电冰箱自动控制系统的设计

武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 1 目录 1.引言.2 2 设计要求及分析.3 2.1 电冰箱温度自动调节功能 .3 2.3 电源过欠压保护功能 .3 2.4 压缩机开启延时功能 .3 2.5 故障报警功能 .3 3. 自动控制系统硬件结构设计.4 3.1 主要部件选择与功能实现.4 3.1.1 单片机选型及功能介绍 .4 3.1.2 A/D 转换器选型及功能介绍.5 3.1.3 74LS373 简介.5 3.2 检测及控制电路 .6 3.2.1 传感器的选择与温度自动调节功能的实现 .6 3.2.2 电冰箱的过欠压保护电路及功能实现 .8 3.2.3 电冰箱的开启延时电路及功能的实现 .9 3.2.4 自动除霜功能的实现 .10 3.2.5 报警器 .11 总结.13 参考文献.14 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 2 电冰箱自动控制系统的设计 1.引言 冰箱自动控制系统在正常工况下工作，当运行过程中需要进行自动调节时， 系统能通过预设程序进行调节，要求控制系统应有一定的应变能力。 对于冰箱性能的主要调节指标是箱体温度由此实现的功能有自动温度调节， 自动除霜等。 要求维持冰箱的冷藏冷冻室温度维持在预先设定的数值，当箱内温度高于 或低于这一值时判断启动或关闭压缩机，使温度回归。 系统还要求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，当满足化霜条件时，接通化霜加热丝，同时断开压缩机和风机，当完成化 霜工作后恢复压缩机风机的工作。 另外当运行达到安全极限时，要求系统能采取一些相应的保护措施，促使 运行离开安全极限，返回到正常情况，以防事故。 属于生产保护性措施的有两类：一类是硬保护措施；一类是软保护措施。 例如电源的过欠压保护，压缩机开启延时，故障自检报警等. 本系统通过监控环境温度，冰箱的冷冻，冷藏室温度，电源电压等数据， 通过处理判断调整冰箱的运行以达到预期的运行效果。使冰箱在节能，储藏效 果，安全方面都能进行自动有效的控制。 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 3 2 设计要求及分析 2.1 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618，冷藏室的温度为 010，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。 2.2 自动除霜功能 冰箱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，当满足化霜条件时，接通化霜加热丝，同时断开压缩机和风机，若干 分钟后断开化霜加热丝，接通压缩机，再过数分钟后接通风机。 2.3 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 176V240V 之间。因 此，当电源电压小于 176V 或大于 240V 时，压缩机应自动停机并报警显示。 2.4 压缩机开启延时功能 该功能要求压缩机停机时间超过 3 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 3 分钟，若未达到， 需延时到 3 分钟后才能启动。因此，在设计时应有判断与延时功能。 2.5 故障报警功能 该功能要求在电冰箱运行过程中，配合 2.3 的过欠电压保护系统不断诊断 电冰箱的运行状态，当出现过欠电压信号时，电冰箱停机并报警显示。 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 4 3. 自动控制系统硬件结构设计 系统结构总图如图 1 所示。 图 1 系统结构图 3.1 主要部件选择与功能实现 3.1.1 单片机选型及功能介绍 MCS-51 系列单片机为高性能系列，有 32 个并行口，具有多级中断处理系统，2 个 16 位定时/计数器，带有串行 I/O 口，片内有 ROM、RAM，寻址范围可达 64K。因此，考虑到本设计控制并不复杂，速度要求不高，加上 MCS-51 系列单 片机有优良的性价比，本设计选择它。本设计用的的主要管脚功能为： 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 5 P0 口（P0.0P0.7）：8 位准双向 I/O 口，但实际上通常作为地址/数据总 线口，在访问外部存储器时，它是分时传送的地址和数据。 P2 口（P2.0P2.7）：8 位准双向 I/O 口，在访问外部存储器时，它输出高 八位地址，与 P0 口一起组成 16 位地址总线。 ALE 引脚：它以不变的频率（振荡频率的 1/6）周期性地发出正脉冲信号， 因此，它可以用作对外输出地时钟，或用于定时目的。 WR：外部数据存储器写选通信号输出。 RD:外部数据存储器读选通信号输出。 3.1.2 A/D 转换器选型及功能介绍 ADC0809 八位逐次逼近式 A/D 转换器是一种单片 CMOS 器件，包括 8 位的模 数转换器，8 路（通道）转换开关与微处理器兼容的控制逻辑。 D0-D7：8 位数字量输出引脚； IN0-IN7：8 路模拟量输入引脚； A0、A1、A2：地址输入线，经译码后可选通 IN0-IN7 八通道中的一个通道 进行转换。 START、ALE：用于启动 A/D 转换。 REF:参考电压 3.1.3 74LS373 简介 74LS373 是一个三态输出，置数全并行存储，缓冲控制输入式锁存器； 1D-8D：8 位地址输入端； 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 6 1Q-8Q:8 位地址输出端； OE:三态门输出允许控制信号输入端。 3.2 检测及控制电路 3.2.1 传感器的选择与温度自动调节功能的实现 根据设计要求，需测量冷冻室、冷藏室及室外温度，但对测温精度要求不 高，因而可选用价格便宜、性能可靠、互换性好、寿命长的热敏电阻作为温度 传感器，。它们检测原理都一样，检测范围为。热敏电阻经简单 00 2626CC 的电路转化成电信号并放大后，可直接连到单片机 ADC0809AD 转换器的模 拟信号输出端，经 AD 转换后的数据与设定温度相比较，根据比较结果，再 对压缩机控制电路进行控制，使温度控制在各自恰当的范围内。 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 7 图 2 温度检测电路 图中 R4 为温度传感器，选用 MF57 型热敏电阻，具有负温度系数，灵敏 度较高，标称电阻值为 110K，测温范围为一 55+35。其阻值和温度 的关系为： 44.50.1 (RT k 313.75 5( ) 437.250.1 R VaV RRT Va 点的电压经过 LM324 放大器后送入 M68HC11A8 单片机的一个 A/D 转换通道。根据集成运放的知识可得 Vb 的电压为： 3.64 (1)(1)( ) 210 fR VbVaVa V R 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 8 当温度为时，根据以上公式可计算出 Vb=1.47V,再根据 A/D 转换 0 55 C 后对应值为 4BH (75);同理，当温度为时，Vb=5V,再根据 A/D 转换后对 0 35 C 应值为 0FFH (255)。根据以上可得出温度 T 与 A/D 转换后对应值 Y 的关系为： （其中 Y 为十进制）2185YT 而压缩机控制电路如图 3 所示： 3.2.2 电冰箱的过欠压保护电路及功能实现 电冰箱的过欠压保护电路是在电源变压器设计时就考虑到的，在变压器设 计时，从变压器的次极可另外绕一组线圈，经整流滤波后的电压接入 ADC0809AD 输入端，当电源电压变化时，此电压将随之变化，单片机把测 到的电压与过欠压值相比较，当发现有过欠压现象时，将通过压缩机控制电路 切断压缩机电源并报警，达到保护压缩机的效果。 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 9 图 4 电源电压检测电路 图中 TIL113 为光电耦合器件，光电耦合器件是由发光二极管和光电接受元 件合并使用，以光作为媒介接传递信号的光电器件。适当调节 RW，让电源电压 在 160V 时，通过 R1、RW 分压限流后，经过光电耦合器件的二极管。发光二极 管发光使三极管导通。电压越高，发光越强，三极管导通越良好，通过三极管 发射极电流越大，发射极电位越高。再经过集成运放后送入 A/D 转换的一个通 道，转换成数字量。电压为 180V 时，转换后数字量为 0B4H(180);电压为 240V 时，转换后数字量为 0F0H(240)。工作电压转换后的数字量应在 0B4H(180)与 0F0H(240)之间。 3.2.3 电冰箱的开启延时电路及功能的实现 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 3 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， 利用单片机内的 EEPROM 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 3 分钟，若时间不到，延时后才能接通压缩机。 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 10 3.2.4 自动除霜功能的实现 当电冰箱内空气中含有水蒸气的温度降到 一下时，水蒸气就会凝结发器表 面和食品上而结成霜。结霜多少与箱内空气温度、湿度以及开门次数有关。冰 箱内凝结的霜就越多。 霜是热的不良导体，导热系数只有 0.58W/(),比铜、铝的导热系数要 0 m C 小得多。蒸发皿表面的结霜大大降低了其热交换能力，严重地影响制冷系统的 制冷效果。当蒸发皿上的霜厚达到 10mm 时，热传导效率将下降 30%以上，使压 缩机运行时间增长，耗电量增大，甚至会导致压缩机出现故障。因此及时除霜 是正确使用电冰箱的一个重要环节。 霜厚检测电路与测温电路完全想同，如图 2. 霜厚检测电路的工作原理：把热敏电阻安装在具蒸发器 3mm 的某个适合的 位置上，当霜厚大于 3mm 时，热敏电阻接触到霜，从而感受到较低的温度，其 阻值 R4 变大，a 点点位降低，运算放大器输出信号有变化，经过 A/D 转换后送 入 CPU，经单片机分析、判断、给出除霜命令。 当霜厚达到 3mm 时，R4 感受到的温度大约为，当温度为时， 0 10 C 0 10 C A/D 转换后对应值应为 0A5H(165)。也就是说，只要 A/D 转换后值小于或等于 0A5H(165)就说明霜厚已经达到 3mm 应出去。这时，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 通风机化霜加热丝的控制电路基本和压缩机的控制电路相同。 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 11 图 5 除霜控制电路 8051 单片机控制信号经 P1.3 和 P1.4 端口输出，并在 P1.3 和 P1.4 端口输 出，并在 P1.7 的控制下锁存。74LS273 锁存器的输出再经过达林顿驱动器 MC141 后驱动固态继电器 SSR1。当 MC141 的 16 端有高电平输出时，SSR1 的 3、4 引脚端接通，使加热丝接通电源而除霜。当 MC141 的 15 端输出高电平时， SSR1 的 3、4 端接通，使得压缩机绕组接通电源而启动，并开始制冷。74LS272 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。 3.2.5 报警器 报警器检测来自过欠电压保护模块的信号，当收到异常信号时自动结束系统运 行并发出声光信号以提醒使用者进行处理。由于本设计对声报警无特殊要求， 所以采用单频音报警。发音器采用蜂鸣扬声器。当需要报警时 P1.2 输出“1” 使 T1 管导通，然后经 T2 管放大，电路就会产生自激振荡，向扬声器输出一信 号就使得扬声器发出报警声音。 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 12 图 6 声报警电路 武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书 13 总结 一周半的课程设计很快就结束了，时间很短暂。但是很高兴的是，自己在 规定时间内完成了任务。在摸索中不断思考，在思考中不断学习，感觉自己获 益匪浅。 平时的学习中，我们都努力去硬记书上的公式和概念，由于只是抽象的去 记忆，很难形象地将其理解并消化。当遇到新的陌生的问题时，我们很难举一 反三，触类旁通。究其原因，这都是由于理论脱离实践，没能很好的将书本上 所学的东西领悟，利用起来。而做课程设计是一次很难得的机会，学了一学期 的过程控制技术，通过课设可以运用所学的知识。这不仅可以加深我们对理论 知识的进一步理解，而且可以培养我们独立思考，冷静分析及动手的能力。 这次的课程设计我做的是电冰箱自动控制系统的设计，我感觉在明确了控 制量和控制条件的基础上，设计一种具有应用价值的系统并不是一件难事。不 过要使系统的调节更灵活，控制更精准，能适应各种各样的环境条件突发状况 就不是一件很容易的事了。 要做出一个成熟的有用的设计，除了对控制原理的了解外更重要的还是要 全面了解控制对象可能涉及到的种种内在外在因素，这样才能保证设计的实用 性和可靠性，做出一个真正成功的设计。 在课程设计中，元器件的选择和参数的计算是最难的部分，不过遇到问题， 再解决问题，这就是做科学的人必须有的精神。我们学生也应该一样，要有