模糊电冰箱控制系统设计毕业设计.docx

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模糊电冰箱控制系统设计毕业设计

摘要

单片机即单片微型计算机，是集CPU、RAM、ROM、定时、计数和多种接口于一体的微控制器。

其中51单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性的一种,广泛应用于各个领域。

本课题设计的电冰箱的电控系统主要应用MCS-51单片机作为核心控制元件进行分析和设计，对各部分的软件编程、硬件电路设计、及调试进行了介绍。

本系统分温度测量和信号产生输出两大部分。

温度测量部分以模拟电路为主，配合电压比较模块、A/D转化模块，在误差允许范围内测量温度值，并进行比较,产生电压信号。

信号经ADC0809进行A/D转换，进入MCS-51单片机。

信号经单片机的控制运算处理，产生控制信号并输出控制压缩机、加热器的启动与停止。

此外，该系统可通过专用键盘接口芯片8279进行温度的设定及显示。

系统扩展LED显示器，显示动态的冷冻室温度和冷藏室温度；系统扩展了多个功能键，通过功能键可人为改变控制设定值从而满足不同用户的不同需要。

近年来，随着微电子技术、传感器技术以及计算机控制技术的发展，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、人性化和节能是其发展方向。

传统的机械式、简单的电子控制已经难以满足发展要求。

为此，本文介绍了采用MCS-51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温度,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；对霜厚度则通过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语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。

经过实践证明，经过反复的模拟运行、调试，修改，最后形成了一套完整的程序系统。

本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。

关键词：

MCS-51单片机；ADC0809,8279；AD590；电冰箱的电控系统。

Abstract

SCMismicrocomputerwhichisasetofCPU,RAM,ROM,thetiming,numberandvarietyofintegratedmicro-controllerinterface.The51microprocessorwhichisquitetypicalandrepresentativeiswidelyusedinvariousfields.

Themaintopicsdesignedbychip–microcomputerMCS-51finishthefunctionofcontrollingthefridge.Thispaperintroducestheelectricrefrigerator’selectricallycontrolledsystem,includingsoftware,hardwaredesign,andcommissioningtheproblemsencounteredindesignaswellassolutions.

Thesystemisdissolvedintotemperaturemeasurementandsignaloutputtwomostvoltagemeasurementpartsinthemaincircuitsimulation,andtiecomparativemodule,A/Dconversionmodule.Surplusmicroprocessorthroughdataprocessing,intherangeofallowableerrortemperaturemeasurementsshowsandgeneratesvoltagesignal.SignalinputissentintoADC0809forA/Dconversion.ThenthesignalafterconversionentersMCS-51microprocessor．Theoutputthathasbeendealtwithisusedtocontroltherunandstopofcompressorandheater.Inaddition，thissystemcanfulfillthefunctionofsuccessivetemperaturesettingby8279,achipusedtocontrolkeyboardandshow.ThedesignextendsLEDdisplay,whichdisplaysthedynamicenvironmentaltemperatureandextendsafewfunctionalkeysthatausercaninputtheappropriatetemperatureparameterforthespecialneed.

Intheseyears,withthedevelopmentofmicroprocessorsandsensor,thedemandoffunctionoffridgeisbecominghigherandhigher.Usersneedithasmanyfunctions,personal-likeinterfaceandlittlewasteofpower.However,thetraditionalfridgecannotfinishallthefunctions.Asaresult,thispaperintroducesthesystemwhichusesMCS-51asthecenterofthecontrolsystem,havingsoundsystemtoremindusers.The51-computergetsthetemperatureparameterfromtheintegrationtemperaturesensorandtheADC0809thattransformstheanalogparametertothedigitalparameter.Then,the51-computerputsoutthesignaltocontroltherunandstopofcompressorandheater.

Afterrepeateddebuggingandrevision,thefinalformofacompletesetofproceduressystemiscompleted.Practicehasprovedthatthesystemissteady,andithastheadvantagesofasimplehardwarecircuits,softwarefunctions,reliablecontrolsystem,highcostperformance,practicalandreferencevalue.

Keyword：

MCS-51，ADC0809，8279，AD590，electricrefrigerator’selectricallycontrolledsystem.

第一章绪论

1.1论文研究的背景和意义

现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。

在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面。

酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的于社会，电冰箱的出现及大量普及就是一个很好的例子。

随着社会发展，人们对食品温度的控制要求也越来越高，对于电冰箱的温度控制也就相应的不断提高。

随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么单片机的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。

单片机产生于20世纪70年代，发展非常迅速，从8位单片机发展到了32位的单片机，并向双CPU，大存储容量，低功耗发展。

单片机是高科技产品开发过程中不可或缺的关键手段。

它结合传感技术及计算机等高新技术，并综合应用了机械技术发展的新成果，不管是在民用工业，还是在国民经济建设中都有着极其广泛的应用前景，广泛应用于工业自动化，智能仪器仪表的设计制造中，消费电子产品领域，通信方面及武器装备等，含盖了生产、生活、军事各个领域，实现了电子产品的准确化、智能化、最优化和多功能化，发挥着越来越重要的作用，引起了各个国家的高度重视。

依靠单片机的控制技术作为现代高科技的重要组成部分，推动着自动化生产、计算机、材料加工、医疗、纺织等相关领域的发展。

是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。

正由于用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点，所以电冰箱的电控系统也采用了单片机为其各功能控制实现的核心。

而我设计的电冰箱的电控系统就是采用了单片机为控制核心，通过电路设计，扩展外围电路，实现电冰箱的温度控制，自动除霜，温度的显示功能，开门报警功能，具有很强的实用性，现实性。

通过本论文的研究，我不仅了解电冰箱的相关知识，还掌握了MCS-51系列单片机的性能特点及连接使用，编程方法，以及一些外围芯片的使用及模拟电路的设计。

1.2电冰箱电控系统的发展现状

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。

1.3论文主要技术指标和设计要求

（一）主要技术指标：

1、冷藏室温度在00C～100C左右；冷冻室温度在-500C～-180C左右

2、冷冻室采用直冷控制方式，其温度控制是通过控制压缩机来实现的，冷藏室采用风冷，其温度是通过控制风门电风扇来实现的

3、除霜是通过电热丝加热实现的，控制晶闸管的角度控制加热。

（二）设计要求：

1、硬件设计：

（1）主电路设计：

续流流二极管、晶闸管

（2）驱动电路设计

（3）温度的给定与检测

2、软件设计：

（1）开机自检初始化；

（2）监视系统有过载、过流、过压、欠压、过热

（3）为减少谐波分量采用SPWM调制信号

（4）采用交-直-交电压型

第2章控制系统结构

一般来说，双门电冰箱的冷凝器在冰箱后面，蒸发器在冷藏室和冷冻室之间。

冷冻室采用直冷控制方式，其温度控制是通过控制压缩机来实现的。

冷藏室采用风冷控制，其温度与压缩机的工作状态有关，也与冷冻室的温度有关，，蒸发器的制冷和冷冻室的温度都通过风门传送到冷藏室，风门的控制状况决定了向冷藏室输送的冷风量，故冷藏室的温度控制风门电风扇来实现的。

模糊电冰箱控制系统的结构如图。

该系统由输入部分、单片机、输出部分组成。

输入部件主要用于输入电冰箱的内部状态、电源状态和用户设定温度。

输出部件主要用于控制压缩机和除霜电热丝的工作方式，以及温度的显示。

图2-1模糊电冰箱控制系统结构

第3章系统硬件设计

3.1MCS-51单片机

3.1.1MCS-51单片机简介

在HMOS技术大发展的背景下，Intel公司在MCS-48系列的基础上，于1980年推出了8位MCS-51系列单片机。

它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。

较早的MCS-51典型时钟为12MHz，而目前与MCS-51单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到40MHz甚至更高，现在已有400MHz的单片机问世。

3.1.2MCS-51单片机特点

-8位cpu

-片内带振荡器，频率范围为1.2MHz~12MHz

-片内带128B的数据存储器

-片内带4KB的程序存储器

-程序存储器的寻址空间为64KB

-片外数据存储器的寻址空间为64KB

-128个用户位寻址空间

-21个字节特殊功能寄存器

-4个8位的I/O并行接口：

P0、P1、P2、P3

-两个16位定时、计数器

-两个优先级别的五个中断源

-一个全双工的串行I/O接口，可多机通信

-111条指令，包含乘法指令和除法指令

-片内采用单总线结构

-有较强的位处理能力

-采用单一+5V电源

3.1.3MCS-51单片机引脚功能

图3-1MCS-51引脚

40只引脚双列直插封装（DIP）。

40只引脚按功能分为3类：

（1）电源及时钟引脚:

Vcc、Vss;XTAL1、XTAL2。

（2）控制引脚：

PSEN、EA、ALE、RESET（即RST）。

　　（3）I/O口引脚：

P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。

2.2.1电源及时钟引脚

　1.电源引脚

（1）Vcc（40脚）：

+5V电源;

（2）Vss（20脚）：

接地。

　2.时钟引脚

（1）XTAL1（19脚）：

如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

（2）XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端。

2.2.2控制引脚

　　提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。

（1）RST/VPD（9脚）：

复位与备用电源。

（2）ALE/PROG（30脚）：

第一功能ALE为地址锁存允许，可驱动8个LS型TTL负载。

PROG为本引脚的第二功能。

为编程脉冲输入端。

　　（3）PSEN（29脚）：

读外部程序存储器的选通信号。

可以驱动8个LS型TTL负载。

　　（4）EA/VPP（31脚）EA*为内外程序存储器选择控制端。

EA=1，访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对于8051、8751）时，即超出片内程

序存储器的4K字节地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。

EA=0，单片机则只访问外部程序存储器。

VPP为本引脚的第二功能。

用于施加编程电压（例如+21V或+12V）。

对89C51，加在VPP脚的编程电压为+12V或+5V。

2.2.3I/O口引脚

（1）P0口：

双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

（2）P1口：

8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。

　　（3）P2口：

8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。

　　（4）P3口：

8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

　　要特别注意准双向口与双向三态口的差别。

当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。

3.1.4时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

在MCS-51单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。

在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。

MCS-51的时钟电路如图3-2:

图3-2时钟电路

用晶振和电容构成谐振电路。

电容C1、C2容量在15～40pF之间，大小与晶振频率和工作电压有关。

但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，为了提高精度，本实验板采用30pF的电容作为微调电容。

在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。

3.1.5复位电路

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境也需按复位键以重新启动。

MCS-51芯片内部有复位电路，RST引脚是复位信号的输入端高电平有效，复位方式有上电自动复位和手动复位两种。

本单片机系统采用上电自动复位方式复位，其电路如图3-3：

图3-3复位电路

3.2控制系统输入部分设计

3.2.1电源设计及检测

1．+5V稳压电源的设计

+5V电压源主要用于为MCS-51，光敏二极管，LED，报警电路等器件及电路提供稳压源。

电源（Vcc）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CW7805三端稳压芯片将+12V整形为+5V直流给整个实验板供电。

用CW7805设计的+5V稳压电源电路图如图3-4所示：

图3-4稳压电路

CW7805是常用的三端固定式集成稳压器，外形如图：

CW7805为正电压输出的集成稳压器，管脚1为输入端，2为输出端，3为公共端。

输入端和输出端各接有电容C2和C3，C2用来抵消输入端接线较长是的电感效应，防止产生震荡。

2、电源过欠压保护电路

为了使电冰箱安全可靠地运行，要求其电源电压在176V～240V之间。

因此，当电源电压小于176V或大于240V时，压缩机应自动停机并报警显示。

采用过压欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。

温度是影响电源设备可靠性的最重要因素，根据有关资料分析表明电子元器件温度升高，可靠性即会下降。

为了避免功率器件过热造成损坏，需要在电源设置电源的过欠压保护电路。

电源的过欠压保护电路如图3-5

图3-5电源过欠保护电路

3.2.2温度检测电路

利用AD590温度传感器完成温度的测量采样，把转换成电量值的温度值的模拟量送入ADC0809的其中一个通道进行A/D转换，将转换的结果送入单片机内，控制压缩机的开停，并结合软件编程，进行温度值变换之后送入数码管显示。

1、温度传感器AD590

（1）主要特性

AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4V－30V，检测的温度范围为－55?

－＋150?

，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1?

，其电流增加1uA。

表3-1AD590温度与电流的关系

摄氏温度

AD590电流

经10KΩ电压

0℃

273.2uA

2.732V

10℃

283.2uA

2.832V

20℃

293.2uA

2.932V

30℃

303.2uA

3.032V

40℃

313.2uA

3.132V

50℃

323.2uA

3.232V

60℃

333.2uA

3.332V

（2）AD590引脚图

图3-6AD590引脚图

2、ADC0809简介

（1）．主要特性

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～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

（2）．ADC0809的芯片封装及引脚功能简介

ADC0809芯片为28引脚，为双列直插式封装，其引脚排列如图3-7所示:

图3-7ADC0809引脚图

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST。

A、B、C——地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表3-5。

表3-2ADC0809地址通道对应关系

CLK——时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号。

EOC——转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高。

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc——+5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V。

3）.转换数据的传送

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

（1）定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以

信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

另外，ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

3、冷冻室温度检测电路