基于单片机的制冷系统及智能控制.docx
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基于单片机的制冷系统及智能控制
1引言
温度是与人类的生活和工作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测定的物理量。
从工业炉温、环境气温到人体温度；从空间、海洋到家用电器等各个技术领域都离不开测温和控温。
因此，测温、控温技术发展最快，范围最广。
1.1本课题的意义
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务，对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度控制有着绝对的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
温度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量，而温度是一个模拟量，不能直接与单片机交换信息，采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上虽然不困难但成本较高，还会遇到其它方面的问题。
随着国民经济的发展，人们需要对各中加热炉，热处理炉，生化温室中温度进行监测和控制。
温度监控系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等，和人们的日常生活息息相关，例如微波炉，冰箱，热水器等都需要对温度进行控制，而开发一个智能的温度控制系系统显着尤为重要，而如今随着科技的进步，已经开发出很多不同用途的智能温度控制系统，大大方便了人们的日常生活，为经济的发战做出了贡献。
温度测量和控制在工业控制领域也有着广泛的应用，温度控制充当了一个很重要的角色，所以说温度控制在整个国民经济的发展中都有着重要的意义。
1.2国内外发展状况
目前，国内的大型冷库大多采用仪表控温.人工手动的定值方式。
对于大型多种类型库房的冷库，这种控制方式往往无法满足冷库温度控制的要求。
为此，我们在设计大型冷库温度控制系统时。
采用AT89C52单片机为核心设计系统的控制器。
通过对各库房内多点测温点的检测。
分析库内温度场的分布情况，然后根据对库温的各种具体要求，控制制冷系统的运行。
我国冷库自建国以来经历了从小到大、从少到多、从单一到综合、从一般到先进的发展历程。
冷库的发展离不开对制冷技术的依托，而制冷技术的发展又离不开自动控制的应用。
自动控制在我国冷库制冷装置及其系统的应用始于六十年代，从自控元件仪表自主开发研制和试点工程，到大量工程应用和发展;整个装置系统的引进和应用，直至电子技术的广泛应用，经历了从无到有、从初级到高级的不断开发、拓展的历程。
当今我国冷库制冷装置及其系统的自动控制技术己日趋成熟并得以广泛应用和发展;可以这样说，当今制冷技术的发展已越来越离不开自动控制的支撑;当今电子技术、PLC和CPU的应用已越来越深入于冷库自动控制的内容;当今自动控制的实施在安全、经济和节能等领域亦越来越体现其无可替代的重要地位。
由于计算机技术的应用，使制冷系统的自动控制上升了一个很大的台阶，做到了常规控制难以做到的控制内容。
例如库房温度排序、氨压缩机列队、当前负荷和制冷量计算、蒸发温度设定、库房温度设定、系统最佳运行、冷凝水泵动态调节、事故处理、数据采集打印和随机查询等功能的实现，就是计算机技术应用的成果。
自行设计的冷库自动控制与以往相比，最大的不同是可以选用的自控元件仪表品种多了、质量也高了，其结果就是克服了长期以来“头脑灵活而手脚不灵”的尴尬局面，使冷库自动控制成了十分必要而且实用的技术。
吴径冷库1000吨高温库的项目，以通用PLC为核心，采用相关元件和仪表，编制控制中国制冷学会第十七次团体会员大会暨第五届全国食品冷藏链大会论文集程序，取得了可编程序控制器在制冷系统应用的成功，还获得了上海市科技成果应用的证书。
新加坡在中国投资的深圳清溪和山东龙口冷库，用国产制冷设备和进口自控元件实现了高温库和高、低温两用库的自动控制。
广州600（）吨山力冷库是民营企业，在该工程中选用了进口螺杆制冷压缩机、国产辅机和进口制冷自控元件，实现了采用顶墙排管低温库（包括制冰和冰库）的自动控制。
在这些冷库的自动控制中，螺杆式制冷压缩机的机电一体化是一个很大的特点，采用微电脑或PLC组成的主机控制屏不但提高了对本机自控的程度，还有专用通讯接口，可以与系统建立联络和纳入整个系统的控制;通过该控制屏的人机界面不但能了解当时运行工况和相关参数，还能根据运行要求对这些参数进行设定，满足实际控制需要。
国外引进冷库的自控特点
一些企业从国外引进的冷库、制冷设备和制冷系统，其特点之一就是技术先进自动化程度高。
这些工程基本上都采用带微电脑控制的螺杆制冷压缩机和各种自控元件，结合制冷对象的特点，实现制冷设备及其系统的自动控制。
该时期的深圳坪山冷库、上海外高桥冷库、二十一世纪冷库和福乐冰琪淋食品公司等项目的自动控制都各具特点。
1）螺杆压缩机不但能根据实际负荷的变化作相应的能量调节，还能根据运行工况变化作相应的内容积比调节。
2）在高、低温多蒸发温度的制冷系统中，实现了中冷带负荷系统的配置和自动调节，使制冷压缩机的配置数量最少、投入运行的效率最高、对制冷对象变化的适应最灵活。
3）实现了重力供液系统的自动控制，还同样做到了中冷带负荷的控制，使较为传统的重力供液系统焕发了新春，在省去液泵的同时，减少了制冷装置的功率消耗和日常维修。
通过这些工程的设计、安装和调试，还拓展了视野、丰富了经验、加快了与国际接轨的步伐从以往冷库自控的发展，可以明显地看到，自控元件仪表的制造、制冷系统的控制是和电子技术的发展互为依托、相互促进的。
从最早的继电器回路、到由分立原件组成的程序控制器、再到集成电路的可变程序控制器。
1.3温度监控系统常用的两种装置
1.3.1PLC控制
系统由温度传感器、PLC系统（含键盘和液晶显示）、加热设备几部分组成。
利用PLC把传感器采集的有关参数（如温度）转换为数字信号,并把这些数据暂存起来,与给定值进行比较,经控制算法后,给出相应的控制信号进行控制。
系统还可以经过串行通信接口将数据送至上位机,从而完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能,并可以对数据进行显示、编辑、存储及打印输出。
传感器把与环境有关的参量转换为电压信号,经运算放大器组成的信号处理电路变换成压频转换器（V/F）需要的电压信号。
其中温度传感器的输出电流与绝对温度成正比,且具有温度响应快、线性度好及高阻抗电流输出等特点,适于长距离传输,可把-5～55℃的温度转换成1～4V的电压;测湿调理电路是将湿度传感器测试到的10%～90%的相对湿度转换成4～20mA的电流输出信号。
监控系统的执行机构包括遮阴帘、电磁阀等设备。
系统工作时,PLC通过温度传感器来测量温室内的温度并与设定值相比较,如果温室内的温度超出了设定范围的上下限值,PLC就输出指令,控制接通相应的设备;当温室的温度和湿度都在范围内时,PLC就输出指令,切断设备的电源。
1.3.2单片机控制
温度监控系统采用单片机进行控制，由温度检测电路、显示电路、A/D转换电路、执行机构、控制电路和单片微处理器等组成。
用单片机作为控制器,可对执行机构发出指令，实现温度参数调节,具有上下位机直接设置温度范围,温度实时显示等功能。
系统下位机由传感器检测模块,键盘显示模块和执行机构模块三大部分构成。
2系统框图和数学模型
2.1控制要求
1）冷库的温度要保证在适于放置冷藏物品的温度内，这主要在控制程序设计中考虑。
温度控制范围为-15℃～-25℃，升温、降温阶段的温度控制精度要求为0.5℃，保温阶段温度控制精度为0.5℃，温度控制曲线见图2.1。
[1]
图2.1温度控制曲线
2）微机自动调节正常情况下，系统投入自动。
3）模拟手动操作当系统发生异常，投入手动操作。
4）微机监控功能显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出。
2.2受控对象的数学模型
控制的温度是影响冷库性能的重要因素。
本系统要求长时间监视冷库的温度，并对当前的温度进行控制。
本控制对象为冷库，采用继电器进行控制。
报警电路
图2.2温度控制系统整体结构框图
2.2.1系统整体结构框图
冷库温度检测控制系统主要由AT89C52为核心，结构框图如图2.2所示。
2.2.2系统整体工作过程
本系统的一大特点是用户可以通过下位机中的键盘输入温度的上、下限值，也可以通过上位机对温度的上、下限值进行输入，从而实现上位机对培养容器温度检测控制的远程操作。
系统下位机设在冷库里，下位机中的温度传感器可以将环境中的温度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过LED数码管进行实时显示，同时与原来内部设定的上、下限值进行比较，单片机可以根据比较的结果对温度控制电路内的继电器发出相应的通断信号，并通过继电器的吸合状态去控制相应的设备进行操作，调节冷库内的温度状态。
用户直接通过键盘对温度的上、下限值进行设置后，如果环境的实时参数超越上、下限值，系统自动启动执行机构调节冷库内温度状态，直到温度状态处于上下限值范围内为止。
下位机LED显示部分可以直接实现温度值的实时显示。
上位机可通过通信接口模块接收下位机传送过来的温度值，可以直接设置温度值并通过单片机去控制执行机构对冷库进行相关操作。
由于通常的PC机都配有RS-232C的串行通讯接口，有效通讯距离较短。
为了实现长距离通讯，不得不将RS-232C接口转化成RS-485接口。
因此上下位机之间通过符合串行总线RS-485标准的通信通道以事先约定的协议进行通信。
2.2.3温度控制系统的组成框图
采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图2.3。
其中数字控制器的功能由单片机实现。
冷库温度的传递函数为
，其中τ1为电阻加热的时间常数，
为电阻加热的纯滞后时间，
为采样周期。
A/D转换器可划归为零阶保持器内，所以广义对象的传递函数为
（2.1）
图2.3温度控制系统的组成框图
广义对象的Z传递函数为
（2.2）
所以系统的闭环Z传递函数为
（2.3）
系统的数字控制器为
=
（2.4）
写成差分方程即为
（2.5）
令
得
（2.6）
式中
——第
次采样时的偏差；
——第
次采样时的偏差；
——第
次采样时的偏差。
3系统硬件设计
考虑到尽量降低成本和避免复杂的电路，此系统所用到的元器件均为常用的电子器件。
主控器采用单片机AT89C52；温度传感器采用AD590；采用控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动；单片机所需要的+5V工作电源是通过220V交流电压通过变压、整流、稳压、滤波得到。
实时控制的显示器、键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示。
下面对硬件电路作具体的设计。
3.1单片机AT89C52单片机介绍
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低压，高性能CMOS8位单片机，期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，因此，功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合。
AT89C52提供以下标准功能：
8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通讯口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通讯口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C52的引脚如图3.1所示。
[1]
图3.1AT89C52引脚结构图
3.1.1单片机的引脚功能描述
下面对AT89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍：
1）电源引脚Vcc和Vss
Vcc（40脚）：
电源端为+5VVss（20脚）：
接地端。
2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL2（18脚）：
接外部晶体和微调电容的一端。
在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。
若需采用外部时针电路时，该引脚输入外时钟脉冲。
要检查89C52的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。
XTAL1（19脚）：
接外部晶体和微调电容的另一端。
在片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。
在采用外部时钟时，该引脚必须接地。
3）控制信号脚RSTALEPSEN和EA。
RST（9脚）：
RST是复位信号输入端，高电平有效。
在此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。
ALE/PROG（30引脚）：
地址锁存允许信号端。
当AT89C52上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。
此频率为振荡器频率fosc的1/6，当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。
平时不访问片外存储时，ALE端也以1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。
如果你想看一下AT89C52芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则AT89C52基本上是好的。
ALE的负载驱动能力为8个LS型TTL（低功耗高速TTL）。
PSEN（29脚）；程序存储允许输出信号引脚，在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。
此引脚接ERROM的OE端。
PSEN端有效，即允许读出ERROM/ROM中的指令码。
CPU在从外部ERROM/ROM取指令期间，每个周期PSEN两次有效。
不过，在访问片外RAM时，要少产生两次PSEN负脉冲信号。
要检查一个AT89C52小系统上电后CPU能否正常到ERROM/ROM中读取指令码，也可用于示波器看PSEN端有无脉冲输出。
如有，说明基本上工作正常。
EA/VPP（31脚）：
外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。
当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内ERROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令。
但在PC（程序计数器）的值超过OFFFH（对8751/8051为4k）时，将自动转向执行片外存储器的程序。
当出入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部ERROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。
对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERROM，此时必须将EA引脚接地。
如果使用有片内ROM的AT89C52，外扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地。
4）I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）
P0口：
P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。
P1口：
8位准双向I/O端口。
P2口：
即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此时为准双向口）。
P3口：
双功能口，即可以做普通I/O口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作）。
见表3.1。
表3.1P3口的第二功能表
引脚
第二功能
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（定时器0外部中断）
P3.5
T1（定时器1外部中断）
P3.6
WR（外部存储器写选通）
P3.7
RD（外部存储器读写通）
3.12时钟电路
AT89C52的时钟方式有两种，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。
本设计从简化电路方面考虑，采用内部时钟方式。
AT89C52单片机内有一个高增益的反相放大器，其输人端（XTAL1）和输出端（XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容构成振荡器，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器工作的稳定性，起振的难易程度及温度稳定性，一般电容值在20pF～40pF时，振荡器有较高的稳定性。
本设计用于交流电参数的测量，数据计算又软件实现，需要稳定的振荡时钟来保证测量与计算的精度，所以选择电容值为33pF，晶振频率为12MHz。
电路如图3.12所示。
图3.12时钟电路
3.13复位电路
复位电路常采用上电复位和按钮复位两种方式，其工作原理为：
上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。
当时钟频率选用12MHz时，C取22µF，R约为10KΩ。
除了上电复位外，有时还需要人工按钮复位。
考虑到系统在实际运行中可能会出现死机的情况，自动复位不能实现，于是就采用了上电复位与按钮复位兼有的复位电路，确保系统安全运行。
如图3.13所示。
图3.13复位电路
3.28155芯片的简介
8155是带RAM和定时器/计数器的可编程并行接口芯片。
用8155可作LED显示接口。
如图3.2所示：
图3.28155引脚图
1）8155各引脚功能说明如下：
RST：
复位信号输入端，高电平有效。
复位后，3个I/O口均为输入方式。
AD0～AD7：
三态的地址/数据总线。
与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。
单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。
：
读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。
：
写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。
：
片选信号线，低电平有效。
IO/
：
8155的RAM存储器或I/O口选择线。
当IO/
＝0时，则选择8155的片
内RAM，AD0～AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00H～FFH）；当IO/
＝1时，选择8155的I/O口，AD0～AD7上的地址为8155I/O口的地址。
ALE：
地址锁存信号。
8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及
，IO/
的状态都锁存到8155内部锁存器。
因此，P0口输出
的低8位地址信号不需外接锁存器。
PA0～PA7：
8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。
PB0～PB7：
8位通用I/O口，功能同A口。
PC0～PC5：
有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。
TIMERIN：
定时/计数器脉冲输入端。
TIMEROUT：
定时/计数器输出端。
VCC：
＋5V电源。
2）用8155作显示接口芯片的连接电路：
其中C口为输出口（位控口），以PC5-PC0输出位控线。
由于位控线的驱动电流较大，8段全亮时约40-60mA，因此PC口输出加74LS06进行反相和提高驱动能力，然后再接各LED显示器的位控端。
B口也为输出口（段控口），以输出8位字型代码（段控线）。
段控线的负载电流约为8mA，为提高显示亮度，通常加74LS244进行段控输出驱动。
3.3温度传感器检测电路设计
集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流、电压特性与温度的关系，把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。
集成温度传感器具有体积小、反应快、价格低等优点。
AD590是集成温度传感器中常用的芯片。
它是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。
由于该器件具有良好的线性特性和互换性,因此测量精度高,并具有消除电源波动的特性。
AD590传感器有三个引脚，在使用时“+”极引脚接电源，“-”极接一电阻到地，“NC”悬空即可。
它可接的工作电压为4V～30V，可检测的温度范围为-55℃～+150℃，有非常好的线性输出性能。
温度每降低1℃,电流就增加1uA。
AD590温度与电流的关系如表3.1所示[2]。
AD590检测电路接线图如图3.3所示。
使用时，运算放大器OPA1为电压跟随器，主要为了稳定信号的输入，调节变阻器使0℃时运放OPA2的输入为：
2.73-2.73=0V，而-25℃时，OPA2的输入为2.73–2.98=-0.25V（反相），这一步称为零位调整。
运放OPA2为放大倍数为10的反相比例运算放大器。
这样，-25℃时的-2.5V经反相大10倍后为2.5V。
图3.3温度检测放大电路设计
表3.2AD590温度与电流的关系
温度
AD590电流
经10KΩ电压
0℃
273.2uA
2.732V
-10℃
283.2uA
2.832V
-20℃
293.2uA
2.932V
-25℃
298.2uA
2.982V
-30℃
303.2uA
3.032V
-40℃
313.2uA
3.132V
-50℃
323.2uA
3.232V
-60℃
333.2uA
3.332V
-100℃
373.2uA
3.732V
通过两个运放后，电路所送出的电压值的大小就能反映相应的温度值了。
为了换算方便，本设计中采用的参考电压为5.1V，即8位模数转换器ADC0809模拟量输入为+5.1V时，ADC0809的数字量为0FFH，即255。
温度显示范围设定为-51～0℃，则系统采样分辨率为51／255=0.2℃/LSB。
各温度与2个运放及ADC0809输入输出间的关系如表3.3所示。
在软件设计中，只要将输出的数字量乘以0.2℃/LSB就能换算成实际的温度值[3]。
再将个位与十位分别存入单片机的两个内存单元等待显示即可。
表3.3各温度与2个运放及ADC0809输入输出间的关系
温度值
经OPA1后
经10KΩ后
零位调整后
经OPA2后
ADC输入
ADC输出
0℃
273.2uA
2.732V
0V
0V
0V
0
-10℃
283.2uA
2.832V
0．1V
1V
1V
50
-20℃
293.2uA
2.932V
0．2V
2V
2V
100
-30℃
303.2uA
3.032V
0．3V
3V
3V
150
-40℃
313.2uA
3.132V
0．4V
4V
4V
200
-50℃
323.2uA
3.232V
0．5V
5V
5V
250
3.4ADC0809的简单介绍及其与单片机和传感器的连接
3.4.1ADC0809的简单介绍
ADC0809是8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。
ADC0809由单一的+5V电压供电；片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0～5V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换大约需要100μS；片内带有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256R电阻T型网络和树形电子开关以及逐次逼近寄存器。
输出具有TTL三态锁存缓冲器，可以直接接到单片机数据总线上。
它是28脚双列直插式封装，其引脚图如图3.4所示，各引脚的功能如下：
D7～D0：
8位数字量输出引脚。
IN0～IN7：
8位模拟量输入引脚。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
CLK：
时钟信号输入端。
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用于打开三态数据输出锁存器。
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