电冰箱温度测控系统设计Word文件下载.doc

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1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容 2

二、电冰箱温度测控系统的方案论证 3

2.1总体方案的主要技术参数 3

2.2系统方案设计 3

2.2.1系统组成介绍 3

2.2.2系统工作原理 3

2.2.3单片机的选择论证 4

2.2.4传感器的选择论证 4

三、硬件电路的设计 6

3.1电源供电电路 6

3.1.1系统电源设计 6

3.1.2元器件的选择 6

3.2单片机与看门狗复位电路 7

3.2.1单片机 7

3.2.2看门狗复位电路 9

3.2.3按键电路 10

3.3冷藏室温度检测电路 10

3.3.1DS18B20的引脚及功能 11

3.3.2DS1820模块的电路图 11

3.4冷冻室温度检测 12

3.4.1冷冻室温度检测与放大电路 12

3.4.2A/D转换与接口电路 13

3.5温度采集电路和除霜电路 14

3.6键盘电路和显示电路 15

3.7压缩机和除霜电阻丝启止电路 16

3.8报警电路 17

3.9电冰箱的异味消除电路 17

四、系统软件设计 19

4.1主程序的设计 19

4.2T0中断服务程序 20

4.3T1中断服务程序 21

4.3.1初始化子程序：

INTI1 22

4.3.2打开压缩机子程序：

OPEN 22

4.3.3关闭压缩机：

CLOSE 23

结论 24

致谢 25

参考文献 26

一、绪论

1.1研究目的及意义

当前人们的生活品味正在随着国民经济水平的提高而上升，食物的需求也更加多样化，对食物的保存保质要求也更高，因此，电冰箱已成为现代家庭中的标配电器。

然而现在我国市面上的冰箱一般都采用传统机械式控温，精度差，功能单一，难以满足人们日益增长的需求。

集成电路技术中，对于单片机进行了大量的应用，将具有运算能力（包括算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），以及定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换及A/D转换器等模块集成到芯片中，最终形成体积小、功能完善、运行稳定、实用性强的微型计算机系统。

操作者可以通过编写代码调用各个接口，实现数据的采集、处理、控制等功能。

由于其具有及程度高、可扩展性、低能耗、低成本等优点，因此被广泛应用于工业生产、科研实验等日常生活的各个领域。

单片机技术近年来迅猛发展，如今的单片机体积小巧、性能可靠、控制稳定、价格低廉，已经成为大多监测控制系统核心的首要选择，也在家用电器的智能监测控制方面得到大量的应用。

本次设计在电冰箱原来的基础上进行改进，实现对电冰箱的精确温控，使电冰箱更加智能化、节能化，让用户体验前所未有的个性化，快捷与原汁原味不再是梦想。

本系统使得电冰箱在温度控制上更智能，使用上更方便。

1.2国内外研究现状

1918年，美国的卡尔维纳特公司生产出了世界上第一台电冰箱。

1927年，美国的通用电气公司研制出了首台全封闭自动制冷电冰箱。

1965年，我国开始出现电冰箱行业。

直到1985年，随着改革开放的进行，我国的家用电冰箱行业迅速发展，出现了十多家生产商，发展到目前，已经出现20多家生产商。

冰箱开始时只有单冷藏或单冷冻，后来发展到冷藏冷冻双门式，现在已发展到多门冰箱，与此同时其温度控制系统也在不断发展和完善。

家用电冰箱现在朝着大型化、多功能化、全自动化、高智能化发展，这就使得传统机械结构与简单的电路相结合无法满足发展需求，为此要寻求更加先进的技术应用到家用电冰箱上，则对其控制系统也提出了更高的要求，控制系统的升级直接影响着电冰箱功能的升级。

为此，以单片机为控制核心的硬件系统的出现为电冰箱控制系统的发展提供了新思路。

几年前，伊莱克斯集团在冰箱门上集成了一台嵌入型触摸式多媒体电脑，为此得名“屏幕冰箱”，它目前是世界上智能化程度最高的冰箱。

该冰箱可通过屏幕监视来访者，同时也可以帮助管理储存食物，并且能扫描食物上面的条码，读取食物信息，达到真正的智能化。

1.3研究内容

本次设计主要对电冰箱温度控制系统进行研究，以AT89C51单片机为系统控制核心，实现对冷藏室和冷冻室的温度监测和控制，并具有温度报警、去除异味等功能。

通过按键模块输入值，对冷冻室、冷藏室的控制温度进行设定。

利用AT89C51单片机和数模转换器ADC0809芯片，把温度传感器AD590采集的温度进行数模转换，再作进一步数字处理；

通过按键模块和LED数码管显示模块准确地控制对温度的设定值。

二、电冰箱温度测控系统的方案论证

2.1总体方案的主要技术参数

温度控制系统主要功能及要求:

1．冷藏室温度范围为0～+10℃（±

0.5℃）；

冷冻室温度范围为-26～-16℃（±

2．通过按键模块输入值，对冷冻室、冷藏室的控制温度进行设定；

3．通过显示模块对冰箱上下两室温度、报警状态进行显示；

4．具有冰箱门开启状态检测警报功能。

2.2系统方案设计

2.2.1系统组成介绍

电冰箱温度控制系统由单片机，冷藏箱，冷冻箱，按键，显示电路，报警系统，驱动装置组成，该系统还有电冰箱门状态检测和电冰箱除异味的功能。

如图2.1系统硬件结构图

2.2.2系统工作原理

本设计中，对于电冰箱的控制，主要是要实现冷冻室和冷藏室的温度检测、动态显示、霜后检测、除霜、开门报警、温度设计和监控、电源低温保护等功能。

本文设计是以AT89C51单片机作为核心，AD0809为模数转换芯片，AD590温度传感器为温度检测元件，并且结合了按键开关、液晶显示器等多种元器件，为了实现键盘扫描和液晶显示以及I/O扩展功能，还应用了软硬件，实现操作和使用简单的目的。

本设计的控制原理，是借助蒸发器的温度来对压缩机的启动和停止进行控制，确保冰箱内部能够维持在一个设定的温度范围内。

冷冻室一般的工作温度是-26℃～-16℃（±

0.5℃），冷藏室一般工作温度是0℃～+10℃（±

0.5℃），以达到保险目的，当测得冷冻室温度高于-16℃时或者冷藏室温度高到10℃时启动压缩机制冷，当冷冻室温度低于-26℃时或冷藏室温度低于0℃时，关掉压缩机。

2.2.3单片机的选择论证

本次系统开发选中的单片机是Intel公司生产的AT89C51，具有8位微处理器，是同类型单片机的代表。

单片机的核心作用在于两方面，分别是运算和控制，即将获取的输入信号进行计算，将计算结果通过I/O接口返回实现对系统的控制。

由于该芯片通过P0、P2口作为控制总线，因此能够更好的实现键盘数据的写入以及液晶显示灯操作，简化硬件电路，易于进行分析和调试，使得所研发的系统适用性更强，分析处理能力更高。

AT89C51单片机芯片内集成4KBFlash程序存储器和256B数据存储器，且价格低廉，性能稳定，性价比较高，完全满足本系统设计需要，也无需再扩展外围存储芯片。

AT89C51单片机作为涵盖51系列单片机几乎所有功能，其自身的2K内存储器可以保证编译程序擦写数千次。

具体如下：

1）AT89C51单片机是采用CHMOS工艺的8位单片机，性能更强，功耗更低；

2）AT89C51单片机的硬件资源和功能完整，硬件编程指令通用；

3）AT89C51单片机既可以支持常规的编程器编程，也支持外部编程状态对其编程，且编程速度快，十分方便。

本次系统开发的过程中，选择P0管脚作为程序存储器的扩展口，扩展并行I/O，同时还可以实现数据传输功能；

P2管脚是高8位地址总线，P1口为输入/输出口。

引脚9为复位脚，当系统运行时，时钟电路随即运行，此时会在管脚9出现高电平，执行复位操作。

系统复位完成后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”，然后系统开始运行程序。

2.2.4传感器的选择论证

1．首先考虑的是MF53-1型热敏电阻温度传感器，该传感器具有灵敏度很高的特点，但是其所能测量的范围仅为0-45℃。

该设备的温度和电阻值之间的关系如下：

R（t）=286/（26.8+t）-2.68kΩ

它主要适用于远距离多测温点的温度测量，从其测量的温度范围来看，一般用于测量略高于常温的温度，无法测量低于冰点的温度。

2．AD590温度传感器是电流输出型传感器，它主要根据PN结构正向电流与温度的关系研制而成。

AD590温度传感器的主要特性：

（1）流过器件的电流（mA）与环境的热力学温度（开尔文即：

mA/K式中：

—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；

T—热力学温度，单位为K）相等，即温度变化1K，电流变化1mA。

（2）该器件可以测量的区间为零下五十五摄氏度到零上一百五十摄氏度。

（3）AD590温度传感器供电电压范围为4V～30V，并且可以承受最高44V正向电压和20V反向电压，保证了器件不会因操作上接反电源而报废。

（4）输出电阻为710MW。

（5）精度高。

AD590温度传感器分为五档，其精度依次提高，其中M型精度最高，-55～+150℃温度范围内非线性误差为±

0.3℃。

正是基于这种特性，该期间通常被使用在一些精确测量相关数据的场合。

因为需要考虑到冰箱自身温度的限制，所以本系统耳朵温度采集元器件是选择的AD590温度传感器，冷藏和冷冻的零下、零上温度都能够通过该传感器采集的到。

系统硬件电路以单片机为控制核心，控制的外围电路包括用于数模转换的ADC0809芯片、电源供电电路、用于外部输入的按键模块、用于显示的LED数码管模块以及报警电路等。

电冰箱除异味

冷冻箱温度测量

放大电路器

A/D转换器

冷藏箱温度测量

显示

报警

驱动装置

除霜

压缩

按键

电冰箱们状态检测

单

片

机

图2.1系统硬件结构图

三、硬件电路的设计

3.1电源供电电路

3.1.1系统电源设计

只有稳定的供电，才能够保证电子器件的稳定工作。

这里的温度传感器和单片机都不例外。

起伏的电压不仅会影响单片机的正常工作，还可能对控制部分产生信号干扰而出现执行错误操作，甚至导致整个系统崩溃。

为此，可靠的电源供电电路保证了系统稳定工作。

本系统直接接入220V，50Hz交流电，所使用的9V及24V低电压交流电通过一级降压获得，之后再借助整流桥D1和D2获得整流输出的直流电压。

图3.1表示数字电路部分供电，图3.2表示模拟电路部分供电。

为了获得稳定的12V和5V电压，电路选用7912，7812，7905和7805三端稳压器作为稳压元件，减少电网波动对直流电源的影响，提高电源稳定性。

3.1.2元器件的选择

三端稳压器：

为满足最大电流为100mA，故选择7812、7912、7905和7805三端稳压器进行稳压处理，保证输出最大电流达到100mA，满足硬件系统的电源需要。

电容：

整流电路中为抑制整流桥中输出的较大的脉冲，接入电容C1、C4和C5，同时也保留了直流成分，使之输出更为稳定。

滤波电容的容量选择一般都参照经验，根据负载电流的大小来选择，本系统输出的电流瞬时值最大为3A，根据经验选择滤波电容值为4700μF，保证了系统的安全性。

为保证电路的稳定性，接入电容C7、C2、C6、C10和C11，它们是值为0.1～1μF的陶瓷或钽电容，当阻抗降低，可以减少振荡。

利用值为0.1μF的陶瓷或钽电容C3、C8、C9、C12和C13接在输出端作稳定电容使用，电源输出信号纹波的降低以及对噪声的降低都有比较不错的效果。

图3.1数字电路供电图

图3.2模拟电路供电图

3.2单片机与看门狗复位电路

3.2.1单片机

AT89C51单片机价格低廉，性能稳定，性价比较高，完全满足本系统设计需要，也无需再扩展外围存储芯片。

主要性能参数：

1．与MCS--51产品指令系统完全兼容

2．1000次反复擦/写

3．0~24MHz全静态工作

4．3级加密位

5．128*8bit内部RAM

6．32个双向I/O口线

7．两个16位可编程定时/计数器

8．共6个中断源

9．可编程UART通道

10．低功耗空闲和掉电模式

11．LED可直接驱动

12．两个外部中断源

下图给出的是其内部的结构图。

图3.3AT89C51结构图

引脚功能说明：

VCC口：

电源电压。

GND口：

接地。

RST：

复位输入。

给RST引脚接入按键，按键按下，当超过两个机器周期的高电平传送到引脚后，单片机就开始获得指令开始复位。

ALE/ROG：

其作用一般是用来对外部储存器进行访问，其中储存器包括了外部的数据储存器和程序储存器，低8位字节是ALE用来将外部储存器地址锁住的，当外部储存器被单片机访问之后，就会跳过一个ALE脉冲。

当然，也可以利用特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位对ALE的操作进行禁止。

这个引脚如果被微弱点位拉高，则设置的ALE脉冲无效。

PSEN：

当AT89C51单片机需要读取外部存储器器中的指令，PSEN引脚则输出两次脉冲。

那么，挡在访问外部存储器时，这两个脉冲就会遮盖两个有效信号。

EA/VPP：

想要让AT89C51单片机只去访问外部存储器，EA引脚一定要保持为低电平，即接地。

若EA引脚接高电平，即接VCC端，单片机则不会执行外部存储器的指令。

3.2.2看门狗复位电路

CAT24C021芯片是看门狗复位电路的主要核心部件，并辅以外围器件的电路。

电压监控、EEPROM以及看门狗定时器是该电路的三种功能。

为了保证单片机的稳定正确工作，看门狗电路在单片机出现故障或是上电掉电时，及时为单片机提供一个复位信号，以保证其操作不受影响，这样我们可以看到，由CAT24C021芯片作为核心的看门狗电路实际上是为单片机系统的稳定准确工作提供了一个独立保护。

当系统运行出现故障或是上电掉电时，由于瞬间失去了指令，没法进行准确操作，单片机在1.6s内未触发SDA，看门狗定时器就会溢出，核心芯片就会提供一个复位信号给单片机，保证单片机及时作出复位响应。

以CAT24C021芯片作为核心的看门狗电路与单片机引脚的接线方式如图3.4。

本系统可以用这样一个看门狗电路来保护相关数据，包括提前设定的冷冻冷藏室的温度值、速冻时间、速冻状态等，保证这些数据在遇到故障或是上电掉电时不会轻易丢失。

图3.4看门狗复位电路

3.2.3按键电路

通过单片机I/O接口，独立式按键形成键盘，并且保证每个键盘之间不会发生冲突。

但是本系统对于键盘的使用次数不多，所以为了节约I/O接口，使用独立式键盘。

因此，本系统采用此种方案。

方框图如图3.5所示：

图3.5按键模块电路图

3.3冷藏室温度检测电路

冷藏室温度范围为0～+10℃（±

0.5℃）所以选择DS18B20主要因为不需要A/D转换，直接送给单片机的信号就是数字信号。

而且体积小、耗电少、高准确度和超强抗干扰能力都是其特点。

而且能够实现全数字温度的转换输出、最高12位分辨率、检测温度范围较广以及单总线数据通信等功能，可以很好地应用到开发温度相关产品中去。

下面是其主要的功能：

1.能够适应更为宽广的电压，稳定运行的电压范围是3.0-5.5V，如果采用寄生电源模式，可以借助数据线实现供电；

2.其单线接口的方式较为独特，只需要一条口线，既可以实现微处理器和DS18B20之间的连接和双向的通讯；

3.DS18B20能够构成多点组网，在一条三线上，可以实现多个DS18B20的并联，进而达到组网多点测温的目的；

4.无需任何外围元件，DS18B20就能够稳定运行，因为所有的传感元件和转换电路都被集成到了一个类似三极管的集成电路里面；

5.测温范围为－55℃～+125℃，精度系数为±

0.5℃。

3.3.1DS18B20的引脚及功能

DS18B20引脚：

1.DQ：

信号的输入和输出接口；

2.GND：

接地端口；

3.VDD：

电源输入接口。

3.3.2DS1820模块的电路图

图3.6DS18B20模块电路图

3.4冷冻室温度检测

3.4.1冷冻室温度检测与放大电路

AD590是电流输出型传感器，以热力学温度衡量其输出值，即温度每升高1开，输出电流增加（一些资料上说是减小）1微安。

管壳上突出的一小块对应下面的是1脚接到电源正极，3脚一般不用（接管壳来的），2脚一般接1K（或10K）的电阻，然后接电源负极。

之后就可以再2脚得到一个电压，2脚的电压便可以引到放大器放大了。

图3.7AD590的引脚

前置放大最终选择是精密仪表放大器AD524，图3-7为其引脚，该设备由AD公司制造，使用的是双电源供电，最高的供电电压达到了18V；

该机器具有较高的共模抑制比以及较低的增益误差，如果增益比在1时候，共模抑制比是大于90dB的，此时存在的增益误差不低于0.05%；

在增益达到了1000的时候，共模抑制比能够上升至120dB，并且此时增益误差最大可达到2%。

增益为1000的时候，AD524的非线性误差在0.01%内；

输入失调电压50V，输入失调电压0.5V/℃。

AD524两个差动输入端的阻抗完全匹配，而且数值很高，典型值为109，单端和差动输入两种可以同时进行。

尽管上述工作环境较为恶劣，但是AD524内置电源保护电路，所以可以在此环境下工作。

而且该设备增益带宽较宽，输出转换速率较高，阶跃响应建立时间较低。

通过外围接线，AD524可以实现设置增益的目的，其中增益倍数分别是1、10、100、1000。

如果需要1-1000之间的其他增益的时候，其增益可以通过增加外接电阻来实现。

图3.8AD524引脚

3.4.2A/D转换与接口电路

数模转换电路使用的是8位ADC0809芯片，该芯片采用逐次逼近的方式进行AD转换。

ADC0809芯片一共包含8路模拟信号采集通道，而本系统中只选用了两个信号采集通道，其中IN0通道用于采集冷冻室的温度，IN1通道用于采集冷藏室的温度。

其控制电路如图3.8所示。

P0.0、P0.1、P0.2，这三个端口高低点平的组合正好可以控制8路采集通道的通断。

ADC0809的EOC端直接选择悬空，即不接任何引脚，无需使用中断进行，等到完成了转换数模的时候，借助延时程序达到延时的目的，就可以将转换后的结果读取出来。

图3.9ADC0809与单片机接口电路

3.5温度采集电路和除霜电路

AD590温度传感器的测温范围为-55~150℃，且M档的非线性误差只有±

0.3℃，精度可以得到保证。

AD590温度传感器使用简便，接口简单，若对采集的温度信号无较高的精度要求，则无需对采集的信号进行线性校正处理，同时，该温度传感器是