1、电冰箱温度控制系统 长 春 工 业 大 学毕业设计、毕业论文题 目 电冰箱温度测控系统 学 院 电气与电子工程学院 专业班级 自动化 080302 指导教师 王 霆 姓 名 徐井超 2012年 6 月 11 日摘 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的走向深入，同时带动传统控制检测日新月异不断更新。在实时监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，以作完善。电冰箱的温度控制系统是利用温度传感器AD590来采集电冰箱的冷冻室和冷藏室的温度。通过高级微控制器AT89C51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
2、的温度设置、电冰箱手动除霜等功能。本文在第一章介绍了电冰箱的发展状况及背景，第二章论述了本系统控制所要求的技术参数和各种元器件的选择论证，第三章给出了各种系统的硬件电路设计，第四章阐述了本控制系统的软件部分。通过对电冰箱系统的分析与改进，基本实现了电冰箱的温度控制，且使电冰箱能根据使用条件的变化迅速合理的调节制冷量，并且节能效果良好。关键字 温度控制系统 AD590 AT89C51 Temperature Measurement and Control SystemAbstractIn recent years, with the development of computer penetra
3、tion in the social sphere, SCM applications are constantly deepening, led the traditional control test change rapidly and continuously updated. In real-time monitoring and automatic control of the SCM application system, the microcontroller is often used as a core component, to make perfect.Refriger
4、ator temperature control system is the use of temperature sensor AD590 to collect the refrigerator freezing chamber and a refrigerating chamber temperature. Through advanced microcontroller SCM AT89C51digital signal processing,so as to achieve the purpose of intelligent control. This system may real
5、ize the electricrefrigerator refrigerating chamber and the freezing chamber of the refrigerator temperature setting, manual defrost function. The first chapter introduces the development and background of the refrigerator,the second chapter discusses the system control the required technical paramet
6、ers andvarious components of the selection and demonstration, the third chapter gives a variety of system hardware circuit design, the fourth chapter elaborated the control system software part.Based on the analysis and improvement of the refrigeration system, the basic realization of the refrigerat
7、or temperature control, and the refrigerator to conditions change rapidly and reasonable regulation of cooling capacity, and good energy-savingeffect. Key word temperature control system AD590 AT89C51 第一章 绪论1.1 电冰箱的发展概况一个在英格兰工作的美国人雅可比帕金斯有了一个新发现，这一发现导致了冰箱的发明。1834年他发现当某些液体蒸发时，会有一种冷却效应。帕金斯要求一群技工来制造一个可证
8、实这个想法的工作模型。果然，这个装置在某个晚上真的产生了一些冰。技工们兴奋地拿着冰，跳进一辆马车，飞速驶向帕金斯的住房，向他展示所取得的成果。帕金斯此时已上了年纪，虽然他没有在市场上出售自己的发明物，但是哈里森的工作成果为人类早期家用冰箱铺垫了道路。 出售发明物的人的生活在澳大利亚的一个苏格兰印刷工约翰哈里森。哈里森很可能在并不了解帕金斯成果的情况下发现了冷却效应。他用醚来清洗金属印刷铅字，某一天注意到了物质的冷却效应。到1862年，他的第一批冰箱就上市了。哈里森还在维多利亚本狄哥一家啤酒厂里设置了第一个制冷车间。在19世纪末，只有专门造了冰库的富人才能享受到这种好处。绝大多数人奢望的只是一个
9、冷藏柜。那时候，冰箱最重要的用途之一是在轮船上。大型冷藏库意味着船舶能够在长距离航行中运载食用鲜肉，例如羔羊肉能从新西兰出口到欧洲。德国工程师卡尔冯林德在1879年制造出了第一台家用冰箱。但在20世纪20年代电动冰箱发明出来之前，冰箱并没有大规模进入家庭。世界上首台家用的制冷设备在1910年左右出现，1913年拉森制造了一台人工操作的家用冰箱，1918年美国卡尔维纳特公司首次成功地试制出商业和家用自动电冰箱，到1920年为止约售出200台，1926年美国奇异公司经过11年的试验，制造出世界第一台密封式制冷系统的电冰箱，1927年第一台家用吸收式冰箱问世。自第一台冰箱出现至今已有半个多世纪,当前
10、全世界每年电冰箱的总产量在4000万台以上，其中产量居前几位的国家是美国、俄罗斯、意大利、日本等国。电冰箱的种类繁多，按照制冷形式来分，可以分为蒸气压缩式冰箱，吸收扩散式冰箱(简称吸收式冰箱)以及半导体冰箱等；按箱体外形可分为立式冰箱、卧式冰箱，茶几式以及炊具组合式等；按箱门型式可分为单门冰箱、双门冰箱、三门冰箱及多门冰箱。(1) 蒸汽压缩式冰箱压缩式冰箱按制冷方式可分为直接冷却式和间接冷却式两种。直冷式冰箱中，冷气以自然对流方式冷却食品，蒸发器一般直接安装在上部的冷冻室，在下部的冷藏室内另有一个小的蒸发器，或者将冷冻室的冷气分一部分进入冷藏室，冷藏室借助冷冻室来的冷气进行食品冷藏。间冷式冰箱
11、的蒸发器多数位于冷冻室和冷藏室的夹层之间，在箱内看不到蒸发器，只能看到一些风孔，夹层内有一个微型电风扇将冷气吹出，达到制冷效果，这种冰箱有自动除霜装置，因此又叫无霜冰箱。压缩式冰箱按结构可分为单门、双门和多门几种。单门冰箱的冷冻室与冷藏室共用一个箱门。三门冰箱是冷冻室，冷藏室和果菜室分别设门，就有利于水果和蔬菜的保鲜。三门冰箱有的还在箱门上设有可取冰，取冷饮水的装置，不仅给消费者带来更大的方便，而且还能减少制冷量的损失。多门冰箱一般没有冷冻室、冷藏室、轻度冷冻室、果菜室。为了使用上的方便，其轻度冷冻室(温度保持0左右)和果菜室采用抽屉式结构。这种电冰箱轻度冷冻室的位置一般处于冷藏室下面，可以保
12、存冷冻后的食品和需较长一点时间存放的熟食品。(2) 吸收扩散式冰箱吸收扩散式冰箱的构造与压缩式冰箱类似，也分为箱体、制冷系统和控制系统三部分。家用吸收式冰箱可以采用各种热源作为动力，例如天然气，油、煤气、太阳能等。因此此种冰箱都装有气、电两用的加热装置，该装置由燃烧器、自动点火装置、温度控制器组成。燃烧中还带有安全装置，当燃烧器的火焰熄灭时，感受火焰温度的热电偶可自动断开燃气通路，以确保保安全。在制冷系统中充有三种物质，即制冷剂氨、吸收剂水、扩散剂一氢或氦。(3) 半导体式冰箱半导体式电冰箱与压缩式电冰箱的主要区别是制冷系统不同，半导体冰箱是利用半导体温差电现象，形成温差而实现制冷。其优点是，
13、体积小、重量轻，可靠性高。因为半导体冰箱无机械传动装置，因而无噪声、无磨损、操作简单、维修方便；又因它不用制冷剂，所以无制冷剂泄漏和污染等问题。半导体冰箱可以弥补压缩式冰箱的不足。在一般情况下，制冷温度也比较低，它已引起人们的重视。1.2 电冰箱的国内研究现状我国冰箱起步较迟，第一台冰箱是1954年由沈阳医疗器械厂生产的200升单门冰箱：1956年开始，卫生部门的一些医疗器械厂开始具备了电冰箱生产能力，并投入了小批量生产，80年代初电冰箱产量连年翻番，1983年产量约18万台，1984年产量超过40万台，目前国家确定四十几家电冰箱定点厂，全国引进50多条电冰箱生产装配线，年产能力达1500万台
14、以上，规格已有50 升到200升以上大型冰箱的多种系列，品种有单门、双门、多门、型式有直冷式，也有间冷式。在90年代，电冰箱注数已向高效率、智能化和多门多温多功能的方向发展。自1999年11月，三星电子推出首款数字化电冰箱1后，有关网络冰箱的新闻就被媒体炒得红红火火。对此，业内人士提出了自己的见解：现在国内搞网络冰箱还为时过早，国外的网络冰箱也是刚刚开始。目前国内许多企业宣布开发，甚至推出的网络冰箱，无非是在制造一种噱头，想引起公众注意而已，或是其产品形象的一种包装策略。所以网络冰箱还只是概念炒作，目前几年不可能规模上市，即便上市，买的人也不会多。 专家指出：开发网络冰箱，首先得有网络环境。但
15、是目前，我们还没有这个网络基础。现在国内的生产管理还很落后，有很多分析都是手工化，跟国外计算机数据统计分析还差很远，国内各企业的资源管理、规划、数据的统计分析以及供应商的电脑管理化都很缺乏，在这种基础上，搞网络冰箱，无疑是有制造噱头之嫌。再者目前中国绝大多数的消费者，尚未达到这个收入水平去购买如此昂贵的网络冰箱，享受其带来的所谓的众多便利。作为中国市场的庞大消费群体老百姓，他们注重的是产品的性能、价格、品牌等，而不是“华而不实”的产品。因此，网络冰箱作为未来冰箱发展的趋势，企业应该重视，加强科研开发，进一步降低成本。相信随着中国网络大环境的构建，网络冰箱可能在不久的将来会真正走向市场，服务大众
16、。1.3 电冰箱的国外研究现状随着经济的不断发展，其饮食文化也随之发展，人们的生活品味不断提高，对食品需求多样化，加之越来越多的家庭妇女步入职业阶层，因此对家用电冰箱的要求愈来愈高，即要求电冰箱功能越多越好，容积越大越好。1996年日本冰箱销售量为495万台，其中120升以下占30%(主要为宾馆、旅店等商用) ，300升以上占57%，400升以上呈快速地增长趋势，多门冰箱占70%左右。因此，为了顺应市场需要，更好地满足广大消费者不断增长的生活需求，日本各冰箱制造公司都不断改进自己的原有产品，迅速开发新产品，使冰箱功能更加完善，规格更加齐全，诸如自动制冰、采用变频或双转子旋转式压缩机、模糊逻辑控
17、制、无CFC、自动除臭抗菌等技术已经普遍用于冰箱之中。目前，对电冰箱产品结构调整影响最大，最突出、最迫切的问题是CFC制冷工质的限制和禁用。国际社会对CFC的控制并逐步禁止已成定局，电冰箱将因此而面临产品改型的任务，这正是电冰箱工业必须正视的现实。各国正在努力加快对各种新型制冷系统的研究及商品化进程。在多能源冰箱的开发方面，国外吸收式、吸附式2冰箱发展迅速，近几年来日本三洋公司在吸收式冰箱方面突破了一些技术难关，发展到耗电量可与压缩式冰箱相近的水平。目前全世界吸收式和吸附式冰箱的年产量约为150万台，以瑞典和瑞士的产量最多，质量也最好，太阳能冰箱，半导体冰箱也是近年来较为引人注目的新产品。为了
18、更科学地贮存和保鲜食品，国外电冰箱还增加了快速冷冻和快速解冻的功能。快速冷冻是使冷冻室底面温度达-40左右的低温，让食品迅速通过-1-5冰结晶生成防止营养成分的破坏，保持食品原有的鲜度；快速解冻是在冰箱内增设快速解冻室，通过解冻风扇，把冰箱冷藏室的空气吹人到解冻室，使解冻室内的食品快速解冻，以适应短期保鲜贮存的需要。电冰箱是家庭中主要耗电的家用电器，为此目前有关厂家及研究单位正在开发节电型的电冰箱。采用滚动转式压缩机，不仅减小压缩机的体积，减轻重量，而且降低能耗。目前日本100W以上的滚动转子式压缩机已投入使用，用电量比同类冰箱节电2025；应用微机控制电冰箱可以节电1520；改进隔热层，将电
19、冰箱隔热厚度增至3寸，可节电14；应用新型绝热材料，日本东芝公司应用聚铬硅氧的新材料，使冰箱每月节电2度，应用上述各种新技术以达到节能之目的3。自1999年11月，三星电子推出首款数字化电冰箱后，有关网络冰箱的新闻就被媒体炒得红红火火。1999年12月，LG公司新推出MP3网络冰箱。2001年6月18日，在上海第10届信息通信展上，爱立信与伊莱克斯合作展出了一款智能化网络冰箱。2001年10月23日，美菱网络冰箱通过省级鉴定。2001年10月26日，首批智能网络冰箱在丹麦亮相。韩国LG公司同年也向市场推出了自己的“网络冰箱”。何谓网络冰箱？网络冰箱是将冰箱的操作、控制实现网络化。消费者可以上网
20、检查食物的存量、食物是否过期或在食品包装上打上条形码，食品就会自动解冻等；这种冰箱的门上有个15英寸的液晶显示器，用户可以通过冰箱上网、打可视电话和观看影片；液晶显示器还可以显示冰箱内部的温度和食品的保质期；如果冰箱出了问题，它还可以自动通知维修服务中心。网络冰箱市场现状如何呢？当时一位记者询问了10余名准备购买冰箱的顾客，大多数都表示不太了解。其中一位老同志还向这位记者提出了这样的疑问：冰箱的主要功能不就是储存食品，保质保鲜吗？再附加一个电脑的功能有必要吗？而且价格高昂，是不是离百姓生活太遥远了？那么首先把网络冰箱推向市场的三星公司对此有何解释？苏州三星电子有限公司市场营销部部长元善表示，之
21、所以推出网络冰箱，是想借此反映冰箱发展的趋势，展示三星的品牌形象和自己拥有的先进技术，意在展现三星有实力为消费者带来最优质的生活。1.4 论文研究的内容本论文主要研究电冰箱的温度控制，其中包括对电冰箱冷藏室及冷冻室的温度测定，还有对电冰箱的报警、除异味等等。主要利用了AT89C51来做系统的核心器件，其中用温度传感器AD590来实现对电冰箱冷冻及冷藏温度的检测，其中需要把模拟信号转换成数字信号，这一点用了ADC0809来实现。而当中也有用到按键及数码显示装置来实现对温度测定的精确性。本课题主要是想适应于社会的发展，设计出一种更好更方便完善更适用于大众的冰箱温度控制系统。第二章 电冰箱温度测控系
22、统的方案论证2.1 总体方案的主要技术参数电冰箱采用单片机控制主要功能及要求:(1) 设定三个测温点，测量范围-26+26，精度0.5；(2) 利用功能键分别控制温度设定、速冻设定、冷藏设定等；(3) 利用数码管显示冷冻室、冷藏室温度，压缩机启、停和速冻、报警状态；(4) 开门延时超过2min发声报警。 (5)工作电压180240V，当欠压或过压时，禁止启动压缩机并用指示灯显示。2.2 硬件电路的方案2.2.1单片机的选择论证单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。该芯片不仅具有MCS-514系列单片机的所有特性，而且片内集成有4KBFLASH程序存储器和256B数据存储器，价
23、格低，是目前性能价格比较高的单片机之一。芯片完全满足系统需要，不需再外扩程序存储器和数据存储器。AT89C51它具有如下优点：1)集成度高;2)系统结构简单;3)系统扩展方便;4)可靠性高;5)处理功能强、速度高;6)容易产品化。另外： AT89C51完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能，并且本身带有2K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点，具体如下：1)AT89C51单片机是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采用CHMOS工艺的8位单片机。2)它在硬件资源和功能、软件指令及编
24、程上与Intel 80C3X单片机完全相同。在应用中可直接替换。3)在AT89C51内部有FLASH程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便。4)AT89C5X系列可认为是Intel 80C3X5的内核与Atmel FLASH技术的结合体。它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。2.2.2 传感器的选择论证1：温度传感器首先有MF53-1型热敏电阻，它具有负温度系数，灵敏度较高。但是它主要是适用于0一45的温度范围,其阻值和温度的关系为：R(t)=286/(26.8+t)-2.68k它主要适用于远距离多点位温
25、度、湿度的测量和控制系统作感温元件，也适用于厂房、宾馆的空气调节；油库、仓库的火警预报；铁路、桥梁地温的监视；矿山、煤井的温度测量和控制等方面作感温元件。2：AD590是电流输出型两端温度传感器，它是AD公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。AD590的主要特性 (1)流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中： 流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。 (2)AD590的测温范围为-55+150。 (3)AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于
26、温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。(4)输出电阻为710MW。 (5)精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。因此AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路。AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流,在8051的各种课本中常看到它,相当常用到。 本系统所采用的是AD590温度传感器，利用这种温度传感器7可以很容易测得电冰箱的冷藏室温度和冷冻室温度。系统的硬件电路如图2-1所示，它由AT89C51单片机、一片A/D转换芯片ADC0809
27、、看门狗复位电路、直流电源供电电路、键盘电路、LED显示电路、报警电路等组成。图2-1 系统硬件结构图第三章 测控系统硬件电路的设计3.1 电源供电电路3.1.1系统电源设计传感器工作检测时需要稳定的直流电源供电；单片机工作时也需要比较稳定的直流电源供电和较大的工作电流，若电压跌落太大单片机就不能正常工作，控制部分就有可能输出不正确的信号，进而使执行部分执行错误动作，严重时有可能发生重大事故。因此，为了满足控制系统稳定可靠的工作，设计一个稳定的直流电源供电是很重要的步骤。本设计总电源是有效值220V，频率50Hz的单相交流电网电压（即市电），通过变压器降压输出一组9V和一组24V低压交流电，然
28、后再经过整流桥和整流输出直流电压。前者提供给数字电路部分（如图3-1），后者为模拟电路部分提供电能（如图3-2）。为了得到标准的12V，5V，+5V直流电，故选用三端稳压器7912，7812，7905和7805作为稳压元件，使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而输出得到足够高稳定性的直流电源。3.1.2 元器件的选择(1)三端稳压器：输出12V、5V、+5V供信号的检测和放大使用，需要最大电流为100mA。故可以选择7812、7912、7905和78058，这四种型号输出的最大电流可以达到100mA，可以满足系统需要。(2)电容：电源模块中使用的电容分为滤波电容和稳压电容
29、。整流桥、整流输出直流电压都含有较大的脉动成分，后面接的电容、和的目的是：一种目的是尽量抑制脉动成分；另一种目的是尽量保留直流成分，使输出电压接近理想的直流。滤波电容的容量可根据负载电流选用，其经验数据为：负载电流为2A左右时，滤波电容用4000F，电流为1A左右时，电容选用2000F，电流为0.51A时，电容选用1000F，电流为200mA以下时，电容选用200500F，电流为50mA以下时，电容选用200F。本设计输出的最大瞬时电流为3A，故此电源滤波电容均选择4700F，为了系统的可靠性，电解电容选择方法为降额使用，即焊接电路时选择电容的耐压均为40V。电容、和的作用是为了使电路稳定工作
30、，当稳压器输入阻抗降低时，防止发生振荡，可采用0.11F的陶瓷电容或钽电容。电容、和为输出稳定电容9，对于降低输出纹波，输出噪声及负载电流变化的影响都有较好的效果，可采用0.11F的陶瓷电容或钽电容，此电路采用0.1F钽电容。图3-1 数字电路供电图图3-2 模拟电路供电图3.2 单片机与看门狗复位电路3.2.1 单片机单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。该芯片不仅具有MCS-51系列单片机的所有特性，而且片内集成有4KBFLASH程序存储器10和256B数据存储器，价格低，是目前性能价格比较高的单片机之一。芯片完全满足系统需要，不需再外扩程序存储器和数据存储器。主要性能参
31、数：(1) 与MCS-51产品指令系统完全兼容(2) 4k字节可重擦写Flash闪速存储器(3) 1000次擦写周期(4) 全静态操作：0Hz24MHz(5) 三级加密程序存储器(6) 128X8字节内部RAM (7) 32个可编程I/O口线(8) 2个16位定时/计数器(9) 6个中断源(10) 可编程串行UART通道(11) 低功耗空闲和掉电模式AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计/数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式11保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51内部结构如图3-3所示。图3-3 AT89C51结构图引脚功能说明VCC：电源电压；GND：地；P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外
