电子综合设计电冰箱控制器的设计与实现.docx
《电子综合设计电冰箱控制器的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子综合设计电冰箱控制器的设计与实现.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电子综合设计电冰箱控制器的设计与实现
单片机原理及应用课程设计
题目
电冰箱控制器的设计与实现
学院
计算机科学与信息工程学院
专业
班级
学生姓名
指导教师
2012
年
12
月
25
日
电冰箱控制器的设计与实现
一、设计目的
单片机即单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），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。
本次综合设计的电冰箱控制系统主要应用AT89C51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A/DC0809进行A/D转换，进入AT89C51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AT89C51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。
二、设计背景与意义
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AT98C51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。
三、总体方案设计
1、设计方案介绍
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动与停止，使冰箱内的温度保持在设定的温度范围内。
一般，当蒸发器温度高至3~5°C时，启动压缩机制冷，当温度低于-10°C~-20°C时，停止制冷。
本电冰箱电控系统要完成冷冻室及冷藏室的温度检测和动态显示的功能，霜厚检测及除霜的功能，开门报警功能，温度设置功能，以及电源过欠压保护功能。
此设计的电冰箱电控系统是以AT89C51作为主控制芯片,ADC0809为模数转换芯片,AD590温度传感器为温度检测元件，液晶显示器,按键开关等元器件组成,通过软硬件结合实现键盘扫描,液晶显示,I/O口扩展功能。
该系统具有简洁，操作简便，实用方便的特点。
此设计的总体框图如图1-1所示：
图1-1、系统总体设计方框图
外围电路是AT89C51工作的基础保障——电源电路提供稳定的+5V工作电压；时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号；复位电路使单片机实现初始化状态复位。
键盘电路用于向系统输入运行参数，控制系统的运行状态。
通过键盘扫描等程序设计把键盘输入的数据在液晶显示器上显示。
LED电路用来显示键盘输入的数据，AD590实现对冷冻室和冷藏室的温度检测，ADC0809完成对温度的模数转换，将信号上传给单片机，其功能是靠硬件电路的设计和软件程序的结合来实现的。
热敏电阻感测温度，判断霜厚程度，产生中断信号，结合单片机软件程序，控制加热器的启动与停止，完成自动除霜的功能。
2、系统硬件设计
2.1、AT89系列单片机介绍
AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位Flash单片机产品。
这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器，而其他方面和MCS—51没有太大的区别。
该系列有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。
2.1.1、AT89系列单片机的特点
（1）内含有Flash存储器
由于片内含有Flash存储器，因此在系统开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。
同时，在系统工作过程中，能有效地保存数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。
（2）和AT80C51插座兼容
AT89系列单片机的引脚和MCS—51系列单片机的引脚是一样的。
只要用相同引脚的AT89系列单片机就可以取代MCS—5l系列单片机。
（3）静态时钟方式
AT89系列单片机采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。
2.1.2、AT89系列单片机的概况
AT89系列单片机共有7种型号，分别为从89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52、AT89C2051、AT89C1051、AT89S8252。
其中AT89LV51、AT89LV52分别是AT89C5l、AT89C52的低电压产品。
最低电压可以低至2.7V。
而AT89C2051、AT89C1051则是低档型的低电压产品。
它们只有20条引脚．最低电压也为2.7V，见下表。
表1-1AT89系列单片机概况
型号
AT89C51
AT89C52
AT89C1051
AT89C2051
AT89S8252
Flash（KB）
4
8
1
2
8
片内RAM（B）
128
256
64
128
256
I/O条
32
32
15
15
32
定时器（个）
2
3
1
2
3
中断源（个）
6
8
3
6
9
串行接口（个）
1
1
1
1
1
M加密/级
3
3
2
2
3
片内振荡器
有
有
有
有
有
EEPROM（KB）
无
无
无
无
2
2.1.3、AT89C51单片机的引脚封装及功能
AT89C51单片机的引脚封装图如图1-2所示：
图1-2、AT89C51单片机的引脚封装图
管脚说明如下：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
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FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH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。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
管脚备选功能
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（记时器0外部输入）
P3.5/T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
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。
/PSEN：
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/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA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）。
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。
3、时钟电路设计
在AT89C51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AT89C51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。
AT89C51的时钟电路如图1-3所示：
图1-3、AT89C51的时钟电路
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。
4、复位电路设计
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。
AT89C51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，复位方式有自动复位和手动复位两种。
本单片机系统采用自动复位方式复位。
AT89C51的复位电路如图1-4所示：
图1-4、AT89C51的复位电路
X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。
X25045引脚如图1-5所示：
图1-5、X25045引脚图
其引脚功能如下：
CS：
片选择输入；
SO：
串行输出，数据由此引脚逐位输出；
SI：
串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X25045；
SCK：
串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；
WP：
写保护输入。
当它低电平时，写操作被禁止；
Vss：
地；
Vcc：
电源电压；
RESET：
复位输出。
X25045在读写操作之前，需要先向它发出指令，指令名及指令格式如表3-2所示。
表1-2、X2504指令名及指令格式
X25045硬件连接图如图1-4所示。
X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。
在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C4、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。
图1-4电路中，CPU的复位信号共有3个：
上电复位（C3、R2），人工复位（S、R1、R2）和Watchdog复位（C4、R3），通过或门综合后加到RESET端。
C4、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作。
看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。
如表1-4所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。
表1-3X25045状态寄存器
WD1＝0，WD0=0，预置时间为1.4s；WD1＝0，WD0=1，预置时间为0.6s；
WD1＝1，WD0=0，预置时间为0.2s；WD1＝1，WD0=1，禁止看门狗工作。
看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。
编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。
当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。
5、单片机系统的电源设计
5.1、+5V稳压电源的设计
+5V电压源主要用于为AT89C51，ADC0809，8279，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7805三端稳压芯片将+12V整形为+5V直流给整个实验板供电。
用LM7805设计的+5V稳压电源电路图如图1-6所示：
图1-6、+5V稳压电源电路图
LM7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，要求输入输出电压差保持在2V以上，能提供直流5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。
带散热片时能持续提供1A的电流，如果使用外围器件，它还能提供不同的电压和电流。
图中，C5，C6两个电容接LM7805的Vin端对外电源输入的电压进行滤波；C7，C8两个电容接LM7805的Vout端对整形后的电压进行滤波，确保Vcc端输入+5V直流电压。
D1为发光二级管，接通电源时，灯亮表示电源电路供电正常，否则电源电路出错。
ML7805的引脚图如图1-7所示：
图1-7、LM7805三端稳压器引脚图
5.2、+/-12V稳压电源设计
12V稳压源主要用于为比较器，固态继电器等提供稳压源。
其电路图如图1-8所示：
图1-8、正负12V稳压电源的设计电路图
如图所示为双极性对称稳压电源电路，它采用两只三端稳压器LM7812和LM7912构成的简单实用的对称型正负稳压电源。
LM78系列输入电压为正电压，LM79系列三端稳压器输入电压为负电压，其他特性，两者较为相似。
图中，C9，C10两个电容接LM7812的Vin端对外电源输入的电压进行平波和高频滤波，C11，C12两个电容接LM7912的Vin端对外电源输入的电压进行平波和高频滤波；C13，C1两个电容接LM7812的Vout端对整形后的电压进行滤波，C15，C16两个电容接LM7912的Vout端对整形后的电压进行滤波。
该电源输出电压为±12V，输出电流最大为l.5A。
对LM7812，LM7912的选择，力求性能参数尽量对称。
正、负三端稳压器均要加装合适的散热器。
6、霜厚检测电路设计
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热敏电阻检测环境温度，来判断霜厚是否满足化霜条件。
当满足化霜条件时，检测电路产生中断信号，经过单片机的处理，控制接通化霜加热丝，同时断开压缩机。
当检测到的温度值在一定温度值以上后，断开加热丝，并接通压缩机，完成自动除霜功能。
霜厚检测电路原理图如图1-9所示：
图1-9、霜厚检测电路图
图中Rt为温度传感器，选用MF53-1型热敏电阻，具有负温度系数，灵敏度较高。
其阻值和温度的关系为：
Rt=286/（26.8+t）-2.68（kΩ）
A点电压与温度关系为:
VA=（2.68*5）/（Rt+2.68）=1.26+0.047t
该电路工作原理：
把热敏电阻器安装在距蒸发器3mm的某个合适的位置上,当霜厚大于3mm时,热敏电阻接触到霜而感到较低的温度,其电阻值Rt变大,A点温度降低,电压跟随器输出电压降低,经放大器放大,输入比较器中。
由于输入电压低于比较器的比较电压而输出低电平，稳压管导通，经反相器输出低电平，结合软件编程，触发单片机产生中断，控制加热丝的启动和压缩机停止工作，并通过软件编程控制加热丝工作一定时间后停止工作；加热后再次检测温度；当霜有一定的融化后，热敏电阻检测到的温度升高，Rt阻值降低，VA电压值升高，经放大器放大,输入比较器中。
由于输入电压高于比较器的比较电压而输出高电平，稳压管截止，无中断。
7、冷藏室温度采样电路设计
基于AD590检测采样冷藏室温度电路设计如图1-10所示：
图1-10、冷藏室温度检测电路
该电路的工作原理如下：
AD590作为温度传感器，安装于冷藏室和冷冻室内的内侧壁。
AD590在25℃（298.2K）时，理想输出电流为298.2µA，但实际上存在一定误差，可以在外电路中进行修正。
如图1-9所示，将AD50串联了一个可调电阻R12，在已知温度下调整电阻值，使输出电压V0满足1mV/K的关系（如25℃时，V0应为298.2mV）。
调整好后，固定可调电阻，即可由输出电压V0读出AD590所处的热力学温度。
冷冻室和冷藏室的温度分别经AD590感测并转换为电压量后，通过电压跟随器分别输入ADC0809的两个模拟通道INT0和INT1，进行模拟量到数字量的转换。
转换后的数字量送入单片机内，结合编程，控制压缩机的开启于停止工作，并通过转换，在LED中进行温度值的显示。
8、过/欠压保护电路设计
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。
电源的过欠压电路如图1-11所示：
图1-11、电源过欠压采样保护电路
上图是仅用一个电压跟随器及几个分立元器件构成的电源过压欠压保护电路。
取样电压通过对输入的交流电源电压整流滤波后，经电阻分压，通过光敏电阻耦合，再经过电压跟随器而取得。
它反映输入电源电压的变化。
光敏电阻起到了隔离耦合的作用，可防止当电源电压很大时，产生的电压电流过大而损坏芯片及其他电路。
取样所得的电压信号输入到ADC0809的IN2，结合软件编程，将电压信号从模拟信号转换为数字信号，并与软件设定的特定值相比较，当电压信号高于或低于某两个固定值时，ADC0809将向单片机产生中断，控制压缩机停止工作。
9、ADC0809与AT89C51的接口电路设计
ADC0809与AT89C51的接口电路如下图所示：
图1-12、ADC0809与AT89C51连接图
在上图中，AT89C51的ALE引脚上输出的脉冲是1/6的单片机晶振，经二分频后，提供ADC0809的时钟脉冲，有利于两者的工作步调协调。
P0口是地址/数据线，地址与数据分时复用，所以，ADC0809的三位地址需通过地址锁存器，以保证地址与数据的分时复用的正确性。
ADC0809的三位地址A，B，C对8条通道进行选择，其中，A为低位地址，C为高位地址。
IN0输入的是从冷冻室采样所得的转换为电压信号的温度值；INT1输入的是从冷藏室采样所得的转换为电压信号的温度值；INT2输入的是经采样的电源电压值。
EOC是标志通道中数据完成模拟到数字的转换的信号。
当通道中数据完成从模拟到数字的转换后，EOC发出脉冲，经反相后，输入单片机的/INT0接口，产生中断信号。
产生中断信号后，单片机结合中断程序，对中断进行处理，控制压缩机的运行和停止。
10、驱动控制电路的设计
（1）制冷压缩机和除霜电热丝的启动和停止控制驱动电路如图1-13所示：
图1-13、制冷压缩机和除霜电热丝的启动和停止控制驱动电路
（2）工作原理：
AT89C51单片机控制信号经P1.3和P1.4端口输出，并在P1.7的控制下，锁存在74LS273中，74LS273的输出在经达林顿驱动器MC1413后,驱动固态继电器SSR1和SSR2。
当MC1413的16端有高电平输出时，SSR1的3、4引脚端接通，使加热丝接通电源而除霜。
当MC1413的15端输出高电平时，SSR2的3、4端接通，使压缩机绕组接通电源而启动，开始制冷。
74LS273琐存控制信号，一方面，增加输出功率，另一方面，也防止单片机复位时引起控制的误动作。
采用固态继电器作为压缩机和除霜电热丝的开关，属于无触电开关，内部是大功率的晶闸管电路，不产生火花，无电磁干扰，并使高压与单片机系统隔离。
11、开门报警电路设
升级会员 