电冰箱温度测控系统毕业设计论文说明书.docx

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电冰箱温度测控系统毕业设计论文说明书

编号：

毕业设计说明书

题目：

电冰箱温度测控系统设计

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2012年5月20日

摘要

随着电子技术、传感技术、计算机控制技术的发展以及对冰箱节能保鲜的要求，变频冰箱得到了快速发展。

变频冰箱使用了变频压缩机，通过调节变频压缩机的转速，以此来控制制冷量，温度波动小，制冷效率高，节能明显。

电冰箱温度测控系统设计采用单片机产生PWM信号控制功率模块来实现电机的变频控制。

具体是利用DS18B20温度传感器对周围的环境温度进行监测，获取的当前温度，并输入到整个系统的核心部件——AT89C51单片机中，再与预先设定的温度相比较，单片机通过对信号加以判断，根据当前温度与预设的温度的温差来改变工作的频率，当现温度与预设温度相差较大时，工作频率较高，当现温度与预设温度相差较小时，工作频率较低，通过变频来达到节能的效果。

同时系统还选用了LCD1602液晶屏来显示温度，有较好的可视化效果。

本次设计的电冰箱温度测控系统能够根据温度检测反馈的信号来调节工作频率，按键可调节预设温度的高低，当环境温度低于预设温度时，变频模块停止工作，当环境温度高于预设温度时，工作频率变高，电机转速变快。

频率范围30-150HZ。

温度变化差值以1°作为改变频率的界限，当环境温度高于预设温度5°以上时，则以最高的工作频率工作。

本次设计能够通过改变电机转速，根据温度差值的变化而变化，从而减小频繁开停机损失、降低耗电量。

关键词：

变频冰箱;DS18B20传感器;AT89C51单片机

Abstract

Withelectronictechnology,sensortechnology,thedevelopmentofcomputercontroltechnology,andpreservationoftherefrigeratorenergysavingrequirements,hasbeenarapiddevelopmentintheinverterrefrigerator.Theuseofvariablespeedcompressorforinverterrefrigerator,byregulatingthespeedoftheinvertercompressor,inordertocontrolthecoolingcapacity,temperaturefluctuations,highefficiencyrefrigeration,energysavingisobvious.

Therefrigeratortemperaturecontrolsystemdesignusesamicrocontroller'sPWMsignaltocontrolthepowermoduletothemotorinvertercontrol.SpecificDS18B20temperaturesensormonitoringthetemperatureofthesurroundingenvironment,accesstothecurrenttemperature,andenteredintotheheartofthesystemcomponents-AT89C51microcontroller,andthencomparedwithpre-settemperature,themicrocontrollerthroughthesignaltobejudged,changethefrequencyofworkaccordingtothetemperaturedifferencebetweenthecurrenttemperatureandthepresettemperature,whenthecurrenttemperatureandpresettemperaturedifferencebetweenthelarger,higheroperatingfrequency,whenthecurrenttemperatureandpresettemperaturedifferencebetweenthesmaller,loweroperatingfrequency,byfrequencytoachievetheenergysavingeffect.ThesystemalsoselectedLCD1602LCDscreentodisplaytemperature,abettervisualization.

Thedesignoftherefrigeratortemperaturecontrolsystemaccordingtothetemperaturesensingfeedbacksignaltoadjusttheoperatingfrequency,buttonadjustablepresethighandlowtemperature,whenambienttemperatureisbelowapresettemperature,theconversionmoduletostopworkingwhentheambienttemperatureishigherthanwhenthepresettemperature,theoperatingfrequencybecomeshigher,themotorspeedbecomesfaster.Frequencyrangeof30-150HZ.Temperaturedifferenceof1°astheboundariestochangethefrequencywhentheambienttemperatureishigherthan5°abovethepresettemperature,whilethemaximumoperatingfrequency.Thisdesignbychangingthemotorspeedvariesaccordingtochangesoftemperaturedifference,therebyreducingthefrequentopeningofdowntime,lowerpowerconsumption.

Keywords:

frequencyrefrigerator;theDS18B20sensor;AT89C51single-chipmicrocontroller

引言

随着工业自动化水平的不断提高和电力电子技术的发展，家电产品中采用变频调速技术越来越多，政府号召节约资源、企业需要降低生产成本、市场呼吁节能技术和产品，而变频技术被认为是最有效的节能方式之一，使用变频技术不仅能达到科学用能、节能降耗的目的，而且能够提高自动化水平，改善工艺。

以低能耗、低污染为基础的“低碳经济”成为全球热点。

低能耗、低污染为基础的绿色经济已经逐渐成为社会发展的必然趋势，节能减排势在必行。

提高能效技术、节约能源技术、可再生能源技术和温室气体减排技术的开发和运用，能够促进整个社会经济朝向高能效、低能耗和低碳排放的模式转型。

目前我国生产的电冰箱绝大多数是定转速式电冰箱,普通家用冰箱中的电机启动频繁、噪声大、寿命短、温度稳定性差、能耗高。

而变频调速式电冰箱与其相比较,具有明显的节能效果和降噪效果，同时整机寿命有明显提高。

变频冰箱以其节能、静音、速冻能力强、温度控制准确、高效节能、工作电压范围宽等被业界视为电冰箱的发展趋势。

变频冰箱的研制，不仅是电冰箱发展的要求，而且也代表着国内冰箱企业的技术水平和开发能力。

本次设计的电冰箱温度测控系统采用AT89C51单片机作为控制器核心，对电机的工作过程进行控制。

通过DS18B20温度传感器对环境温度进行检测，把数据发送到单片机中，单片机经过数据处理，把实时检测到的温度与预设的温度进行比较，根据温差大小产生不同脉冲宽度的PWM信号，输入到专用驱动芯片IR2302，控制驱动功率管，输出交变电压，从而改变电机的转速，从而达到节能效果。

1绪论

1.1基于单片机的电冰箱温度测控系统介绍

1.1.1变频技术概述

“变频”在机电领域原指电源逆变器输出的电压频率能够根据需要变化。

通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。

对由逆变电源供电的感应电动机、永磁无刷电动机来讲，逆变器输出电压频率的改变，能使电机的转速也跟着作相应的变化。

在家用电器如空调、冰箱、洗衣机等中，所说的“变频”可以通俗地理解为其压缩机或电机的转速能够根据控制的需要而变化，进而提供不同的制冷量、制热量或洗涤能力。

变频技术采用新型变频器，将50HZ的固定供电频率转换为30-130HZ的变化频率，实现电动机运转速率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。

变频技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机技术、自动控制理论等的不断发展而发展，现已进入一个崭新时代，其应用也越来越普及。

从起初的整流、交直流可调电源等已发展至高压直流输电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存等。

在运输业、石油业、家用电器、军事等领域得到了广泛的应用。

如变频空调、变频洗衣机、变频冰箱、变频微波炉、军事通信、导航、雷达等设备的小型化电源等。

上世纪50年代末，由于晶闸管（SCR）的研究成功，电力电子器件开始运用于工业生产，可控整流直流调速便成了调速系统中的主力军。

但由于直流电机结构复杂，造价比交流电机高，直流电动机在运行中，炭刷接触产生炭粉而易引起环火，须经常维护，而且直流调速系统线路复杂，维修十分不便。

因而便促进了世界各国对交流调速技术的开发和研制。

20世纪80年代中期，随着第三代电力电子器件，如门极可关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全控型电力电子器件的研制成功，以及电力电子器件从电流驱动型到电压驱动型全控器件等的发展，同时随着控制理论、微电子技术和计算机技术的发展，使交流电机变频调速技术取得了突破性进展，并以其优越的调速性能和良好的节能效果逐渐取代了直流调速系统和其他的调速方式，如变极调速、串级调速、滑差电机调速、整流子电机调速等。

随着全球能源短缺趋势的加剧以及交流变频技术及变频器产品的性能和功能日趋完善，变频技术越来越广泛地应用在工业生产的各个领域中。

1.1.2变频技术在冰箱中的应用

变频调速技术用于冰箱控制系统，具有调速性能好、节能效果显著、运行安全可靠等优点。

在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提高效率、降低能耗具有重大的现实意义。

可以说，变频调速技术是一项利国利民、有广泛应用前景的高新技术。

变频冰箱，通过传感器及电子智能控制系统，压缩机根据冰箱冷藏室或冷冻室的需要改变转速。

定频冰箱维持冷冻温度是通过测温控制自动开关机来实现的，每次自动开机制冷实际上是对食品进行反复的温度冲击。

变频冰箱则通过5摄氏度、0摄氏度等温控点的转速调节，使食品温度冲击变小，减少食品水分流失，保鲜期也可延长3～5天，节能效果也相应提高。

不论是节能还是保鲜，变频冰箱在技术原理上都有着独到的优势。

此外，变频冰箱的噪音还很低。

有关企业的测试结果表明，变频冰箱的速冻能力比普通冰箱提高20%，节能效果显著，常规运行时噪音大大降低。

冰箱压缩机的效率随着冰箱容积的增大而降低，而变频冰箱在冰箱负载较大时压缩机可以高速运转实现快速降温,通过连续调节压缩机转速可使冰箱内的温度控制比较精确和稳定。

容积超过300L的普通冰箱，即使压缩机能效比再高也不会随着制冷负荷的大小而节电。

但变频压缩机变速制冷的工作原理会在这种情况下比普通压缩机的工作效率提高很多，即使压缩机的COP值与高效压缩机相同，而通过变频控制，变频冰箱也能节能约30%。

变频冰箱可以在很短的时间内通过改变压缩机频率可以在很短的时间内打温度打下来,在温度降低后以低频率保持低温,不用停机.这样冰箱的温度的波动范围大大减小,不用频繁开机,同等情况下也可以省电。

变频优势明显，变频冰箱的主要特点有：

由于制冷量可调节，使得冰箱的制冷量可以与冰箱的负载良好地匹配，避免无谓的能量消耗；当冰箱所需制冷量较小时，压缩机可以低速运转，减少冰箱的启动次数。

与常规冰箱相比，具有两方面的节能优势，一是减少了冰箱频繁停机/启动所造成的开停机损失；二是减少了冰箱停机造成系统高低压平衡、在开机时又必须重新建立这一高低压所造成的能量损失。

采用变频技术主要是从冰箱的运行、使用过程实现节能，通过改变压缩机转速来改变冰箱的制冷量，使制冷量能够根据负荷的变化而变化，从而减小开停机损失、降低耗电量。

同时，在变频冰箱中使用的直流调速压缩机又减小了压缩机电机的励磁损失，压缩机效率得到进一步提高。

1.2课题的意义及目的

本课题“电冰箱温度测控系统设计”主要是将所学的单片机原理、计算机控制技术、传感器技术等知识运用到实际的生活中，真正做到理论与实践相结合。

在社会大力提倡节能减排，低碳生活的今天，普通家用冰箱中的电机启动频繁、噪声大、寿命短、温度稳定性差、能耗高等问题，是需要我们亟待解决的。

近几年随着科学技术的发展，特别是电子技术和计算机控制产业的发展，变频技术在家电领域的应用逐步普及。

随着人们生活质量的提高，人们对家电提出了更高的要求，在能够实现原有功能的同时，还要符合社会节能减排的要求。

针对于这种情况，本课题介绍的电冰箱温度测控系统，能对冰箱中的温度进行检测，并与设定的温度相比较，根据温差的大小来改变工作频率，完全符合了现代家庭对于家电节能的要求，既能保持原有冰箱的制冷功能，又能达到节能的效果。

这个课题研究将使得我们的生活更加节能环保。

2设计方案

2.1设计方案论证

根据要求，本次毕业设计重要的部分是测温元件的选用，温控器的选择决定外围电路的设计。

根据查阅资料，温控器的选择有如下两种：

方案一：

采用传统的测温元件，如热电偶、热电阻。

温控器可以选择热电偶和热电阻，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，电路复杂，软件调试复杂，精确度不高。

方案二：

采用高性能的数字智能温度传感器DS18B20，DS18B20数字温度计提供9到12位分辨率的温度测量，DS18B20作为检测元件，操作温度范围在－55°C到＋125°C变化。

－10°C到＋85°C范围的温度精度可达±0.5°C，最高分辨率可达0.0625°C。

DS18B20可以直接读出被检测温度值，而且采用三线制与单片机相连，通过1－Wire总线来通信，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。

本次毕业设计中采用方案二，采用DS18B20数字智能传感器作为温度检测元件。

显示部分的方案选择有三种

方案一：

采用数码管动态显示。

本次设计的显示内容主要为数字，利用LED数码管可基本满足使用要求，且成本较低，但是数码管显示不利于显示字符，而且亮度低，可视性较差，所以不用此种作为显示。

方案二：

采用点阵式数码管显示。

点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示.

方案三：

采用LCD1602液晶显示。

液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，由于液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

1602液晶模块内部存储有不同的点阵字符图形，这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，其内部还有自定义字符（CGRAM），可用于存储自已定义的字符。

采用LCD液晶显示可以更好的显示效果。

故显示部分采用方案三，采用LCD1602作为显示元件。

综合上述，本次设计采用温度传感器DS18B20作为温度检测元件，用LCD1602液晶显示，配合单片机AT89C51进行设计，由以下模块组成：

主控制器、测温电路、显示电路、变频控制电路。

2.2设计思路

通过分析研究课题的要求以及难点，本次设计将整个系统大致分为四大模块进行设计。

即检测模块、显示模块、主控模块和变频模块；检测模块是用温度检测传感器DS18B20，DS18B20作为检测元件,操作温度范围在－55°C到＋125°C。

在－10°C到＋85°C范围的温度精度可达±0.5°C，最高分辨率可达0.0625°C。

DS18B20可以直接读出被检测温度值,其作用主要是用来实时检测环境的温度。

传感器检测到的数据送到主控模块进行处理判断。

主控模块是整个系统的核心，它主要用来控制传感器、液晶显示屏和变频模块的工作。

主控模块主要由AT89C51单片机构成，AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

可以用来判断传感器通过信号处理电路以后发送过来的电信号，并且通过命令产生脉冲，实现变频控制。

主控单元还要用来处理温度的显示，这个功能主要通过对LCD1602液晶显示的控制来实现，变频模块主要是用4个场效应管及一个驱动芯片组成变频器，实现变频。

课题重点是对环境的温度进行实时监测，并根据温度变化的范围大小来改变工作频率，达到节能的效果。

本课题的难点在于如何实现变频。

其次是能驱动液晶显示屏，显示所要求显示的内容。

3硬件设计

3.1系统原理框图

本系统由检测模块部分、主控模块部分、变频模块部分、显示模块部分组成，原理为：

通电后DS18B20温度传感器及液晶显示LCD1602进行初始化，若温度传感器没有连上，则显示DS18B20ERROR，当传感器连接上时，显示当前温度及预设温度。

键盘可以设置预设温度。

传感器将检测到的温度送入单片机中进行数据处理，若当前温度高于预设温度，则进行制冷提示。

根据当前温度与预设温度的差值高低输出不同周期的脉冲，输入到变频器中，控制工作频率变化。

其原理框图如图3-1所示。

图3-1原理框图

3.1.1检测模块部分

温度检测模块采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

便于单片机处理，简化了使用传统的测温元件的很多外围电路。

且该元件的线形较好，物理化学性很稳定，能用于工业测温。

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire，即单总线器件，具有耐磨耐碰，线路简单，体积小的特点。

封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

用它来组成一个测温系统，线路简单，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

十分方便。

DS18B20的特点如下：

（1）测量温度范围在－55℃到＋125℃之间。

（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

（4）温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒。

（5）数字温度计的分辨率可以从9位到12位选择。

（6）只要有一个端口即可实现通信。

图3-1-1DS18B20

（7）内部有温度上、下限告警设置。

（8）可用数据线供电，也可外部独立电源，无需备份电源

DS18B20其引脚排列如图3-1-1所示。

引脚功能如表3-1-1所示。

表3-1-1DS18B20详细引脚功能描述

序号

名称

引脚功能描述

1

GND

地信号

2

DQ

数据输入/输出引脚。

开漏单总线接口引脚。

当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。

3

VDD

可选择的VDD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。

DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。

该协议定义了几种信号的时序：

初始化时序、读时序、写时序。

所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。

而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。

数据和命令的传输都是低位在先。

DS18B20的温度采集电路如图3-1-2所示。

图3-1-2DS18B20电路图

DS18B20完成温度转换须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

复位要求单片机将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，单片机收到此信号表示复位成功

DS18B20内部结构框图如图3-1-3所示，主要由四部分组成：

64位光刻ROM，温度传感器，温度报警触发器TH和TL,配置寄存器。

图3-1-3DS18B20内部结构图

DS18B20测温原理如图3-1-4所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3-1-4中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

在正常测温情况下，DS18B20的测温分辩率为0.0625℃,以12位数据格式表示。

12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+125乘以0.0625℃的数字输出为0191H，-25乘以0.0625℃的数字输出为FE6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

图3-1-4DS18B20测温原理图

DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，所以把后11位的2进制转化为10进制后在乘以0.0625便为所测的温度，还需要判断正负。

前5个数字为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。

16位数字摆放是从低位到高位。

不同的温度转化位对应不同的转化时间，9位，10位，11位，12位的温度显示对应的四种配置的分辨率分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。

DS18B20使用中需要注意DS18B20虽然具有测温系统简单