基于单片机的电冰箱温度控制器设计 韩凯.docx
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基于单片机的电冰箱温度控制器设计韩凯
课程设计大纲
学院名称电气工程与自动化学院
课程名称传感器原理
开课系（或教研室）测控技术与仪器
执笔人韩凯
审定人孙凯
修（制）订日期2013年1月13日
山东轻工业学院
课程设计任务书
学院电气工程与自动化学院专业测控技术与仪器
姓名韩凯班级10-2学号201002051071
题目基于单片机的电冰箱温度控制器设计
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
一、主要内容
利用51单片机、温度传感器DS18B20、过欠电压检测电路等设计出冰箱温控器
二、基本要求
掌握51单片机的使用，掌握温度传感器与相关电路的工作原理与设计关键点。
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。
三、参考文献
[1]求是科技.8051系列单片机C程序设计完全手册[M].北京:
人民邮电出版社,2006
[2]张鑫等.单片机原理及应用[M].北京:
电子工业出版社,2006
[3]谭浩强.C程序设计（第三版）[M].北京:
清华大学出版社,2005
[4]周兴华.单片机智能化产品——C语言设计实例详解[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007
[5]张齐等.单片机应用系统设计技术——基本C语言编程[M].北京:
电子工业出版社,2004
[6]王东锋,董冠强.单片机C语言应用100例[M].北京:
电子工业出版社,2009
[7]余瑾,姚燕.基于DS18B20测温的单片机温度控制系统[J].单片机开发与应用,2009,25（3-2）:
105-106.
完成期限：
自2013年1月6日至2013年1月10日
指导教师：
孙凯系（或教研室）主任：
孙涛
目录
第1章绪论4
1.1课题研究背景及目的4
1.2电冰箱的基本介绍4
1.3本设计研究内容5
第2章总体设计方案6
2.1功能要求6
2.2方案论证6
2.2.1方案一6
2.2.2方案二6
第3章系统的硬件设计8
3.1硬件电路的重要芯片介绍8
3.1.1MCS-51单片机STC89C528
3.1.2温度传感器DS18B2011
3.2部分电路简介13
3.2.1过欠电压检测电路13
3.2.212864液晶连接电路14
第4章系统软件程序设计16
4.1显示子程序17
4.2DS18B20程序18
4.3预置温度调节程序19
4.4判断控制程序20
4.5开启延时程序21
第5章分析与结论23
总结与体会24
参考文献25
温控器系统原理图26
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DS18B20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:
2～8℃。
电冰箱控制的主要任务就是保持箱内食品最佳温度,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，使冰箱内部保持冰冻温度。
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，冰箱内部呈弯曲或盘曲状的管道
制冷剂，冰箱内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。
当制冷剂冷却时，制冷剂液化成液体形式（紫色），并流经安全阀。
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，它会吸收热量，发挥制冷效果。
冰箱内的线圈帮助制冷剂吸收热量，使冰箱内部保持低温。
然后，重复该循环。
1.3本设计研究内容
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。
研究的内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，测温范围为-55~125℃，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。
3.1.1MCS-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。
MCS－51单片机STC89C52其内部基本组成为：
一个8位的中央处理器（CPU），256byte片内RAM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，一个片内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3-1MSC-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/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口是一个内部提供上拉电阻的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，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的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，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。
这是由于内部上拉的缘故。
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，它利用内部上拉优势，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内容。
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个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，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）
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RST脚两个机器周期的高电平时间。
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），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
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内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；温度测量范围为－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度检测系统。
DS18B20内部结构如图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：
图3-2DS18B20的管脚排列图
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,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
图3-3DS18B20的内部结构
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℃。
23
22
21
20
21
22
23
24
温度值低字节LSB
S
S
S
S
S
26
25
24
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：
0
R1
R0
1
1
1
1
1
R1、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的内部采用射级接地、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Ui当输入电压Ui>UR1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A1输出电平确定为低电平。
只有当输入电压处于窗口电压之内，即UR2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
3.2.212864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8×4行16×16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。
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16×8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内部提供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。
根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。
字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如下表所示：
表3-1汉字显示坐标
X坐标
Line1
80H
81H
82H
83H
84H
85H
86H
87H
Line2
90H
91H
92H
93H
94H
95H
96H
97H
Line3
88H
89H
8AH
8BH
8CH
8DH
8EH
8FH
Line4
98H
99H
9AH
9BH
9CH
9DH
9EH
9FH
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：
图3-512864液晶连接电路图
表3-212864引脚功能说明
引脚号
引脚名称
方向
功能说明
1
VSS
-
模块的电源地
2
VDD
-
模块的电源正端
3
V0
-
LCD驱动电压输入端
4
RS（CS）
H/L
并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号
5
R/W（SID）
H/L
并行的读写选择信号；串行的数据口
6
E（CLK）
H/L
并行的使能信号；串行的同步时钟
16
NC
空脚
17
/RET
H/L
复位低电平有效
18
NC
空脚
19
LED_A
-
背光源正极（LED+5V）
20
LED_K
-
背光源负极（LED-OV）
第4章系统软件程序设计
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DS18B20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内层的循环中。
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voidTransferData（chardata1,bitDI），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。
图4-2传送数据流程图图4-3LCD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voidinitinal（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
调用方式：
voidlcd_mesg（ucharcode*adder1）
函数说明：
显示全屏的内容
调用方式：
voidlcd_mesg2（ucharadd,ucharcode*adder2）
函数说明：
显示某一行的内容
调用方式：
voidLCD_w_wd（ucharadd2,intwwd,ucharfs）
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内容时，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。
4.2DS18B20程序
整个DS18B20程序调用方式是uintReadTemperature（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。
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这段时间内对数据线进行检测，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60s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9~12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。
扩大十倍，四舍五入后便可将精
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