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1、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，还应根据具体硬件测控电路，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的
2、控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。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，通过AT89S51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，开门报警等功能。 目录l 目 录 2 -l 概论 设计思想- 3 -工作原理- 3 -设计的主要功能及要求- 4 -l 硬件设计系统结构图- 5 -微处理器（单片机）- 5 -温度传感器- 6 -DS1820使用中注意事项.- 9 - 电压检测装置- 10 -功能按键- 10 -故障报警电路- 10 -系统原理图.- 11 -l 软件部分主程序- 12 -
3、初始化子程序- 15 -键盘扫描子程序- 16 -打开压缩机子程序- 18 -关闭压缩机子程序- 19 - 延时子程序.- 20 -总结.- 21-l 心得体会- 22 -l 参考文献.-23-概论l 设计思想目前市场销售的双门直冷式电冰箱，含有冷冻室和冷藏室，冷冻室通常用于冷冻的温度为-6-18；冷藏室用于在相对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，一般为010.传统的电冰箱温度一般是由冷藏室控制，冷藏室、冷冻室的不同温度是通过调节蒸发器在两室的面积大小来实现的，温度调节完全依靠压缩机的开停来控制.但是冰箱内的温度受诸多因素的影响，如放入冰箱物品初始温度的高低、存放
4、品的散热特性及热容量、物品在冰箱的充满率、环境温度的高低、开门的频繁程度等.因此对这种受控参数及随机因素很多的温度控制，既难以建立一个标准的数学模型，也无法用传统的PID调节来实现.一台品质优良的电冰箱应该具有较高的温度控制精度，同时又有最优的节能效果，而为了达到这一设计要求采用模糊控制技术无疑是最佳的选择.l 工作原理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
5、被压缩机吸入，在被吸回压缩机的过程中，制冷剂蒸气仍然从外界吸取热量进行汽化，因此压缩机的吸气管也是低于环境温度的，用手摸感到些凉。而压缩机的排气管却相反，因为排气管内是高温高压的制冷过热蒸气，故其外表温度比环境温度高，用手触摸的感觉是热的。至此，完成一个循环。压缩机制冷循环周而复始的运行，保证了制冷过程的连续性，因此充分发挥了制冷剂的特性。制冷剂在系统内要经过四个连续的热变化过程：即压缩、冷凝、节流、蒸发。制冷系统内所有部件的根本任务是保证这四个过程的顺利进行。l 设计的主要功能及要求(1)设定2个测温点，测量范围：26C26C，精度0.5C；(2)利用功能键分别控制温度设定、冷藏室及冷冻室温
6、度设定等；(3)制冷压缩机停机后自动延时3分钟后方能再启动；(4)电冰箱具有自动除霜功能；(5)开门延时超过20秒发声报警；(6)工作电压为180240V，当欠压或过压时，禁止启动压缩机并用指示灯显示。 硬件设计l 系统结构图控制系统结构如图1.1 所示，主要由电源开关，电压检测装置，温度传感器，功能按键，单片机，延时电路，显示电路，指示灯电路，除霜装置和故障报警装置等够成。过欠压检测压缩机通断电延时电路LED显示键盘8155 单片机AT89C51除霜电路压缩机控制故障报警装置温度传感器 1.1控制系统结构图l 微处理器微处理器是本系统的核心，其性能的好坏直接影响系统的稳定，鉴于本系统为实时控
7、制系统，系统运行时需要进行大量的运算，所以单片机采用INTEL公司的高效微控制器AT89C51。他是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。INTEL公司的AT89C51芯片具有以下特性：l 4KB片内在系统可编程Flash程序存储器；l 时钟频率为033MHz；l 128字节片内随机读写存储器（RAM）；l 32个可编程输入/输出引脚；l 2个16位定时/计数器；l 5
8、个中断源，2级优先级；l 全双工串行通信接口；l 监视定时器；l 2个数据指针。单片机引脚如图1.2图1.2 AT89C51 单片机引脚图l 温度传感器DS1820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，其内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图1.3所示。 图 1.3 DS18B20管脚图与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性：(1)独特的单线接口方式，DS1820在与微处理
9、器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯。(2)DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。(3)DS1820在使用中不需要任何外围元件。(4)温范围55125，固有测温分辨率0.5。(5)测量结果以9位数字量方式串行传送DS1820测温原理如图1.4所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预
10、置值减到0时，温度寄存器的值将加1 ，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 图1.4 DS1820测温原理图 在正常测温情况下，DS1820的测温分辩率为0.5以9位数据格式表示，其中最低有效位（LSB）由比较器进行0.25比较，当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25时，清除温度寄存器的最低位（LSB），当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25，置位温度寄存器的最低位（LSB）。DS18B20有六条控制命令，如表2.1所示：表2-1 DS18B20控
11、制命令指 令 约定代码 操 作说明 温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 重新调E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成
12、温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。l DS1820使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇
13、编语言实现。(2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(3)连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距
14、离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。(4)在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。l 电压检测装置电压检测装置是为了保护系统的稳定运行，采用WB系列电压越限报警传感器WB系列电压越限报警传感器以电压隔离传感器为基础，增配比较器电路、基准电压设定电路、输出驱动电路组成，用来隔离监测主回路中的交流或直流电压，当被监测的电压超过预先设定的上限值，或低于预先设定的下限值
15、时，给出开关量控制信号。l 功能按键图1.5按键电路因本系统使用的按键数目少，故按键采用硬件去抖。按键电路如图1.5所示。用两个与非门构成一个RS触发器。当按键未按下时输出为1;刚键按下时输出为0。此时即使用按键的机器性能，使按键因弹性抖动而产生瞬时断开(抖动跳开B)，只要按键不返回原来状态A，双稳态电路的状态不会改变，输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说，即使B点的电压波形是抖动的，但经双稳态电路之后，其输出为正规的矩形波。l 故障报警电路报警电路主要用示电冰箱使用过程中出现的故障，包括系统自身故障，外界故障，和误操作，如：冰箱内温度太高，外界电压波动大，未关好冰箱门或是开门时间太长等
16、等。四个指示灯作用：L1：设置冷藏室温度时亮L2：设置冷冻室温度时亮L3：压缩机运行时亮L4：电源过压或欠压时亮l 系统原理图软件部分设计软件部分设计本系统软件主要由主流程、功能子程序、中断服务程序组成。采用主程序调用功能子程序，子程序尽可能少的调用其它子程序，以保证系统的稳定运行。本系统温度在64C64C,用七位即可存放，因此温度值用一个字节存放, 最高位存放符号位。 各温度值均用全程变量形式存放，如下：60H冷藏室温度设定值61H冷冻室温度设定值62H冰箱运行时冷藏室温度实际值63H冰箱运行时冷冻室温度实际值64H用于存放压缩机，电源状态和压缩机关机延时状态值其中： 最低0位COMP存放压
17、缩机状态标志：1 压缩机开启0压缩机关闭 第1位TIME_OUT离上次关闭压缩机是否已有5S：1 否0是第2 位UP电压过欠压标志：1过欠压0正常65H，66H用于存放化霜时间计数67H用于压缩机关闭延时计数l 主程序主程序由初始化，键盘扫描，显示，温度采集，温度控制和定时化霜子程序组成，为系统软件的主干部分，化霜采用定时化霜，每三十分钟化霜一次。ORG 0000H AJMP MAINORG 0003H LJMP DY_INTORG 000BLJMP TIME0_INTORG 0030HDATA EQUP1.0 V1 EQU P1.3 V2 EQU P1.4 V3 EQU P1.5 SET_K
18、EY EQU P1.5 V3 EQU P1.5 V3 EQU P1.5 SET_KEY EQU P1.5 ADD_KEY EQU P1.6 SUB_KEY EQU P1.7 L1 EQU P0.6 L2 EQU P0.7 L3 EQU P2.5 L4 EQU P2.6 MAIN：CLR A START：LCALL INIT1; 初始化 LCALL KEY; 键盘扫描 LCALL GETWD; 获得冷藏室温度 MOV 62H , R0 INC DATA LCALL GETWD; 获得冷冻室温度 MOV 63H , R0 DEC DATA MOV R3 , 62H; 显示两室温度值 MOV R4
19、, 63H LCALL DISP MOV A , 60H CLR C HIGH：CJNE A , 62H , HIGH1; 冷藏室温度等于高于设定值时 AJMP HIGH2 HIGH1：JC HIGH3 HIGH2：SETB V1; 开启压缩机LCALL OPENAJMP LOWHIGH3：MOV A , 61HCLR C CJNE A , 63H , HIGH4; 冷冻室温度等于高于设定值时AJMP HIGH5 HIGH4：JC LOW HIGH5：SETB V2; 开启压缩机 LCALL OPEN LOW： MOV A , 61H CLR C CJNE A , 63H , LOW1; 冷冻
20、室温度等于低于最低值时AJMP LOW2 LOW1：JNC LOW3 LOW2：CLR V2; 关闭压缩机 LCALL CLOSE AJMP LS LOW3：MOV A , 60H CLR C CJNE A , 62H , LOW4; 冷冻室温度等于低于最低值时 AJMP LOW5 LOW4：JNC LS LOW5：CLR V1; 关闭压缩机 LCALL CLOSE LS：MOV R1 , #10H; 延时1S LS1：LCALL DLY_100MS DJNZ R1 , LS1 INC 65H; 化霜时间计数加1 MOV A , 65H CJNE A , #00H , LS2 INC 66H
21、LS2： MOV A , 65H CJNE A , #08H , LOOP MOV A , 66H CJNE A , #07H , LOOP JB V1 , LOOP; 化霜定时时间到且V1,V2均关闭 JB V2 , LOOP SETB V3; 打开V3开始化霜 MOV R0 , #50; 化霜时间5 S LS3 ：LCALL DLY_100MS DJNZ R0 , LS3 LOOP：AJMP START END l 初始化子程序初始化模块主要完成初始化I/O口、中断、内存单元,并读出存放在闪烁存储器上的温度设定值。温度设定值存放在闪烁存储器上即使断电也可保存。程序如下： INTI1：CLR
22、 A MOV DPTR , #20H; 读取冷藏室温度设定值 MOVC A , DPTR LCALL DLY_100MS; 延时确保数据读完 MOV 60H , A INC DPTR; 读取冷藏室温度设定值 MOVC A , DPTR LCALL DLY_100MS; 延时确保数据读完 MOV 61H , A MOV 64H , #00H ; 清空各状态位 SETB EX0 ; 允许外部中断0中断 SETB IT0 ; 选择边沿触发方式 SETB EA ; CPU开中断 RETl 键盘扫描子程序扫描程序采用边延时边扫描的方法，当设置键SET_KEY按下一次，指示灯L1亮，按ADD(+)键和SU
23、B()键设置冷藏室温度。当设置键SET_KEY按下二次，指示灯L2亮,L1灭，按ADD(+)键和SUB()键设置冷冻室温度。当设置键SET_KEY按下三次，设置完成，指示灯L1，L2均灭。如果3S内无键按下，表示误按或用户放弃设置。退出扫描。 程序如下： KEY：CLR A ；键盘扫描子程序MOV R0 , #00H START：MOV R4 , #1EH ; 边延时边扫描3S LOOP：LCALL DLY_100MS JNB SETB_KEY , SET JNB ADD-KEY , ADD JNB SUB_KEY , SUB DJNZ R4 , LOOP AJMP EXIT ; 3S内没有键
24、按下结束扫描 SET：CJNE R0 , #03H , SET1 ; 设置键按下三次，设置完成 CLR L1 CLR L2 AJMP EXIT SET1：INC R0 CJNE R0 , #01H , SET2 ; 设置键按下一次 SETB L1 AJMP START SET2：CLR L1 ; 设置键按下二次 SETB L2 AJMP START ; 加键按下 ADD：CJNE R0 , #01H , ADD1 ; 冷藏室温度为正时加1 MOV A , 60H JB ACC.7 , ADD_1 INC A MOV 60H , A AJMP DSP ADD_1：CLR ACC.7 ; 冷藏室温
25、度为负时加1 DEC A SETB ACC.7 MOV 60H , A AJMP DSP ADD1：CJNE R0 , #02H , START MOV A , 61H ; 冷冻室温度为正时加1 JB ACC.7 , ADD1_1 INC A MOV 61H , A AJMP DSP ADD1_1：CLR ACC.7; 冷冻室温度为负时加1 DEC A SETB ACC.7 MOV 61H , A AJMP DSP ; 减键按下 SUB：CJNE R0 , #01H , SUB1 ; 冷藏室温度为正时减1 MOV A , 60H JB ACC.7 , SUN_1 DEC A MOV 60H ,
26、 A AJMP DSP SUB_1：CLR ACC.7 ; 冷藏室温度为负时减1 INC A SETB ACC.7 MOV 60H , A AJMP DSP SUB1：CJNE R0 , #02H , START CLR ACC.7 ; 冷冻室温度为正时减1 JB ACC.7 , SUB1_1 DEC A MOV 61H , A AJMP DSP SUB1_1：CLR ACC.7 ; 冷冻室温度为负时减1 INC A SETB ACC.7 MOV 61H , A AJMP DSP DSP：MOV DPTR , #20H ; 将设定值存放在闪烁存储器上 MOV A , 62H MOVC DPTR
27、 , A LCALL DLY_100MS INC DPTR MOV A , 63H MOVC DPTR , A LCALL DLY_100MS MOV R3 , 60H; 显示设定值 MOV R4 , 61H LCALL DISP AJMP START EXIT：RET OPEN：CLR A ；l 打开压缩机子程序程序流程图如下图如示：图打开压缩机子程序MOV A , 64H MOV COMP , ACC.0 MOV TIMP_OUT , ACC.1 MOV UP , ACC.2 JB COMP , EXIT ; 压缩机处于关闭状态 JB TIMP_OUT , EXIT ; 距上次关闭有3s
28、JB UP , EXIT ; 电压正常 SETB COMP ; 置压机状态位 SETB TIME_OUT ; 置TIME_OUT位 MOV ACC.0 , COMP MOV ACC.1 , TIME_OUT MOV 64H , A SETB P2.4 ; 打开压缩机 SETB L3 ; 打开压缩机运行指示灯 EXIT：MOV R7 , #10H ; 延时一段时间退出 MOV R6 , #0FFH NOP NOP DJNZ R6 , DL1 DJNZ R7 , DL2 RET CLOSE：CLR Al 关闭压缩机CLR P2.4; 关闭压缩机 CLR L3; 关闭压缩机运行指示灯 MOV A ,
29、 64H; 清空压缩机状态标志 CLR ACC.0 MOV 64H , A MOV TMOD , #01H; 设置T0工作于模式1 MOV TL0 , #0B0H MOV TH0 , #3CH SETB TR0; 启动定时器T0 SETB ET0; 允许T0中断 RET TIME0_INT：INC 67H ； 定时器0中断程序：用于压缩机延时 MOV A , 67H CJNE A , #50 , A1; 关压缩机是否有5S MOV 67H , #00H MOV A , 64H; 有5S清空TIME_OUT位 CLR ACC.1 MOV 64H , A CLR T0 CLR ET0; 关闭定时器
30、0中断 AJMP LOOP A1：MOV TL0 , #0B0H; 没有5S重新允许中断 MOV TH0 , #3CH SETB T0 SETB ET0 LOOP：RETI DY_INT：LCALL CLOSE; 关闭压缩机 SETB L4; 置电源状态指示灯 MOV A , 64H; 置电源状态位 SETB ACC.2 MOV 64H , A SETB P2.7; 报警10S MOV R0 , #64H LOOP：LCALL DLY_100MS DJNZ R0 , LOOP CLR P2.7 RETI l 延时子程序 DLY_100MS：MOV R1 , #64H LOOP1：MOV R2
31、, #7DH LOOP2：NOP DJNZ R2 , LOOP2 DJNZ R1 , LOOP1 RET l 总结通过此项设计的分析可得到如下结论：(1).本系统运用单片机速度快、体积小、价格低廉的8位MCS51单片机,可以做出可行、可靠性强的自动控制产品-电冰箱温度的控制系统。实现了电冰箱温度的自动控制。 (2).在单片机应用环境不是很恶劣的地方，利用软件抗干扰也可以达到精度不高的要求，而且，节省了硬件资源，降低了产品设计成本，有助于产品的推广。 (3).本系统的设计尽量简化电路，提高软件质量。 (4).本系统支持多功能模块。如果再加上少许外围器件，如语音芯片，环境温度传感器，在软件方面采用
32、模糊控制技术，可以使电冰箱的智能化大大提高。心得与体会本系统实现测控一体化、体积小、精度高、使用方便，报警界限值可以由用户根据需要随时进行调整，具有很高的性能/价格比。系统的使用者来说，能够很稳定的控制温度而且稳定性很高。能实现电冰箱温度的自动控制。我在这一次电冰箱温度控制系统的设计过程中，很是受益匪浅。通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾，并发挥对所学知识的理解和思考及书面表达能力，自己亲手设计，老师在旁教导，最终完成目标了。这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。十分感谢老师的帮助，经常在关键时刻给我指点迷
33、津，让我顺利完成设计。通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个课程设计十分有意义 ，我获得宝贵经验。通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。自己今后将会更加的把理论知识和实际应用结合起来，提高自己的能力。 参考文献1 陈明荧.8051单片机课程设计实训教材 北京:清华大学出版社 20042李军 .检测技术及仪表M. 北京: 中国轻工业出版社 2002.4 3凌玉华.单片机原理与应用系统设计 长沙:中南大学出版社 2006 4 陈涛. DS18B20芯片与单片微控制器的接口设计与应用J. 山东煤炭科技 , 2002,(03) . 5 陈跃东. DS18B20集成温度传感器原理及其应用J. 安徽工程科技学院学报 , 2002,(04)6 刘鸣,车立新,陈兴梧,赵煜. 温度传感器DS18B20的特性及程序设计方法. 电测与仪表 , 2001,(10) .
