常采用PLC为核心处理单元，PLC是专门针对工业上逻辑控制的实施而开发的产品，因此无论从功能上还是处理能力上都是不错的选择。对于功能要求多而且复杂的场合，通常使用嵌入式处理器，再辅以嵌入式操作系统，可以实现极其复杂的功能。对于控制算法复杂的场合，通常采用DSP系统或者工控机，它们可以提供实现复杂算法所必须的高速浮点数运算和巨大的程序空间1。1.3 目前存在的难点目前的冷库在线监控系统利用先进计算机技术、数据处理技术和数据传输技术，实时连续巡回监测各被监测量，对监测结果进行显示、存储、打印、远传及越限报警，具有监测内容丰富，信息量大，处理速度快等优点，但对己实际投运的产品进行调查，其运行效果并不理想，根本没有取得预期的经济效益和社会效益，目前主要存在如下问题：(1) 在冷库的自动控制系统中，由于冷库的用途不同，需要控制的参数值也各有不同，但在这些参数中最重要的是冷库库房内的温度和湿度。而传统的模拟温度传感器和模拟湿度传感器需要经过信号调理电路和信号转换电路才能与微处理器相连时，因此存在测量信号的精度低、电路设置复杂、维护不方便、测量信号容易受干扰等缺点。随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器和湿度传感器开始由模拟式向着数字式、单总线式和双总线式方向发展，由于数字温度传感器本身具有与各种微处理器接口，因而可以克服模拟传感器存在的种种缺点8。(2) 在冷库系统控制方式上，目前的冷库自动控制系统主要采用集中式控制，控制器与现场设备之间靠大量的I/O接口，不仅增加成本，同时也增加了系统的不可靠性。冷库系统传送4.20mA的模拟量温度和湿度信号，并以此作为采集信号监控冷库系统，这样一来由于控制器获取信息量有限，一方面冷库内的设备在线故障诊断、报警、记录功能较弱；另一方面也很难完成冷库内设备的动态监控、远程参数设定、修改等功能。这样就造成了制冷控制系统的信息集成能力不强和可维护性较差，同时影响冷库的生产效率，并给生产管理带来诸多不便。当然比较先进的大型自动化冷库也有采用分布式监控系统，下位机负责检测和控制现场温度与湿度，上位机负责管理和监控整个系统的运行，然而上下位机的通讯方式，基本采用RS232或RS485总线，这种信息交流方式效率低、靠性差、后期系统难维护、传输距离受限。随着现场总线技术在自动控制领域的广泛应用和发展，CAN总线作为一种全数字化的、串行、双向传输、多分支结构的总线，具有更强的抗干扰性能、更低的安装、运行和维护成本，因此若将其在冷库制冷监控系统中的应用，将大大减少布线工作量与电缆投资，避免信号干扰，使系统更可靠、操作更简便、监控更直观，因此建立现场CAN总线的冷库监控系统成为解决这二问题的有效途径。(3) 目前对于多个冷库，存在需要多人管理，自动化控制程度低、管理低效落后、人力资源浪费等问题。但是，随着计算机技术、测量和控制技术的高速发展，虚拟仪器作为测控领域的一支新的技术力量正在迅速发展起来，用虚拟仪器设计一套冷库管理软件，实时显示温度和湿度状态、冷库内设备的运行情况等，将大大提高管理水平15。(4) 对于像冷库这样的非线性、时变性、多参数间强烈耦合、较大的随机干扰、过程机制错综复杂的被控对象，采用传统的模拟PID控制，具有控制超调大，调节时间长，控制效果较差等缺点。模糊PID控制作为一种先进的控制技术，对解决此类问题有着独特的优势，采用模糊PID参数自整定技术，借助PID参数的在线自整定，实时修改PID参数，确保系统在运行过程中始终处于优化状态，既满足系统技术性能指标要求，又能够最大限度地节约能源19。(5) 目前冷库自动化系统大多是采用PLC作为主控制器而构建的，而要构建这样的一个冷库检测与控制系统需要大量的前期资金投入，虽然它也是有支持网络的PROFEBUS现场总线，但是成本昂贵，不容易得到大规模的推广7。总之，目前的冷库在线监控系统还不是很理想，但近年来随着单片机技术、现场总线技术和虚拟仪器技术的飞速发展，高性能的单片机处理器(AVR、DSP、ARM等)的出现，为冷库监控系统的发展提供了广阔的前景。1.4 主要研究内容本设计将在以下三个方面对冷库控制系统进行研究。（1）控制系统和温度传感器的选择如何选择合理的控制器和温度传感器是本设计的关键问题，在本设计中主要研究检测温度并传给控制器进行数据处理、并根据要求输出不同的控制信号，本课题设计能够实现。（2）冷库温度控制系统硬件电路的设计本设计中的温度控制系统要求有较高的稳定性才能满足基本要求，故拟选择数字式温度传感器DS18B20，其输出的信号为数字信号能够直接被单片机处理，省去了A/D和D/A转换电路以及调理电路，不仅简化了硬件电路，同时提高了稳定性。（3）冷库温度控制器软件的设计在本设计中选用了简单方便的C语言对单片机控制系统进行编程，其具有面向应用、运算符丰富、结构简洁等特点，能直观明了的设计出温度控制器所需要的要求，其良好的可移植性也大大的避免了软件编程中的一些不必要的麻烦。1.5 冷库控制系统的组成的组成（1）主控制器：它是温度控制的“大脑”，通过用户自编程序，下装到内存中，当有需要处理的信号产生时，它就会发出相应指令，指挥其他外围电路的工作，同时根据温度的变化对执行机制进行控制，并且处理一些数据。（2）传感器：负责采集冷库及设备中的信号，并且把信号传送给单片机进行处理，同时主控制器根据功能会给出一个控制信号。（3）LED显示屏：提供一个直接的温度数值实时显示出来，让人直观的了解冷库当前的温度。并具有故障提示功能，当某一类的故障出现时，通过现实不同的编号来提示用户大致什么地方出了问题（4）提示报警电路：当温度不在设定的范围内或其它设备出现问题时，指示灯会提示并且同时有声音的提示（5）执行电路：当冷库中的温度达到一定的值时，执行电路就会带动加热或制冷装置动作，从而实现控制温度。1.6 设计任务书1.6.1 原始资料：（1）电源：三相 380V/50Hz。（2）主要负载：压缩机电动机5.5KW、电加热器、风机、电磁阀等。1.6.2 技术条件1.6.2.1 元器件：核心元件使用AT89系列单片机，所需的其他电子电器元件的型号、参数、数量自定。1.6.2.2 基本控制功能:（1）温度控制范围：+2+5，精度：0.1，（2）通过面板设置参数，（3）具有电热或蒸汽除霜功能选择，（4）自动除霜，（5）数字显示：温度、故障代码等，（6）LED显示：工作状态，（7）安全保护：过电压、过电流、过载、高低压力、化霜过热等，1.6.2.3 选做控制功能:备用压缩机选择及控制等。1.6.3 设计内容1.6.3.1 确定控制方案：拟定两种以上的控制方案，进行分析、论证、优选。包括控制方法及各电路元件的选择。1.6.3.2 硬件设计：（1）绘制整机电路原理图。（2）绘制整机电气接线图。（3）绘制其他部分图：控制面板、检测板等。（4）编制元件及电气器件明细表。1.6.3.3 软件设计：（1）绘制各程序流程框图。（2）用汇编语言编写系统所有程序(带注释)，打印程序清单。（3）编写设计计算说明书。2 方案论证与监控系统的总体设计本设计是一个以AT89S53单片机为核心元件的小型冷库控制系统，温度传感器把所测得的温度发送到AT89S53单片机上，经过单片机处理，将温度实时显示，本系统显示器为3个“8”字型的LED数码管组成。本系统除了显示温度以外还可以设置温度值，对所测温度进行监控，当温度高于或低于设定温度时，开始启动相应设备，实时调节仓库温度的变化，达到恒温的目的，使整个控制系统得以稳定运行，进而实现自动化控制5。针对冷藏室的温度控制要求实现自动恒温控制，用户根据需要，通过键盘设定储藏室的温度，由控现场控制节点实现自动恒温控制，系统精度为0.1。根据总体设计，选择经济适用的传感器和单片机以及外围电路所需的芯片及元器件；设计相应的前向通道和后向通道，设计显示电路用于显示温度等值，设计键盘电路用于设置初值等，软件设计，并编写相应的软件。2.1 方案论证2.1.1 总控制系统方案论证方案一 本方案是采用传统的模拟控制方法（方案框图如图2.1），选用模拟电路，用电位器设定给定值，采样放大的信号将反馈的温度值与给定的温度值比较 后，根据比较结果控制当前温度显示，决定化霜或者制冷。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所得结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定，系统所环境的影响大，不能实现复杂的控制算法，并且不易实现对系统的控制及对温度的显示，人机交换性能差。方案二 此方案采用单片机系统进行智能化控制，采用单片机为核心，使用温度传感器采集温度变化信号，并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。此方案不仅具有功能强、体积小、价格低的优点，而且可编程，智能化温度控制技术的广泛采用使得系统灵活性大大增加。数据采集比较器比较器控制开关信号放大信号放大温度预置图2-1 模拟控制框图单片机显示电路传感器控制电路图2-2 单片机控制系统通过两种方案的比较分析，若采用前一种方案，选用模拟电路将反馈的温度值与给定的温度值比较决定是否加热，从输入采样到输出控制的各种误差产生因素较多，精度难以达到要求，而采用单片机就可充分发挥其优点，将误差减小到最小，还可以通过监控软件方便的实现实时控制，而且在试验过程中，根据试验数据进行误差补偿和软件校正，明显的改善了方案一的不足及缺点，其优点是传统电路无法比拟的。所以我们选定利用单片机实现温度控制的第二种方案。2.1.2 除霜方法论证食品冷库制冷系统蒸发器在使用过程中表面容易结霜, 霜层的存在使传热恶化, 制冷效率降低。因此, 清除蒸发器表面的积霜是每个食品冷库日常必需做的节能工作之一。制冷系统目前采用的除霜方式主要有: 人工扫霜、水冲霜、热气融霜、热气融霜+水冲霜、热电融霜、压缩空气除霜和空气自然回温除霜等 7种方法. 除霜方法运用是否科学合理, 操作是否得当将直接影响冷库的运营效果。下面只分析自动除霜用到的除霜方式：方案一 水冲霜把喷水管装于蒸发器的上方, 除霜时, 通过喷水管向霜层表面均匀喷射带有一定压力的水, 这种除箱方法称为水冲霜. 水冲霜方法只能用于冷风机的除霜,一般和热气融霜结合应用, 单独使用时只适合于冷风机结霜速度慢、霜层比较薄的情况, 比如, 用在冷却冷藏间冷风机的除霜. 图1给出了冷却物冷藏间冷风机的一种除霜方案, 图 1中阀门 ZZRP的设置就是考虑了单独使用水冲霜时, 管内制冷剂压力超高时的自动旁通. 水冲霜的优点是除霜操作简单且易于实现自动控制, 缺点是电耗水耗较大, 除霜成本较高. 为了节约除霜成本, 许多冷冻厂回收融霜水作冷凝器的冷却水用. 冷却物冷藏间冷风机的除霜周期的确定同样需要进行经济分析比较. 分析比较方法类似于上述对冻结物冷藏间排管除霜周期的分析比较, 此时的一次除霜成本是水泵的电费.方案二 热气融霜由于目前多数食品冷库用氨制冷系统, 所以热气融霜又称热氨融霜. 该方法是把经过油分器滤油后的压缩机排气引入蒸发器里, 利用热气的显热和潜热来加热和融化蒸发器外表面的凝霜, 从而达到除霜的目的. 融霜前必须排除蒸发器里原有的低温制冷剂液体, 因此热氨融霜的制冷系统需要设置排液设施来承接融霜前蒸发器内的残液和融霜过程中热气凝成的液体.热氨融霜的优点是节能, 因为在正常的制冷循环中, 热氨气体就需要用冷却水来冷却使之液化,在热气融霜过程中, 霜在被融化的同时起着冷却水的作用, 此时, 蒸发器变成了不需冷却水的冷凝器, 融霜时又不需要耗费电能, 比起电热融霜和水冲霜有双重节能的功效. 该方法的缺点是系统比较复杂, 系统中要专门设置排液桶承液或利用低循桶承液. 利用低循桶承液, 会增加恢复正常供冷时的蒸发温度, 影响降温速度. 专设排液桶承液, 系统的工作相对稳定, 但由于增设排液桶增加了系统接管的复杂性, 同时, 融霜排液桶的设置也要额外地占用机房面积, 增加投资成本. 在操作过程中, 若对融霜机理没有正确的理解, 还可能引起系统的故障. 总之, 热气融霜的制冷系统在实际使用中还有一些问题亟待解决, 特别是在热氨流速、流量的确定和合理的融霜时间方面还没有明确的定论, 按冷库设计规范2计算的排液桶体积也不够合理.方案三 电热融霜这种除霜方法是把电热丝缠绕在蒸发器表面, 由时间继电器控制融霜时间. 优点是方法简单易行, 最易实现自动化. 主要缺点是耗能, 单纯用电热来融化霜层的除霜方法是所有方法中能耗代价最高的. 在大中型冷库的制冷系统中一般很少使用纯热电融霜的方法. 在自动化程度较高的、蒸发器自动回油性较好制冷系统 (一般为氟系统) , 为简化系统管路, 节省辅助设备和机房空间, 可用电热融霜代替热气融霜. 同样, 电热融霜也可以与水冲霜结合应用, 以加速除霜速度, 减少用电量. 设计时, 根据霜层融化所需的热量可以方便地选择相应的电热器功率.上面三种方案的除霜启动方式均有两种：一是设定一时间值，当开机时间达到这个值时，系统就自动除霜：二是通过一霜厚检测电路，当蒸发器上的霜厚达到一定值时，单片机就发出信号，启动除霜电路。经过详细的分析，我选择方案二，并有测霜厚来启动除霜电路,具体电路见后面的硬件设计部分。2.1.3 测温元件的选择方案一 采用DS18B20数字式温度传感器， DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围-55+125，可编程为912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可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个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。从而可以看出DS18B20非常方便的被用于远距离多点温度检测系统8。方案二 采用模拟集成温度传感器，集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。综合分析，在本设计中采用方案2。该测温系统简单、价格低廉，它非常适合我设计的小型组装式冷库，节约成本、且也能完全满足我的要求。2.2 监控系统的总体构架设计整个冷库监控系统工作流程如下：每个冷库放一个冷库监控终端，在这个冷库内的不同点放置多个温湿度传感器来测量该冷库内多个点的温度与湿度，这些传感器由这个冷库监控终端来管理。每个冷库监控终端定时采集冷库内各个温湿度传感器，计算冷库内的总体温度和湿度，一方面根据计算的结果与设定的温度定值，对冷库的温度进行在线判断，若不正常，则控制冷库内的温度控制器件，并把测量的结果通过LED实时显示出来。另一方面定时把计算得到的温度值通过数据线传给冷库服务器(冷库服务器一般是工控机)，在冷库服务器端通过冷库管理软件(用LABVIEW软件制作)来管理其下的所有冷库监控终端。一个冷库监控终端的基本功能如下：（1）监测终端最多可以实时采集16个点的温度，并可以对这16个点进行循环采集。（2）监控终端能根据每个点实时采集得到的温度，计算该冷库的总体温度和湿度，并通过LED实时显示；同时通过数据线主动上传这些参数到冷库服务器，为冷库服务器分析该冷库温度的变化规律提供依据。（3）监测终端根据得到反映冷库总体的温度值，对冷库内的温度进行在线判断，若发现温度异常，则控制温度执行器件执行器件，并在监控终端上进行声光报警，提醒值班的工作人员。（4）能接收冷库服务器通过数据线传来的控制指令，并进行相应的操作，相应操作包括保存冷库服务器传过来的温度的判断定值、控制温度执行器件执行器件、实时查询冷库内的温度状态、查询监控终端的设置信息等操作。（5）按键输入：通过按键操作可以查看和更改温度的判断值等。（6）数码管显示：操作简单，能实时显示采集得到的冷库温度值，并能显示故障的标号。3 元器件的选择3.1 单片机本文所设计的冷库控制系统是一个基于单片机技术的设计，首先要进行单片机处理器的选择。市场上单片机的种类繁多，本文所选择的单片机要具有以下几种功能：（1）监控终端一般是放在冷库内的某个位置，基本上放好后就不会变化，所以要求所选择的处理器的内部FLASH的容量要比较大，为以后监控终端的功能扩展做准备。（2）监控终端要某些设置的系统参数进行掉电保存，为了监控终端掉电恢复后还能正常进行工作。要保存的系统参数有：最低温度值(2个字节)、最高温度值(2个字节)、温度采集时间(1个字节)、温度传感器的个数(1个字节)，共计6个字节。（3）为了提高温度数据采样的正确性，需对采样后的数据进行数据预处理；在计算总体温度的过程中，必须对采集的数据进行处理；根据数据处理的结果进行温度的在线判断等，这些复杂的数据处理都对CPU处理速度提出了有较高的要求。所以，所选择的处理器必须处理速度比较快，最好是单周期指令的单片机。根据上述要求，本设计选用AT89S53单片机，AT89S53是一个低功耗，高 性能CMOS 8位单片机，片内含12k Bytes ISPD(In-system programmable Downloadable)串行编程可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S53可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其主要特点：（1）内含12KB的Flash程序存储器，擦写寿命为100次；（2）内含256字节的片内RAM；（3）32线的可编程I/O(P0，P1，P2和P3)；（4）3个16位可编程定时器T0，T1和T2；（5）含有9个中断源、6个中断矢量、2个中断优先级的中断系统；（6）可编程串行UART通信接口；（7）低功耗节电方式为空闲模式和掉电模式；（8）3级程序锁定为；（9）可编程看门狗定时器；（10）双数据指针DPTR0和DPTR1；（11）具有断电标志POF；（12）SPI串行外围接口；（13）AT89S53工作电源为46V；（14）AT89S53最高工作频率为24MHZ。AT89S53的引脚如图3-1所示：3.2 外部地址锁存器AT89S53单片机受引脚数的限制，数据线和地址线是复用的，由P0口线兼用。为了将它们分离出来，以便同单片机片外的扩展芯片正确的连接需要在单片机外部增加地址锁存器26 。本设计中选择常用的地址锁存器有：74LS373地址锁存器等。74LS373是一种带有三态门的8D锁存器，其引脚如图3-2所示：图3-1 AT89S53引脚分布图图3-2 两种74LS373的引脚分布图其引脚的功能如下：(1) 1D8D:八位数据输入线。(2) 1Q8Q：八位数据输出线。(3) CLK:数据输入锁存选通信号，高电平有效。当该信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。(4)OE:数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。当该信号为高电平时，输出线为高组态。3.3 ADC0809转换器A/D转换器（ADC）的作用是把模拟量转换成数字量以便于单片机进行识别和处理。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的八位8通道的A/D转换器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0809转换器如图3-3所示： 图3-3 ADC0809引脚分布图3.3.1 主要特性：(1) 8路8位A/D转换器，即分辨率8位。 (2) 具有转换起停控制端。 (3) 转换时间为100s。(4) 单个5V电源供电。(5) 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 (6) 工作温度范围为-4085。 (7) 低功耗，约15mW。 3.3.2 内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3-4所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。 3.3.3 外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能：(1) IN0IN7：8路模拟量输入端。(2)D0D7：8位数字量输出端。(3) ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。图3-4 ADC0809内部结构示意图(4) ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 (5) START：A/D转换启动信号，输入，高电平有效。 (6) EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 (7) OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。(8) CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 (9) REF(+)、REF(-)：基准电压。 (10) VCC：电源，单一5V。 (11) GND：接地。单片机控制ADC0809时，多采用查询和中断控制两种方法。查询法是在单片机把启动命令送到ADC0809后，执行别的程序，同时对ADC0809的状态进行查询，以检查ADC0809变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。中断控制法是在启动信号送到ADC0809之后，单片机执行别的程序。当ADC0809变换结束并想单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断申请，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回到原程序。这种方法单片机无需进行转换时间的管理，CPU效率高，所以特别适用于变换时间较长的ADC0809。本设计中采用的是中断控制法的单片机控制方式，ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，因EOC引脚经过一反门接到AT89S53单片机的外中断输入引脚，所以EOC输出信号变高，指示转换正在进行。当转换结束时，EOC发出一个脉冲向单片机提出中断请求，由外部中断1的中断服务程序读A/D结果，并启动ADC0809的下一次转换，外部中断1采用跳沿触发方式。3.4 74LS164AT89S53串行口的方式可用于I/O扩展。如果在应用系统中，串行口未被使用，那么将它用来扩展并行I/O既不占用片外的RAM地址，又节省硬件开销，是一种经济实用的方法。在方式0时，串行口作同步移位寄存器，其波特率是固定的为系统振荡器频率。数据由RXD端(P3.0)出入，同步移位时钟由TXD端（P3.1）输出。发送，接收的是8位数据，低位在先。74LS164是8位串入并出移位寄存器。其引脚如下图3-5所示：当AT89S53单片机串行口工作在方式0的发送状态时，串行数据由P3.0(RXD)移位时钟由P3.1（TXD）送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164中。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断变化，故在某些应用场合，在74LS164的输出端应接三态门控制端，以便保证串行输入结束后在输出数据。 图3-5 74LS164引脚示意图3.5 电加热器在冷库等小型制冷装置上，为了达到不同的使用目的，采用了各种不同类型的加热器。尽管其名目繁多，但大致可分为三类：一类是化霜加热器；第二类是防冻加热器；第三类是温度补偿加热器。3.5.1 化霜加热器化霜加热器被安装在蒸发器上，其结构实质上是一个管状加热器，它将一根很细的电阻丝绕在多股玻璃丝芯线上，然后再将芯线装入一根薄壁铜管（或铝管）中，管内填满绝缘材料，是电热丝与管壁具有良好的绝缘；铜管两端管口用绝缘子完全密封。从而构成一个安全性能好、寿命长的管状加热器。融霜水聚集在蒸发器下面的铝槽里，然后它通过一根塑料管排入水蒸发皿中，由冷凝器放出的热量使融霜水蒸发。3.5.2 防冻加热器在直冷式双门电冰箱中，上下两只蒸发器中间的连接部分装有管道加热器，它是由带护套的绝缘良好的电热丝直接缠绕在中间管道上，然后用带胶的铝箔粘贴牢靠而成。在间冷式双门电冰箱中，防冻加热器主要安置在蒸发器接水盘、化霜排水管的外表面和风扇扇叶的孔圈部位，分别成为蒸发器接水盘加热器，化霜排水管加热器和风扇扇叶孔圈加热器。排水管加热器处于经常加热状态。其它两种加热器仅在蒸发器化霜时才工作。防冻加热器的结构是将热丝粘绕在与待加热部位展开图形状相同的平面铝箔上，然后将其贴在加热部位的外表面，用铝箔上面的粘接剂将其粘牢即可。3.5.3 温度补偿加热器这类加热器可以看作是使冰箱各部分的温度调节符合设计要求而设置的一个辅助设备。(1)化霜温控器补偿加热器它是用于半自动化霜温控器上，对除紧贴在冷冻室蒸发器上的感温部分之外的其它部分（包括不紧贴在冷冻室蒸发器上的感温管部分和温控器本身）进行加热。这是因为在双门直冷式电冰箱中，半自动化霜温控器的一部分感温管紧贴在冷冻室蒸发器上，而化霜温控器本身和其余部分感温管装在冷藏室内，这两者处在不同的温度区域中，为了补偿两部分的温度差异，设置此加热器使化霜温控器动作更加准确。（2）冷藏室补偿加热器它用于直冷式双门电冰箱中。其作用使冷冻室和冷藏室之间的温度很好匹配。当环境温度变低时，保证冷冻室温度不致高于规定值。这种加热器可对冷藏室和温控感温管进行微微加热，使温控器的触点提前接通，以缩短压缩机的停机时间，做到即使冬季环境温度低于5，仍可保持一定的开机时间。（3）风门温度控制器补偿加热器它是装在感温风门温度控制器主体外壳表面上的加热器。它是长通的，加热是为了保证感温风门温度控制器正常工作、使感温管所在部位的温度高于其尾部温度。本设计采用的是化霜加热器，将加热器安放在蒸发器上，当检测系统检测到霜厚达到一定值时，则启动加热器，节能、方便。3.6 显示器显示器是常用的输出器件。显示器件种类很多，有LED发光二极管、LED数码管、液晶显示器LCD、阴极射线管CRT等。其中LED数码管是设备的简易显示常用电子元器件，有许多性能优点：(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。(2)间极短(01s)，高频特性好，单色性好，亮度高。(3)量轻，抗冲击性能好。(4)用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。成本低。因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。对于本次所设计的冷库智能控制电路来说，由于对于数字显示要求不高，LED数码管价格便宜，且能满足设计要求，故显示器设计采用LED数码管。3.7 电磁继电器电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流。较低的电压去控制较大电流,较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器一般由 电磁铁、衔铁、弹簧片、触点等组成的，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。本设计采用电磁继电器来完成单片机低压控制系统与压缩机高压控制电路的联系。3.8 电流互感器电流互感器是依据电磁感应原理制成的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器（Current transformer 简称CT）的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。电流互感器的使用方法如下：（1）电流互感器的接线应遵守串联原则：即一次绕阻应与被测电路串联，而二次绕阻则与所有仪表负载串联 （2）按被测电流大小，选择合适的变化，否则误差将增大。同时，二次侧一端必须接地，以防绝缘一旦损坏时，一次侧高压窜入二次低压侧，造成人身和设备事故 （3）二次侧绝对不允许开路，因一旦开路，一次侧电流I1全部成为磁化电流，造成铁心过度饱和磁化，发热严重乃至烧毁线圈；同时，磁路过度饱和磁化后，使误差增大。电流互感器在正常工作时，二次侧近似于短路，若突然使其开路，则励磁电动势由数值很小的值骤变为很大的值，铁芯中的磁通呈现严重饱和的平顶波，因此二次侧绕组将在磁通过零时感应出很高的尖顶波，其值可达到数千甚至上万伏，危及工作人员的安全及仪表的绝缘性能。另外，二次侧开路使二次侧电压达几百伏，一旦触及将造成触电事故。因此，电流互感器二次侧都备有短路开关，防止二次侧开路。在使用过程中，二次侧一旦开路应马上撤掉电路负载，然后，再停电处理。一切处理好后方可再用。（4）为了满足测量仪表、继电保护、断路器失灵判断和故障滤波等装置的需要，在发电机、变压器、出线、母线分段断路器、母线断路器、旁路断路器等回路中均设28个二次绕阻的电流互感器。对于大电流接地系统，一般按三相配置；对于小电流接地系统，依具体要求按二相或三相配置（5）对于保护用电流互感器的装设地点应按尽量消除主保护装置的不保护区来设置。例如：若有两组电流互感器，且位置允许时，应设在断路器两侧，使断路器处于交叉保护范围之中（6）为了防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧（7）了减轻发电机内部故障时的损伤，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发