毕业设计（论文）基于单片机的电冰箱温度控制系统.doc

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1、目录1 绪论11.1 电冰箱发展概况11.2 电冰箱的国内研究现状31.3 电冰箱的国外研究现状42 电冰箱单片机控制器的方案设计72.1 硬件电路的方案72.2 系统的软件方案122.3 总体方案的确定143 控制器硬件电路的设计163.1 电源供电电路163.2 单片机与看门狗复位电路173.3 A/D转换电路183.4 温度采集电路和除霜电路183.5 键盘电路和显示电路183.6 制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路203.7 报警电路203.8 电冰箱的异味消除电路214 系统软件设计224.1 主程序的设计224.2 T0中断服务程序234.3 T1中断服务程序251 绪论1.1

2、电冰箱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

3、。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19

4、20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) 蒸气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

5、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

6、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

7、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，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

8、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，电冰箱拄术已向高效率、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

9、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

10、“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。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

11、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

12、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引入注目的新产品。为了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冰结晶生成区心防营养成分的破坏，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。采用滚动转于式压缩机

13、，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15一20；改进隔热层，将电冰箱隔热厚度增至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。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

14、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

15、，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。2 电冰箱单片机控制器的方案设计2.1 硬件电路的方案AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生

16、产，可兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：(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

17、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2-1所示。图2-1 AT89C51结构图引脚功能说明：Vcc：电源电压；GND：地；P0口：PO口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收

18、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。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。Pl口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/0口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。 P2

19、口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX R指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR)区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：

20、P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/ROG ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的

21、。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。 EA/VPP：外部访问允

22、许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。时钟振荡器：AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英

23、晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷，由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持

24、续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD(PCON.l)和IDL(PCON.0)位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。 在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。

25、空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。 终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL(PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。 其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RA

26、M，而允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。Flash闪速存储器的编程： AT89C51单片机内部有4k字节的Flash EPROM，这个Flash存储阵列出厂时己处于擦除状态（即所有存储单元的内容

27、均为FFH)，用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM 编程器兼容。 AT89C51单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息。AT89C51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。AT89C51编程方法如下： (1) 在地址线上加上要编程单元的地址信号。 (2) 在数据线上加上要写入的数

28、据字节。 (3) 激活相应的控制信号。 (4) 在高电压编程方式时，将EA/Vpp端加上+12v编程电压。 (5) 每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。 改变编程单元的地址和写入的数据，重复l5步骤，直到全部文件编程结束。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为15ms。2.2 系统的软件方案在单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中一种。对用惯了汇编语言的人来说，高级语言可控性不好，不如汇编语言那样能够随心所欲。但是使用汇编语言会遇到很多问题，首先它的可读性和可维护性不强，特别是当程序没有很好标注的时候，其次就是代码的可重用

29、性也比较低。使用C语言就可以很好的解决这些问题。C语言具有良好的模块化，容易阅读和维护等优点。由于模块化，用C语言编写的程序有很好的可移植性，功能化的代码能够很方便地从一个工程移植在到另一个工程，从而减少了开发的时间。用C语言编写程序比用汇编语言更符合人们的思考习惯，开发者可以更专心地考虑算法而不必考虑一些细节问题，这样就减少了开发和调试的时间。使用像C这样的语言，程序员不必十分熟悉处理器的运算过程。很多处理器支持C编译器，这意味着对新的处理器也能很快上手。而不必知道处理器的具体内部结构，这使得用C语言编写得程序比汇编程序有更好的可移植性。所有这些并不说明汇编语言就没有了立足之地，很多系统特别

30、是实时时钟系统都是用C语言和汇编语言联合编写的。对时钟要求严格时，使用汇编语言是唯一的方法。除此之外，包括硬件接口的操作都应该用C语言来编写。C语言的特点就是可以使程序员尽量少地对硬件进行操作，它是一种功能性和结构性很强的语言。对于大多数51系列单片机，使用C语言这样的高级语言与使用汇编语言相比具有如下优点：(1) 不需要了解处理器的指令集，也不必了解存储器结构。(2) 寄存器分配和寻址方式由编码器进行管理，编程时不需要考虑存储器的寻址和数据类型等细节。(3) 指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性。(4) 可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。(5) 与使用汇编语言编程相比，程序的开发

31、和调试时间大大缩短。(6) C语言中的库文件提供许多标准的例程，例如格式化输出、数据转换和浮点运算等。(7) 通过C语言可以实现模块化编程技术，从而可将已编制好的程序加入到新程序中。(8) C语言可移植性好且非常普及，C语言编译器几乎适用于所有的目标系统，以完成的软件项目可以很容易地转换到其他的处理器或环境中。数字PID控制算法介绍。(1)增量式控制算式：增量计算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量，也就是说在上一次的控制量的基础上需要增加的控制量。其计算式为： (2-1)(2)位置式控制算式（工程实际中常采用）：公式： (2-2)式中的基本偏差e(t)表示当前测量值与设定

32、目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。累计偏差，是我们每一次测量到的偏差值的总和，这是代数和，考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动数据。基本偏差的相对偏差：，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动数据。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高

33、无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是

34、变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。确定控制器结构：数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象，往往都加入微分控制。本设计中在加热炉停止加热后，由于加热炉有余温会导致有滞后，所以本设计选用PID控制器。参数选择：控制器结构确定后

35、，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其它方面，适当地折中处理。PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。2.3 总体方案的确定电冰箱采用单片机控制主要功能及要求:(1) 设定3个测温点，测量范围-26

36、+26，精度0.5。(2) 利用功能键分别控制温度设定、速冻设定、冷藏室及冷冻室温度设定等。(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) 制冷压缩机停机后自动延时3min后方能再启动。(5) 电冰箱具有自动除霜功能，当霜厚达3mm时自动除霜。(6) 开门延时超过2min发声报警。(7) 连续速冻时间设定范围18h。(8) 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。系统的硬件电路如图2-2所示，它由AT89C51单片机、一片A/D转换芯片ADC0809、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。LED

37、显示器键盘时钟电路复位电源 AT89C51单 片 机功放压缩机加热丝A/D转换器放大器锁存器放大器放大器冷冻室温度传感器冷藏室温度传感器除霜传感器图2-2 系统硬件结构图3 控制器硬件电路的设计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（

38、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7805，这四种型号输出的最大电流可以达到100mA，可以满足系统

39、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。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

40、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，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，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

41、扩程序存储器和数据存储器。看门狗复位电路采用CATALYST公司生产的CAT24C021芯片。它有三种功能：看门狗定时器、电压监控和EEPROM功能。在系统出现故障或上电/掉电期间，CAT24C021能给CPU提供一个复位信号，以确保系统的正确操作。看门狗定时器为微控制器提供一个独立的保护。当系统出现故障时，由于失去正确操作，CPU1.6秒内没有触发SDA ，看门狗定时器将溢出，CAT24C021产生一个复位信号给CPU。而 I2C串行CMOSE2PROM可以存储单片机系统的重要参数。本系统用它来保存用户设定的冷藏室温度值、冷冻室温度值和速冻状态、速冻时间等参数，以保证数据正常使用和不会因为掉

42、电而丢失。图3-3示出了CAT24C021与AT89C51单片机的硬件连接电路。CAT24C021芯片的 RESET端接单片机的复位引脚，SDA和SCL端接P2.0、P2.1两根引脚。图3-3 看门狗复位电路3.3 A/D转换电路A/D转换电路采用逐次逼进式8位ADC0809芯片。0809共有8路模拟输入通道，本系统只用了其中4个通道IN0IN3。其中IN0作为冷冻室温度检测通道，IN1作为冷藏室温度检测通道，IN2作为除霜检测通道，IN3作为电源电压检测通道。ADC0809与单片机接口电路如图3-4所示。图中ADC0809的A、B、C三端通过地址锁存器接于P0口的P0.0、P0.1、P0.2

43、，该三端控制模拟通道信号的选择。P1.6与WR、RD端经与非门接于0809的AL、START、OE，控制0809的启动、读、写。0809的EOC端悬空，转换后利用软件延时一段时间再读结果，不用中断方式。3.4 温度采集电路和除霜电路如图3-4所示，温度传感器选用了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：R(t)=286/(26.8+t)-2.68k利用温度传感器可以很容易测得冷藏室温度和冷冻室温度。除霜电路则是将热敏电阻安装在距蒸发器3mm的某个合适的位置，当霜厚大于3mm时，热敏电阻接触到霜从而感到较低的温度，其阻值有所变化，运算放大器输出信号改变，经A/D

44、转换后送入CPU，经单片机分析、判断、给出除霜命令。3.5 键盘电路和显示电路从图3-5中可以看出，键盘电路和LED显示电路由串行口扩展5片74LS164实现。系统采用了6个功能键控制冷冻室、冷藏室及速冻时间设定，4个LED数码管用于显示冷冻室、冷藏室温度及压缩机启、停和故障等状态。显示输出通道和键盘输入通道的选择由端口线P3.2和一个与门完成。当P3.2为“1”时，89C51的TXD端输出同步脉冲，通过与门发送到显示移位寄存器74LS164的移位脉冲输入端，这样89C51欲显示的数据，由RXD端输出，移位读入到显示器通道。当P3.2为“0”时，89C51的RXD端的数据仅能被移位读入到键盘扫

45、描用的移位寄存器中。由于显示通道采用LED数码管并用74LS164作为驱动器，所以简化了线路，结构简单，显示字位扩充方便，驱动程序设计容易。键盘工作原理也很简单，89C51通过RXD端向键盘扫描移位寄存器74LS164逐位发送数据“0”，每次发送后即从T0(即P3.4)端读入键盘信号，若读得“0”表示有键按下，转入处理键功能程序。图3-4 ADC0809与单片机接口电路图3-5 键盘与显示电路3.6 制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路工作原理：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的输出再经达林顿驱动器MC1413

46、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锁存控制信号，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：属于无触点开关，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。制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路如图3-6所示。图3-6 制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路3.7 报警电路在用声音或灯光报警时，连续的声响或照

47、明灯的灯光往往不易引起人们的警觉，只有断续的声音或闪烁的灯光，才能取得最佳报警效果。由门控振荡器组成的声光报警电路如图3-7所示。由于非门CD4011构成两级门振荡器。其中，A和B组成低频振荡器，振荡频率=0.455/()1Hz，周期约1S。为下拉电阻，常态下使=0V。仅当端接高电平信号时电路才起振，Bo端交替输出的高、低电平经过，使发光二极管LED闪烁发光，闪光周期也是1S。C和D组成音频振荡器，振荡频率1kHz。仅当Bo=1时，第二级振荡器才起振，通过达林顿管、及输出变压器T，驱动扬声器BL发出断续的“嘀、嘀、”报警声。3.8 电冰箱的异味消除电路利用TWH9221构成的冰箱异味消除器电路如图3-8示。A2为臭氧发生器专用固态集成电路TWH9221，其内部由电光控制触发电路、15kHz振荡器，4min定时电路、工作指示灯推动电路及15kHz功率输出级等部分组成。4脚为电源正极、1脚为电源负极、3脚为触发端、2脚为工作状态输出端、5、6脚为脉冲输出端。平时冰箱门关闭，光线不能照射到光敏管BG上，A2不工作，5、6脚无脉冲输出、打开冰箱门时，有光线照射到BG上，BG光敏管的阻值变小，从而使A2的3脚得到低电平触发电压而开始工作，