智能电冰箱控制器的设计毕业论文(设计).docx
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长春大学 毕业设计(论文)
纸
序号(学号):
021241114
长 春 大 学
毕 业 设 计(论 文)
智能电冰箱控制器的设计
姓
名
马宝健
学
院
电子信息工程学院
专
业
自动化
班
级
自动化12411
指导教师 王宪伟(副教授)
2016年 5 月 30 日
智能电冰箱控制器的设计
摘要:
随着电冰箱的越来越多的走进用户,人们对它的控制性能要求不断提高,对电冰箱控制功能提出的要求也越来越高,多种能力、人工智能是电冰箱发展的方向,传统的机械化、简单化的电器控制并不能让冰箱的发展要求得到满足。
本文采用AT89C51单片机用作控制电冰箱的核心芯片,并对电冰箱的运行能力进行监控。
冰箱内部运用温度传感器对冷冻室的温度和冷藏室的温度进行监测,并把数据传送到单片机内部进行分析检测与判断,一旦温度略高于设定温度的时候自动开启压缩机,略低于设定温度的时候就关闭运行中的压缩机,由此得到让冰箱内部的温度控制在设定的温度范围内的目的。
此外,通过键盘对冷冻室及冷藏室温度进行设定并显示、对连续速冷时间进行设定并显示、开门超时警、过欠电压保护以及自动除霜等功能。
关键词:
单片机,电冰箱,控制系统。
THEDESIGNOFTHEINTELLIGENTREFRIGERATORCONTROLLER
ABSTRACT:
Withthepopularityofrefrigerators,peopleconstantlyimprovetherequirementforitscontrolfunction,thecontrolsystemrequestalsomoreandmorehightotherefrigerator,multi-functionalandintelligentisoneofthedirectionofitsdevelopment,thetraditionalmechanical,simpleelectroniccontrolalreadycannotsatisfytherequirementofdevelopment.ThispaperUSESAT89C51asthecoreofthecontrolsystemtocontroltheworkingprocessoftherefrigerator.Circuitusingtemperaturesensortodetectthetemperatureofthefreezerandfridge,againintotheanalysisjudgment,single-chipstartthecompressor,whentemperatureisaboveacertaintemperaturebelowacertaintemperaturewhentheystopstartthecompressor,tokeepthetemperatureinsidetherefrigeratorinthepurposeofsettingtemperaturerange.Inaddition,throughthekeyboardofthefreezerandfridgetemperaturesettinganddisplay,thecontinuousrapidcoolingtimesettinganddisplay,openthedoortimeoutalarm,lowvoltageprotectionandautomaticdefrostfunction.
KEYWORDS:
Singlechipmicrocomputer,arefrigerator,thecontrolsystem.
目录
第1章绪论 5
1.1电冰箱的基本介绍 5
1.2国内外的发展状况 5
1.3本设计的研究内容 6
第2章总体方案设计 7
2.1设计方案简介 7
2.2电冰箱电控系统的主要功能和要求 8
第3章系统的硬件设计 9
3.1硬件设计方案 9
3.1.1AT89系列单片机的概况 9
3.1.2时钟电路 11
3.1.3复位电路 12
3.1.4单片机系统电源设计 14
3.2霜厚检测电路 15
3.2.1热敏电阻简介 16
3.2.2运算放大器LM324 16
3.2.3霜厚检测电路 17
3.3冷冻室冷藏室温度检测采样电路 18
3.3.1温度传感器AD590 18
3.3.2ADC0809简介 18
3.3.3冷冻室温度采样电路图 20
3.3.4冷藏室温度采样电路图 20
3.3.5冷冻室冷藏室温度检测采样原理 21
3.3.6过欠压保护电路 21
3.4ADC0809与AT89C51接口设计 22
3.4.1地址锁存器74LS373 22
3.4.2ADC0809与AT89C51的接口电路 23
3.5制冷与除霜控制电路 24
3.5.1锁存器74LS273 24
3.5.2驱动控制电路的设计 24
3.6开门报警电路 25
3.7键盘显示电路 26
3.7.1接口芯片8279简介 26
3.7.2LED简介 28
3.7.3键盘显示电路设计 28
第四章系统软件设计 30
4.1系统主程序 30
4.2T0中断服务程序 31
4.3T1中断服务程序 32
4.4INT0中断服务程序 32
结 论 34
致谢 35
参考文献 36
第1章 绪论
1.1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。
冰箱中使用的制冷剂会在极低的温度蒸发,使冰箱内部保持冰冻温度。
冰箱是由五个基本部件组成:
①压缩机
②安全阀
③热交换管,冰箱外部呈弯曲或盘曲状的管道
④冷交换管,冰箱内部呈弯曲或盘曲状的管道
⑤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。
1.2国内外的发展状况
世界第一台电冰箱是在1918年由美国的卡尔维纳特公司设计制造出来的,1927年美国通用电器公司首次研制出了全封闭式自动制冷电冰箱。
我国的家用冰箱行业始于1956年改革开放后迅猛发展到,1985年鼎盛时期全国有10多家冰箱生产厂家。
目前已发展到20多家。
冰箱从最初的单门(单冷藏或单冷冻)发展到双门,再到多门,其控制系统也得到了很大的发展与完善。
家用电冰箱的主要发展趋势朝容量及功能两个方向发展,其中以大型化、多功能化、全自动化为主。
其中,其功能的发展主要依靠电冰箱电控系统的不
断发展和完善,传统的机械式、简单的电子控制已经难以满足发展要求,因此,这对电冰箱控制器提出了更高的要求,电冰箱的电控系统的发展也成为了电冰箱功能不断提高的关键。
单片机的出现及应用使电冰箱电控系统的简化和完善有了很大的进步。
如目前已经把电脑和数控技术相结合,开发出了数控冰箱,以及具有模糊逻辑思维功能的变频式空调等。
电冰箱的智能化必将随着控制系统的发展而逐步的得到提高。
1.3本设计的研究内容
本设计的目的是利用单片机采集环境温度值,以数字量的形式存储和显示,可以独立作为一种设备对温室温度进行有一定精度的控制,经过简单的运算发出各种控制命令,并能动态的显示当前温度值,设定目标控制温度值。
本设计所采用的控制芯片为AT89C51单片机,此芯片功能强大,能够满足设计要求。
通过对电路的设计,对芯片的外围扩展,使得单片机作为控制器核心,对电冰箱的工作过程进行控制,并用声音将电冰箱的一些工作过程进行提示,使控制过程更人性化。
通过AD590温度传感器对冷藏室、冷冻室温度进行检测,并将产生的模拟信号,通过ADC0809进行A/D转换送入单片机;对除霜电路则采用热敏电阻进行温度检测后产生中断信号送入单片机。
温度检测信号经单片机处理后用于调节压缩机和加热器的工作,满足消费者对温度的设置要求,实现自动除霜功能。
第2章总体方案设计
2.1设计方案简介
直冷式电冰箱的工作原理是利用蒸发器温度的变化控制制冷压缩机的运行与停止,让冰箱里面的温度维持在一定的温度区间内。
通常,蒸发器表面温度升高至3~5°C时,压缩机运行制冷,表面温度略低于-10°C~-20°C时,停止制冷。
本电冰箱电控系统要完成冷冻室及冷藏室的温度检测和动态显示的功能,霜厚检测及除霜的功能,开门报警功能,温度设置功能,以及电源过欠压保护功能。
此设计的电冰箱电控系统是以AT89C51作为主控制芯片,ADC0809为模数转换芯片,AD590温度传感器为温度检测元件,液晶显示器,按键开关等元器件组成,通过软硬件结合实现键盘扫描,液晶显示,I/O口扩展功能。
该系统具有简洁,操作简便,实用方便的特点。
蒸发器温度
电源电路
压缩机电路
复位电路
除霜电路
时钟电路
显示器
键盘
A/D转换器
AT89C51
过欠压保护
冷藏室温度
冷冻室温度
总体框图如图2-1所示:
图2-1系统总体设计硬件方框图
外围电路是AT89C51工作的基础保障——电源电路提供稳定的+5V工作电压;时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号;复位电路使单片机实现初化状态复位。
键盘电路用于向系统输入运行参数,控制系统的运行状态。
通过键盘扫描等程序设计把键盘输入的数据在液晶显示器上显示。
LED电路用来显示键盘输入的数据,AD590实现对冷冻室和冷藏室的温度检测,ADC0809完成对温度的模数转换,将信号上传给单片机,其功能是靠硬件电路的设计和软件
程序的结合来实现的。
热敏电阻感测温度,判断霜厚程度,产生中断信号,结合单片机软件程序,控制加热器的启动与停止,完成自动除霜的功能。
2.2电冰箱电控系统的主要功能和要求
1设定3个测温点,测量范围-26°C~+26°C,精度±0.5°C;
2利用功能键分别控制温度设置、冷冻室和冷藏室温度设置等;
3采用数码管(LED)显示冷藏室、冷冻室的温度,压缩机启动停止和报警状态;
4制冷压缩机停止工作后自动延迟3min后才能再次开启;
5电冰箱拥有自主融霜能力,当霜厚达3mm时自主融霜;
6打开冰箱门后2min未关自动发声提示;
7工作电压176V~240V,当过压或欠压时,不能开启压缩机。
第3章系统的硬件设计
3.1硬件设计方案
3.1.1AT89系列单片机的概况
AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位Flash单片机产品。
这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器,而其他方面和MCS—51没有太大的区别。
该系列有着十分广泛的用途,特别是在便携式、省电和独特信息保护存储的器具和系统中显得更加有用。
1.AT89系列单片机的特征
(1)内部存在Flash存储器
因为单片机内存在Flash存储器,所以在系统研发这段时间内能够轻松地对程序进行改动。
在此期间,在系统运行这段时间内,能更好的保护存储数据信息,即便外部供电设备故障也不能影响信息的存储。
(2)和AT80C5l插座兼容
AT89系列单片机的引端和MCS—5l系列单片机的引端是相同的。
只要用一样引端的AT89系列单片机就能够代替MCS—5l系列单片机。
(3)静态时钟方式
AT89系列单片机使用静态时钟方法,节约电量,这对减少便携式物品的能耗意义重大。
2.AT89系列单片机的概况
AT89系列单片机共有7种型号,分别为从
89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52、AT89C2051、AT89C1051、AT89S8252
。
其中AT89LV51、AT89LV52分别是AT89C5l、AT89C52的低电压产品。
最低电压可以低至2.7V。
而AT89C2051、AT89C1051则是低档型的低电压产品。
它们只有20条引脚.最低电压也为2.7V
3.AT89C51单片机的引脚封装及功能
AT89C51单片机的引脚封装图如图3-1所示:
图3-1AT89C51单片机的引脚封装图
管脚说明如下:
VCC:
提供电源电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口是一个八位漏级开路双向I/O口,一个引脚可接受8TTL门流过的电流。
一旦P1口的引脚改写成1时,就命名成高阻输入。
P0可以担当外面程序数据寄存器,并且能定义成数据/地址的第8位。
在FIASH编写程序时,P0口作为起始输入端,FIASH对其进行检验,P0输出原码,此时P0外面一定要拉高。
P1口:
P1口是元件内供给上拉电阻的八位双向I/O口,P1口可以接受输出4TTL门流出的电流。
P1端口改变为1时,被里面上拉成高,可以当做输入,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AT89C51的一些特殊功能口,如下所示:
管脚备选功能
P3.0/RXD(串行输入口)P3.1/TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4/T0(记时器0外部输入)P3.5/T1(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。
当振荡器复位时,要保持RST两个脚的机器周期是高电
位。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
当外面程序寄存器取指这段时间,一个周期内2次/PSEN生效。
面对需要对外面数据寄存器时,这2次生效的
/PSEN信号会消失。
/EA/VPP:
当/EA持续低电位时,与此同时外面程序寄存器(OOOOOH-FFFFH),不理会有没有内在程序寄存器。
加密方式是l时,一旦/EA将里面设置成RESET;如果/EA端持续高电位时,此时内在程序寄存器。
当FLASH编写程序时候,这个引端也可以输出l2V编写程序电源(VPP)。
XTAL1:
反向晶体振荡电路放大器的输入跟内在时钟运行电路的输入。
XTAL2:
反向晶体振荡器的输出。
3.1.2时钟电路
用于产生单片机工作使用的时钟信号是时钟电路,指令执行时每个信号与信号的关系是时序。
单片机自身就好像一个繁杂的同步时序电路,为了维持同步工作方式,电路应下严格地按时序进行工作在唯一的时钟信号控制。
在AT89C51单片机内含有时钟电路,因此,只要在单片机外使用XTAL1和XTAL2引端连接晶振和电容,便可形成一个平稳的自激振荡器。
有一个高增益反相放大器在AT89C51芯片内,在芯片的外面,XTAL1和XTAL2之间链接晶振和微调电容。
AT89C51的时钟电路如3-2图所示:
C130pF
12MHZ
XTAL1
C230pF
XTAL2
/EA
Vss
图3-2AT89C51的时钟电路
用晶体振荡电路和电容组成的谐振电路。
电容C1、C2容量在15~40pF之间,晶振频率和工作时电压影响大小。
但电容的大小影响起振的快速性和振荡器的稳定性,想要提升准确度,该实验板使用的微调电容的电容是30pF。
在构思电路板时,晶体震荡电路、电容等都要尽可能接近芯片,用来减弱分布电容的影响,保证振荡器稳定的振荡。
3.1.3复位电路
单片机的初始化操作是复位,主要能力是让单片机从0000H单元开始执行。
AT89C51芯片内部有复位电路,复位信号的输入端是RST引端,复位方式有
自动复位和手动复位两种。
本单片机系统采用自动复位方式复位。
AT89C51的复位电路如图3-3所示:
P1.6P1.5
AT89C51
P1.1
/CS
SO
Vcc
+C322µF
REST
/WP
SCK
P3.0
Vss
SI
≥1
REST
R2
10KΩ
X25045
R3
10KΩ
C4
0.1µF
Vcc
S
R11KΩ
图3-3X25045复位电路图
X25045是标准的8脚集成电路,它在单个芯片之内将看门狗定时器、EEPROM、电压监控三种功能组合,不但可以提高系统的可靠性,还能简化硬件设计,减少了对印制电路板的需求空间,降低了系统功耗和成本,是一种比较好的外围芯片单片机。
X25O45引端如图3-4所示:
图3-4 X25O45引端图
其引端用处如下:
CS:
片选择输入;
SO:
串行输出,数据从这个引端逐一位一位输出;SI:
串行输入,数据、命令从这个引端逐一位一位输入X25O45;
SCK:
串行时钟输入,它的上升端将命令数据写入,下降端将信息输出;WP:
写保护输入。
一旦它低电位时,写操作停止运行;
Vss:
地;Vcc:
电源电压;
RESET:
回复初始位置输出。
X25O45芯片内拥有1个看门狗定时器,可通过器件提前设定系统的控制时间。
每当看门狗定时器提前设定的时间内如果没有总线内部的活动,那么X25O45就会在RESET内输出1个高电位信号,路过微分电路C4、R3输出一个正脉冲,让CPU回复位置。
图3-3电路中,CPU的回复位置信号一共有3个:
上电回复位置(C3、R2),人工回复位置(S、R1、R2)和Watchdog回复位置
(C4、R3),通过或门汇合后放到RESET端。
C4、R3的时间常数k不需要很大,有几百微秒就行。
看门狗定时器提前设定的时间是通过X25045的状态寄存器的相对应位置设置的。
X25045有6位状态寄存器有含义,其中WD0、WD1和看门狗电路有联系,剩下的位和EEPROM的工作设定有联系。
WD1=0,WD0=0,预先设定时间为1.4s;WD1=0,WD0=1,预先设定时间为0.6s;WD1=1,WD0=0,预先设定时间为0.2s;WD1=1,WD0=1,看门狗工作被禁止。
看门狗电路预设时间大小能用应用程序的循环周期判断数值,一般跟系统正常工作时最大循环周期的时间相比略长。
编写程序时,可在软合适地方追加一条喂狗命令,让看门狗的设置时间一直达不到预先设定的时间,系统就不能复位就可以正常工作了。
当系统飞跑,用陷阱软件等方法不能捕捉回程序时,
则看门狗设定时间很快达到预先设定时间时,迫使系统复位。
需要注意的是,在程序正常运行的时候,应该在适当的地方追加一条喂狗命令,使系统正常运行时的定时时间达不到预置时间。
系统就不会复位。
3.1.4单片机系统电源设计
1.+5V稳压电源的设计
+5V电压源主要用于为AT89C51,ADC0809,8279,光敏二极管,LED,报警电路等器件及电路提供稳压源。
电源是整个实验板正常工作的动力源泉。
电源电压过大会大大缩短芯片的工作寿命,严重的会烧毁芯片及其它元器件;过小将不能驱动实验板工作电路。
因此设定合适的电源电压值非常重要。
此实验板主要芯片工作电压均位+5V左右,所以采用7805三端稳压芯片将+12V整形为+5V直流给整个实验板供电。
用LM7805设计的+5V稳压电源电路图如图3-5所示:
AC220V50HZ
8V +
Vin Vout
LM7805
C6 +
+5V
C8 R4
C5- 0.1F
GNDC7-
100µ
0.1F
200Ω
D1
2200µF
LED
图3-5+5V稳压电源电路图
LM7805是常用的三端稳压器,通常运用的是TO-220封装,要求输入输出电压差保持在2V以上,输出电压能提供直流5V,运用广泛,内含过过载、过流保护电路。
带上散热片时要连续供给1A的电流,一旦接入外围器件,它还要能供给不一样的电流和电压。
图中,C6,C5两个电容接LM7805的Vin脚对外电源输入的电压进行过滤波;C8,C7两个电容接LM7805的Vout脚对整形后的电压进行过滤波,确保Vcc脚输入+5V直流电压。
D1为发光二级管,接通电源时,灯亮表示电源电路供电正常,否则电源电路出错。
ML7805的引脚图如图3-6所示:
Vin1
LM7805
GNA2
Vout
3
2.正负12V稳压源的设计
图3-6LM7805三端稳压器引脚图
12V稳压源主要用于为比较器,固态继电器等提供稳压源。
其电路图如图
3-7所示:
LM7812
1
Vin
5
16V
6
+
-C91000µF
Vout3
GND
C100.1µF
2
+
C13100µF-
C140.1µF
16V
8
C11
+1000µF
-
C120.1µF
LM7912
1
Vin
Vout
GND
3
-
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