毕业设计论文基于51单片机的电冰箱控制系统管理资料.docx

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毕业设计论文基于51单片机的电冰箱控制系统管理资料

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毕业论文

基于51单片机的电冰箱控制系统

院部

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学生姓名

学号

指导教师

二OO七年六月九日

装

订

线

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Contents

Thewholelayoutof51Micro-controllerscontrolsystemof

Electricrefrigerator4

Acknoledgement35

基于51单片机的电冰箱控制系统

作者：

XX指导教师：

XX讲师

【摘要】

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。

本论文介绍了一种用单片机开发的智能电冰箱控制系统。

该系统以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。

本论文对硬件组成，软件设计和系统的工作原理进行了详细的说明[1][2][3][12][15][17]。

该设计方案是经过大量的科学调研及现场考察制定的。

论文的内容包括实现控制系统软硬件的合理设计及匹配等设计。

系统的硬件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、报警电路、直流电源供电电路、晶体振荡电路等模块。

在软件设计中力求程序设计简单，运用子程序的设计和调用，是程序设计有易扩展，可移植等特点[2][7][14]。

关键词：

单片机电冰箱智能模块结构

51Micro-controllersControlSystemofElectricRefrigerator

Author：

ZhaiAnSupervisor：

LouweiTutor

Abstract:

Thecontrolprincipleoftraditionalmechanicaltypestraightcoldelectricrefrigeratoristocontrolthestartandstopoftherefrigerationcompressoraccordingtothetemperatureoftheevaporatortomakethetemperatureoftheelectricrefrigeratormaintaininsocietygoesagainstinthetemperaturerange.Usually,itwillstarttherefrigerationcompressorwhenthetemperatureis3~5℃;anditwillstoprefrigeratingandclosethecompressorwhenitstemperatureisbelow-10~-20℃.

Thisarticleintroducesanintelligentcontrolsystemofelectricrefrigerator.ThecontrolsystemputsAT89C51asitskerneltocontrolthestartandstopoftherefrigerationcompressor.Itsolvestheinsufficientproblemofthecontrolsystemoftraditionalandmakescontrolmoreaccurateandmoreflexible.Thispaperhasmadedetailedexpositionforhardwarecomposition,softwaredesignandtheworkingprincipleofthesystem[1][2][3][12][15][17].

Thisdesignschemeisestablishedviaplentyofscientificinvestigationsandtheinvestigationon-the-spot.Thecontentofpaperincludes:

realizethereasonabledesignofcontrolsystematicsoftwareandhardwareandmatchwaitfordesign.Systematichardwarehasadoptedmodularstructuraldesign.Including:

theconversioncircuitofA/D,temperaturecollectioncircuit,eliminatehoarfrostcircuit,keysetcircuit,LEDdisplaycircuit,refrigerationcompressorandgalvanothermythreadcontrolcircuit,powersupplyelectricvoltageexaminationelectriccircuit,alarmcircuit,direct-currentpowersupplyfeedcircuit,crystaloscillatingcircuit,ect.Makinggreateffortonprogramminginsoftwaredesignsimple,utilizethedesignofsubprogramwithuse,makeprogramminghaveeasydevelopment,maytransplantwaitforadvantage[2][7][14].

Keywords:

singlechip,electricrefrigerator,intelligent,modularstructure

引言

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。

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±℃；

（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。

．

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。

对于基于51单片机的电冰箱控制系统的整体设计，要遵循这样的设计原则：

（1）首先满足食品保鲜的要求，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。

（2）吸收国内外电冰箱的新技术，采用新原理、新结构、新工艺，使用可靠并能降低电能损耗。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

如图1-1所示。

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。

图1-1设计系统整体布局

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；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；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。

.

硬件是指单片机本身及其外围设备，是单片机控制系统的物质基础，其结构的合理与否，直接影响整个系统的性能，必须慎重选择[1][2][3][5][6][10]。

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（如图2-1所示）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。

图2-1　系统硬件结构图

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[4][9][13]。

AT89C51的特点

AT89C51具有以下特点：

（1）与MCS-51兼容。

该芯片具有MCS-51系列单片机的所有特性，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

（2）CMOS制造工艺，功耗低，成本低廉。

全静态工作时0Hz-24Hz，正常运行电压5V，速度可达33MHZ。

片内有4K字节可编程闪烁存储器，128字节的RAM存储器和4字节的EPROM存储器，不扩展存储器可满足系统需要，采用低功耗的闲置和掉电模式可降低成本且提高系统抗干扰能力。

（3）可靠性高。

芯片本身按工业测控环境要求设计，抗噪声干扰强；运行温度范围宽（-40℃-60℃）；允许电源波动范围大（5V±20%），芯片内有振荡器和时钟电路。

（4）扩展性能好。

具有4个8位I/O口，通过芯片外引脚构成三总线结构（地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB）。

RAM可扩展到64K字节，另外具有片内FLASH程序存储器，同时含有2个外部中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，5个中断源。

AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

（5）稳定性好。

寿命可达1000写/擦循环，数据保留时间可达10年。

管脚说明

AT89C51芯片引脚排列如图2-2所示。

引脚按功能可分为：

电源和时钟引线、I/O口线、控制口线三部分。

：

VCC：

供电电压。

VSS：

接地。

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。

：

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FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH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（第二功能如表2-1）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。

（3）控制口线：

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。

：

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

有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号将不出现。

/VPP：

当

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，

将内部锁定为RESET；当，

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）。

表2-1P3口第二功能

I/O引脚

第二功能

注释

串行数据输入口

串行数据输出口

外部中断0请求

外部中断1请求

定时器/计数器0外部输入

定时器/计数器1外部输入

外部数据存储器写选通

外部数据存储器读选通

振荡器特性和时钟电路

：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

：

单片机应该是一个最小应用系统，但在这个最小系统中，仍有一些功能器件如晶体振荡器、复位电路等无法集成到芯片内部，因而需要在片外接相应的电路。

89C51通常采用电自动复位和开关复位两种方式，本系统选用上电复位电路，复位电路如图2-3（a）所示，在RC电路的充电过程中，RESET端出现正脉冲，RESET端保持10以上的高电平，单片机可有效复位。

系统单片机的时钟电路如图2-3（b）所示：

在XTAL1、XTAL2引脚上外接石英晶体和微调电容组成并联谐振回路，外接两个30Pf的谐振电容，选用6MHz的晶振。

芯片擦除

整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

A/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。

ADC0809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。

：

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2-4所示：

图2-4ADC0809内部逻辑结构

图中，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～＋5