电冰箱温控系统DOC.docx

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电冰箱温控系统

设计要求:

A、单片机控制。

B、制冷控制电路、温度监测及恒温控制。

1、设计方案

本系统以AT89S51单片机为核心，来实现各个模块的功能。

温度传感器模块、键盘输入模块作为系统的输入模块，液晶显示模块、温度控制器模块、报警模块作为系统的输出模块，构成基本电路，原理框图如图1所示。

温度传感器从设备环境采集温度，单片机AT89S51获取采集的温度值，经处理得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。

当采集的温度经处理后超过设定温度上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备（压缩制冷器），当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备（加热器）。

2.测温模块的选择方案

DS18B20是一种单端通信的数字式温度传感器，操作简单。

我们把单片机的一条I/O分配给温度传感器，即可完成温度采集。

本系统在温度采集中使用的DS18B20测温原理图如图2-1所示：

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号，送给减法计数器1；高温度系数晶振振荡频率随着温度变化，变化明显，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。

图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量，计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定。

每次测量前，首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中。

图2-1DS18B20测温原理图

DS18B20的内部有一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL。

当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第1和第2个字节。

单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，对应的温度计算：

当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。

第3和第4字节是TH和TL的拷贝，是易失性的，每次上电复位时被刷新，第5字节为配置寄存器，它主要用来确定温度值的数字转换分辨率。

6、7、8字节保留未用，为全逻辑1，第9字节是冗余检验字节。

DS18B20的温度采集过程：

如图3-2所示。

图2-2DS18B20温度采集过程

DS18B20的常用连接电路图如图2-3所示。

图2-3DS18B20连接电路

3.各单元的设计

3.1单片机时钟电路及复位电路

（1）时钟电路

时钟电路对于单片机系统而言是必须的，因为单片机内部是由各种各样的数字逻辑器件构成，而这些器件又必须按时间顺序完成。

所以在管脚的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和俩个谐振电容，电容采用2个30u电容，采用12M的石英晶体。

这样就可以构成单片机的基本时钟电路，时钟频率为12M。

电路图如图3-1所示：

图3-1单片机时钟电路

（2）复位电路

复位电路是对单片机进行初始化操作，使单片机处于一个确定的初始状态。

而要AT89S51复位得在RESET引脚上加5V的高电平信号就可以了。

复位电路参数为30U的电解电容和10kΩ的电阻。

如图3-2为单片机的复位电路。

图3-2复位电路

（3）单片机最小系统

根据AT89S51的引脚定义，单片机、时钟电路、复位电路构成了单片机最小系统，如图3-3所示：

图3-3单片机的最小系统

3.2键盘

单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。

键开关状态的可靠输入：

为了去抖动我采用软件方法，它是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响

在这种行列式矩阵键盘非编码键盘的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。

当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。

对键的识别通常有两种方法：

一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。

3.3温度控制及超温和超温警报单元

当采集的温度经处理后超过规定温度上限时，单片机通过P1.4输出控制信号驱动三极管D1，使继电器K1开启降温设备（压缩制冷设备）：

当采集的温度经处理后低于设定温度下限时，单片机通过P1.5输出控制信号驱动三极管D2，使继电器K2开启升温设备（加热器1）。

当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。

具体电路连接如图3-4所示。

图3-4具体电路连接图

3.4数码管的显示电路

（1）LED显示器

七段LED数码显示器是由a、b、c、d、e、f、g、h这8段发光二极管组成的“8”字型显示器件。

根据内部发光二极管的连接形式不同，LED有共阴极和共阳极两种。

所有发光二极管的阳极连在一起称共阳极LED；阴极连在一起称共阴极LED。

LED的结构及连接图如图3-5所示

图3-5LED结构及连接图

（2）LED的接口电路

LED数码显示接口电路分静态显示和动态显示两种。

所谓静态显示，就是每个显示器都要占用独立的具有锁存功能的I/O接口，显示的字型码送到接口电路。

在字位数较多时，电路比较复杂，需要的接口芯片较多，成本也较高。

因此在实际应用中常常应用动态显示器接口电路如图4-9所示。

它是把所有显示器的同名字段互相连接在一起，并把它们连到字形口上。

每个数码管的公共端受单片机的I/O口控制。

CPU送出字段码，只有公共端符合条件的数码管才显示。

根据这个原理，采用分时导通的办法，利用人眼的滞留性，达到动态扫描的目的。

图3-6数码管的显示电路

4.5蜂鸣器电路

本次设计采用蜂鸣器电路如图3-7所示作为报警装置。

图3-7蜂鸣器电路

4.6接口通讯单元

接口通讯产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。

由于电脑串口rs232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0+5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。

每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

图3-8通讯接口连线图

51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。

进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。

在本设计中采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：

第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。

这是最简单的连接方法，但是对我来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接，串口通讯具体如图4-5。

参考文献

[1]孙传友、孙晓斌.测控系统原理与设计.北京航空航天大学出版社.2011.11.

[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.2004:

126-130.

[3]孙志良.单片机原理与控制技术.机械工业出版社.2001.

[4]李朝青.单片机原理及接口技术.北京航天航空大学出版社.2000:

208-215.

[5]王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京航天航空大学出版社.2000:

65-68

附件一总体电路设计