冰箱冷藏室温度智能控制系统

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1、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

2、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1 C5 9之间，当温度低于1c, 继电器不工作；当温度高于5C,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

3、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

4、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，但他测量的温度范围比较低，而且也只有1C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，

5、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

6、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 9之间，当冷藏室温度低于1C 时，继电器停止工作；当冷藏室温度高于5C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

7、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

8、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。:侖味液脈 低拓袖ii*I 一绝覩筍体7 2 -籲发器；3比缩机F 4持變掘匸5于煤过迪計；1巨细管XLE.rrT丄1r：111T. Re- e .t.f K- s. 0 s ITyf 事图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范围内。冷冻室用于冷冻食品通常用于

9、冷冻的 温度为一3 9一15 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0C10C,当测得冷藏室 温度高至10C13C是启动压缩机制冷，当测得冷藏室温度低于0C3C 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

10、 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

11、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

12、晶显示出来，最后控制输出控制电路的运行。输出控制图 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范围最多的温度采集器件。而且热电偶的测温范围 也非常广，在-200 C到2500 9之间，具体取

13、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1 C 2 C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

14、温范围中，DS18B20无法和热电偶进行比较，测温范围是-55C 125 但DS18B20 的精度却比热电偶高，固有的测温分辨率为0.5 C。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Q。然后传出

15、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 的接电路。Ki1g7P31卜SZCC：图3-2 温度传感器与单片机接电路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 C，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0.1C0.01 Co 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 C) + (M每度-M剩余)/M每度 (2-1 )其中当应用DS18B20

16、的读暂存寄存器指令(BEH )读出以0.5 C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 9、0.75 9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120708119.89234428234.383403783

17、40.30449308349.39552668451.96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

18、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。JU.4MTOTO3 C331ElLOEC如PC2“卜十L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

19、，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 10KQ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。R113.4 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

20、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

21、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1c5C。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59,那么程序启动继电器吸合工作， 当测量温度小于1C,同样在液晶上面显示，并

22、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：4.2 部分模块的流程图DS18B20 工作的流程图图 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

23、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

24、图 5-1 所示：Cre：i+ e New Pr oj ec t保存在（1： 巴温度控制程序園温度文件名:1保存保存类型理)：PrQj act Files (*. uv2)取消图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。Is JiaLJLssh 旳|諒111 (islai YCS llrriw slp通42卓 Taiget IcruIWhiH DELC,SA tMH3净二 Sft.Li.is3S.Liet hvli 2 Tu歹 - Twt: IXMu . AT-HC11hrKBltCO

25、S hT-nC5IED5! usKEins IKFSEjJK hT-HC5|STea Ebi-hhJ.J 口gr (LIElJ isi：bbd -E I15L口口 口口口口 口口口 g 咚DjrlpLiw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。bWKlCST bT-HCZDC-1 置咏呐 m:H kTHZZl 11 bT-TKT.IJI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

26、，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hid 辑窗口。t-iapiE il utn_l iapr*!:(- tuziLdiiiL lOD;tUp 3?Uatawurj Qj:Di rp 町 Ll rtChiF M.SpS/LtSritWir30 l/.-aAKfl亍光配还歟JI hisaairaBjhRfH-BHStEBBKBfEm HiamtKBKI-BtHtEBfH3 vijd 1ipizEtJ:UE_hindaiCiJHldU cedi vindurj I

27、1ibpe rl uri: i JRT-3U -jiMirii.ivnd也】外工毗佰I x)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 9） + （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 - Tlai： r.LTEdILJL3TITV-TbfiaEET 盪CEKXncIXcrj吒逼h LIl4(!t !_J1L应II!DLWMJ：JLHEL.DILK*M1上lMtlk ME 1 L Mr i i1 M1 1 iCM41歩Is： f JIE卜NTiitJIIIdDt