冰箱测试系统设计 精品.doc

冰箱测试系统设计29第一章 绪论1.1 研究背景冰箱的出现是人类近代生活的一个重大转折，要知道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，而冰箱帮助人类走出了这种困境。近年来随着科技的进步和社会的发展，人们的生活水平有了很大提高，冰箱技术也从为家用储藏食品服务为主要目的发展到前服务于国民经济的各个领域，从实验室、办公大楼、商场、交通到文化娱乐等场所，冰箱产品几乎无处不在。同时在现代国防建设中，特殊试验器具及材料的储藏、保温等要求使冰箱在新军事装备的研究、开发、保存、运输过程中成为不可缺少的装置。目前，伴随着现代化建设和经济进一步发展，我国生产冰箱产品的数量和种类迅速增加，冰箱的生产厂家也随之增多，为控制产品质量、检测产品性能，保证冰箱工业的良性发展，就需要对冰箱的性能进行科学的检验和衡量。而冰箱产品的测试技术和试验装置迅速发展也进一步促进了冰箱产品在性能、功能及产品水平方面的提高，并且为我国冰箱行业的整体发展起到巨人的推动作用。随着冰箱行业的蓬勃发展，冰箱性能测试技术也在不断进步和提高，和国际的差距也在逐步缩小。冰箱测试技术的发展已由最初的手工操作到了目前国外先进的全自动测试，全自动测试是应用微型机对各个部件进行自动控制。电冰箱测试的自动化，可以避免人为因素对测试系统稳定性和测试结果的影响，使其检测准确而迅速。但是在我国全自动测试系统还不完善，全面引进不但需要大量的资金投入，也不符合国家长久利益，所以有必要进行研究高效率、低成本、低能耗的冰箱自动测试系统，以大规模推广和使用。1.2 发展概况上世纪60年代初期，为了满足我国开发研制制冷压缩机的需要，机械工业部通用机械研究所自行设计、建造了第一套符合我国标准的制冷压缩机性能试验装置，该装置为我国中型制冷压缩机的研制提供了大量的数据，同时也拉开了我国自行设计、建造冰箱性能试验装置的序幕。随着家电不断地深入人们的生活，人们对家用电器的期望和要求也越来越高，同此，冰箱生产企业为了在残酷的市场竞争中立丁不败之地，竞相提高产品质量、研制开发新的产晶。其中对冰箱性能的监控、质量的检测是他们的关键环：就这就为冰箱试验装置的发展提供了良机。冰箱行业的发展对冰箱性能试验装置测控系统的发展起了很大的推动作用，自动化仪表、传感器技术及计算机技术的发展为冰箱性能试验装置测控系统的发展提供了条件。六七十年代，我国冰箱行业逐渐发展，自行设计建造冰箱性能试验装置成为必要，但是当时我国的冰箱技术水平与国外发达国家差距较大，产品种类少，试验装置几乎全是人工读数测量，手动调节工况方式。此时，温度测量采用玻璃棒温度计，电流、电压、频率、功率、功率系数等电量测量采用指针表，由人工读取数据， 由人工调了执行机构，测控系统技术处于人工手工阶段纠训。 到了20世纪80年代中期，随着我国改革开发，市场对冰箱产品提出了日益增多的需求和越来越高的功能要求，各类冰箱产品的技术标准也相继颁布出台，相应的试验技术和试验装置也被大多数企业所重视。为了进一步完善冰箱品的检验规范，提高产品性能质量，优化产品功能结构，一些企业投入资金建造了冰箱性能试验装置。哈尔滨工业业大学和广州电器科学研究所自动化分所相继研制出冰箱性能测试系统并推广使用。这些试验装置人都采用了当时国产的单元组合式仪表。自动化仪表初步被运用于冰箱性能试验装置测控系统中，这一阶段的仪表主要以模拟仪表为主，控制规律靠硬件完成，试验参数以传感器辅助人工读数为主，数据处理还是采用人计算试验结果，手写试验报告，绘制分析曲线。为缩短与国外先进水平的差距，提高我国冰箱产品的试验检测水平、效率和测试准确度，有些单位开始从国外引进较为先进的产品试验技术和试验装置。这些试验装置的引进，对后来国内测试技术、测控系统的改进的发展起剑了非常积极的推动作用。80年代后期开始，冰箱行业的发展开始加快，我国在加大自主开发新产品的同时，也开始与国外企业合作。我国的冰箱产品水平日益提高，品种增加，新标准山台，由于新标准中的试验方法人都等同采用国际先进标准，依据新标准，研究单位和企业相继自行设计、建设了新的试验装置，新装置的技术水平和制造水平及测量仪表水平都达到了一个新高度。国内不少企业从日本、美国等国家引进冰箱性能试验装置，新科技、新技术、新材料、改革开放推动了我国冰箱性能测试系统的发展和水平的提高。到了90年代，许多企业涉足冰箱行业，使得在市场竞争中，产品质量至关重要。冰箱性能试验装置的市场需求量开始增多，但试验装置落后的测控系统越来越不能适应需要，当时国外的试验装置大都采用了计算机数据采集处理等先进的技术和手段，引进国外的先进试验装置却耗资巨人。1.3 课题研究目的及意义现今时代在家用电器领域中，对家电产品的质量、外观造型、耐用性等方面的要求越来越高。冰箱冷柜除了上述要求外，还对制冷性能提出了高标准的要求。制冷性能主要包括储藏温度和耗电量两方面，他们由GB8059114家用制冷器具的推荐性国家标准和GB1202112家用电冰箱耗电量限定值及能源效率等级强制性国家标准限制。国内大型冰箱制造企业由于采用较先进的生产线在线测试，冰箱在生产线上移动过程中完成测试。中小型制造企业由于其生产规模和资金限制，无法使用这种在线测试系统，而采用人工目测温度计进行检测，这种检测方法不仅费时费力， 存在比较大的误差，而且测试数据记录凌乱，难以管理。因此，设计一个小型的冰箱自动检测系统，可以对冰箱的制冷和耗电性能进行实时检测和监控，该检测系统完全可以代替人工检测，检测结果比较准确，大大提高了企业的自动化程度，有助于企业的管理，其成本也是中小型制冷设备制造企业可以接受的。本课题研究目的是通过了解冰箱的制冷原理，利用计算机实现冰箱制冷性能测试自动化，事实告诉我们这项研究非常必要，不仅可以减小人工检测带来的人为检测误差，而且还大大降低了检测时间与成本。第二章 系统的总体设计2.1 电冰箱简介2.1.1 冰箱主要电器零部件一 压缩及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。二 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。三 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。四 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。五 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。2.1.2 冰箱工作原理液体由液态变为气态时，会吸收很多热量，简称为“液体汽化吸热”，冰箱就是利用了液体汽化的过程中需要吸热的原理来制冷的。蒸气压缩式电冰箱制冷系统原理图如图1.1所示，主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器等部件组成，其动力均来自压缩机，干燥过滤器用来过滤赃物和干燥水分，毛细管用来节流降压，热交换器为冷凝器和蒸发器。制冷压缩机吸入来自蒸发器的低温低压的气体制冷剂，经压缩后成为高温高压的过热蒸气，排入冷凝器中，向周围的空气散热成为高压过冷液体，高压过冷液体经干燥过滤器流入毛细管节流降压，成为低温低压液体状态，进入蒸发器中汽化，吸收周围被冷却物品的热量，使温度降低到所需值，汽化后的气体制冷剂又被压缩机吸入，至此，完成一个循环。压缩机冷循环周而复始的运行，保证了制冷过程的连续性。图2-1 电冰箱制冷系统原理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3C15C,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，不能冻伤食品，温度一般为0C10C，当测得冷冷冻室温度高至3C 0C时或者是冷冻室温度高至10C13C是启动压缩机制冷，当冷冻室温度低于15C18C或都冷藏室温度低于0C3C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。2.2 系统总体方案设计温度检测系统有则共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降 。所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。2.2.1 传感器部分方案一：采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。方案二：在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。2.2.2 主控制部分方案一：此方案采用PC机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！方案二：此方案采用AT89C51八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。2.2.3 系统方案综上所述,温度传感器以及主控部分都采用第二方案。系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想。设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用的是RS-485串行通讯的标准，通过下位机（单片机）进行现场的温度采集，温度数据既可以由下位机模块实时显示，也可以送回上位机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。使用基于DS18B20的数字温度传感器，根据具体产品的检测工艺，我们使用如下的方案。整体的检测方案如下：图2-2 冰箱制冷系统检测模型本文也具体考虑温度采集模块的设计，使用方案：使用单片机和数字式单总线温度传感器构成。其具有下列特点：具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力强，稳定性好；信号易于处理、传送和自动控制；便于动态及多路测量，读数直观；安装方便，维护简单，工作可靠性高。单总线温度传感器可以采用DALLAS公司生产的DS18B20系列，这类温度传感器直接输出数字信号，且多路温度传感器可以挂在1条总线上，共同占用单片机的1个I/O口即可实现。在提升单片机I/O口驱动能力的前提下，理论上可以任意扩充检测的温度点数。第三章 系统硬件设计3.1 硬件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转换电路、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。图3-1 系统结构框图3.2 AT89C51单片机芯片介绍AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，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AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。3.2.1 单片机主要特性（1）4KB片内在系统可编程Flash程序存储器；（2）时钟频率为033MHz；（3）128字节片内随机读写存储器（RAM）；（4）32个可编程输入/输出引脚；（5）2个16位定时/计数器；（6）5个中断源，2级优先级；（7）全双工串行通信接口；（8）监视定时器；（9）2个数据指针。3.2.2 管脚说明单片机引脚如下： 图3-2 AT89C51 单片机引脚图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AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：表3-1 P3口的特殊功能口管脚备选功能P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0计时器0外部输入P3.5 T1计时器1外部输入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。/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。3.2.3 运算器(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。3.2.4 中断系统8051单片机的中断系统简单实用，其基本特点是：有5个固定的可屏蔽中断源，3个在片内，2个在片外，它们在程序存储器中各有固定的中断入口地址，由此进入中断服务程序；5个中断源有两级中断优先级，可形成中断嵌套；2个特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的编程。5个中断源的符号、名称及产生的条件如下:INT0：外部中断0，由P32端口线引入，低电平或下跳沿引起。INT1：外部中断1，由P33端口线引入，低电平或下跳沿引起。T0：定时器计数器0中断，由T0计满回零引起。T1：定时器计数器l中断，由T1计满回零引起。TIRI：串行IO中断，串行端口完成一帧字符发送接收后引起。3.2.5 单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图所示。图3-3 AT89C51 单片机最小系统此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。AT89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。3.2.6 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。3.3 A/D转换器现代自动控制系统中需要测量和控制的参数往往都是连续变化的模拟信号，如温度，压力，流量，速度等。这些物理量和控制参数往往都是连续变化的电压和电流，因此，必须将其变换成数字量（即需经模/数转换），才能被数字计算机所识别。这些数字量在计算机内经过运算处理，可以得到一个数字形式的控制量，将这些控制量经过数/模转换器，变成模拟电压或电流信号，再送到执行机构去驱动相应的设备动作，即可实现对生产过程的自动控制。3.3.1 TLC549的主要特点TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行AD芯片，可与通用微处理器、控制器通过IO CLOCK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。TLC549具有4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17s，允许的最高转换速率为40000次/s。总失调误差最大为05LSB，典型功耗值为6 mW。TLC549采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其VREF-接地时，(VREF+)-(VREF-)1 V，故可用于较小信号的采样，此外，该芯片还单电源36v的供电范围。总之，TLC549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜等特点。TLC549的极限参数如下：电源电压：65 V：输入电压范围：0.3VVCC：+o.3V：输出电压范围：0.3VVCC：+03 V；峰值输入电流（任一输人端）：10 mA；峰值输人电流(所有输入端)：30mA工作温度：TLC549C：070CTLC549I：-4085TLC549M-55C1253.3.2 TLC549芯片的工作原理 TLC549带有片内系统时钟，该时钟与IO CLOCK是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输DATA OUT端处于高阻状态，此时IO CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLc549时，共用IO CLOCK，以减少多路(片)AD使用时的IO控制端口。一组通常的控制时序操作如下：(1)将Cs置低，内部电路在测得CS下降沿后，在等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，再确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATAOUT端；(2)在前四个IO CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6，D5，D4，D3)，片上采样保持电路在第4个IO CLOCK下降沿开始采样模拟辅人：(3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿可移出第6、7、8(D2，D1，D0)各转换位；(4)最后，片上采样保持电路在第8个IOCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2，D1，D0）各转换位。然后使保持功能持续4个内部时钟周期，接着开始进行32个内部时钟周期的AD转换。在第8个IO CLCOK后,CS必须为高或IO CLOCK保持低电平这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时，IO CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器，控制器将与器件的IO时序失去同步；而在CS为高时若出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)(4)，可重新启动一次新的AD转换，与此同时，正在进行的转换将终止。但应注意，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，则应使第8个IO CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应。因为芯片虽在第4个IO CLOCK时钟的下降沿开始采样，却在第8个IO CLOCK的下降沿才开始保存。本系统以8位AD转换芯片TLC549为核心部件。它适台完成单通道8位转换，即比较适合在速度要求不高时，组成一种数据采集系统。TLC549芯片可以方便地与具有外围串行接口(SPI)的单片机连接使用。按照TC549严格的时序，它在完成A/D转换后，其串行输出的A0A7二进制数据可由时序控制，并串行输出到申入并出的移位寄存器。将该寄存器的8位数据与微处理器的数据总线相连，即可完成效据传递。由此设计如下图：图3-4 A/D转换电路3.4 RS-485接口3.4.1 RS-485简介接口芯片已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。可用于接口的芯片种类也越来越多。如何在种类繁多的接口芯片中找到最合适的芯片，是摆在每一个使用者面前的一个问题。接口在不同的使用场合，对芯片的要求和使用方法也有所不同。使用者在芯片的选型和电路的设计上应考虑哪些因素，由于某些芯片的固有特性，通信中有些故障甚至还需要在软件上作相应调整，如此等等。希望以下叙述对解决接口的某些常见问题有所帮助。3.4.2 RS-485接口标准传输方式：差分传输介质：双绞线标准节点数：32最远通信距离：1200m 共模电压最大、最小值：+12V；-7V差分输入范围：-7V+12V接收器输入灵敏度：200mV接收器输入阻抗：12k3.4.3 RS-485节点数所谓节点数，即每个接口芯片的驱动器能驱动多少个标准负载。根据规定，标准接口的输入阻抗为12k，相应的标准驱动节点数为32。为适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载（24k）、1/4负载（48k）甚至1/8负载（96k），相应的节点数可增加到64、128和256。表1为一些常见芯片的节点数。表3-2 常见芯片节点表节点数型号32SN75176，SNT5276，SN75179，SN75180，MAX485，MAX488，MAX49064SN75LBC184128MAX487，MAX1487256MAX1482，MAX1483，MAX3080MAX30893.4.4 RS-485通信方式RS485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。半双工通信的芯片有、MAX 1487、等；全双工通信的芯片有、等。图3-5 半双工通信电路图3-6 全双工通信电路在电参数仪的设计中，数据采集由单片机AT89C51负责，上位PC机主要负责通信（包括与单片机之间的串行通信和数据的远程通信），以及数据处理等工作。在工作中，单片机需要定时向上位PC机传送大批量的采样数据。通常，主控PC机和由单片机构成的现场数据采集系统相距较远，近则几十米，远则上百米，并且数据传输通道环境比较恶劣，经常有大容量的电器（如电动机，电焊机等）启动或切断。为了保证下位机的数据能高速及时、安全地传送至上位PC机，单片机和PC机之间采用RS485协议的串行通信方式较为合理。实际应用中，由于大多数普通PC机只有常用的RS232串行通信口，而不具备RS485通信接口。因此，为了实现RS485协议的串行通信，必须在PC机侧配置RS485/RS232转换器，或者购买适合PC机的RS485卡。这些附加设备的价格一般较贵，尤其是一些RS485卡具有自己独特的驱动程序，上位PC机的通信一般不能直接采用WINDOW95/98环境下有关串口的WIN32通信API函数，程序员还必须熟悉RS485卡的应用函数。为了避开采用RS485通信协议的上述问题，我们决定自制RS485/RS232转换器来实现单片机和PC机之间的通信。单片机的通信信号首先通过光隔，然后经过RS485接口芯片，将电平信号转换成电流环信号。经过长距离传输后，再通过另一个RS485接口芯片，将电流环信号转换成电平信号。该电平信号再经过光电隔离，最后由RS232接口芯片，将该电平信号转换成与PC机RS232端口相兼容的RS232电平。由于整个传输通道的两端均有光电隔离，故无论是PC机还是单片机都不会因数据传输线上可能遭受到的高压静电等的干扰而出现“死机”现象。单片机侧RS485接口电路如图所示。图3-7 RS485接口电路3.5 必备电路介绍3.5.1 供电直流电源电路图3-8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5-2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。3.5.2 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。3.5.3 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。3.6 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：图3-9 温度检测电路3.6.1 温度传感器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，其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。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TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125，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3-10所示：图 3- 10 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=X8X5X41）。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- 11 DS18B20的内部结构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 = 0，如:0550H为+ 85，0191H为25.0625 ，FC90H为- 55。2322212021222324温度值低字节 LSBSSSSS262524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：0R1R011111R1、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的一线工作协议流程是：初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。3.6.2 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。3.7其他电路与器件简介3.7.1 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。3.7.2 存储器由8D锁存器74LS373用