计算机控制系统的冰箱设计

1、一、单片机概述- 2 -1.1单片机的特点- 2 -1.2单片机应用- 2 -1.3 、AT89C51单片机引脚及其功能介绍- 3 -二、系统设计- 5 -2.1 系统技术指标- 5 -2.2 系统总体设计- 6 -2.2.1 系统所实现的功能和要求：- 6 -2.2.2基于AT89C51单片机的控制系统具有的功能- 6 -2.3控制系统原理- 6 -2.3.1控制系统原理框图- 6 -2.3.2工作原理- 7 -三、系统的硬件设计- 7 -3.2供电直流电源- 8 -3.3 晶振电路的设计- 8 -3.4复位电路- 9 -3.5温度检测电路-

2、 9 -3.5.1温度传感器- 9 -3.5.2运算放大电路- 10 -3.6键盘电路和显示电路- 10 -3.7除霜电路- 10 -3.8 人机接口电路的设计- 10 -3.9显示部分- 11 -四、 制冷电路的设计- 11 -4.1明确电冰箱的制冷原理- 11 -4.2各部分功能的学习：- 11 -4.3  制冷电路工作原理- 12 -五、系统的软件设计- 13 -5.1 软件设计的方法- 13 -5.2 程序设计- 13 -5.2.1 主程序设计- 14 -5.2.2 子程序设计- 14 -5.3 抗干扰技术

3、- 15 -六、 总结- 16 -参考文献- 17 -摘要：随着人们生活水平的提高，电冰箱已经是现代家庭中必不可少的家用电器。随着经济的发展和人民生活水平的进一步提高，人们对多功能的发展要求越来越高。由于单片机性能好，控制功能强，工作可靠，成本低等优点，现在已经在家电产品中得到了广泛的应用。面临国内电冰箱发展的现状，在技术上还与其他发达国家有一定的差距，我们在原有的基础上对电冰箱进行了一定的改进，使其适应当代个性时尚、节能环保、智能高端、精确温控的发展方式，使人们体验闻所未闻的个性化感受，快捷与原汁原味不再是梦想。新一代产品在控制上还增加了人工智能，使家电性能更优异，使用更方便可靠。 

4、;本设计采用AT89C51单片机。关键词：AT89C51单片机 设计 电冰箱 节能一、单片机概述1.1单片机的特点单片机结构上的设计主要是面向控制上的需要，因此，它在硬件结构、指令系统及I/O能力等方面均有独特之处，其显著的特点之一就是具有非常有效的控制能力，故也可把单片机称为微控制器。 与普通的微型计算机相比，单片机主要具有以下特点： (1)体积小、结构简单、可靠性高  单片机把各功能部件集成在一个芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作

5、。 (2)控制能力强  单片机虽然结构简单，但是它“五脏俱全”，已经具备了足够的控制功能。单片机具有较多的I/O口，CPU可以直接对I/O进行操作、算术操作、逻辑操作和位操作，指令简单而丰富。所以单片机也是“面向控制”的计算机。 (3)低电压、低功耗  单片机可以在2.2V的电压下运行，有的已能在1.2V或0.9V下工作；功耗降至为A级，一颗纽扣电池就可长期使用。 (4)优异的性能/价格比  由于单片机构成的硬件结构简单、开发周期短、控制功能强、可靠性高，因此，在达到同样功能的条件下，用单片机开发的控制系

6、统比用其它类型的微型计算机开发的控制系统价格更便宜。1.2单片机应用(1)工业控制  单片机广泛应用于工业自动化控制系统中，无论是数据采集、过程控制、生产线上的机器人系统，都是用单片机作为控制器。自动化能使工业系统处于最佳工作状态、提高经济效益、改善产品质量和减轻劳动强度。因此，单片机技术广泛应用于机械、电子、石油、化工、纺织、食品等工业领域。     (2)智能化仪器仪表  在各种仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化、数字化、自动化，提高测试精度和准确度，结构简单，减少体积及重量，提高其性能价格比。例

7、如：智能仪器、医疗器械、数字示波器等。     (3)智能家电  家电产品智能化程度的进一步提高就需要有单片机的参与，例如“微电脑控制”的洗衣机、电冰箱、微波炉、空调机、电视机、音响设备等，这里的微电脑实际上就是“单片机”。 (4)信息与通信技术  图形终端机、传真机、复印机、调制解调器、声响处理器、数字滤波器等。1.3 、AT89C51单片机引脚及其功能介绍图1 At89c51引脚图(1)电源引脚Vcc和Vss     Vss：接地端

8、。      Vcc：芯片+5V电源端。  (2)时钟信号引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1、XTAL2：当使用单片机内部震荡电路时，用来外接石英晶体和微调电容，XTAL1是片内震荡电路反相放大器的输入端，XTAL2是片内震荡电路反相放大器的输出端，震荡电路的频率就是晶体的固有频率。当使用外部时钟时，XTAL1接地，XTAL2接外部时钟信号源。 (3)控制信号引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP     RST/VPD

9、：RST是复位信号输入端。当输入的复位信号保持两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平时有效，用来完成复位操作；第二功能VPD作为备用电源输入端，当主电源VCC发生故障，电压降低到低电平规定值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使系统在上电后能继续正常运行。     ALE/PROG:ALE为地址锁存允许输出信号。在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0口扩展低8位地址的控制信号。在不访问外部存储器时，ALE也以时钟震荡频率的1/6的固定频率输出，因而它又可用作对外输出时钟信号或其他需要，例如可以用示波器

10、查看ALE是否有脉冲信号输出来确定89C51芯片的好坏；第二功能PROG是对内部有EPROM的单片机的EPROM编程时编程脉冲输入端，它和31号引脚的第二功能Vpp一起使用。PSEN:外部ROM的读选通信号输出端。在访问外部ROM时，PSEN产生负脉冲作为读外部ROM的选通信号。而在访问外部RAM或片内ROM时，不会产生有效PSEN信号。EA/VPP:EA是访问外部ROM的控制信号。当EA为低电平时，CPU只执行外部ROM中的程序。当EA为高电平且PC值小于0FFF(4K)时，CPU执行内部ROM的程序，但当PC的值超出4K时将自动转去执行片外ROM的程序。对于无片内ROM的8031或不使用内

11、部ROM的89C51，需外扩EPROM，此时EA必须接地；第二种功能VPP是对8751的片内EPROM的+21V编程电源输入端。    (4)并行I/O端口P0、P1、P2和P3     P0口(P0.0  P0.7)：P0口是一个8位双向I/O端口(需外接上拉电阻)。在访问外部存储器时，分时提供低8位地址线和8位双向数据线。P0口先输出片外存储器的低8位地址并锁存在地址锁存器中，然后再输入或输出数据。     P1口(P1.0

12、0; P1.7)：P1口是一个内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口只能作为一般I/O口使用。     P2口(P2.0  P2.7)：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口。在访问外部ROM或外部RAM时，输出高8位地址，与P0口提供的低8位地址一起组成16位地址总线。P0口和P2口用做数据/地址线后，不能在作为通用I/O口使用。     P3口(P3.0  P3.7)：P3口是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口，在系

13、统中8个引脚都有各自的第二功能。二、系统设计2.1 系统技术指标 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。冷冻室温度可以在-15-3范围内对多个点进行精度为0.5的温度测试量，冷藏室温度可以在46范围内对多个点进行精度为0.1的温度测量。2.2 系统总体设计2.2.1 系统所实现的功能和要求：（1）系统采用单片机控制；（2）分别对冷冻室，冷藏室作不同的温度调节； （3）能实现参数显示和在线参数修改； （4）系统故障时能进行声光报警和显示； （5）多种抗干扰措施保证温度稳定

14、性2.2.2基于AT89C51单片机的控制系统具有的功能箱内温度显示；冰箱有自动复位功能；温度数据存储功能；制冷控制功能；报警提示功能；抗干扰措施和实时记录温度的措施；电源。根据以上分析，此单片机温度控制系统可以分解为以下八个模块：温度采样信号输人模块；温度显示和键盘设置模块；温度过限报警模块；温度打印模块；复位电路模块；看门狗抗干扰保护模块以及制冷控制模块；电源提供模块。2.3控制系统原理2.3.1控制系统原理框图图2 控制系统原理框图2.3.2工作原理电冰箱的主要问题就是恒定的保持所需低温和温度测量，以及温度反馈后的调整控制。任何控制系统都很难做到真正的恒温保持，温度总是围绕预设值不停的震

15、荡。我们要做的就是努力减小震荡幅度，在测量精确，控制简单的基础上再降低功耗，提高制冷。最基本的方法是多次采样箱内温度，将采样温度与用户设置的温度进行比较，得到偏差；偏差超过限定范围上限或采样温度高于预设上限值就加强或打开制冷，反之就减弱或关闭制冷。由于制冷器件的物理惯性，箱内温度每次等于预设温度后，都会发生较大的过冲。从控制领域考虑，这是因为反馈信息只有被控量的当前值，不能反映被控量的变化趋势。我们采用了PID控制方法，用被控量的当前值和一阶导数作反馈信息，利用单片机软件实现调整控制。若温度超过限定范围，报警电路会报警，系统会自行启动制冷，看门狗负责保护整个系统，超过限定工作周期或监测到低电压

16、，将使系统自动复位，直到恢复到正常工作状态。三、系统的硬件设计3.1主要性能参数： （1）与MCS-51产品指令系统完全兼容； （2）4k字节可重擦写Flash闪速存储器； （3）1000次擦写周期； （4）全静态操作：0Hz24MHz； （5）三级加密程序存储器；（6）128×8字节内部RAM； （7）32个可编程I/O口线； （8）2个16位定时/计数器；（9）6个中断源； （10）可编程串行UART通道； （11）低功耗空闲和掉电模式。3.2供电直流电源 图3 供电直流电源3.3

17、 晶振电路的设计晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分为有源晶振和无源晶振两大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路（电感、电容、电阻等），如需要更换晶振时间要同时更换外围电路。总体设计如图4所示图4  晶振电路  3.4复位电路 89C51的RST脚为复位信号输入端，低电平复位，在每次开机时进行复位，然后在+5V的高电平进入工作状态。10uS电容用于使芯片在反复上电的情况下得到可靠复位.3.5温度检测电路 温度检测电路主要由温度传

18、感器和运算放大器等组成如图5所示。图5 温度检测电路3.5.1温度传感器 温度传感器主要用来接收冷藏室和冷冻室温度信息及霜厚信息。冷藏室、冷冻室传感器的电阻值随电冰箱内的温度变化而变化，温度越低，其阻值越大。通过温度的变化，转化成阻值的变化，引起电压变化导致控制电路工作，分别控制压缩机的开、停。这里温度传感器选用了MF53-1型热敏电阻，具有负温度系数，灵敏度较高，和互换性好、寿命长、价格低的特点，特别是在-26+26范围内，热敏电阻上分压与温度成线性关系。其阻值和温度的关系为：R(t)=286/(26.8+t)-2.68k。温度传感器属于电压检测方式，即通电后随着温度改变便有微弱的

19、电压变化。此电压的变化经运算放大器放大后供微电脑进行分析。3.5.2运算放大电路 由比较器和运算放大器组成。用于将微弱的电压进行放大。为了和ADC0809模拟输入电压05V相匹配，分压电阻上所得的信号需要经两级LM324运算放大，前极接成射级跟随器，主要是为了得到高输入阻抗，后级才是为了完成差分放大。3.6键盘电路和显示电路 键盘电路和LED 显示电路由串行口扩展5 片74LS164 实现。系统采用了2个功能键控制冷冻室、冷藏室，4个LED 数码管用于显示冷冻室、冷藏室温度及压缩机启、停和故障等状态。键盘工作原理也很简单，89C51&

20、#160;通过RXD 端向键盘扫描移位寄存器74LSI64 逐位发送数据“0”，每次发送后即从T0 端读入键盘信号，若读得“0”表示有键按下，转入处理键功能程序。3.7除霜电路 除霜电路则是将热敏电阻安装在距蒸发器3mm 的某个合适的位置，当霜厚大于3mm 时，热敏电阻接触到霜层，从而感到较低的温度，其阻值有所变化，运算放大器输出信号改变，经A/ D 转换后送入CPU ，经单片机分析、判断、给出除霜命令。3.8 人机接口电路的设计 此模块属于人机交互，主要涉及显示和按键电路。 

21、;人机接口电路包括键盘和LED显示电路，以往电路设计中，为实现单片机系统的键盘、LED显示，通常采用两种方法：一时用8155、8255并行扩展口构成显示、键盘电路。这时应采用P0、P2总线口的单片机，以便扩展并行口。这种电路选用的期间打，引脚多，对小型系统资源有些浪费。二是用串行口配上移位寄存器74LS164构成硬件译码静态译码静态显示、键盘接口电路。这种电路大大减少I/O口线，但是用芯片较多，一块74LS164芯片对应一位LED数码管，电路复杂，耗电较大。为了充分利用资源，使设计出的系统最小、最优，我们选用MC14499译码器与AT89C51构成串行口硬件译码显示、键盘接口，既简化电路又使单

22、片机引脚得到充分利用。3.9显示部分 对于显示界面，可以采用数码管，液晶模块及其他显示形式。从目前发展趋势来看，类似的智能系统采用字符型或图形液晶显示模块比较常见。四、 制冷电路的设计 4.1明确电冰箱的制冷原理 制冷原理是根据蒸发器的温度控制压缩机的启、停，使冰箱内的温度保持在设定温度范围内。一般当蒸发器温度高至57时启动压缩机制冷，当温度低于-10-15时停止制冷，压缩机停止运行。采用单片机控制，可以使控制更准确、灵活。 4.2各部分功能的学习： 压缩机 将蒸发器内吸收了的制冷剂吸入压缩机内，压缩成高温高压气体，送至冷凝

23、器。 冷凝器 由压缩机输送来的高温高压气态制冷剂在冷凝器中散热冷却，使气态制冷剂液化。 毛细管 来自冷凝器的液态制冷剂经过毛细管被节流，然后进入蒸发器膨胀蒸发。由于毛细管的节流作用，使冷凝器保持一定的高压（冷凝压力），蒸发器保持一定的抵压（蒸发压力）。 蒸发器 当高压液态制冷剂进入蒸发器时，由于压力骤减而引起强烈沸腾蒸发，同时吸收被冷却物品的热量。 制冷剂在管道内循环的过程 来自冷凝器的常温高压制冷剂液体，经过干燥过滤器，再经过毛细管降低压力，温度也随着降低，然后进入蒸发器吸热沸腾，变为低温低压气体，最后被压缩机吸

24、入，并压缩成高温高压气体，送至冷凝器散热，成为常温高压制冷剂液体，在流经干燥过滤器，形成制冷循环。4.3  制冷电路工作原理 AT89C51单片机经P0.4、P0.5、P0.6口输出控制此制冷电路的脉冲信号，并在P0.7的控制下锁存在74LS273中，74LS273的输出分别对应连接到1413IC的IN1、IN2、IN3，通过反相驱动，OUT1、OUT2、OUT3分别对应连接到压缩机，电磁阀，加热丝，实现驱动。信号经达林顿驱动器MC1413后驱动固态继电器SSR1，SSR2和SSR3。当MC1413的OUT1端有高电平输出时，SSR1的3，4引脚端接通，使压缩机绕组接通电源

25、而启动，开始制冷。当MC1413的OUT2端有高电平输出时，SSR2的3，4引脚端接通，使三通两用电磁阀接通电源而当MC1413的OUT3端输出高电平时，SSR2的3，4端接通，使加热丝接通电源而除霜。五、系统的软件设计5.1 软件设计的方法 本次设计主要是对一个单片机系统的设计编程，由于系统对时间的要求非常高，尤其在传送数据过程中，如果系统时序有问题，可能会造成重大事故。因此，我们在此次设计中采用了汇编语言编程控制温度程序。 温度控制程序的设计应考虑以下几个问题： （1）键盘扫描、键码识别和温度显示； （2）冰箱内温采样、数字滤波； 

26、;（3）数据处理时把所有数按定点纯小数补码形式转换，然后把8位温度采样值，Umin和Umax都变成16位参加运算，运算结果取8位有效数； （4）越限报警和处理； （5）PID计算，温度表度转换。 事实上，冰箱在上电时间内，真正需要CPU工作的时间并不多，同时各项工作又有一定的相对独立性。所以在软件设计中采用分立模块式设计：所有工作分别在几个中断程序和子程序中完成，且各程序模块通过内存单元通信。电冰箱控制程序主要有3大部分4小模块。5.2 程序设计 冰箱程序包括： （1）主程序； （2）中断服务程序； （3）温度设置

27、程序； （4）温度采集程序； （5）PID控制模块5.2.1 主程序设计 主程序是整个电冰箱的总控制程序，温度控制系统软件工作流程。如控制各单元初始化、控制中断、定时、传感器采样温度，温度设置，PID计算，制冷电路驱动以及程序的启动与重复等。 在主程序中首先设置堆栈，对各个芯片进行初始化，就是直接向相应的I/O口写初始化值.对作状态标志用的内部RAM进行复位，设置定时器，串行口工作方式，并启动定时器，开中断，工作人员设置的温度与传感器采样的温度比较，若有偏差，则进行PID计算，发制冷信号，若偏差超过限定范围，则先发报警信号，再发制冷信号。若无偏

28、差，则证明箱内恒温保持为所需温度。每隔半小时打印一次箱内温度。5.2.2 子程序设计 （1）中断服务程序 中断服务程序工作于计数方式，通过计数达到延时3min的目的。中断服务程序主要完成3min定时及过欠压、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。中断处理过程中。T0一直处于计数状态，传感器多次采样温度，温度缓冲区不停的刷新，送入最新温度。（2）温度设置程序 温度设置即键盘响应。电冰箱的主要问题就是恒定的保持设置的温度。由P2.3端口出发实时外部中断，改变LED显示内容。（3）温度采集 CPU对DS18B20的访问流程

29、是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤： 每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM操作指令，处理数据，这样才能对DS18B20进行预定的操作。（4）PID控制模块 温度控制的算法常用PID控制。PID控制即偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测冰箱内温度对所需温度的偏差值，然后对偏差值处理，进行比例，积分，微分运算而获得控制信号去调节制冷

30、电路的制冷功率，以实现对冰箱内温度的控制20。 PID控制是工业过程控制中应用最广泛的一种控制形式，一般都能收到令人满意的效果。医用冰箱的特点在于它的智能化，智能化产品通常要求能自动识别一些数字量，并根据这些数字量自动进行决策，采取恰当的控制策略。在单片机中由软件实行PID控制就能很好的实现这些智能化工作。5.3 抗干扰技术 抗干扰技术就是研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免被干扰的措施（对抗）等问题。机电一体化系统的设计中，既要避免被外界干扰，也要考虑系统自身的内部相互干扰，同时还要防止对环境的干扰污染。在机电一体化系统的工作环境中，存在大量的电磁信号，如电

31、网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度；重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备损坏或人身伤亡。 六、 总结本课题对冰箱的现状和发展作了简要介绍，分析了冰箱自动控制所面临的问题，提出了较为简捷的显示和键盘控制方式。总结了冰箱温度控制的特点，初步设计了冰箱的温度控制系统。主要解决几个结论： （1）通过控制可以使冷冻室的温度控制更加合理。当冷冻室需要制冷量比较大的时候，可以通过输出控制，使电机高速转动，压缩机制冷就多一些；同理，当冷冻室需要制冷量比较小的时候，则使电机转速慢一些，压缩机制冷就少一些。当霜厚达到一定值时，输出控制会使化霜丝化霜。 （2）通过PID调节使使冷藏室