基于单片机的电冰箱控制系统

I计算机控制技术课程设计成绩评定表设计课题基于单片机的电冰箱控制系统学院名称电气工程学院专业班级自动0801学生姓名田冠枝学号200848280126指导教师臧海河设计地点2421设计时间2011062720110703指导教师意见成绩签名年月日II计算机控制技术课程设计设计课题基于单片机的电冰箱控制系统学院名称电气工程学院专业班级自动0801学生姓名田冠枝学号200848280126指导教师臧海河设计地点2421设计时间2011062720110703III计算机控制技术课程设计任务书学生姓名田冠枝专业班级自动化0801学号200848280126题目基于单片机的电冰箱控制系统课题性质工程设计课题来源自拟课题指导教师臧海河主要内容利用单片机设计一个自动门控制系统，实现以下功能（1）电源过欠压保护功能（2）压缩机开启延时功能（3）自动除霜功能（4）电冰箱温度自动调节功能（5）功能键控制功能（6）LED显示功能（7）关机提示功能（8）连续速冻功能（9）温度测量功能（10）故障自检报警功能任务要求第1天，熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第2天，确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。第34天，按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第57天，撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于5000字。主要参考资料1梁洁婷单片机应用综合实习指导M北京高等教育出版社，20032陈永甫电子电路智能化设计实例与应用M北京电子工业出版社，20053邱兴永怎样修理电冰箱M北京人民邮电出版社，19994张靖武周灵彬单片机系统的PROTEUS设计与仿真M北京电子工业出版社，2007审查意见系（教研室）主任签字年月日IV目录1引言111课题背景112主要实现功能12总体方案设计221控制系统方案设计222基于单片机的电冰箱控制系统整体布局323功能原理分析33硬件电路设计431单片机的选择532A/D转换电路5321ADC0809介绍6322ADC0809与AT89C51单片机接口电路633键盘电路及其显示电路734温度采集及除霜电路8341温度采集电路8342除霜电路9343传感器的选择935制冷压缩机和除霜电热丝启停电路10351控制电路图10352工作原理1136电源电压检测电路1137报警电路124软件设计1241程序设计语言1242程序主要模块13421主程序模块13422T0中断服务程序模块14423T1中断服务程序模块155总结16参考文献17附录系统总原理图1811引言11课题背景电冰箱是利用电能在箱体内形成低温环境,用于冷藏冷冻各种食品和其他物品的家用电器设备。电冰箱是每个家庭现代化厨房必备的家用电器，它的主要任务就是控制压缩机、化霜加热等来保持箱内食品的最佳温度，达到食品保鲜的目的，即保证所储存的食品在经过冷冻或冷藏之后，保持色、味、水分、营养基本不变。电冰箱是第一次家电革命浪潮的主导产品，是每个家庭必备的电器设备。从1918年世界上第一台电机压缩式电冰箱研制成功，至今已走过89个年头。这期间，随着科学技术的飞速发展，电冰箱也在不断的演变和更新，尤其是近年来高新技术的迅猛崛起，更使得电冰箱的发展日新月异。现代社会每一个家庭都处在快节奏的生活中，人们大多已无闲暇的时间和精力花费在经常性的采购日常生活用品上。因此，集中时间大量采购的新型生活方式已为越来越多的人所接受，从而决定了大容量电冰箱将是一种国际化的发展趋势。传统的机械式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,使电冰箱内的温度保持在设定温度范围内。一般,当蒸发器温度升至35时启动压缩机制冷当温度低于1020时停止制冷,关断压缩机16。随着家用电冰箱的普及，人们对电冰箱的控制功能要求越来越高，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，传统的机械式、简单的电子控制已经难以满足发展要求。随着微机技术的飞速发展,单片机以其体积小、价格低、应用灵活等优点在家用电器、仪器仪表等领域中得到了广泛的应用。采用单片机进行控制,可以使电冰箱的控制更准确、灵活、直观。12主要实现功能本论文所设计的基于51单片机的电冰箱控制系统以AT89C51单片机为核心控制压缩机的启动和停止，解决了传统电冰箱控制系统存在的不足，可以使控制更准确，更灵活。本系统处于监控状态时,具有以下功能（1）电源过欠压保护功能为了使电冰箱安全可靠地运行，要求其电源电压在180V240V之间。因此，当电源电压小于180V或大于240V时，禁止启动压缩机并用指示灯显示。（2）压缩机开启延时功能该功能要求压缩机停机时间超过3MIN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2否到3MIN，若未达到，需延时到3MIN后才能启动。因此，在设计时应有判断与延时功能。（3）自动除霜功能冷冻室中的水分会凝结成霜，因此，电冰箱应有自动除霜功能。该功能的实现方法是通过累计压缩机运行时间和检测环境温度，来判断是否满足化霜条件霜厚达到3MM，当霜厚达到3MM时，接通化霜加热丝，同时断开压缩机和风机，30分钟后断开化霜加热丝，接通压缩机，再过15分钟后接通风机。（4）电冰箱温度自动调节功能该功能是电冰箱应具备的主要功能。电冰箱设有冷冻室和冷藏室，冷冻室的温度为1626，冷藏室的温度为210，在该温度范围内，食品保鲜效果较好，因此，对控制器的要求是将冷冻室和冷藏室的温度自动控制在各自的范围内。（5）功能键控制功能利用功能键分别控制冷冻室温度、冷藏室温度、速冻设定等。（6）LED显示功能利用LED显示冷冻室温度、冷藏室温度,压缩机的启、停和速冻、报警状态。（7）关机提示功能开门超过2MIN将声音报警,提醒用户及时关门。（8）连续速冻功能连续速冻时间设定范围18小时。（9）温度测量功能设定3个测温点，测量范围2626，精度05；（10）故障自检报警功能该功能要求在电冰箱运行过程中，不断诊断电冰箱的运行状态，当发现严重故障时，电冰箱停机并报警显示。2总体方案设计系统基本原理方案是整个设计过程的依据，也是贯穿整个设计系统的灵魂线，它的好坏直接关系到整个方案的成败。在其设计上要经过查询考证、深思熟虑、反复推敲，有时离不开大量的实验，最后再比较几种选定方案而得出的。21控制系统方案设计控制系统在整个智能电冰箱控制中的地位是至关重要的，它控制着整个系统的运行，是系统是否正常运行的关键。选用的控制系统是否合理是关系到整个系统设计成败的关键。因此此必须慎重地选择控制系统。当前对电冰箱控制系统的方案主要有以下两种。1机械控制方式所谓的机械控制方式，即根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启、停,使电冰箱内的温度保持在设定温度范围内。一般,当蒸发器温度升至35时启动3压缩机制冷当温度低于1020时停止制冷,关断压缩机。这种控制方式，电路相对简单，操作方便，使电冰箱的控制不够准确、灵活、直观。2智能控制方式所谓的智能控制方式，即自动控制方式，用单片机控制制冷压缩机的启、停,使电冰箱内的温度保持在设定温度范围内。这些过程不需要任何的人工操作，全部自动进行，使电冰箱的控制更准确、灵活、直观。经过慎重地考虑、科学地论证和实验，本论文采用了第二种方案；用单片机作为控制系统的核心部分，来控制着系统的运行。选用单片机的好处是单片机控制功能强、体积小、功耗低、性能高、速度快、稳定可靠、应用灵活广泛、价格低廉、通用性强等。22基于单片机的电冰箱控制系统的整体布局智能电冰箱系统由传感器（霜厚传感器、冷藏室温度传感器、冷冻室温度传感器）、微控单元单片机、压缩机、加热丝、LED显示器、语音输出等组成。其中传感器整个硬件中最重要的组成部分，是系统是否成功的关键；微控单元是系统的软件部分，控制整个系统的运行，是系统是否正常工作的保证。设计系统整体布局框图如图21所示LED显示器压缩机加热丝语音输出微控制单元传感器图21设计系统整体布局框图23功能原理分析基于51单片机控制的单片机控制系统的工作原理是这样的传感器（霜厚传感器、冷藏室温度传感器、冷冻室温度传感器）随时处于待工作状态。当霜的厚度达到3MM时，霜厚传感器就会感应到，将产生模拟量信号，并将产生的模拟信号传送到A/D转换器；A/D转换器接收到模拟信号后将其转换4为数字量信号，并将数字信号输送到单片机；单片机接受到信号后，将数字量信号进行分析、判断、处理，给出除霜命令。智能电冰箱控制系统工作后，霜的厚度逐渐改变，当霜的厚度调整到规定值时，除霜命令的自动解除，一个工作过程就算是这样完成了。霜厚传感器接着等待进入下一个工作过程。当冷藏室的温度低于2或高于10时，冷藏室温度传感器就会感应到，将产生模拟信号，并将产生的模拟信号传送到A/D转换器；A/D转换器接收到模拟信号后将其转换为数字量信号，并将数字信号输送到单片机；单片机接受到信号后，将数字量信号进行分析、判断、处理，给出调整冷藏室温度命令。智能电冰箱控制系统工作后，冷藏室内的温度逐渐改变，当冷藏室内的温度调整到规定范围时，调整冷藏室的命令的自动解除，一个工作过程就算是这样完成了。冷藏室传感器接着等待进入下一个工作过程。当冷冻室的温度低于26或高于16时，冷冻室温度传感器就会感应到，将产生模拟信号，并将产生的模拟信号传送到A/D转换器；A/D转换器接收到模拟信号后将其转换为数字量信号，并将数字信号输送到单片机；单片机接受到信号后，将数字量信号进行分析、判断、处理，给出调整冷冻室温度命令。智能电冰箱控制系统工作后，冷冻室内的温度逐渐改变，当冷冻室内的温度调整到规定范围时，调整冷冻室的命令的自动解除，一个工作过程就算是这样完成了。冷冻室传感器接着等待进入下一个工作过程。3硬件电路设计电冰箱控制器的主要任务就是控制压缩机、化霜加热等来保持箱内食品的最佳温度，达到食品保鲜的目的，即保证所储存的食品在经过冷冻或冷藏之后，保持色、味、水分、营养基本不变。用LED将设定温度或实际温度显示出来。基于51单片机的电冰箱控制系统的硬件结构采用了模块结构设计，主要包括A/D转换电路、温度采集电路、除霜电路、键盘电路、LED显示电路、制冷压缩机和除霜电热丝启停控制电路、电源电压检测电路、语音输出报警电路、直流电源供电电路、晶体振荡电路等模块。系统硬件结构图如图31所示5直流电源供电电路晶体震荡电路报警电路AT89C51键盘电路显示器A/D转换电路功放放大器放大器放大器欠电压保护压缩机加热丝冷藏室温度传感器冷冻室温度传感器霜厚传感器图31系统硬件结构图31单片机的选择单片机是整个测控系统的核心部件,它直接影响到整个系统的软硬件设计,并对系统的功能、性价比以及研制周期起决定性作用。本控制系统的单片机采用美国ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51,它是80C51微控制器系统的派生。AT89C51芯片采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，而且价格低，是目前性能比较高的单片机之一。该芯片完全满足系统需要，不需要再外扩程序存储器和数据存储器，可以大大简化系统的硬件电路。此外，AT89C51单片机在市场上的货源充足，技术比较成熟，同时也具有较好的开发环境。32A/D转换电路A/D转换电路115采用逐次逼近式8位ADC0809芯片。0809共有8路模拟输入通道,本系统只用了其中4个通道IN0IN3。其中IN0作为冷冻室温度检测通道,IN1作为冷藏室温度检测通道,IN2作为除霜检测通道,IN3作为电源电压检测通道。6321ADC0809介绍ADC0809是一种比较典型的8位逐次逼近式A/D转换器CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100S左右，采用双排28引脚封装，可以和微机直接接口。1内部结构ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809内部逻辑结构如图32所示ADC0809八路模拟量开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用1个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对ADDA、ADDB、ADDC三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于8路模拟通道的选择。8位A/D转换器是逐次逼近式，三态输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。2主要特征（1）8路8位AD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摄氏度；（7）低功耗，约15MW。3工作过程首先输入3位地址，并使ALE1，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AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。7322ADC0809与AT89C51单片机接口电路1ADC0809与AT89C51单片机的连接如图32所示。图32ADC0809与单片机接口电路图中ADC0809的A、B、C三端通过地址锁存器接于P0口的P00、P01、P02,这三端控制模拟通道的选择。P27与、端经与非门WRD接于0809的ALB、START、/OB端,控制0809的启动、读、写。0809的BOC端悬空,转换后利用软件延时一段时间再读结果,不用中断方式。33键盘电路及显示电路功能键及LED显示电路采用6个功能键控制冷冻室、冷藏室及速冻温度设定，4位LED数码管负责显示冷冻室、冷藏室温度及压缩机启、停和报警等状态。功能键及LED显示电路如图33所示11AT89C51XTAL12VCRSTP1027P184EVSP34RD5/34560ALSNRD6W0698329717564213926731234510387A0234A561745381920543102769989320020AEAEDD67BCLKVSCEOASTRIN0ININ6FGND冷冻室测温冷藏室测温除霜测温电路0K1C084SV74LS025DDLEOOUT0UT68AT89C51XTAL12VCRSTP1027P184EVSP34D5/34560ALSNRD6W06983297989320LED474LS16（）VCABCPTGEDOABCDEFGOHABCDEFGOA34561023871429875VLED3LS（）VCABCPTGEDOABCDEFGOHABCDEFGOA34561023871429875VLED2LS（）VCABCPTGEDABOCDEFGHBCDEFGOA4561023871429875VLED1LS（）VCABCPTGEDOABCDEFGOH34561023142987VLS（）当温度降低时,阻值变大。我们知道，电冰箱一般设有冷冻室和冷藏室，冷冻室用于速冻食品，在冷冻室中的食品可以存放较长的时间，冷冻室的温度为1626左右；冷藏室以不冻伤食品又有保鲜作用为准，冷藏室的温度为210左右；冷冻室食品中的水分会凝结成霜，到一定程度还要除霜。2霜厚传感器的选择本论文采用一种用于制冷系统的电容式霜厚传感器，其特征在于包括一对金属电极和一个固定装置，其中，第一电极为制冷系统的蒸发器的金属表面或紧贴在蒸发器表面的金属片，第二电极为与第一电极相对并保持一定间隔的金属片，第二电极表面涂覆有防潮绝缘材料，并由固定装置加以固定，利用两电极之间的电容变化测定霜的厚度。制冷系统采用这种霜厚传感器可及时化霜，提高制冷效果，有利于食品的保存，并能节省耗电。35制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路351控制电路图制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路图如图36所示11丝丝丝R0RELAY134D5DIODERELAY2123421R15KCLR1CLK111D31Q22D42Q53D73Q64D84Q95D135Q126D146Q157D177Q168D188Q19U174LS273C101UFP175GND8COM9OUTG10OUTF11OUTE12OUTD13OUTC14OUTB15OUTA16INC3INE5ING7INB2INF6IND4INA1C1DS2003INP13P14220V丝丝丝图36制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路图352工作原理AT89C51单片机控制信号经P13和P14端口输出，并在P17的控制下锁存在74LS273中，74LS273的输出再经达林顿驱动器DS2003后驱动固态继电器RELAY1和RELAY2。当DS2003的16端有高电平输出时，RELAY1的3，4引脚端接通，使加热丝接通电源而除霜。当DS2003的15端输出高电平时，RELAY2的3，4端接通，使压缩机绕组接通电源而启动，开始制冷。74LS273锁存控制信号，一方面增加输出功率，另一方面也防止单片机复位时引起控制的误动作。采用固态继电器作为压缩机和除霜电热丝的开关属于无触点开关，内部是大功率的晶闸管电路，不产生火花，无电磁干扰并使高压与单片机系统隔离。36电源电压检测电路该电源电压检测电路包括一分压电路、一上拉电路、以及一切入下拉电路等。分压电路接收一输入电源电压，经分压处理后输出一分压电压。上拉电路接收输入电源电压，当输入电源电压低于一既定阈值时，上拉电路将输入电源电压及于一输出端输出。而切入下拉电源与分压电路和上拉电路连接，当输入电源电压高于既定阈值时，则切入下拉电路根据分压电压将输出端的电压拉低。电源电压检测电路电路图如图38所示125V10K01FLED100K68K220V20VTIL1131KLM324图37电源电压检测电路电路图37报警电路报警电路主要用于冷冻室温度过高时，冷冻温度显示会以一定的频率显示，并用语音提示“冷冻室超温”。此时应检查冰箱门是否关好（请将冰箱门关好），是否一次性放入大量较热的食品，冰箱工作一段时间后，冷冻室温度降低，冷冻温度显示停止闪烁，超温报警功能自动消除。4软件设计软件程序是系统的神经中枢，它控制着整个系统的运行。软件程序编程程序质量的高低是系统是否正常运行的保证。41程序设计语言程序语言是编写程序所运用的工具，恰当地选择编写程序的语言是编写程序的第一部，更是良好的开始。在单片机的应用中，程序设计语言是一个关键问题。仅由硬件组成的单片机系统是不能工作的，还必须配备各种功能的软件才能发挥作用。软件是指能完成各项功能的计算机程序的总和，如操作、监控、管理、计算和自诊断等。它是硬件系统的灵魂，整个系统的动作都是在软件指挥下协调工作的。计算机程序设计语言是指计算机能够理解和执行的语言，它随着计算机的诞生而诞生随着计算机的发展而发展，迄今为止，计算机程序设计语言很多，但通常分为机器语言、汇编语言和高级语言等三类。本测控系统软件主要采用汇编语言。汇编语言与系统硬件结构密切相关，13具有指令丰富、寻址方式、转移指令多、执行速度快的优点。42程序主要模块本测控系统软件编程采用了模块化，子程序设计思路。即整个控制软件由许多独立的小程序模块组成，它们之间通过软件连接。连接的原则是模块内数据关系紧凑，模块之间数据关系松散，按功能划分模块，即便于调试，链接，又便于移值、修改。本系统软件采用模块化程序设计思想,用汇编语言编制，主要完成数据采集，判断，参数设置，驱动执行等功能，所包括的主要模块有主程序、定时器T0中断服务程序和定时器T1中断服务程序。421主程序模块主程序模块的主要功能是完成定义字节、系统初始化、协调微单元各个组成部分有效工作等任务，其中系统初始化完成了指定堆栈指针（SP）初值，对内部RAM清零，设定T0的工作方式及定时计数初值、开中断、指定数据存储单元的初值等任务。本系统主程序是整个电冰箱的总控制程序,如控制各单元初始化、控制中断、定时、显示、键盘程序的启动与重复等。主程序流程图如图41所示。14开始设堆栈指针工作去清零送常数设置定时器工作方式开中断启动定时器调显示子程序设置串行口工作方式调键盘分析程序速冻键增加键减少键冷冻室温显键冷藏室温显键工作正常键置速冻标志调显示子程序置冷冻室显示标志调显示子程序减一处理调显示子程序加一处理调显示子程序置冷藏室显示标志调显示子程序清速冻标志NYNNNNNYYYYY图41主程序流程图422T0中断服务程序模块T0工作于定时方式,定时时间为100MS,中断10次为1S。中断服务程序主要完成电源欠压、过压处理、开门状态检查及处理和温度采集等。T0中断服务程序流程图如图42所示。图31系统硬件结构图15送时间常数保护现场门开否过/欠压否中断计数到1S过/欠压处理门开处理通过P11向T1发脉冲通过P11向T1发脉冲求温度均值刷新温度缓冲区中断返回恢复现场3分钟延时计时并处理YYYNNN图42T0中断服务程序流程图423T1中断服务程序模块T1工作于计数方式，通过计数达到延时3MIN的目的。T1的中断服务程序主要完成3MIN定时及温度、除霜、速冻等各种检测，根据检测结果，比较、分析以控制执行元件工作。T1中断服务程序流程图如图43所示16保护现场送计数常数速冻标志3分钟延控标志温度超上限速冻控制处理霜厚控制处理温度低于下限停止压缩机工作置3分钟延控标志恢复现场中断返回NNYYYNNY图43T1中断服务程序流程图5总结本设计主要介绍了冰箱的控制系统，介绍了8051单片机和其它一些单片机在控制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图，本设计还采用了多种传感器来对冰箱的信号采集，利用LED来进行信号的输出显示,采用键盘输入来方便人进行控制，我设计的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有报警电路，有问题立即就能发现。本系统体现测控一体化、体积小、精度高、使用方便的特点，报警界限还可以根据用户需要随时进行调整，具有很高的性价比。对冰箱的使用者来说对温度的控制稳定性高，还能实现冰箱温度的自动控制。17采用单片机设计出的冰箱控制系统,能够针对冰箱的不同状态和不同外界条件进行控制，运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善；同时大大提高了控制系统的抗干扰能力，保证了冰箱的稳定运行。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好等优点,且系统硬、软件维护简单方便,尤其适用于工业控制现场,具有良好的应用前景。本系统所采用的传感器性能稳定,测量准确，大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机单片机技术对工业生产过程进行自动控制有着重要的意义。我在这次冰箱控制系统设计中，很是受益匪浅，尝试了很多的第一次，感觉这设计挺难的，从中学到了很多东西，整天都呆在电脑前，脖子特别疼，比整天上自习难受多了，不过设计中虽然辛苦，当然在某个问题弄出来时是特别高兴的。上天不负有心人，在这次设计中学到了好多。在这次设计中了解到只有理论知识学好了，才能进行对实践进行更深的研究，理论服务于实践，实践进一步加深对理论的理解。在这次课程设计中收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。设计过程中，了解了一些从前没有多少接触的硬件设备，这学期完了下学期开始后就该找工作了，相信这次设计会给以后找工作或者进行更深一步的研究奠定良好的基础。参考文献1梁洁婷单片机应用综合实习指导M北京高等教育出版社，20032陈永甫电子电路智能化设计实例