1、电冰箱控制系统毕业设计前 言众所周知，电冰箱是现代家庭中必不可少的家用电器。而目前我国市场销售的冰箱大多采用传统的机械式温控，其控制精度差，功能单一，控制方式简单难以满足冰箱发展的要求。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
2、增加了人工智能，使家电性能更优异，使用更方便可靠。本次设计基于大量的市场调查和理论研究。首先，我们对传统电冰箱控制系统进行了分析。调查了10多个品牌的电冰箱的控制系统，研究了他们制冷的优缺点，吸收了一些比较好的设计思想。其后，我们又查阅了大量的资料文献，其中最多的是国内外最新发表的关于制冷方面的论文，丰富了我们的理论依据。然后，根据我们拥有的材料用单片机实现电冰箱控制系统的硬件设计，最后在硬件设计的基础上实现了其软件设计。第1章 电冰箱系统概述1.1 单片机概述自从1971年微型计算机问世以来，随着大规模集成电路技术的进一步发展，导致微型计算机正向两个方向发展：一是高速度、高性能、大容量的高档
3、微型计算机及其系列化，向大、中型计算机挑战；另一个是稳定可靠、小而廉、能适应各种领域需要的单片机。单片机是指把中央处理器、随机存储器、只读存储器、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要部件集成在一块半导体芯片上的微型计算机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已经具有了微型计算机系统的含义，从某种意义上来说，一块单片机就是一台微型计算机。自从1975年美国德可萨斯公司推出世界上第一个4位单片机TMS-1000型以来，单片机技术不断发展，目前已成为微型计算机技术的一个独特分支，广泛应用于工业控制、仪器仪表智能化、家用电子产品等各个控制领域。1.2单片机的特点单片机结构上的设计主要是面向
4、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。(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。
5、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。1.3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
6、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。1.4家用电冰箱的发展趋势随着家用电冰箱的发展和普及，其耗电量占民用总用电量的比例越来越
7、大(美国为13 %) ，因而，提高冰箱的能源效率，增加我国家电产品在国内外市场上的竞争力，与国际水平接轨，已成为生产企业的重要任务。为了鼓励企业生产节能冰箱和用户购买节能冰箱，世界各国采取了一系列的政策措施。 如美国颁布了能源法，制定了包括冰箱在内的十二种家用电器的能耗限制标准；日本实施了家用电器系列节能标准；欧洲对冰箱实行了能效等级标准；此外，加拿大、澳大利亚、台湾、香港等国家和地区也制定或实施了电冰箱的能效标准。 我国家用电器节能技术也是“九五”国家重点技术开发指南中的重大关键技术之一，而且国家经贸委已正式确定“九五”期间，节能与CFCS替代技术的开发将作为家用电器行业参与国际竞争、赶超国
8、际水平的重点项目。 节能已成为全球关心的一大课题。 但由于我国冰箱工业发展较晚，冰箱节能技术的开发和应用与发达国家相比有大的差距，因此我们必须加强和发达国家的技术交流，参考和借鉴国外先进的节能经验和措施，促进我国冰箱节能工作的开展。 同时政府部门采取倾斜政策鼓励企业进行技术创新，大力开展节能产品认证工作，推动冰箱节能技术的快速发展。总之，在家电市场竞争日趋激烈的今天，如何在节能、变频等技术领先一步，以提升产品的高科技含量来占领市场，从而引导家电产品的更新换代，已成为家电行业竞争的前沿阵地。 节能是世界家电的发展趋势。第2章 MCS-51单片机介绍2.1 MCS-51单片机硬件介绍 单片机主要组
9、成部分分为中央处理器(CPU)、内部数据存储器-内部RAM、内部程序存储器-内部ROM、I/O端口、串行口、定时器、终端程序系统。2.2 内部主要组成部分介绍2.2.1 MCS-51单片机中央处理器 单片机的内部最核心的部分是CPU，它是单片机的大脑和心脏。CPU的主要功能是产生各种控制信号、以控制存储器、输入/输出端口的数据传送、数据的算术运算和逻辑运算以及位操作处理等。它的功能可分为运算器和控制器两种。2.2.2 MCS-51单片机存储器 89C51单片机中共有256个RAM单元，包括低128个单元(地址为00H 7FH)的内部RAM区和高128位(地址为80H FFH)的特殊功能寄存器区
10、。 89C51单片机还有4KB的内部ROM，用于存放程序或表格，称为程序存储器。2.2.3 MCS-51单片机中断系统 89C51单片机的中断功能比较强，有5个中断元，即外部中断2个，定时器中断2个，串行中断1个，有2个中断优先级。中断控制电路主要包括用于中断控制的四个寄存器:定时器控制寄存器TCON，串行口控制寄存器SCON，中断允许控制寄存器IE，中断优先级控制寄存器IP等。2.3 MCS-51单片机引脚介绍 MCS-51系列单片机采用40引脚双列直插式封装(DIP)，4个并行口共有32根引脚，可分别作为地址线、数据线和I/O线；2根电源线；2根时钟震荡电路引脚和4根控制线。MCS-51单
11、片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有许多引脚具有第二功能，以89C51芯片为例，说明各引脚功能如下：图 2-1 89C51引脚图(1)电源引脚Vcc和Vss Vss：接地端。 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 R
12、ST/VPD：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，例如可以用示波器查看ALE是否有脉冲信号输出来确定89C51芯
13、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或不使用内部ROM的89C51，需外扩EPROM，此
14、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 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P
15、0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，在系统中8个引脚都有各自的第二功能。2.4 单片机的时钟及复位 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。2.4.1 时钟电路89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大
16、器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图2-2所示。图中，电容器C01，C02起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MH2，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如图2-2所示。图2-2 震荡电路图由上图可见，外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2
17、。2.4.2 基本时序单位单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期，所以，1个状态周期包含有2个振荡周期。振荡频率foscl2分频后形成机器周期MC。所以，1个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。8031单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值(例如，波特率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。下面是单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时
18、序单位的大小：振荡周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833S2.4.3 复位电路当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图A中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源+5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图(A)中右图所示。上电或开关复位要
19、求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如下图(B)所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。 根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。 下图(A)中：Cl10-30uF，R11k 下图(B)中：C：1uF，Rllk，R210k图2-3 单片机复位电路图单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H
20、地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。说明：表中符号*为随机状态；A00H，表明累加器已被清零；表2-1 特殊功能寄存器表特殊功能寄存器 初始状态 特殊功能寄存器 初始状态 A 00H TMOD 00H B 00H TCON 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL0 00H DPL 00H TH1 00H DPH 00H TL1 00H P0P3 FFH SB
21、UF 不定 IP *00000B SCON 00H IE 0*00000B PCON 0*B PSW00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组；SP07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；Po-P3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE000000B，表明各个中断均被关断；系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进
22、入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。2.5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
23、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。第3章 应用芯片介绍3.1 多通道A/D转换器ADC0809芯片介绍3.1.1 电路组成和转换原理ADC0809是采用CMOS工艺制造的双列直插式单片8位A/D转换器。分辨率8位，精
24、度7位，带8个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。启动信号为脉冲启动方式，最大可调节误差为1LSB，ADC0809内部设有时钟电路，故CLK时钟需由外部输入，fclk允许范围为500kHz1MHz，典型值为640kHz。每通道的转换需6673个时钟脉冲，大约100110S。工作温度范围为-40+85。功耗为15MW，输入电压范围为05V，单一+5V电源供电。它可以直接与Z80、8085、8080、8031等CPU相连，也可以独立使用。3.1.2 ADC0809外部引脚及引脚功能ADC0809外部引脚及引脚功能如4-1所示，ADC0809A/D转换器，逐次比较寄存器(SA
25、R)一个8位三态输出缓冲器。ADC0809其与单片机接口见总电路图。(1)IN0IN7：8路输入通道的模拟量输入端，输入；(2)D0D7：8位数字量输出端；D0为最低位(LSB)，D7为最高位(MSB)，输出，三态；(3)ALE：地址锁存控制信号，输入,上升沿有效。将地址选择信号A、B、C锁入地址寄存器；(4)START：启动A/D转换控制信号，输入，上升沿有效。当输入一个正脉冲，便立即启动A/D转换器，同时使EOC变为低电平；(5)EOC：A/D转换结束信号，输出，高电平有效。EOC由低电平变为高电平，表明本次A/D转换已经结束；(6)OE：输出允许控制信号，输入，高电平有效。OE由低电平变
26、为高电平，打开三态输出锁存器，将转换的结果输出到数据总线上；(7)VREF(-)、VREF(+)：片内D/A转换器的参考电压输入端。VREF(-)不能为负值，VREF(+)不能高于VCC，且1/2VREF(-)+VREF(+)与1/2VCC 之差不得大于0.1V；(8)CLOCK：时钟输入端。500kHz1MHz，典型值为640kHz。(9)ADD A、B、C：8路模拟开关的3位地址选通输入端。图3-1 ADC0809引脚图3.2 其他芯片介绍3.2.1 74LS16474LS164是串行输入并行输出的移位寄存器。它具有两个串行输入端和8位并行输出端。3.2.2 74LS27374LS273为
27、数据锁存器。第4章 电冰箱主要电器零部件4.1 压缩机电动机压缩机是制冷系统的心脏，它在电动机的带动下压缩和输送制冷剂蒸汽，使制冷循环得以实现。在电冰箱中多采用活塞式和旋转式压缩机，一般为封闭式结构。压缩机的机械部分比较简单，下面重点对压缩机电动机进行介绍。压缩机电动机一般采用单相异步电动机，输出功率在1.5kw以上的全封闭式压缩机组才使用三相异步电动机。压缩机电动机的种类:(1)单向电阻分相式异步电动机电子主绕组与副绕组在空间相差90电角嵌放，副绕组与启动继电器相接。接通电源后，因副绕组线细、匝数又少，阻抗、感抗与主绕组不同，于是形成旋转磁场，电动机启动运行。当电动机转速达到75%左右的同步
28、转矩时，启动继电器切断副绕组，这时只有主绕组参与运行。这种电动机启动转矩较小，启动电流较大，适用功率为40W130W。(2)单相电容启动式异步电动机这种电动机的结构和功能与电阻分相式基本相同，只是在副绕组中串联一启动电容(45uF100uF)。副绕组线细、匝数多，启动容易。启动完成后继电器动作，切断副绕组，只有主绕组参与运行。具有启动转矩较大，启动电流较小的特点，适用功率40W300W。(3)单相电容启动电容运转式异步电动机这种电动机的结构和功能与上述二种基本相同，不过电路中有两只电容。电动机在启动时，两电容并联，增大了启动转矩。启动完成后，启动继电器将启动电容切断、运转电容仍接于电路中。具有
29、启动转矩较大，运行电流较小的特点，多用于日产冰箱。4.2 启动继电器在电冰箱这类小型制冷设备中，制冷压缩机多采用单相分相式异步电动机，启动继电器的作用是帮助电动机启动，启动完成后自动断开副绕组，避免烧坏副绕组线圈。常用的启动继电器有以下几种。(1)重锤式启动继电器重锤式启动继电器是目前电冰箱中广泛采用的启动元件，主要有继电器线圈、衔铁、重锤、动触点、静触点等组成。工作原理如下：可由电冰箱的电器原理图进行分析。在接通电源瞬间，电流经温控器、过载保护器，进入压缩机主绕组，通电继电器线圈形成回路，因此时电流较大，电磁力克服重锤重力而使副线圈接通，于是满足了电动机旋转磁场形成条件，电动机启动运行。待电
30、动机启动完成后，因此时线路中电流趋向于正常值，这时电磁力不足以克服重锤重力，于是在重锤重力作用下，断开触点，这时只有主绕组参与运行。(2)PTC启动器PTC启动器结构与工作原理如下：PTC元件是具有正温度系数的热敏电阻，是一种钛酸钡半导体陶瓷晶体。PTC在刚加上电压时，温度低、电阻小，呈现“低阻”状态，此后PTC启动继电器由于自身发热而升温，在1s以内温度升高到居里点以上，电阻值急剧增大，呈现“高阻”状态，电流大幅度减小，几乎成为断路。温控器接通时，电流通过压缩机电动机主绕组，同时经过PTC启动器进入电动机副绕组，这时压缩机启动，因PTC启动器自身发热升温，超过居里点，电阻值急剧增大，副绕组相
31、当于断路只有主绕组参与运行。压缩机停转后PTC温度下降，约3min5min后，又可以重新启动。因PTC启动器无触点、无噪音、结构简单、工作可靠、受电压波动影响小、与电动机匹配条件较宽松，因而有代替重锤启动继电器的趋势。PTC常温电阻值可用万用表测量，也可直接读取。如松下330M355型启动器，电阻值33，耐压355V；470N400型启动器，电阻值47，耐压400V。东芝、日立压缩机配用PTC电阻一般取22，松下、三菱压缩机取30，国产上菱压缩机取100。选用PTC时，可根据压缩机功率特性，主要从常温电阻、最大冲击电流等考虑选择合适的PTC元件型号(3)电容启动器电容启动器是一种辅助启动装置，主要用于冷藏箱等制冷设备中。其作用是在增加启动电流的前提下，增加电动机的启动转矩。当电源电压低时，压缩机电动机启动困难，这时电动机电流增大，会导致过载保护器开路，甚至烧坏电动机绕组。在这种情况下，采用电容辅助启动装置，就可解决这一问题。电容器的好坏的判别方法：测量前，先将电容器两引线短接，使其放电。然后用万用表两表笔分别接电容器两引线，正常情况下，万用表两指针由电阻大的方向向电阻小的方向偏
