基于单片机的电冰箱设计说明

1、Hefei University学院项目名称： 基于单片机的电冰箱设计作者：勇峰 1105031011蒙 1105031012夏景可 1105031013蔡国庆 1105031014朱 葵 1105031015王 浩 1105031016时间： 2014-4-17目录第 1 章 绪论 41.1 课题研究背景及目的 41.2 电冰箱的基本介绍 . 41.3 本设计研究容 . 5第 2 章 总体设计方案 52.1 功能要求 . 52.2 方案论证 . 52.2.1 方案一 . 52.2.2 方案二 . 6第 3 章 系统的硬件设计 73.1 硬件电路的重要芯片介绍 . 73.1.1 MCS-51

2、单片机STC89C52 73.1.2 温度传感器 DS18B20 93.2 部分电路简介 . 123.2.1 过欠电压检测电路 123.2.2 12864 液晶连接电路 13第 4 章 系统软件程序设计 154.1 显示子程序 . 164.2 DS18B20程序 174.3 预置温度调节程序 . 184.4 判断控制程序 . 194.5 开启延时程序 . 20第 5 章 分析与结论 22总结与体会 错误 ! 未定义书签。参考文献 24温控器系统原理图 错误 ! 未定义书签。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 DS18

3、B20 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；开启延时第 1 章 绪论1.1 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

4、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 :- 16 - 24 。 冷藏室的温度为 :28 。电冰箱控制的主要任务就是保持箱食品最佳温度, 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。1.2 电冰箱的基本介绍冰箱的基

5、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，冰箱部呈弯曲或盘曲状的管道 制冷剂，冰箱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。，并流经安全阀当制冷剂冷却时，制冷剂液化成液体形式（紫色）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

6、，它会吸收热量，发挥制冷效果。冰箱的线圈帮助制冷剂吸收热量，使冰箱部保持低温。然后，重复该循环。1.3 本设计研究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

7、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2.1 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。2.2 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。2.2.1 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

8、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；2.2.2 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，测温围为 -55125 ，最高分辨率可达 0.0625 。 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

9、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 2-1 所示。图 2- 1 温度控制器总体电路结构框图第 3 章 系统的硬件设计3.1 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。3.1.1 MCS-51 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 3-1 所示。MCS51 单片机 STC89C52其部基本组成为： 一个 8 位的中央处理器 （ CPU），256byte 片 RA

10、M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。图 3- 1 MSC-C51 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

11、/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口为一个部上拉电阻

12、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个带部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4个 TTL门 电流。当

13、P3口写入“ 1”后，它们被部上拉为高电平，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P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断 0）P3.3/INT1（外部中断 1）P3.4T0（记时器 0 外部输入）P3.5T1（记时器 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）RST脚两个机器周期的高电平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，要保持时间

14、。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

15、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(0000H-FFFFH)，不管是否有部程序存储器。注意加密方式1 时， /EA 将部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间部程序存储器。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部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 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

16、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 TO 92小体积封装形式； 温度测量围为 55 125，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

17、度检测系统。DS18B20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 3-2 所 示：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=X8 X5 X4 1）。 ROM的作用是使每一个 DS18B20都各不相同

18、 , 这样就可以 实现一根总线上挂接多个 DS18B20的目的 。图 3- 3 DS18B20 的部结构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：0R1R0

19、11111R1、 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

20、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3.2 部分电路简介3.2.1 过欠电压检测电路如图 3-4 （ a）所示即为过欠压检测电路，也称为电压窗口比较器。在图3-4（a）中， A1,A2 是专用电压比较器 LM119。LM119的部采用射级接地、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A

21、1 输出电平确定为低电平。只有当输入电压处于窗口电压之，即UR2UiUR1时，比较器 A1 和 A2输出管均截止，窗口比较器输出电平是由上拉负载电阻拉向高电平。此窗口比较器的传输特性如图 3-4 （b）所示(a) (b)图 3- 4 过欠压检测电路3.2.2 12864 液晶连接电路液晶显示屏有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的 优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。 利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图 形界面。可以显示 84行 1616 点阵的汉字 . 也可完成图形显示 . 低电压低功耗 是其又一显著特点

22、。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示 模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低 于相同点阵的图形液晶模块。带中文字库的128 64 每屏可显示 4 行 8 列共 32 个16 16点阵的汉字， 每个显示 RAM可显示 1个中文字符或 2个168点阵全高 ASCII 码字符，即每屏最多实现 32 个中文字符或 64 个 ASCII 码字符的显示。带中文字 库的 128 64 部提供 128 2 字节的字符显示 RAM缓冲区，字符显示是通过将字符 显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入容的不同，可分别在液晶屏上显示 CGRO（M中文字库） 、

23、HCGRO（MASCII 码字库）及 CGRA（M自定义字形）的容。字符显示的表所示：RAM的地址与 32 个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如下表 3- 1 汉字显示坐标X坐标Line180H81H82H83H84H85H86H87HLine290H91H92H93H94H95H96H97HLine388H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FHLine498H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH在此系统中， 液晶采用并口通信， 所以第 15 脚 PSB端固定接高电平， 引脚 7-14作为三态数据线，其他引脚说明见表 3-2 ，连接图如图 3-5 所示：表 3- 2 128

24、64 引脚功能说明引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD 驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令 / 数据选择信号； 串 行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟16NC空脚17/RETH/L复位 低电平有效18NC空脚19LED A-背光源正极（ LED+5V）20LED K-背光源负极（ LED-OV）第 4 章 系统软件程序设计DS18B20基于单片机的电冰箱温控器软件设计主要由显示子程序、读出并处理 的测量温度值程序、预置温度调节程序、温度判断控制程序、电

25、冰箱开启延时程 序、还有软件复位程序等组成。软件程序设计总体流程图如下图 4-1 ：图 4- 1 软件程序设计总体流程图由于 51 系列的单片机没有停机的指令，所以可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。于是就把有实时要求的部分放在最层的循环中4.1 显示子程序在本次设计中，显示子程序包括三部分：往LCD液晶显示屏发送一个字节的数据或指令子程序， LCD液晶屏初始化子程序，显示数据处理程序。1) 往 LCD液晶显示屏发送一个字节的数据或指令子程序其调用的函数是 void TransferData(char data1,bit DI)，在程序中首先将并行口选择为写的状态，然后选择将要传送的是指

26、令还是数据，再将数据送到 P1 口，打开并行口的使能端，等待数据输出完毕后关闭并行口使能。其流程图如图 4-2 所示。开始返回开始图 4- 2 传送数据流程图 图 4- 3 LCD 液晶初始化程序流程图2) LCD液晶屏初始化子程序其使用的函数是 void initinal(void) ，仅在开机时调用一次，主要负责设置 LCD液晶屏的一些状态，包括设置液晶总线模式，芯片复位，功能设定，关闭芯片 显示，设置芯片动态显示，清屏，设置起始行 0 行 0 列；液晶初始化结束返回。 LCD液晶屏初始化完成后就可以显示各种字符了， 即进入正常工作状态。 具体流程 图 4-3 所示。3) 显示数据处理程序

27、调用方式： void lcd_mesg(uchar code *adder1)函数说明：显示全屏的容调用方式： void lcd_mesg2(uchar add,uchar code *adder2) 函数说明：显示某一行的容调用方式： void LCD_w_wd(uchar add2,int wwd,uchar fs) 函数说明：温度显示处理并送入LCD的指定区域这些函数的使用可以使得显示容时，非常合适的处理好了页切换和列切换，只 要通过查表送至 12864 液晶显示屏 RAM中便可显示自如。4.2 DS18B20 程序整个 DS18B20程序调用方式是 uint ReadTemperatu

28、re(void)，该函数主要包括了对 DS18B20 的初始复位，读温度，温度转换，计算温度等子程序，并将转换 后的数据扩大 10 倍返回主函数，提供给下一个函数使用。读DS18B20程序流程图如图 4-4 。开始图 4- 4 读 DS18B20 程序流程图1) 对 DS18B20 操作时， 首先要将它复位将 DQ线拉低 480 至 960s ，再将数 据线拉高 15至 60s ，然后 DS18B20发出 60至此 240s 的低电平作为应答信号， 这时主机才能对它进行其它操作 11 。2) 读温度子程序的主要功能是读出DS18B20的 RAM中的 9 个字节。前两个就是温度，将高低字节分别放

29、入b和 a中。在读出时须进行 CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。读操作：主机将数据线从高电平拉至低电平 1s 以上，再使数据线升为高电平，从而产生读起始信号从主机将数据线从高 电平拉至低电平起 15s 至 60s ，主机读取数据每个读周期最短的持续期为 60s 周期之间必须有 1s 以上的高电平恢复期 11 。3) 温度转换命令子程序主要是发送温度转换开始命令。当采用 12 位分辨 率时，转换的时间约为 750ms。在本程序中，采用 2s 显示程序延时法等待转换完成。发送温度转换命令的写操作：将数据线从高电平拉至低电平，产生 写起始信号从 DQ 线的下降沿起计时，在 15s 到60s

30、 这段时间对数据线进行 检测，如数据线为高电平则写1；若为低电平，则写 0，完成了一个写周期在开始另一个写周期前，必须有 1s 以上的高电平恢复期每个写周期必须要 有 60 s 以上的持续期 11 。4) 计算温度子程序将 RAM中读取值进行 BCD码的转换运算，并进行温度值 正负的判定。因为从 DS18B20中读出的二进制值必须先转换成十进制值，才 能用于字符的显示。 DS18B20的转换精度为 912 位可选，为了提高精度采用 12 位。在采用 12 位转换精度时，温度寄存器里的值是以 0.0625 为步进的， 即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以 0.0625 ，就是实际的十进制温度 值

31、。扩大十倍，四舍五入后便可将精度精确到 0.1 。4.3 预置温度调节程序在本次设计中，可预置的温度围可以从- 2020。在编写程序过程中，如果开始yskey值自增1yskey值自减1直接对代表温度值的变量 yskey 的值在 -2020 操作对数据的转换将很复杂和麻 烦。于是我将其 yskey 值的围移至 1-40 间，进而就不需要去处理 yskey 复杂的数 据类型转换的问题了。程序的详细设计流程图如下图4-5 ：返回yskey值图 4- 5 预置温度调节程序流程图yskey 返回给主函数中的 ys 后，要得到真实的温度值，只需要判断 ys 是大 于等于 20，还是小于 20 的。若其值大

32、于则减去 20 即为要预设的实际正数温度值； 若是其值小于则 20 减去其值，再加上一个负数符号便是要预设的负温度值。将其 值送入指定的温度显示区域，我们便能够适时的看到调节的预置温度了。4.4 判断控制程序判断控制程序是根据用户设定的温度值和 DS18B20 实时测得温度值相比较， 从而决定是否需要制冷，并在液晶屏上显示其工作状态。而对压缩机的控制则是 通过控制继电器的通断决定是否给压缩机通电工作来实现的。当 ysj=1 ，也就是 P1.1 脚为高电平的时候，继电器闭合，压缩机通电工作；当 ysj=0 时，继电器断 开，压缩机停止工作。若当压缩机的工作电压不正常时，压缩机将有被烧坏的危险，程

33、序自动进入 故障处理部分，在液晶显示屏上显示故障原因，压缩机停止工作。直到故障解除， 然后重行启动电冰箱程序。图 4-6 所示的就是该程序的流程图。为了避免冷气泄露，节约电能需要进行电冰箱门关好与否的检查，因此在程 序中又设置一判断门是否关好的语句能够及时地提醒用户门没关好。这一部分将 不再图 4-6 中画出。图 4- 6 判断控制程序流程图4.5 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 4-