毕业论文基于单片机的智能冰箱控制器毕业论文.docx

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毕业论文基于单片机的智能冰箱控制器毕业论文

【关键字】毕业论文

题目：

智能冰箱控制器

院、部（系）：

电气工程系

专业：

电气自动化

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

电冰箱温度控制系统是利用温度传感器DS18B20采集电冰箱冷藏室和冷冻室的温度以及蒸发表面温度。

通过INTEL公司的高效微控制器MCS-C51单片机进行数字信号处理，从而达到智能控制的目的。

本系统可实现电冰箱冷藏室和冷冻室的温度设置、电冰箱自动除霜、开门报警等功能。

本设计第二章论述了硬件设计部分。

第三章论述了系统的软件设计部分。

通过对直冷式电冰箱制冷系统的改进和采用模糊控制技术，实现了电冰箱的双温双控，使电冰箱能根据使用条件的变化迅速合理地调节制冷量，且节能效果良好。

关键词：

单片机；温度传感器；电冰箱；温度控制

 Abstract:

 Withtheinfiltrationinthesocialfieldofthecomputerinrecentyears,theapplicationoftheone-chipcomputerismovingtowardsdeepeningconstantly,drivetraditionisitmeasurecrescentbenefittoupgradedaytocontrolatthesametime.Inmeasuringinrealtimeandautomaticallycontrolledone-chipcomputerapplicationsystem,theone-chipcomputeroftenusesasakeypart,onlyone-chipcomputerrespectknowledgeisnotenough,shouldalsofollowthestructureoftheconcretehardware,anddirectagainstandusethesoftwareoftarget'scharacteristictocombineconcretly,inordertodoperfectly

TheelectricrefrigeratortemperaturecontrolsystemisusesthetemperaturesensorDS18B20gatheringelectricrefrigeratorcold-storageroomandthefreezingroomtemperatureWithevaporatingsurfacetemperaturemonolithicintegratedcircuitcarriesonthedigitalsignalprocessingthroughINTELcorporation’shighlyeffectivemicrocontrollerMCS-C51,thusachievestheintelligentcontrolthegoal.Thissystemmayrealizetheelectricrefrigeratorcold-storageroomandthefreezingroomtemperatureestablishment,Theelectricrefrigeratorautomaticallydefrosts,opensthegatetorapottothepoliceandsoonthefunction

Thisarticleintroducedinthefirstchaptertheelectricrefrigeratorsystemcompositionandtheprincipleofwork,thesecondchapterelaboratedthiscontrolsystemhardwaredesignpart.Thirdchapterelaboratedthesystemsoftwaredesignpart.

Byimprovingtherefrigeratingsystemofrefrigeratorandapplyingthevague-controltechnology,thegoalofdouble-temperature,double-controlhasbeenrealized;itmakespossiblefortherefrigeratortoregulatetheamountofcoldairinaspeedyandrationalway.Thus,powersavingisavailable

Keywords：

Theone-chipcomputer；Thetemperaturesensor；Theelectricrefrigerator；Temperaturecontrol

第一章绪论

众所周知，电冰箱是现代家庭中必不可少的家用电器。

而目前我国市场销售的冰箱大多采用传统的机械式温控，其控制精度差，功能单一，控制方式简单难以满足冰箱发展的要求。

随着经济的发展和人民生活水平的进一步提高，人们对多功能的发展要求越来越高。

由于单片机性能好，控制功能强，工作可靠，成本低等优点，现在已经在家电产品中得到了广泛的应用。

面临国内电冰箱发展的现状，在技术上还与其他发达国家有一定的差距，我们在原有的基础上对电冰箱进行了一定的改进，使其适应当代个性时尚、节能环保、智能高端、精确温控的发展方式，使人们体验闻所未闻的个性化感受，快捷与原汁原味不再是梦想。

新一代产品在控制上还增加了人工智能，使家电性能更优异，使用更方便可靠。

本次设计基于大量的市场调查和理论研究。

首先，我对传统电冰箱控制系统进行了分析。

调查了10多个品牌的电冰箱的控制系统，研究了他们制冷的优缺点，吸收了一些比较好的设计思想。

其后，我又查阅了大量的资料文献，其中最多的是国内外最新发表的关于制冷方面的论文，丰富了我们的理论依据。

然后，根据我拥有的材料用单片机实现电冰箱控制系统的硬件设计，最后在硬件设计的基础上实现了其软件设计。

1.1电冰箱的结构和工作原理

电冰箱由箱体、制冷系统、控制系统和附件构成。

在制冷系统中，主要组成有压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管节流器四部分，自成一个封闭的循环系统。

其中蒸发器安装在电冰箱内部的上方，其它部件安装在电冰箱的背面。

系统里充灌了一种叫“氟利昂12（CF2C12,国际标号R12）“的物质作为制冷剂。

R12在蒸发器里由低压液体气化为气体，吸收冰箱内的热量，使箱内温度降低。

变成气态的R12被压缩机吸入，靠压缩机做功把它压缩成高温高压的气体，再排入冷凝器。

在冷凝器中R12不断向周围空间放热，逐步凝结成液体。

这些高压液体必须流经毛细管，节流降压才能缓慢流入蒸发器，维持在蒸发器里继续不断的气化，吸热降温。

就这样，冰箱利用电能做功，借助制冷剂R12的物态变化，把箱内蒸发器周围的热量搬运到箱后冷凝器里去放出，如此周而复始不断地循环，以达到制冷的目的。

1.2智能冰箱控制器的实现功能

这个由单片机设计的智能冰箱控制器，与传统的电冰箱相比，在功能上有了很大的扩展，更加人性化，更加方便，真正实现了智能化的要求。

它的智能化主要表现在以下几个方面：

第一，用户可以通过控制面板上的按钮，对冷冻室的温度进行预先设定，而不必打开冰箱门，电脑能根据用户设定的温度，控制压缩机的开、停，使冷冻室的温度达到设定的温度，同时在控制面板上有数码管向用户显示冷冻室的实时温度和预设的温度值。

第二，通过按钮转换，数码管还可以向用户显示冰箱压缩机开机时间和停机时间，用户通过观察这两个计时时间能估计出实时的压缩机开机时间百分率，了解冰箱的工作状况及耗电情况，了解在长期的使用过程中冰箱的性能、效率、能耗变化情况。

第三，该冰箱具有“大脑”功能，能够根据自身的“感觉”，不断做出自身的调整，如自己控制压缩机的启动/停止，以及相应的时间；同时，它还忠诚的响应主人的号召，时刻按照主人的要求行事。

主人下达最终的执行任务，它就通过自身的方式执行，如它的行动方向与主人的输入指令是一致的。

第四，当用户开启冰箱门之后，未关严或开门时间过长时发出开门超时报警、提醒用户及时关门以节省电能，当电冰箱因氟利昂泄漏或压缩机等机械部件性能劣化，发生制冷效率下降而使压缩机长时间开机连续超过6小时以上，发出1报警，以及冷冻室温度下降不下去，高于零下5度时发出故障2报警。

总而言之，电冰箱使用这个由单片机设计的冰箱控制器后，用户再也不用像以前那样，对使用电冰箱的工作状况，性能好坏漠然无知，而是通过电脑对电冰箱工作状况的实时监测和显示，实时清楚了解温度、效率、能耗的情况；它使得一台普通的电冰箱有了“大脑”，它能够通过不断的检测，调整自己的“行为”，使之维持在正常的水平上。

当自己“生病”时，便向它的主人发出病态信号，并且给予“治疗”。

这个控制器真正使得电冰箱智能化，因此，称之为“智能冰箱控制器”。

1.3家用电冰箱的发展趋势

随着家用电冰箱的发展和普及，其耗电量占民用总用电量的比例越来越大（美国为13%），因而，提高冰箱的能源效率，增加我国家电产品在国内外市场上的竞争力，与国际水平接轨，已成为生产企业的重要任务。

为了鼓励企业生产节能冰箱和用户购买节能冰箱，世界各国采取了一系列的政策措施。

如美国颁布了能源法，制定了包括冰箱在内的十二种家用电器的能耗限制标准；日本实施了家用电器系列节能标准；欧洲对冰箱实行了能效等级标准；此外，加拿大、澳大利亚、台湾、香港等国家和地区也制定或实施了电冰箱的能效标准。

我国家用电器节能技术也是《“九五”国家重点技术开发指南》中的重大关键技术之一，而且国家经贸委已正式确定“九五”期间，节能与CFCS替代技术的开发将作为家用电器行业参与国际竞争、赶超国际水平的重点项目。

节能已成为全球关心的一大课题。

但由于我国冰箱工业发展较晚，冰箱节能技术的开发和应用与发达国家相比有大的差距，因此我们必须加强和发达国家的技术交流，参考和借鉴国外先进的节能经验和措施，促进我国冰箱节能工作的开展。

同时政府部门采取倾斜政策鼓励企业进行技术创新，大力开展节能产品认证工作，推动冰箱节能技术的快速发展。

总之，在家电市场竞争日趋激烈的今天，如何在节能、变频等技术领先一步，以提升产品的高科技含量来占领市场，从而引导家电产品的更新换代，已成为家电行业竞争的前沿阵地。

节能是世界家电的发展趋势。

第二章智能冰箱控制器系统硬件设计

2.1系统硬件方案设计

系统硬件结构如图所示。

系统的硬件电路由80C51单片机、温度传感器DS18B20、复位电路、直流电源供电电路、键盘、显示电路、电压检测和报警电路等组成。

图2-1

应用89C51单片机控制电冰箱的原理框图如图2-1，MCS－51单片机的典型芯片是89C51，其内部基本组成为：

一个8位的中央处理器（CPU），256byte片内RAM单元，4Kbyte掩膜式ROM，2个16位的定时器／计数器，四个8位的并行I／O口（P0，P1，P2，P3），一个全双工串行口5个中断源，一个片内振荡器和时钟发生电路。

其中2路温度输入P1.0和P3.0，一路状态电平输入P2.0，三路键盘输入P0.2、P2.1、P2.5；其中故障报警和冷藏室温度T2公用一个端口P0.0.

采用温度传感器DSI8B20测得冷冻室温度T1，通过单线与单片机通信，单片机将此温度值进行保存后，通过控制版面的按键输入某一冷冻室温度设定值（电冰箱出厂时候，已经输入了一个比较合适的温度值，或叫做隐含值），这个设定的温度值由单片机送往右边四位数码显示的同时，还不断与实测的冷冻室温度进行比较，如下：

T1≥T设+8？

即冷冻室温度是否比设定的温度高8度，若是的话，单片机P2.0口输出高电平，使得VT1饱和导通，继电器K1吸合，压缩机运转，电冰箱开始制冷过程。

若比较结果是否定的，则压缩机保持原来状态不变，这里会有2种情况：

一种是压缩机在开机后使冷冻室温度T1降下来，使得T1不再大于T设+8的情况，这也需要保持压缩机继续停机。

程序设计必须考虑对于非变频式压缩机（即活塞式、玄片式等开停式温控器型），为避免压缩机的频繁启动/停止，而规定的大约8°C范围内，是上升还是下降进入两种不同情形时压缩机应有的状态。

压缩机运行后，冷冻室温度不断下降，控温程序将对T1≤T设继续进行比较，当冷冻室温度T1降至设定温度以下时，单片机P2.0口输出低电平，继电器K1释放，控制压缩机停机，若比较结果是否定的，则保持压缩机开机状态不变。

只要压缩机一运转，单片机就对压缩机开机进行计时，当压缩机开机时间达到10小时后，主程序使P2.0口变成低电平，压缩机停机，同时p1.2口送出高电平，使得VT2饱和导通，继电器K2吸合，化霜加热器接通市电220V，化霜开始。

化霜过程的结束是由蒸发器表面的温度T3来决定的，当结霜融化，蒸发器表面温度T3DS18B20的单线输入单片机的P.0口，温度存入单片机，该温度值与化霜结束温度值13度进行比较，T3大于等于13度？

若果结果是肯定，则执行两个动作，一是P2.0回复低低电平，使化霜继电器K2释放，化霜电热器断电。

二是将压缩机开机累计时间清零，为下一个化霜控制周期做好准备！

2.2硬件电路主要组成

2.2.1MCS-51单片机硬件介绍

单片机主要组成部分分为中央处理器（CPU）、内部数据存储器--内部RAM、内部程序存储器--内部ROM、I/O端口、串行口、定时器、终端程序系统。

2.2.2MCS-51单片机中央处理器

单片机的内部最核心的部分是CPU，它是单片机的大脑和心脏。

CPU的主要功能是产生各种控制信号、以控制存储器、输入/输出端口的数据传送、数据的算术运算和逻辑运算以及位操作处理等。

它的功能可分为运算器和控制器两种。

2.2.3MCS-51单片机存储器

89C51单片机中共有256个RAM单元，包括低128个单元（地址为00H~7FH）的内部RAM区和高128位（地址为80H~FFH）的特殊功能寄存器区。

89C51单片机还有4KB的内部ROM，用于存放程序或表格，称为程序存储器。

2.2.4MCS-51单片机中断系统

89C51单片机的中断功能比较强，有5个中断元，即外部中断2个，定时器中断2个，串行中断1个，有2个中断优先级。

中断控制电路主要包括用于中断控制的四个寄存器:

定时器控制寄存器TCON，串行口控制寄存器SCON，中断允许控制寄存器IE，中断优先级控制寄存器IP等。

2.2.5MCS-51单片机引脚介绍

MCS-51系列单片机采用40引脚双列直插式封装（DIP），4个并行口共有32根引脚，可分别作为地址线、数据线和I/O线；2根电源线；2根时钟震荡电路引脚和4根控制线。

MCS-51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有许多引脚具有第二功能，以89C51芯片为例，说明各引脚功能如下：

图2-289C51引脚图

（1）电源引脚Vcc和Vss

Vss：

接地端。

Vcc：

芯片+5V电源端。

（2）时钟信号引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1、XTAL2：

当使用单片机内部震荡电路时，用来外接石英晶体和微调电容，XTAL1是片内震荡电路反相放大器的输入端，XTAL2是片内震荡电路反相放大器的输出端，震荡电路的频率就是晶体的固有频率。

当使用外部时钟时，XTAL1接地，XTAL2接外部时钟信号源。

（3）控制信号引脚RST/VPD、ALE/EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1PROG、EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1PSEN和EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1EA/VPP

RST/VPD：

RST是复位信号输入端。

当输入的复位信号保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时有效，用来完成复位操作；第二功能VPD作为备用电源输入端，当主电源VCC发生故障，电压降低到低电平规定值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使系统在上电后能继续正常运行。

ALE/EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1PROG:

ALE为地址锁存允许输出信号。

在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0口扩展低8位地址的控制信号。

在不访问外部存储器时，ALE也以时钟震荡频率的1/6的固定频率输出，因而它又可用作对外输出时钟信号或其他需要，例如可以用示波器查看ALE是否有脉冲信号输出来确定89C51芯片的好坏；第二功能EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1PROG是对内部有EPROM的单片机的EPROM编程时编程脉冲输入端，它和31号引脚的第二功能Vpp一起使用。

EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1PSEN:

外部ROM的读选通信号输出端。

在访问外部ROM时，EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1PSEN产生负脉冲作为读外部ROM的选通信号。

而在访问外部RAM或片内ROM时，不会产生有效EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1PSEN信号。

EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1EA/VPP:

EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1EA是访问外部ROM的控制信号。

当EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1EA为低电平时，CPU只执行外部ROM中的程序。

当EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1EA为高电平且PC值小于0FFF（4K）时，CPU执行内部ROM的程序，但当PC的值超出4K时将自动转去执行片外ROM的程序。

对于无片内ROM的8031或不使用内部ROM的89C51，需外扩EPROM，此时EQ\*jc2\*"Font:

宋体"\*hps1EA必须接地；第二种功能VPP是对8751的片内EPROM的+21V编程电源输入端。

（4）并行I/O端口P0、P1、P2和P3

P0口（P0.0~P0.7）：

P0口是一个8位双向I/O端口（需外接上拉电阻）。

在访问外部存储器时，分时提供低8位地址线和8位双向数据线。

P0口先输出片外存储器的低8位地址并锁存在地址锁存器中，然后再输入或输出数据。

P1口（P1.0~P1.7）：

P1口是一个内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口。

P1口只能作为一般I/O口使用。

P2口（P2.0~P2.7）：

P2口是一个内部带有上拉电阻的8位准双向I/O端口。

在访问外部ROM或外部RAM时，输出高8位地址，与P0口提供的低8位地址一起组成16位地址总线。

P0口和P2口用做数据/地址线后，不能在作为通用I/O口使用。

P3口（P3.0~P3.7）：

P3口是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口，在系统中8个引脚都有各自的第二功能。

2.2.6单片机的时钟及复位

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。

2.2.7时钟电路

80C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

内部振荡方式的外部电路如图2-2所示。

图中，电容器C01，C02起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。

晶振频率的典型值为12MH2，采用6MHz的情况也比较多。

内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。

外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。

这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。

外部振荡方式的外部电路如图2-2所示。

图2-2震荡电路图

由上图可见，外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。

为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。

2.2.8基本时序单位

单片机以晶体振荡器的振荡周期（或外部引入的时钟周期）为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。

振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期，所以，1个状态周期包含有2个振荡周期。

振荡频率foscl2分频后形成机器周期MC。

所以，1个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。

1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。

8031单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。

4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。

下面是单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位的大小：

状态周期

机器周期

指令周期=（1～4）机器周期=（1～4）

振荡周期＝1/fosc=1/12MHZ=0.0833μS

2.2.9复位电路

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

常用的上电复位电路如下图A中左图所示。

图中电容C1和电阻R1对电源+5V来说构成微分电路。

上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图（A）中右图所示。

上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。

常用的上电或开关复位电路如下图（B）所示。

上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。

下图（A）中：

Cl＝10-30uF，R1＝1kΩ

下图（B）中：

C：

＝1uF，Rl＝lkΩ，R2＝10kΩ

图2-3单片机复位电路图

单片机复位后的状态：

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。

单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。

值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。

说明：

表中符号*为随机状态；

A＝00H，表明累加器已被清零；

特殊功能寄存器

初始状态

特殊功能寄存器

初始状态

A

00H

TMOD

00H