冰箱冷藏室温度智能控制系统.doc

目 录摘要11 引言12 设计思路22.1 设计任务22.2 设计的理论基础22.3 冰箱的系统组成22.3.1 蒸汽式压缩机电冰箱22.3.2 直冷式电冰箱32.4 总体设计方案选择32.5 方案总体介绍43 硬件系统设计43.1 系统总体结构43.2 温度采集模块53.2.1 温度采集模块的选择53.2.2 DS18B20测温电路63.2.3 测量数据的比较73.3 单片机系统及液晶模块73.3.1 微处理器（单片机）73.3.2 显示电路的设计83.4 输出控制模块94 软件设计94.1 主程序流程框图104.2 DS18B20工作的流程图125 调试与实验125.1 使用说明125.1.1 Keil单片机模拟仿真125.2 功能测试145.2.1 温度测量分辨率145.3 晶振的选择14附录1 硬件原理图15冰箱冷藏室温度智能控制系统摘要：本智能温度控制主要由温度采集模块、液晶显示模块、单片机智能控制模块和输出控制模块组成。此次设计相比于传统的冰箱温度控制器，温度信号更加精确，利用单片机控制冷藏室温度在15之间，当温度低于1，继电器不工作；当温度高于5，继电器开始工作，并且利用液晶显示冷藏室温度的变化。关键词：温度采集；液晶显示；温度控制1 引言随着集成电路的发展，单片机的功能也越发的多样。单片机因为他本是的诸多优点，比如功能强、体积小、可靠性高、开发的周期短，成为各种检测控制方面被广泛应用的元器件，在电子工业生产中变为不可缺少的存在，特别是在我们日常的生活生产中也发挥了很多的作用1。而在日常生活中，冰箱已经成了家庭生活中不可缺少的一部分，就此对于冰箱的性能要求也越来越高。在这其中冰箱的智能温度控制是现今市场上冰箱重要选择。现在市面上的冰箱大多都包含着两部分，分别是冷藏室和冷冻室。其中冷藏室用于冷藏食物，要求有一定的保鲜作用，不可冻伤食物；冷冻室一般用于对食物的冷冻作用。现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通用技术)和信息处理(计算机技术)。目前信息技术中前端的产品就是传感器，而其中被广泛应用在工业生产、科学研究方面的传感器就是温度传感器，在这些领域中温度传感器的应用是位于各种传感器的第一位2。智能温度传感器最早是出现在20世纪90年代的中期，在其内部就应用了A/D转换器，但他测量的温度X围比较低，而且也只有1的分辨率。到了21世纪以后，智能温度传感器正在迅速的朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向发展3。传统电冰箱的温度一般是由冷藏室控制。冷藏室、冷冻室之间不同的温度是通过调节蒸发器在两室的面积大小来实现的，温度的调节完全是依靠压缩机的开停来控制。但是影响冰箱内部温度的因素有很多种：如放到冰箱内的食物他自身温度的大小、还有他们散热性能高低、食物放在冰箱里的充满率大小、环境温度的高低、开启冰箱门的频率等4。因此对于这种受到诸多参数要求和很多随机性的温度的控制，如要建立一个相对标准的数学模型是很困难的，同样的也无法用传统的PID来进行调节。而本次的设计，主要是通过温度传感器DS18B20来对电冰箱冷藏室温度进行采集，通过STC89C51单片机进行数字信号的处理，从而达到冷藏室温度智能控制的目的。2 设计思路2.1 设计任务 在此次的设计当中，要设计的是一个冰箱冷藏室温度智能控制系统。控制冰箱冷藏室的温度。使冷藏室的温度控制在15之间，当冷藏室温度低于1时，继电器停止工作；当冷藏室温度高于5时，继电器开始工作。2.2 设计的理论基础这次冰箱冷藏室温度智能控制系统的设计，主要是通过对于核心芯片单片机的设计，使得冰箱内冷藏室温度的控制更为的方便和准确。一般传统冰箱的温度控制是分别通过调节蒸发器在冷冻室和冷藏室的面积大小来实现的，温度的控制完全依赖于压缩机的开停。但冰箱内部两室温度的控制是受很多因素的影响，比如环境温度、开门的频率或是存放在冰箱内物品的本身散热程度。因为这些不定因素的影响，两室的温度就很难准确的进行控制4。2.3 冰箱的系统组成2.3.1 蒸汽式压缩机电冰箱液体由液态变为气态时，会吸收很多热量，简称为“液体汽化吸热”，电冰箱就是利用了液体汽化的过程中需要吸热的原理来进行制冷的。 蒸气式压缩机电冰箱制冷系统原理图如图2-1所示，主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器等部件组成，其动力均来自压缩机，干燥过滤器用来过滤赃物和干燥水分，毛细管用来节流降压，热交换器为冷凝器和蒸发器。制冷压缩机吸入来自蒸发器的低温低压的气体制冷剂，经压缩后成为高温高压的过热蒸气，排入冷凝器中，向周围的空气散热成为高压过冷液体，高压过冷液体经干燥过滤器流入毛细管节流降压，成为低温低压液体状态，进入蒸发器中汽化，吸收周围被冷却物品的热量，使温度降低到所需值，汽化后的气体制冷剂又被压缩机吸入。至此，完成一个循环。压缩机冷循环周而复始的运行，保证了制冷过程的连续性5。图2-1 蒸汽式压缩机2.3.2 直冷式电冰箱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、停，使冰箱内的温度保持在设定温度X围内。冷冻室用于冷冻食品通常用于冷冻的温度为3°C15°C,冷藏室用于相对于冷冻室较高的温度下存放食品，要求有一定的保鲜作用，不能冻伤食品，温度一般为0°C10°C，当测得冷藏室温度高至10°C13°C是启动压缩机制冷，当测得冷藏室温度低于0°C3°C时停止制冷，关断压缩机。采用单片机控制，可以使控制更为准确、灵活4。2.4 总体设计方案选择方案一：PID温度控制利用热电偶来进行温度的采集，而当通过热电偶采集的温度和希望温度的给定值不相同时，PID控制可根据测量的温度信号和希望的温度信号进行比例、积分、微分的运算6。从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。但该方案实施起来并不稳定，有着很多的不确定的因素，而且运用PID温度控制对精度的要求很难满足，无法使温度的控制达到一个理想的效果，此时就考虑到了运用单片机来进行温度的控制。方案二：单片机温度控制运用单片机来进行温度的控制，可以直接运用核心单片机芯片对温度传感器采集来的温度信号进行比较和处理，并通过液晶显示。而且还可以通过温度的比较来决定是否启动继电器，从而启动或停止压缩机，控制压缩机的工作。运用单片机控制温度相比于PID，对于信号的采集调节更加的精确，而且受其他因素的干扰更加的少。所以在本设计中我选用第二个方案，即单片机温度的控制。2.5 方案总体介绍本设计通过温度传感器，对冰箱内部冷藏室的温度进行一个采集，对采集来的温度数据传递到单片机上。由单片机对采集的温度进行比较，最后通过比较的数据变化来调节其他系统电路的控制，实现一个降温的过程。此外，采集来的温度数据利用液晶显示在显示屏上，来显示冰箱内的温度，使用户可以了解现在温度变化的过程。3 硬件系统设计3.1 系统总体结构冰箱冷藏室温度智能控制器的研究，主要可分为四个主要部分：温度采集模块、单片机控制模块、显示电路及输出控制模块。图3-1为电冰箱温度智能控制系统框图。其中单片机为核心控制系统，读取从温度采集模块采集来的温度信号，并进行对比、调节输出到显示电路进行运行，并产生时钟信号使液晶显示出来，最后控制输出控制电路的运行。显示电路输出控制单片机温度采集模 块图3-1 硬件系统框图3.2 温度采集模块3.2.1 温度采集模块的选择温度采集模块主要是对温度信号进行一个采集，并把采集来的信号传输到核心芯片即单片机当中去，在单片机中进行信号的分析和处理，这部分是本次设计的关键。在传统的远距离模拟信号温度测量系统中，存在着引线误差补偿、多点测量切换误差和放大电路零点漂移误差等多个技术问题，而这些问题必须要很好的解决才可能达到一个较高的测量精度2。方案一：热电偶进行温度采集热电偶是应用测温工作X围最多的温度采集器件。而且热电偶的测温X围也非常广，在-200到2500之间，具体取决于所使用的金属线。并且热电偶的响应快、不会自身发热而且坚固耐用。但是热电偶采集温度之后信号调理非常复杂，而且处理不当就会引入误差，导致精度的降低7。并且除了这一点之外，热电偶也非常容易受腐蚀，而且其本身的精度较低，一般都在12之间。方案二：DS18B20进行温度采集 DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的的新型数字温度传感器。具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。并且18B20是独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器DS18B20的双向通讯8。虽然在测温X围中，DS18B20无法和热电偶进行比较，测温X围是-55125，但DS18B20的精度却比热电偶高，固有的测温分辨率为0.5。并且DS18B20自身就具有A/D转换，使用DS18B20电路比热电偶电路更加的简便。根据上述两个方案的比较，本次设计选择DS18B20来进行测温。3.2.2 DS18B20测温电路DS18B20普遍有两种封装，分别是三脚封装和八脚的封装。在本次设计中我运用的是如同三极管封装的三脚外形，与八脚的贴片封装相比，这种三脚的封装在连接电路的时候更加的方便。其中三个脚分别代表电源端、接地端和信号端，只要分别接入电路中就能正常的工作9。然后传出给单片机进行数据的分析和处理，从而再对其他的模块进行控制。图3-2为温度传感器与单片机的接口电路。图3-2 温度传感器与单片机接口电路DS18B20高精度测温的理论依据DS1820正常工作时的测温分辨率是0.5，而对于其我采用的方法是直接读出内部暂存存储器的方法，将其测温的分辨率直接提高到0.10.01。当我考虑到误差等问题时，通过分析DS18B20的内部精度来进行实际温度的计算。我设定实际温度为T，那么实际温度T可以用下面这个式子计算得到：T实际=（T整数-0.25）+（M每度-M剩余）/M每度 （2-1）其中当应用DS18B20的读暂存寄存器指令（BEH）读出以0.5为分辨率的温度测量的结果，然后切去测量结果的最低有效位，得到所测的实际温度的整数部分，然后再用BEH指令读取计数器1的技术剩余值M剩余和每度计数值M每度，最后再考虑到所测温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限9。3.2.3 测量数据的比较表3-1为采用直接读取测温结果方法和采用计算方法得到的测温数据比较，通过比较可以看出，计算方法在DS1820测温中不仅是可行的，也可以大大的提高DS1820的测温分辨率。测量结果数据比较次数T整数M剩余M每度T实际120708119.89234428234.38340378340.30449308349.39552668451.96表3-1 测温分辨率3.3 单片机系统及液晶模块这个系统是整个设计的核心部分，是本设计能否正常工作的必要条件，也是几个分别的模块连接在一起的纽带。3.3.1 微处理器（单片机）微处理器是本次设计的核心元件，其性能的好坏直接影响了此次设计整个系统的稳定性。由于本次设计是为了实现对温度的控制，而系统中又要对采集来的信号进行比较、分析、调节，故本次设计需要进行大量的运算10，并且希望能够进行很好的控制作用，所以此次单片机的选择，我选择了性能更为优越的STC89C51。 单片机的最小系统包括了电源电路、时钟电路和复位电路三个部分。其中时钟电路又是振荡电路，振荡电路决定了单片机的执行速度。为了能够更加稳定的给与单片机工作的时钟频率，此次晶振我所选择的是12M的晶振，而具有稳定功能的电容则是选择30pF的瓷片电容。 为了能够更加安全方便的完全本设计，以免当出现了单片机混乱或“死机”现象的时候，本设计就变瘫痪，此次采用混合复位电路来对单片机进行复位11。使得当单片机发生了混乱，可以手动的完成单片机的重启，使单片机重新恢复到初始状态。如图3-3为本次设计中单片机的最小系统。图3-3 单片机的最小系统3.3.2 显示电路的设计在本次设计中，显示电路我采用的是液晶显示，采用的液晶为1620。1602采用标准的16脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，可通过一10K的电位器调整对比度。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D7为8位双向数据线12。如图3-4为液晶显示模块。图3-4 液晶显示模块3.4 输出控制模块在输出部分，本次运用继电器来实现输出的控制。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。因此在电路中起到自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的13。因为继电器这个原理，当温度达到一定值时，通过单片机的编程使继电器吸合。其中为了更加直观的观察继电器吸合的情况，在继电器外围在连接一个发光二极管。当继电器吸合时，发光二极管工作点亮；当继电器断开时，发光二极管熄灭。图3-5为输出控制电路。图3-5 输出控制电路4 软件设计因为本设计是完全基于单片机设计而成，而单片机也是其他系统的组成纽带，所以软件程序的设计是本设计中最为重要的一部分，也是能否实现本设计的关键。本系统的软件是由主流程、功能子程序等组成。其中子程序还可以调动其他子程序，至此保证整个设计能够很好的运行。本系统的温度设置在15。测量温度不仅在液晶上面显示出来并且也设置温度进行比较，如果测量的温度大于5，那么程序启动继电器吸合工作，当测量温度小于1，同样在液晶上面显示，并且程序继电器停止工作。4.1 主程序流程框图主程序由初始化，显示，温度采集，温度控制程序组成，为系统软件的主干部分，其流程图如图4-1所示：N批示灯不亮图4-1 程序总流程图4.2 部分模块的流程图 DS18B20工作的流程图数据处理ROM操作命令存储器操作命令数据处理图4-2 DS18B20工作的流程图5 调试与实验在本次的设计中，应用到的调试软件与仪器有Protel99se、Keil、万用表和温度器等。5.1 使用说明pretel99se软件的功能模块主要包括电路原理图设计、印制电路板设计、可编程逻辑设计等。它采用数据库的管理方式，是一款非常好用而且实用的电路设计软件。用它来设计电路图，简单方便。为了让电路好看一点还可以对pcb板进行设计。单片机开发中除必要的硬件设计外，同样离不开软件，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发51系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案14，掌握这一软件的使用对于我们使用51系列单片机的人来说是十分必要的，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具能够很好的帮助我们。5.1.1 Keil单片机模拟仿真 首先打开要进行调试的Keil软件，在主页面的时候，在窗口中选择打开Project，然后再逐步点击New Project命令，此时打开建立新工程的对话框，如图5-1所示：图5-1 建立新工程对话框在“文件名”中输入工程的名称，然后点击对话框上方的“保存在”，选择将保存的文件夹，将工程保存在相应的文件夹中，单击“保存”按键。 在单击“保存”按键以后除了建立了一个工程以外，而且还打开了单片机芯片型号的选择框。此时根据自己所用的单片机在选择框中进行一个芯片的选择。如图5-2所示。 图5-2 芯片选择对话框当选择完芯片，点击“确定”按键后，就可以在Keil调试软件中出现一个文本编辑，可以输入自己的源程序。在Keil的集成环境中，点击页面上方的File，并在其下拉菜单中，单击New，此时打开一个新的文本编辑窗口。在新的编辑窗口中输入汇编语言，最后完成源程序向当前工程的添加。如图5-3为文本编辑窗口。 图5-3 文本编辑窗口 5.2 功能测试5.2.1 温度测量分辨率 表5-1为采用直接读取测温结果方法和采用计算方法得到的测温数据比较，通过比较可以看出，计算方法在DS1820测温中不仅是可行的，也可以大大的提高DS1820的测温分辨率。测量结果数据比较次数T整数M剩余M每度T实际120708119.89234428234.38340378340.30449308349.39552668451.96表5-1 测温分辨率公式： T实际=（T整数-0.25）+（M每度-M剩余）/M每度 （5-1）5.3 晶振的选择为了能够更加稳定的给与单片机工作的时钟频率，此次晶振所选择的是12M的晶振，而具有稳定功能的电容则是选择30pF的瓷片电容。 附录1 硬件原理图