基于单片机的多功能冰箱监测系统设计论.doc

安徽理工大学硕 士 学 位 论 文（论文摘要）基于安保的多功能冰箱监测系统设计作者姓名： 专业名称： 机械工程 研究方向： 测控技术 导师姓名： 教授 导师单位： 安徽理工大学 基于安保的多功能冰箱监测系统设计1 绪论1.1 课题的研究意义电冰箱作为当代家庭生活中或不可缺的家用电器之一，在人们日常贮存食物或维持物品的低温状态起到了重要的作用，当前我国在城市、尤其是农村市场中出售的电冰箱有很大一部分采用机械式温控，其温度控制较差，单一的功能无法适应冰箱的快速发展。随着人们对物质水平要求的增加和伴随着科技的发展，各种各样多功能冰箱的制造得以实现。电子产品中常用的单片机以其强大的控制功能，成本低等优点，在多功能冰箱的发展中得到了普遍的利用。为了使国内的电冰箱发展跟得上其他发达国家的脚步，国内很多大型白色家电生产企业中的研发人员对现有的电冰箱进行技术上的改进，并逐步让传统观念的人们接受节能环保、高端智能、除菌保鲜的现代化智能冰箱，让使用人员真正的感受到科技给社会带来的巨大便利和安全快捷。最新的国内外产品将一整套的设备（如制冰机）移植到冰箱上，更加简化了制冰的过程以及使用的方便性。本课题研究开发的具有安保的多功能冰箱，主要应用于使用天然气和储藏保质期较短食品的家庭，同样，也可用于一般家庭使用。虽然冰箱具有储藏食物较长时间的能力，但有些食物如牛奶、酸奶等具有较短保质期的食品，在没有提醒过期的情况下，人们极易忘记冰箱里面食品的食用期限，从而造成食品的浪费，更有可能误食用导致人身体状况变差，甚至造成食品中毒等严重后果。1.4 课题来源本课题来源于学生工作单位安徽尊贵电器集团有限公司正在研究开发的项目“具有安保功能的BCD-358冰箱设计”该项目的工作是研究开发一款多功能安保冰箱，包括整体冰箱的设计，CO检测系统、食品过期检测系统和供电系统四个硬件结构和配套使用的软件程序。本课题根据项目的检测系统和供电系统要求来设计和研究。1.5 主要研究内容主要研究内容如下：（1）对现有安保功能的特性和冰箱总体结构有了详细的研究后，建立了针对安保冰箱监测系统的研究方案。（2）由冰箱监测系统的针对性研究方案和冰箱结构合理安装需求，对监测系统的硬件进行了参数计算选型并设计了对应的硬件电路。包括CO传感器与单片机的连接，声光报警设备的连接，液晶显示屏的连接，摄像头与单片机的连接，最后对安保系统的干扰来源采取对应的抗干扰方法。（3）经过监测系统的硬件选型，并和安保监测系统进行合并，编写了安保监测系统的程序内容。采用基础编辑语言C语言来设计本程序，建立了程序设计的整体运行方式，包括CO检测报警，食品保质期检测，液晶屏显示、短信报警功能和一些辅助功能，对每种功能都进行了流程设计。（4）经过前面的工作，整个安保系统的硬件和软件框架已经建立，接着开始调试该安保监测系统，包括系统的供电电路、信号传输电路和对应的软件程序。为了达到生产需要，在企业车间和实验室进行模拟用户调试并对发现的问题及时的解决。- 23 -基于安保的多功能冰箱监测系统设计2 冰箱控制系统的要求和组成2.1 电冰箱的组成、要求和分类2.1.1 电冰箱的组成电冰箱主要包括冰箱箱体部分，门体部分、压缩机部分、蒸发管路部分，冷凝管路部分，制冷剂冷媒、控制系统及其他工艺设备组成。如图1所示。图1 电冰箱的组成示意图Fig1 Schematic diagram of refrigerator箱体本身是电冰箱保温及储存食物的重要部分，由冷藏箱胆、冷冻箱胆、侧板、后背板和发泡剂等组成，也是冰箱储存食物的的区域，主要完成对放进去的食物进行降温，冷冻处理，起到保鲜，长时间保存的作用。2.1.2 电冰箱的基本要求电冰箱作为最常用的家用电器，最重要的当然是使用的安全性和稳定性，其基本要求如下：（1）电冰箱的保温性能良好电冰箱工作时，冷藏室和冷冻室的温度一般都是低于常温的，特别是夏季，温差相差更大，这就需要冰箱具有良好的保温性能，例如，冰箱的发泡层都是比较厚的，采用型号为HFC-245fa的高性能环保发泡剂，具有更好的保温效果，加上门封条的独特设计，使得储存的食物更佳安全，可靠。（2）电冰箱的噪音要小冰箱在正常使用过程中，都是放在日常居住的地方，为了使电冰箱在工作过程中能够不对人们日常生活起居造成影响，所以在国家制定的标准中，都有明确规定，其噪声不应该超过45dB，因此，电冰箱对噪声方面的要求越来越高。（3）电冰箱的密封性能要好电冰箱储存食物，冷藏室一般都是储存新鲜的水果和蔬菜的，为了保证水果和蔬菜的新鲜程度，需要的湿度相对外界会高很多，这就需要电冰箱的密封性能要好，良好的密封性能对保温也有很大的作用。（4）安全可靠必需使压缩机的连线处于绝对安全位置，由于压缩机是由220V供电且压缩机工作室温度比较高，所以压缩机及其联接线路必需放在可靠的位置，由于冷藏室湿度大，所以冷藏室照明灯应封闭或各接口之间距离增大。2.2 冰箱控制系统要求和组成2.2.1 多功能冰箱的分类目前，家庭常用的电冰箱只有两个温室即冷藏室和冷冻室，但是这已经远远不能满足市场上的需求，随着单片机的发展和变频压缩机的出现，电脑冰箱和变频冰箱也相继出现，在原有的基本功能上增加各种生活便携式服务，如现在深受客户喜爱的制冰机。多功能冰箱主要有：节能冰箱、电脑冰箱、无氟冰箱、变频冰箱组成，其功能主要体现在电脑和变频冰箱上。2.2.2 冰箱的控制方案对于普通冰箱来说，冰箱冷藏室和冷冻室温度的控制是比较重要的，普通电冰箱使用的是在冷藏室安装温控器，通过感知冷藏室的温度，来实现压缩机的开机与停机，冷冻室的温度，通过不断地匹配试验，改变冷冻室蒸发管路，使冷冻室的温度可与冷藏室的温度相匹配。但是，这样的冷藏冷冻箱控制的温度不是很精确，只能大概在某一范围之类，时间稍微长点，就会造成冰箱的制冷效果变差。电脑冰箱的出现，使得这一问题得到解决，第三代温度控制冰箱采用电脑智能，以准确的控制温度为代表。通常在冰箱的门上加入可视化的液晶或其他种类的显示屏，以正确的显示温度，并对箱体内温度进行不同的设定。即使经常性的开启冰箱门，也能通过控制板控制压缩机，改变压缩机中电机的运行频率，使温度恒定在设置的数值，同时达到节能的目的。多功能冰箱是建立在电脑冰箱之上的，通过电脑冰箱的控制系统，输出不同端口，从而使得冰箱具有不同的功能，如目前市场上常用的温度显示功能，温度调节功能，使得冰箱更加人性化和智能化。为了使电脑冰箱成为可能，就需要有对应的控制系统，从最初的使用8位单片机控制冰箱的温度开始，发展到之后的使用嵌入式系统，再到现在的物联网冰箱，冰箱越来越智能化。2.2.3 冰箱控制系统的主要组成冰箱控制系统由参数控制、同步控制与反馈控制、抗干扰构成。其中对冰箱温度控制影响最大的为参数控制。（1）参数控制中对温度采集点的设定是最为关键，冰箱温室温度的控制主要取决于采集点采集的温度，采集点安装在箱胆不同的地方，采集的温度也会不同，根据经验来看，冷藏室和冷冻室的上面温度比下面温度要高，通常在3左右。目前冷藏室和冷冻室温度传感器都是采用型号为HCS39A202G7型感温头，该传感器感温电阻由于包裹在ABS塑料壳里面，导致采集温度的延迟，所以，要使得冰箱的温度控制精确，需准确的放置温度传感器的位置和在单片机程序中设置对应的参数修正值，即参数修正温度控制法。电冰箱控制系统就是通过就是对温度进行实际测量和控制来间接的控制温室内温度。在目前有两种方法来控制该部分参数，分别为恒定参数法和直接采样控制法。本课题运用的是恒定参数法，运用闭环或半闭环智能控制参数，使参数稳定在一定的范围内，从而保证温度稳定。（2）温度控制过程中通过编写的程序、设定的参数，使压缩机稳定工作，智能调节压缩机的开机和停机。本课题通过温度采集和压缩机控制同步完成控制与反馈控制，按照环温的不同，智能调节参数修正值，保证两温室温度的稳定。（3）温度智能控制冰箱相对于普通机械式温控冰箱，其电路较复杂，由于冰箱生产过程中，环境比较恶劣，影响因素多，为此，控制系统需有与其它冰箱相似的保护系统外，还需要在主控板上增加固定措施，安装盖板并且盖板周边应安装有具有防水的绝缘保护垫。基于安保的多功能冰箱监测系统设计3 冰箱安保系统整体设计3.1 安保系统总体设计安保系统总体设计包括各硬件的选型、设备连接和总体的电路设计。安保系统组成图如图2所示。图2 系统运行流程图Fig2 The system operation flow chart3.2 单片机最小系统设计3.2.1 单片机最小系统电路经过前期对监测系统的研究和分析，考虑到成本因素，采用以52单片机为核心开发了本课题的监测系统，其电路连接原理图如图3所示。图3 电路连接原理图Fig3 Schematic circuit link3.2.2 STC89C52单片机该芯片是8位微处理器，具有能耗小，抗干扰强。优异的性能等特点。指令代码完全兼容传统的8051单片机，单芯片拥有8位CPU和在系统可编程Flash，为很多的嵌入式系统提供了可靠地方案。3.3 CO检测系统设计3.3.1 检测系统硬件设计本课题选用一氧化碳半导体传感器MQ-7作为试验中衡量一氧化碳浓度的检测元件。如图4所示为所选一氧化碳传感器的特性曲线，由图中可知随着空气中被检测气体浓度的增加，该传感器的电阻在不断地减小，这样电路中的负载的两端电压就会变大，与测量系统连接后就可以转变成我们需要的电压信号。图4 气敏传感器的特性曲线Fig4Characteristic curve of gas sensitive sensor该气敏传感器的主要性能参数如下：（1）电阻和：气敏元件在正常环境情况下的固有电阻用表示；气敏元件在具有不同浓度的被检测气体中的阻值用表示。通过实验了解到，电阻与不同被检测气体的浓度C有如下的函数关系： (3-1)式中，m、n是常数，由被检测气体的类别和传感器本身传感器等不同要素影响的，且m=1。（2）灵敏度：在特定浓度的被测量气体中，气敏元件的此时的阻值与在正常坏境空气中的阻值之比即为该气敏元件的灵敏度k，表示如下： (3-2)（3）响应时间：响应时间即气敏元件与特定浓度的检测气体接触时到该器件的阻值在该气体中趋于稳定的时间。（4）恢复时间：恢复时间既气敏元件从特定气体浓度的检测中离开到该器件的阻值在正常坏境中趋于稳定的时间。如图5所示为气敏元件MQ-N7的供电电路，其采用的是单电源供电。其中，是加热丝加热电压，是工作电压，是气敏元件的体电阻，是负载电阻，是传感器的输出电压。图5 单电源供电电路图Fig5 Single power supply circuit diagram由于MQ-N7型气敏元件输出的电压信号非常下，且该电压信号值与被检测气体浓度并非呈现出线性关系，仅仅只有上述的简单电路时完全不够的，所以，应对采集到的电压信号进行放大和补偿线性化处理，利用常用的放大电路和补偿线性化电路来实现处理。设线性化电路的输出电压为，整机灵敏度为，则根据线性化要求，气体浓度与输出电压的关系为： (3-3)式（3-1）也可以转化为下式： (3-4)设，则测量电路的输出电压为： (3-5)由式（3-3）和（3-5）可以得到线性化电路的输入-输出关系为： (3-6)上式为乘方运算关系，也就是说，若线性化电路具有上式的传递函数即可获得浓度与电压的线性关系。本电路测得的实际输出值如图6、7所示。图6 气敏传感器的线性化电路Fig6 Linearization circuit of gas sensor图7 与气体浓度的关系Fig7 The relationship between and concentration of gas虽然减少了放大电路的负反馈的放大倍数，可是它在其性能方面有了很大的改善：放大倍数的性能提高，改良放大电路的非线性失真，增加放大电路的通频带，影响输入、输出电阻。此处使用了同相放大电路。其原理图如图8所示。图8 同相电压放大电路Fig8 In-phase voltage amplification circuit信号经过电阻接至同相输入端，反相输入端经电阻接地，使电路引入了一个电压串联负反馈，保证线性放大。由虚短和虚断原则，可得： (3-7) (3-8)由式3-7和3-8计算所得： (3-9)即闭环电压增益为： (3-10)式3-9说明输出电压与输入电压的大小成正比例关系，相同的相位，既该电路具有同向比例运算，而且1。只取决于电阻和的比值，与集成运放内部参数无关，调节可以改变放大器的放大倍数。为了保持两个输入端处于平衡状态，在实际电路中应使，为了将线性化后的电压信号放大到05V，取放大增益为100，则=100k，=1k。3.3.2 检测系统电路设计如图9所示的检测系统电路设计图，传感器的接线端口经过线性化电路和同相电压放大电路与模数转换芯片的输入端口6连接，ADC0804的片选端CS与单片机的P2.5引脚相连；DB0DB7分别与单片机的P1口相连； 、分别接单片机的P3.6和P3.7引脚；AGND和DGND同时接地。图9 数据采集处理电路图Fig9 Data acquisition and processing circuit diagram3.4 食品过期检测系统设计3.4.1 检测系统硬件选型条形码识别系统由条形码扫描器、放大整形电路、译码接口电路和计算机系统等部分组成，如图10所示。图10 条形码识别系统组成图Fig10 Composition diagram of bar code recognition system条形码识别过程主要包括：读取并转换信号、信号调理及信号输出等部分组成。目前使用最广泛的光学识别元件是光学摄像头，光学摄像头的主要组成部件包括：CCD图像传感器，预中放，自动增益控制电路（AGC），数模、模数转换电路（D/A&A/D），同步信号发生器，图像信号形成电路和电源电路。线阵CCD如图11所示。图11 CCD工作原理Fig11 Working principle of CCD3.4.2 检测系统电路设计设外部中断0、外部中断均为下降沿触发，则当INT1第一个脉冲下降沿触发中断时，中断服务程序启动定时器，记录条的脉宽，关闭定时器1，读出定时器1中的数据（前一个空的脉宽）。当中断被INT0的第一个脉冲下降沿触发时，定时器1被中断服务程序启动，开始记录空的脉宽，关掉定时器0，采集定时器0中的数据，条1的脉宽就是此数据。综上所述，能看到的条空都能被测出。这种方法的优点是硬件电路简单，缺点是多占用了外部中断1和定时器1。本课题就是采用该种电路连接方式，其电路连接方式如图12所示。图12 输入信号与单片机连接图Fig12 Input signal connect with SCM3.5 报警系统设计3.5.1 声光报警系统连接它的小体积，导电单向性，发光只需要5mA的电流。电路连接如图13所示，由P2.4端口控制蜂鸣器的工作，P2.7端口控制发光二极管的工作。图13 声光报警电路图Fig13 Sound ang light alarm circuit diagram3.5.2 液晶显示屏连接电路连接如图14所示，单片机的P0端口分别与LCD1602的8个数据口连接，数据/命令选择端口RS和使能信号端口E分别与单片机的T0、T1端口连接。图14 LCD显示电路图Fig14 LCD display circuit diagram3.6安保系统供电设计一个好的监测系统是离不开一个稳定的工作电源，数据采集模块更是其中最重要的一部分，所以在用相应的软件设计PCB电路原理图时，一定要确保电源的稳定和安全，如图15所示为设计的直流稳压电源原理图。图15 电源电路原理图Fig15 Power circuit diagram基于安保的多功能冰箱监测系统设计4 主系统软件设计4.1 CO检测系统程序设计冰箱正常通电工作，给整个电路板供电系统，也就是上电复位，之后系统开始初始化传感器和A/D转换器，通过半导体气敏传感器检测空气中的CO浓度，并转换成模拟量电压传输给A/D芯片输入口，经A/D转换过后传输数据量给单片机，由基于C语言编制的程序采集并处理数据和程序中设定的CO浓度阀值相比较，当检测到的数据超过阀值时，单片机控制蜂鸣器和发光二极管工作，提醒住宅人员CO浓度超标。4.2 食品过期检测系统程序设计食品过期检测系统程序设计包括摄像头采集系统程序设计和数据记录程序设计。程序按照先采集，接着处理，最后保存的方式来设计，为用户提供食品安全方面的保障。4.3 实时数据显示模块程序设计LCD12864液晶每次能够包含四行，每行可显示8个汉子或者16个字符，内置8192个1616点阵、128个字符（816点阵）及64256点阵显示RAM（GDRAM）。与外部CPU接口采用并行或串行两种控制方式， 4.4 声光报警模块程序设计声光报警模块在采用通用性较高的LED灯和蜂鸣器的情况下，可以较好的为用户提供视觉和听觉上的直观感觉，提醒用户住宅内一氧化碳的浓度和冰箱内食物的食用日期。基于安保的多功能冰箱监测系统设计5 冰箱安保系统的整体调试5.1 实际调试1给单片机中烧录一氧化碳模块程序后，系统正常上电，将一氧化碳传感器放置在日常空气中，待系统稳定时，观察显示屏上的数据，如图16(a)所示，此时，显示屏上的数据为1.2ppm。当将一氧化碳传感器放置在浓度为20ppm的密闭容器中，观察显示屏，此时能看到显示屏上的数据不断变化，待数据稳定后，观察显示屏上的浓度值，如图16(b)所示，此时，显示屏上的数据为20.1ppm并发出声光报警。对上述实验多次进行测量，其一致性较好。图16 一氧化碳浓度Fig16 The concentration of carbon monoxide2给单片机中烧录食品过期检测模块程序后，系统正常上电，按下按键启动摄像头，将某一牛奶的条形码放置在摄像头前，几秒钟后，显示屏中显示“牛奶”，字样并在其后显示需要选择的过期天数，用户可操作按键来增加天数，初始为三天，试验中为了节省时间，设置了四天，按下确定后操作完成，其显示如图17所示。图17 食品过期检测显示Fig17 Display the expired food detection当天数变成3天时，系统开始提醒用户食品还有三天保质期，并在显示屏上清楚地看到“请尽快食用牛奶”字样，当食品已过期，显示屏上会显示“请不要食用牛奶”字样。如图18所示。图18 食品过期提醒显示Fig18 Display the expired food remind3综合调试时，将两个模块的程序整合一起烧录到单片机中，其最终显示如图19所示。图19 综合显示图Fig19 Integrated display map作者简介及读研期间主要科研成果结论与展望本课题针对多功能冰箱监测系统的安保设计要求，开发了一种具有一氧化碳报警系统、食品过期检测系统、数据显示模块和声光报警系统的多功能冰箱监