【本科优秀毕业设计】基于单片机的电冰箱温控器的设计

毕业设计基于单片机的电冰箱温控器的设计摘要单片机是实时检测和自动控制系统中心一个核心器件。本文设计的基于单片机的电冰箱温度控制器系统是利用温度传感器DS18B20采集电冰箱冷藏室的温度，通过INTEL公司的高效微控制器STC89C52单片机进行信号控制，从而达到智能控制的目的。本系统可实现电冰箱温度设置、电冰箱过欠压检测、开门显示、压缩机开启延时等功能。通过对直冷式电冰箱制冷系统的改进，实现了电冰箱的智能控制，使电冰箱能根据使用条件的变化迅速合理地调节制冷，且节能效果良好。关键词单片机；电冰箱；温度控制；过欠压检测；开启延时DESIGNOFTHEREFRIGERATORTEMPERATURECONTROLLERBASEDONMICROCONTROLLERUNITABSTRACTMCUISTHECENTEROFREALTIMEDETECTIONANDCONTROLSYSTEMACOREDEVICETHISDESIGNOFMICROCONTROLLERBASEDTEMPERATURECONTROLSYSTEMISUSEDREFRIGERATORTEMPERATURESENSORDS18B20COLLECTINGREFRIGERATORFREEZERTEMPERATURE,HIGHPERFORMANCECOMPANIESTHROUGHINTELMICROCONTROLLERSTC89C52MCUSIGNALCONTROLSOASTOACHIEVEINTELLIGENTCONTROLTHESYSTEMCANSETTHEREFRIGERATORTEMPERATURE,REFRIGERATORSOVERVOLTAGEDETECTION,OPENDISPLAY,OPENTHECOMPRESSORDELAYFUNCTIONSTHROUGHDIRECTCOOLREFRIGERATORCOOLINGSYSTEMIMPROVEMENTS,IMPLEMENTATIONOFTHEINTELLIGENTCONTROLOFREFRIGERATORTOREFRIGERATORACCORDINGTORAPIDLYCHANGINGCONDITIONSOFREASONABLEUSETOADJUSTCOOLING,ANDTHEEFFECTISGOODKEYWORDSMCUREFRIGERATORTEMPERATURECONTROLOVERVOLTAGEDETECTIONOPENDISPLAY目录第1章绪论111课题研究背景及目的112电冰箱的基本介绍113国内外研究状况214本设计研究内容3第2章总体设计方案421功能要求422方案论证4221方案一4222方案二4第3章系统的硬件设计631硬件电路的重要芯片介绍6311MCS51单片机STC89C526312温度传感器DS18B20932部分电路简介11321过欠电压检测电路1132212864液晶连接电路12第4章系统软件程序设计1441显示子程序1542DS18B20程序1643预置温度调节程序1744判断控制程序1845开启延时程序19第5章系统调试及性能分析2151调试2152性能分析21第6章分析与结论22致谢23参考文献24附录25附录A温控器系统原理图25附录B温控器系统设计源代码26第1章绪论11课题研究背景及目的冰箱是深刻改变了人类生活的现代奇迹之一。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。随着国民经济的日益发展,人民的生活水平有了很大的提高,冷冻器具在家庭,医院,旅馆,餐厅和科研单位得到了广泛的应用。电冰箱作为应用较为普及的家用电器,近年来,随着微电子技术、传感器技术以及控制理论的发展,其呈现迅猛发展,电冰箱向大容量、多功能、无氟、节能、智能化、人性化方向发展,因此传统的机械式、简单的电子控制难以满足现代冰箱的发展要求。电冰箱一般设有冷冻室和冷藏室。冷冻室的温度为1624。冷藏室的温度为28。电冰箱控制的主要任务就是保持箱内食品最佳温度,达到食品保鲜的目的。而此次设计的目的则是熟悉温控器的原理，并通过开发板模拟实现电冰箱温控器。12电冰箱的基本介绍冰箱的基本原理很简单冰箱利用液体蒸发吸收热量。冰箱中使用的液体（即制冷剂）会在极低的温度蒸发，使冰箱内部保持冰冻温度。所有冰箱都由五个基本部件组成压缩机热交换管，冰箱外部呈弯曲或盘曲状的管道安全阀冷交换管，冰箱内部呈弯曲或盘曲状的管道制冷剂，冰箱内蒸发以制造低温的液体很多工业冰箱使用纯氨作为制冷剂，纯氨在32时蒸发。压缩机压缩制冷剂气体，这将升高制冷剂的压力和温度（橙色），而冰箱外部的热交换线圈帮助制冷剂散发加压产生的热量。当制冷剂冷却时，制冷剂液化成液体形式（紫色），并流经安全阀。当制冷剂流经安全阀时，液态制冷剂从高压区流向低压区，因此它会膨胀并蒸发（浅蓝色）。在蒸发过程中，它会吸收热量，发挥制冷效果。冰箱内的线圈帮助制冷剂吸收热量，使冰箱内部保持低温。然后，重复该循环。13国内外研究状况长期以来，在电子行业，温控器正快速发展。温控器是控制末端装置，实现分室温度控制和节能运行的关键。普通电冰箱温控器基本上是一个独立的闭环温度调节系统，主要由温度传感器、控制器、温度设定机构等装置组成。其控制原理是电冰箱温控器根据温度传感器测得的室温与设定值的比较结果发生控制信号，控制电冰箱压缩机电源的开关，即用切断和打开压缩机电源的方式，调节电冰箱内温度。第一代空调温控器主要是电气式产品，空调温控器的温度传感器采用双金属片或气动温包，通过“给定温度盘”调整预紧力来设定温度，风机三速开关和季节转换开关为泼档式机械开关。这类温控器产品普遍存在“温度设定分度值过粗”、“时间常数太大”、“机械开关易损坏”等问题。第二代空调温控器为电子式产品，温度传感器采用热敏电阻或热电阻，部分产品的温度设定和风速开关通过触摸键和液晶显示屏实现人机交互界面，冷热切换自动完成，运算放大电路和开关电路实现双位调节。这类智能空调温控器产品改善了人机交互界面，解决了“温度设定分度值过粗”等问题，但仍存在“控制精度不高”、“时间常数大”、“操作较复杂”等问题。目前国内外生产厂家正在研究开发第三代智能型温控器，如DS18B20。个别厂家积极响应国家的政策，应用新型控制模型和数控芯片实现智能控制。现在已有国内厂家生产出了智能型温控器，并已应用于实际工程。这一生产带动电子行业的发展。14本设计研究内容在本次课题研究中我将参考从各个方面收集到的文献，博取其精华。研究方法则是采用C51单片机开发板模拟电冰箱工作环境，并模拟设定电冰箱各项参数，以研究电冰箱温控器的工作原理及设计。研究的内容主要包括以下方面1、液晶显示的工作原理，并通过液晶将各项数据显示在冰箱外；2、温度控制器原理，制冷原理，自动控制电冰箱工作使其通过制冷达到所设定的温度；3、智能检测电冰箱工作电压是否正常，避免压缩机烧坏；4、继电器工作原理，模拟对压缩机的通/断电操作；5、单片机C程序编程语言；在本文中将介绍基于单片机的电冰箱温控器设计的总体设计思想和方案，及用得到的部分芯片及硬件设计的原理，还有软件设计过程中的思想和方法等。第2章总体设计方案21功能要求通过液晶显示所设定的温度，温度能随意调节，能自动控制电冰箱工作，使其通过制冷达到所设定的温度。22方案论证根据毕业设计的要求，我们可以知道在本次设计中最重要的部分就是温控器，温控器的选择将决定外部电路的设计，所以温控器的选择具体有两种以下方案。221方案一在日常生活及工农生产中，经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件有热电耦和热电阻。温控器的第一选择就可以选择热电耦和热电阻，他们测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，但是需要比较多的外部硬件支持。因此这种选择就有如下主要缺点硬件电路复杂；软件调试复杂；制作成本高；222方案二采用美国DALLAS半导体公司生产的高性能数字智能温度传感器DS18B20。DS18B20作为检测元件，测温范围为55125，最高分辨率可达00625。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。所以在本次毕业设计中采用方案二，使用DS18B20作温控器配合51单片机STC89C52进行设计。按照系统设计功能的要求，确定系统由6个模块组成主控制器、测温电路、液晶显示电路、过欠压检测电路、按键电路、继电器压缩机电路。温度控制器总体电路结构框图如图21所示。STC89C52主控制器DS18B20过欠压检测12864液晶继电器压缩机按键电路图21温度控制器总体电路结构框图第3章系统的硬件设计31硬件电路的重要芯片介绍温控器电路设计原理图如附录A所示，控制器使用单片机STC89C52，温度传感器使用DS18B20，及12864液晶显示屏实现温度和其他显示。311MCS51单片机STC89C52单片微机封装形式为双排直列式结构（DIP），引脚共40个。如图31所示。MCS51单片机STC89C52其内部基本组成为一个8位的中央处理器（CPU），256BYTE片内RAM单元，4KBYTE掩膜式ROM，2个16位的定时器计数器，四个8位的并行I/O口（P0，P1，P2，P3），一个全双工串行口5个中断源，一个片内振荡器和时钟发生电路，可编程串行通道，有低功耗的闲置和掉电模式。这种结构特点决定了单片机具有体积小、成本低、可靠性高、应用灵活、开发效率高、易于被产品化等优点，使其具有很强的面向控制的能力，在工业自动化控制、家用电器、智能化仪表、机器人、军事装置等领域获得了广泛的应用。E/VP1XTL9RS7D6WIN04MOCKGU图31MSCC51单片机STC89C52引脚图2管脚说明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8051的一些特殊功能口，如下所示口管脚备选功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/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。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/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。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。312温度传感器DS18B20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，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00625，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33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32所示图32DS18B20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32）。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（CRCX8X5X41）。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。64位ROM和单线接口存储器和控制器高速缓冲存储器8位CRC生成器温度敏感元件低温触发器TL高温触发器TH配置寄存器图33DS18B20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S1，正温度S0，如0550H为85，0191H为250625，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R1R000，9位精度,最大转换时间为9375MS，R1R001，10位精度,最大转换时间为1875MS，R1R010，11位精度,最大转换时间为375MS，R1R011，12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。32部分电路简介321过欠电压检测电路如图34（A）所示即为过欠压检测电路，也称为电压窗口比较器。在图34（A）中，A1,A2是专用电压比较器LM119。LM119的内部采用射级接地、集电极开路的三极管集电极输出方式。在使用时，必须外接上拉电阻。过欠压检测电路只有检测出电压是否稳定便可，而这种电路允许输出端并接在一起。此电路的工作原理是当输入电压UIUR1时，比较器A1的输出管导通，而比较器A2的输出管截止，此窗口比较器的输出电平将由比较器A1输出电平确定为低电平。只有当输入电压处于窗口电压之内，即UR2实温故障排除显示故障，压缩机停止工作压缩机不工作压缩机延时启动显示状态返回YNNYNY图46判断控制程序流程图45开启延时程序该功能要求压缩机停机时间超过5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5分钟。若未达到需延时到5分钟后才能启动,因此在设计时应有判断与延时功能。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5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5分钟。若时间不到,延时后才能接通压缩机。为了在单片机延时期间不耽搁其他程序的执行和处理，在此使用定时器T1计时，并且使用工作组2，循环定时延迟5分钟。但在本程序中压缩机的开启延时时间为30秒，方便演示。图47为开启延时程序流程图。开始T1定时模式，工作模式1填入初值60MS开启T1中断开启CPU中断启动T1中断满足N次启动压缩机YYN加1，T1填入60MS的初值N返回N图47开启延时程序流程图第5章系统调试及性能分析51调试系统的调试以程序调试为主。硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，然后可用万用表测试或通电检测。软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验，然后分别进行主程序和各个子程序的编程和功能调试。对于显示子程序，是最首当其冲的，只需要能将所要显示的内容全部显示，并且显示在恰当的位置，如果不能显示准确，就有可能导致后面程序很难写出。在调试过程中由于对显示的地址把握不准导致显示覆盖并且错误的现象。其次最重要的一个程序就是实时测量环境温度的DS18B20程序，它能否正常工作关系到整个系统是否能够正常工作；对于其的调试主要看是否能够显示测得的温度，还有在其工作的时候，用手指去捏住DS18B20看温度是否变化，其次另外拿支温度计测当时的温度，和DS18B20测得的温度比较一下看误差是否比较大。预置温度程序就看能不能正确地调动温度，智能控制就看在实测温度和预置温度大小比较时和电压出现不稳定情况时，能不能正确的控制制冷设备工作和保护制冷设备；延时开启程序就看在制冷设备启动前是否有相应的一段时间间隔。如若不能正常进行，再返回程序设计原理和C语言的语法、数据转换规则仔细推理程序是否写错。52性能分析电冰箱各个性能分析如下预设温度调节范围2020；压缩机延时开启时间30秒；DS18B20测温精度01；第6章分析与结论通过此项设计的分析可得到如下结论1本系统运用单片机速度快、体积小、价格低廉的8位STC89C52单片机,可以做出可行、可靠性强的自动控制产品电冰箱温度的控制系统。实现了电冰箱温度的自动控制。2在单片机应用环境不是很恶劣的地方，利用软件抗干扰也可以达到精度不高的要求，而且，节省了硬件资源，降低了产品设计成本，有助于产品的推广、民用化。3本系统的设计尽量简化电路，提高软件质量。4本系统支持多功能模块。如果再加上少许外围器件，如语音芯片，环境温度传感器，在软件方面采用模糊控制技术，可以使电冰箱的智能化大大提高。致谢在此论文最终完成之际，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示深深感谢首先感谢通信与控制工程系的领导和老师对我的关心和帮助，感谢他们为我提供便利的条件，使我的毕业设计能顺利完成。同时，我要衷心感谢谢四莲老师，从毕业设计的开始到毕业论文的最终定稿，在此期间谢老师给了我细心的指导和帮助，谢老师渊博的知识、诚恳的为人、严谨的治学态度深深感染了我，让我终生受用。在此，我向我的指导老师致以诚挚的谢意和深深的敬意。此外，在我撰写论文期间，还得到了同班同学的支持和鼓励,我要特别感谢余元龙等同学，每当我遇到困难进行不下去的时候，他们都能耐心细致地给我讲解，帮助我度过了一个又一个难关，我的毕业设计和论文才得以顺利地完成，在此我衷心地对他们说声“谢谢”。参考文献1求是科技8051系列单片机C程序设计完全手册M北京人民邮电出版社,20062张鑫等单片机原理及应用M北京电子工业出版社,20063陈涛单片机应用及C51程序设计M北京机械工业出版社,20084楼然苗,李光飞单片机课程设计指导M北京北京航天航空大学出版社,20075谭浩强C程序设计第三版M北京清华大学出版社,20056杨克昌,羊四清,周克江等C程序设计M武汉武汉大学出版社,20077周兴华单片机智能化产品C语言设计实例详解M北京北京航空航天大学出版社,20078沙占友等单片机外围电路设计M北京电子工业出版社,20039张齐等单片机应用系统设计技术基本C语言编程M北京电子工业出版社,200410王东锋,董冠强单片机C语言应用100例M北京电子工业出版社,200911余瑾,姚燕基于DS18B20测温的单片机温度控制系统J单片机开发与应用,2009,25（32）10510612ZHANGCHUNZHIFENGHAIMINGDESIGNOFMICROCONTROLLERSCONTROLSYSTEMOFELECTRICREFRIGERATORJJOURNALOFBEIJINGVOCATIONALUINTDOORUCHARFUSHUUCHARFUSHU1UINTTEMPUCHARYSUCHARYSKEY20UINTN0SBITRSP24SBITWRDP25SBITEP26SBITPSBP21SBITRESP23SBITDQP17/DS18B20端口SBITYSJP11/控制继电器SBITKEY_1P33/上SBITKEY_2P31/下SBITKEY_3P32/SBITKEY_4P12/模拟电压是否正常VOIDLCD_W_GZZTPDVOIDVOIDLCD_W_MENKGVOIDVOIDLCD_W_WDUCHARADD2,INTWWD,UCHARFSVOIDTRANSFERDATACHARDATA1,BITDIVOIDDELAYMSUINTNVOIDDELAYUINTMVOIDLCD_MESGUCHARCODEADDER1VOIDLCD_MESG2UCHARADD,UCHARCODEADDER2VOIDLCD_W_HZCHARADDRESS,CHARHANZIUINTREADTEMPERATUREVOIDVOIDINIT_DS18B20VOIDUCHARREADONECHARVOIDVOIDWRITEONECHARUNSIGNEDCHARDATVOIDDELAYDSUNSIGNEDINTIUCHARKEYVOIDVOIDSOFT_RESETVOIDVOIDZNKZYSJVOIDUCHARCODETABLE“湖南人文科技学院“彭智伟“通控系06电信一班“电冰箱智能控制“UCHARCODETABLE1“预设“当前“工作状态“UCHARCODEMEN“门已打开“UCHARCODEMEN1“门已关闭“UCHARCODEGZZT0“电冰箱工作中“UCHARCODEGZZT1“电冰箱未工作“UCHARCODEGZZT2“压缩机工作电压不“电压是否正常“正常，请检查电源“然后重启电冰箱“/VOIDINITINALVOID/LCD字库初始化程序DELAY40/大于40MS的延时程序PSB1/设置为8BIT并口工作模式DELAY1/延时RES0/复位DELAY1/延时RES1/复位置高DELAY10TRANSFERDATA0X30,0/EXTENDEDFUNCTIONSET8BIT设置,RE0BASICINSTRUCTIONSET,G0GRAPHICDISPLAYOFFDELAY100/大于100US的延时程序TRANSFERDATA0X30,0/FUNCTIONSETDELAY37/大于37US的延时程序TRANSFERDATA0X08,0/DISPLAYONCONTROLDELAY100/大于100US的延时程序TRANSFERDATA0X10,0/CURSORDISPLAYCONTROL光标设置DELAY100/大于100US的延时程序TRANSFERDATA0X0C,0/DISPLAYCONTROL,D1,显示开DELAY100/大于100US的延时程序TRANSFERDATA0X01,0/DISPLAYCLEARDELAY10/大于10MS的延时程序TRANSFERDATA0X06,0/ENRYMODESET,光标从右向左加1位移动DELAY100/大于100US的延时程序DELAY100/大于100US的延时程序LCD_MESGTABLE/显示中文汉字DELAYMS50LCD_MESGTABLE1/VOIDMAINVOIDINITINAL/调用LCD字库初始化程