基于单片机的电冰箱控制系统毕业设计（论文）定稿Word文件下载.doc
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2#421
2011.06.27-2011.07.03
计算机控制技术课程设计任务书
学生姓名
田冠枝
专业班级
自动化0801
学号
200848280126
题目
基于单片机的电冰箱控制系统
课题性质
工程设计
课题来源
自拟课题
指导教师
臧海河
主要内容
利用单片机设计一个自动门控制系统，实现以下功能：
（1）电源过欠压保护功能
（2）压缩机开启延时功能（3）自动除霜功能（4）电冰箱温度自动调节功能（5）功能键控制功能（6）LED显示功能（7）关机提示功能（8）连续速冻功能（9）温度测量功能（10）故障自检报警功能
任务要求
第1天，熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。
第2天，确定设计方案。
要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。
第3-4天，按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第5-7天，撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于5000字。
主要参
考资料
[1]梁洁婷．单片机应用综合实习指导[M]．北京：
高等教育出版社，2003
[2]陈永甫．电子电路智能化设计实例与应用[M]．北京：
电子工业出版社，2005
[3]邱兴永．怎样修理电冰箱[M]．北京：
人民邮电出版社，1999
[4]张靖武.周灵彬．单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M]．北京：
电子工业出版社，2007
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
目录
1引言 1
1.1课题背景 1
1.2主要实现功能 1
2总体方案设计 2
2.1控制系统方案设计 2
2.2基于单片机的电冰箱控制系统整体布局 3
2.3功能原理分析 3
3硬件电路设计 4
3.1单片机的选择 5
3.2A/D转换电路 5
3.2.1ADC0809介绍 6
3.2.2ADC0809与AT89C51单片机接口电路 6
3.3键盘电路及其显示电路 7
3.4温度采集及除霜电路 8
3.4.1温度采集电路 8
3.4.2除霜电路 9
3.4.3传感器的选择 9
3.5制冷压缩机和除霜电热丝启停电路 10
3.5.1控制电路图 10
3.5.2工作原理 11
3.6电源电压检测电路 11
3.7报警电路 12
4软件设计 12
4.1程序设计语言 12
4.2程序主要模块 13
4.2.1主程序模块 13
4.2.2T0中断服务程序模块 14
4.2.3T1中断服务程序模块 15
5总结 16
参考文献 17
附录系统总原理图 18
18
1.引言
1.1课题背景
电冰箱是利用电能在箱体内形成低温环境,用于冷藏冷冻各种食品和其他物品的家用电器设备。
电冰箱是每个家庭现代化厨房必备的家用电器，它的主要任务就是控制压缩机、化霜加热等来保持箱内食品的最佳温度，达到食品保鲜的目的，即保证所储存的食品在经过冷冻或冷藏之后，保持色、味、水分、营养基本不变。
电冰箱是第一次家电革命浪潮的主导产品，是每个家庭必备的电器设备。
从1918年世界上第一台电机压缩式电冰箱研制成功，至今已走过89个年头。
这期间，随着科学技术的飞速发展，电冰箱也在不断的演变和更新，尤其是近年来高新技术的迅猛崛起，更使得电冰箱的发展日新月异。
现代社会每一个家庭都处在快节奏的生活中，人们大多已无闲暇的时间和精力花费在经常性的采购日常生活用品上。
因此，集中时间大量采购的新型生活方式已为越来越多的人所接受，从而决定了大容量电冰箱将是一种国际化的发展趋势。
传统的机械式直冷式电冰箱的控制原理是根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启、停,使电冰箱内的温度保持在设定温度范围内。
一般,当蒸发器温度升至3~5℃时启动压缩机制冷;
当温度低于-10~-20℃时停止制冷,关断压缩机[16]。
随着家用电冰箱的普及，人们对电冰箱的控制功能要求越来越高，这对电冰箱控制器提出了更高的要求，多功能、智能化是其发展方向之一，传统的机械式、简单的电子控制已经难以满足发展要求。
随着微机技术的飞速发展,单片机以其体积小、价格低、应用灵活等优点在家用电器、仪器仪表等领域中得到了广泛的应用。
采用单片机进行控制,可以使电冰箱的控制更准确、灵活、直观。
1.2主要实现功能
本论文所设计的基于51单片机的电冰箱控制系统以AT89C51单片机为核心控制压缩机的启动和停止，解决了传统电冰箱控制系统存在的不足，可以使控制更准确，更灵活。
本系统处于监控状态时,具有以下功能:
（1）电源过欠压保护功能：
为了使电冰箱安全可靠地运行，要求其电源电压在180V～240V之间。
因此，当电源电压小于180V或大于240V时，禁止启动压缩机并用指示灯显示。
（2）压缩机开启延时功能：
该功能要求压缩机停机时间超过3min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3min，若未达到，需延时到3min后才能启动。
因此，在设计时应有判断与延时功能。
（3）自动除霜功能:
冷冻室中的水分会凝结成霜，因此，电冰箱应有自动除霜功能。
该功能的实现方法是通过累计压缩机运行时间和检测环境温度，来判断是否满足化霜条件（霜厚达到3mm），当霜厚达到3mm时，接通化霜加热丝，同时断开压缩机和风机，30分钟后断开化霜加热丝，接通压缩机，再过15分钟后接通风机。
（4）电冰箱温度自动调节功能：
该功能是电冰箱应具备的主要功能。
电冰箱设有冷冻室和冷藏室，冷冻室的温度为－16℃～－26℃，冷藏室的温度为2℃～10℃，在该温度范围内，食品保鲜效果较好，因此，对控制器的要求是将冷冻室和冷藏室的温度自动控制在各自的范围内。
（5）功能键控制功能：
利用功能键分别控制冷冻室温度、冷藏室温度、速冻设定等。
（6）LED显示功能：
利用LED显示冷冻室温度、冷藏室温度,压缩机的启、停和速冻、报警状态。
（7）关机提示功能：
开门超过2min将声音报警,提醒用户及时关门。
（8）连续速冻功能：
连续速冻时间设定范围1~8小时。
（9）温度测量功能：
设定3个测温点，测量范围-26～+26℃，精度±
0.5℃；
（10）故障自检报警功能：
该功能要求在电冰箱运行过程中，不断诊断电冰箱的运行状态，当发现严重故障时，电冰箱停机并报警显示。
．2.总体方案设计
系统基本原理方案是整个设计过程的依据，也是贯穿整个设计系统的灵魂线，它的好坏直接关系到整个方案的成败。
在其设计上要经过查询考证、深思熟虑、反复推敲，有时离不开大量的实验，最后再比较几种选定方案而得出的。
2.1控制系统方案设计
控制系统在整个智能电冰箱控制中的地位是至关重要的，它控制着整个系统的运行，是系统是否正常运行的关键。
选用的控制系统是否合理是关系到整个系统设计成败的关键。
因此此必须慎重地选择控制系统。
当前对电冰箱控制系统的方案主要有以下两种。
1.机械控制方式
所谓的机械控制方式，即根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启、停,使电冰箱内的温度保持在设定温度范围内。
当温度低于-10~-20℃时停止制冷,关断压缩机。
这种控制方式，电路相对简单，操作方便，使电冰箱的控制不够准确、灵活、直观。
2.智能控制方式
所谓的智能控制方式，即自动控制方式，用单片机控制制冷压缩机的启、停,使电冰箱内的温度保持在设定温度范围内。
这些过程不需要任何的人工操作，全部自动进行，使电冰箱的控制更准确、灵活、直观。
经过慎重地考虑、科学地论证和实验，本论文采用了第二种方案；
用单片机作为控制系统的核心部分，来控制着系统的运行。
选用单片机的好处是：
单片机控制功能强、体积小、功耗低、性能高、速度快、稳定可靠、应用灵活广泛、价格低廉、通用性强等。
2.2基于单片机的电冰箱控制系统的整体布局
智能电冰箱系统由传感器（霜厚传感器、冷藏室温度传感器、冷冻室温度传感器）、微控单元单片机、压缩机、加热丝、LED显示器、语音输出等组成。
其中传感器整个硬件中最重要的组成部分，是系统是否成功的关键；
微控单元是系统的软件部分，控制整个系统的运行，是系统是否正常工作的保证。
设计系统整体布局框图如图2-1所示
图2-1设计系统整体布局框图
2.3功能原理分析
基于51单片机控制的单片机控制系统的工作原理是这样的：
传感器（霜厚传感器、冷藏室温度传感器、冷冻室温度传感器）随时处于待工作状态。
当霜的厚度达到3mm时，霜厚传感器就会感应到，将产生模拟量信号，并将产生的模拟信号传送到A/D转换器；
A/D转换器接收到模拟信号后将其转换为数字量信号，并将数字信号输送到单片机；
单片机接受到信号后，将数字量信号进行分析、判断、处理，给出除霜命令。
智能电冰箱控制系统工作后，霜的厚度逐渐改变，当霜的厚度调整到规定值时，除霜命令的自动解除，一个工作过程就算是这样完成了。
霜厚传感器接着等待进入下一个工作过程。
当冷藏室的温度低于2℃或高于10℃时，冷藏室温度传感器就会感应到，将产生模拟信号，并将产生的模拟信号传送到A/D转换器；
单片机接受到信号后，将数字量信号进行分析、判断、处理，给出调整冷藏室温度命令。
智能电冰箱控制系统工作后，冷藏室内的温度逐渐改变，当冷藏室内的温度调整到规定范围时，调整冷藏室的命令的自动解除，一个工作过程就算是这样完成了。
冷藏室传感器接着等待进入下一个工作过程。
当冷冻室的温度低于-26℃或高于-16℃时，冷冻室温度传感器就会感应到，将产生模拟信号，并将产生的模拟信号传送到A/D转换器；
单片机接受到信号后，将数字量信号进行分析、判断、处理，给出调整冷冻室温度命令。
智能电冰箱控制系统工作后，冷冻室内的温度逐渐改变，当冷冻室内的温度调整到规定范围时，调整冷冻室的命令的自动解除，一个工作过程就算是这样完成了。
冷冻室传感器接着等待进入下一个工作过程。
.3.硬件电路设计
电冰箱控制器的主要任务就是控制压缩机、化霜加热等来保持箱内食品的最佳温度，达到食品保鲜的目的，即保证所储存的食品在经过冷冻或冷藏之后，保持色、味、水分、营养基本不变。
用LED将设定温度或实际温度显示出来。
基于51单片机的电冰箱控制系统的硬件结构采用了模块结构设计，主要包括：
A/D转换电路、温度采集电路、除霜电路、键盘电路、LED显示电路、制冷压缩机和除霜电热丝启﹑停控制电路、电源电压检测电路、语音输出报警电路、直流电源供电电路、晶体振荡电路等模块。
系统硬件结构图如图3-1所示
图3-1 系统硬件结构图
3.1单片机的选择
单片机是整个测控系统的核心部件,它直接影响到整个系统的软硬件设计,并对系统的功能、性价比以及研制周期起决定性作用。
本控制系统的单片机采用美国ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51,它是80C51微控制器系统的派生。
AT89C51芯片采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，而且价格低，是目前性能比较高的单片机之一。
该芯片完全满足系统需要，不需要再外扩程序存储器和数据存储器，可以大大简化系统的硬件电路。
此外，AT89C51单片机在市场上的货源充足，技术比较成熟，同时也具有较好的开发环境。
3.2A/D转换电路
A/D转换电路[1][15]采用逐次逼近式8位ADC0809芯片。
0809共有8路模拟输入通道,本系统只用了其中4个通道IN0~IN3。
其中IN0作为冷冻室温度检测通道,IN1作为冷藏室温度检测通道,IN2作为除霜检测通道,IN3作为电源电压检测通道。
3.2.1ADC0809介绍
ADC0809是一种比较典型的8位逐次逼近式A/D转换器CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右，采用双排28引脚封装，可以和微机直接接口。
1.内部结构：
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
ADC0809内部逻辑结构如图3-2所示：
ADC0809八路模拟量开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用1个A/D转换器进行转换。
地址锁存与译码电路完成对ADDA、ADDB、ADDC三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于8路模拟通道的选择。
8位A/D转换器是逐次逼近式，三态输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。
2.主要特征：
（1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位；
（2）具有转换起停控制端；
（3）转换时间为100μs；
（4）单个＋5V电源供电；
（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；
（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度；
（7）低功耗，约15mW。
3.工作过程：
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
3.2.2ADC0809与AT89C51单片机接口电路
1.ADC0809与AT89C51单片机的连接如图3-2所示。
图3-2 ADC0809与单片机接口电路
图中ADC0809的A、B、C三端通过地址锁存器接于P0口的P0.0、P0.1、P0.2,这三端控制模拟通道的选择。
P2.7与、端经与非门接于0809的ALB、START、/OB端,控制0809的启动、读、写。
0809的BOC端悬空,转换后利用软件延时一段时间再读结果,不用中断方式。
3.3键盘电路及显示电路
功能键及LED显示电路采用6个功能键控制冷冻室、冷藏室及速冻温度设定，4位LED数码管负责显示冷冻室、冷藏室温度及压缩机启、停和报警等状态。
功能键及LED显示电路如图3-3所示
图3-3功能键及LED显示电路
显示和键盘输入均通过AT89C51的串行口。
显示输出通道和键盘输入通道的选择由端口线P3.2和与非门完成。
当P3.2为“1”时，AT89C51的TXD端输出同步脉冲通过与门发送到显示移位寄存器74LS164的移位脉冲输入端，这样AT89C51欲显示的数据，由RXD端输出，移位读入到显示器通道。
当P3.2为“0”时，AT89C51的RXD的数据仅能被移位读入到键盘扫描用的移位寄存器中。
由于显示通道采用LED数码管并用74LS164作为驱动器，所以简化了线路，结构简单，显示字位扩充方便，驱动程序设计容易。
键盘工作原理也很简单，AT89C51通过RXD向键盘扫描移位寄存器74LS164逐位发送数据“0”，每次发送后即从P3.4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。
3.4温度采集电路和除霜电路
3.4.1温度采集电路
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。
热敏电阻RT的阻值和温度的关系为:
R（t）=286/（26.8+t）-2.68kΩ。
A点电压与温度的关系为：
V=（2.68×
5）/[R（t）+2.68]=1.26+0.047t
利用温度传感器可以很容易测得冷藏室温度和冷冻室温度。
3.4.2除霜电路
把热敏电阻安装在距蒸发器3mm的某个合适的位置上，当霜厚大于3mm时，热敏电阻Rt接触到霜从而感受到较低的温度，其电阻值变大，A点温度降低，运算放大器输出信号有变化，经A/D转换后送入CPU，经单片机分析、判断，给出除霜命令。
除霜电路如图3-4所示：
图3-4除霜电路
3.4.3传感器的选择
传感器是一种转换器件，它以一定的精度将被测非电量转换为与之有确定关系并易于测量的电量。
它一般由敏感元件、转换元件和信号调节电路三部分组成。
传感器组成框框图如图3-5所示。
图3-5传感器组成框框图
传感器的主要技术指标有：
线性度、灵敏度、迟滞性、重复性与分辨率。
在选择传感器时，不必要求这几项指标是最优，而应根据实际情况，在保证主要性能指标满足要求的前提下，使整个系统性价比达到最优[14]。
1.温度传感器的选择：
本论文所采用的温度传感器Rt主要由冷冻室、冷藏室、冷冻室蒸发器盘管、冷藏室蒸发器盘管速冻室、环境温度检测等温度传感器组成。
主控器不断采集冷冻室、冷藏室及环境温度，并根据设置值及采集值控制各部件的运行。
本论文的温度传感器Rt主要是指冷藏室温度传感器RS和冷冻室温度传感器DS，它们都是负温度系数的热敏电阻.温度升高时,阻值变小;
当温度降低时,阻值变大。
我们知道，电冰箱一般设有冷冻室和冷藏室，冷冻室用于速冻食品，在冷冻室中的食品可以存放较长的时间，冷冻室的温度为-16℃~~~-26℃左右；
冷藏室以不冻伤食品又有保鲜作用为准，冷藏室的温度为2℃~~~10℃左右；
冷冻室食品中的水分会凝结成霜，到一定程度还要除霜。
2.霜厚传感器的选择：
本论文采用一种用于制冷系统的电容式霜厚传感器，其特征在于包括一对金属电极和一个固定装置，其中，第一电极为制冷系统的蒸发器的金属表面或紧贴在蒸发器表面的金属片，第二电极为与第一电极相对并保持一定间隔的金属片，第二电极表面涂覆有防潮绝缘材料，并由固定装置加以固定，利用两电极之间的电容变化测定霜的厚度。
制冷系统采用这种霜厚传感器可及时化霜，提高制冷效果，有利于食品的保存，并能节省耗电。
3.5制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路
3.5.1控制电路图
制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路图如图3-6所示：
图3-6制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路图
3.5.2工作原理
AT89C51单片机控制信号经P1.3和P1.4端口输出，并在P1.7的控制下锁存在74LS273中，74LS273的输出再经达林顿驱动器DS2003后驱动固态继电器RELAY1和RELAY2。
当DS2003的16端有高电平输出时，RELAY1的3，4引脚端接通，使加热丝接通电源而除霜。
当DS2003的15端输出高电平时，RELAY2的3，4端接通，使压缩机绕组接通电源而启动，开始制冷。
74LS273锁存控制信号，一方面增加输出功率，另一方面也防止单片机复位时引起控制的误动作。
采用固态继电器作为压缩机和除霜电热丝的开关：
属于无触点开关，内部是大功率的晶闸管电路，不产生火花，无电磁干扰并使高压与单片机系统隔离。
3.6电源电压检测电路
该电源电压检测电路包括：
一分压电路、一上拉电路、以及一切入下拉电路等。
分压电路接收一输入电源电压，经分压处理后输出一分压电压。
上拉电路接收输入电源电压，当输入电源电压低于一既定阈值时，上拉电路将输入电源电压及于一输出端输出。
而切入下拉电源与分压电路和上拉电路连接，当输入电源电压高于既定阈值时，则切入下拉电路根据分压电压将输出端的电压拉低。
电源电压检测电路电路图如图3-8所示：
-
+
+5V
10K
Ω
0.1μF
LED
100KΩ
68KΩ
220V
20V
TIL113
1KΩ
LM324
图3-7电源电压检测电路电路图
3.7报警电路
报警电路主要用于冷冻室温度过高时，冷冻温度显示会以一定的频率显示，并用语音提示“冷冻室超温”。
此时应检查冰箱门是否关好（请将冰箱门关好），是否一次性放入大量较热的食品，冰箱工作一段时间后，冷冻室温度降低，冷冻温度显示停止闪烁，超温报警功能自动消除。
4.软件设计
软件程序是系统的神经中枢，它控制着整个系统的运行。
软件程序编程程序质量的高低是系统是否正常运行的保证。
4.1程序设计语言
程序语言是编写程序所运用的工具，恰当地选择编写程序的语言是编写程序的第一部，更是良好的开始。
在单片机的应用中，程序设计语言是一个关键问题。
仅由硬件组成的单片机系统是不能工作的，还必须配备各种功能的软件才能发挥作用。
软件是指能完成各项功能的计算机程序的总和，如操作、监控、管理、计算和自诊断等。
它是硬件系统的灵魂，整个系统的动作都是在软件指挥下协调工作的。
计算机程序设计语言是指计算机能够理解和执行的语言，它随着计算机的诞生而诞生随着计算机的发展而发展，迄今为止，计算机程序设计语言很多，但通常分为机器语言、汇编语言和高级语言等三类。
本测控系统软件主要采用汇编语言。
汇编语言与系统硬件结构密切相关，具有指令丰富、寻址方式、转移指令多、执行速度快的优点。
4.2程序主要模块
本测控系统软件编程采用了模块化，子程序设计思路。
即整个控制软件由许多独立的小程序模块组成，它们之间通过软件连接。
连接的原则是：
模块内数据关系紧凑，模块之间数据关系松散，按功能划分模块，即便于调试，链接，又便于移值、修改。
本系统软件采用模块化程序设计思想,用汇编语言编制，主要完成数据采集，判断，参数设置，驱动执行等功能，所包括的主要模块有：
主程序、定时器T0中断服务程序和定时器T1中断服务程序。
4.2.1主程序模块
主程序模块的主要功能是完成定义字节、系统初始化、协调微单元各个组成部分
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