基于单片机的冰箱温度控制系统设计

摘 要摘 要单片机即单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer ），是集CPU、ROM、定时、计数和多种接口于一体的微控制器。其中51单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性的一种，广泛应用于各个领域。本课题设计的电冰箱的电控系统主要应用AT89C51单片机作为核心控制元件进行分析和设计，对各部分的软件编程、硬件电路设计、及调试进行了介绍。近年来，随着微电子技术、传感器技术以及计算机控制技术的发展，人们对电冰箱的控制功能要求越来越高，这对电冰箱控制器提出了更高的要求，多功能、人性化和节能是其发展方向。传统的机械式、简单的电子控制已经难以满足发展要求。为此，本文介绍了采用AT89C51单片机作为控制器核心，对电冰箱的工作过程进行控制。通过DS18B20温度传感器对冷藏室温度、冷冻室温度进行检测，并将产生的模拟信号，通过ADC0809进行A/D转换送入单片机；对霜厚度则通过热敏电阻进行温度检测后产生中断信号送入单片机。温度检测信号经单片机处理后输出用于调节压缩机和加热器的工作，满足消费者对温度的设置要求，实现自动除霜功能。经过实践证明，经过反复的模拟运行、调试，修改，最后形成了一套完整的程序系统。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。关键词：单片机、ADC0809、DS18B20、电冰箱- 41 -AbstractAbstractSCM is microcomputer (Single-Chip Microcomputer) which is a set of CPU, RAM, ROM, the timing, number and variety of integrated micro-controller interface. The 51 microprocessor which is quite typical and representative is widely used in various fields. The main topics designed by chip microcomputer AT89C51 finish the function of controlling the fridge. This paper introduces the electric refrigerators electrically controlled system, including software, hardware design, and commissioning the problems encountered in design as well as solutions.In these years, with the development of microprocessors and sensor, the demand of function of fridge is becoming higher and higher. Users need it has many functions, personal-like interface and little waste of power. However, the traditional fridge can not finish all the functions. As a result, this paper introduces the system which uses AT89C51 as the center of the control system, having sound system to remind users. The 51-computer gets the temperature parameter from the integration temperature sensor and the ADC0809 that transforms the analog parameter to the digital parameter. Then, the 51-computer puts out the signal to control the run and stop of compressor and heater.After repeated debugging and revision, the final form of a complete set of procedures system is completed. Practice has proved that the system is steady, and it has the advantages of a simple hardware circuits, software functions, reliable control system, high cost performance, practical and reference value.Keyword：AT89C51, ADC0809, DS18B20, .Refrigerator目 录目 录摘 要.IABSTRACT.II目 录.III第一章 绪论.11.1 论文研究的背景和意义.11.2 电冰箱的发展现状.11.3 论文的任务和研究内容.2第二章 总体设计方案.42.1 总体设计方案简介.42.2 设计方案的可行性分析和预期目标.5第三章 系统硬件设计.63.1 单片机最小系统.63.1.1 AT89C51单片机的概况.63.1.2 时钟电路.93.1.3 复位电路.103.1.4 单片机系统电源设计.113.2 温度检测电路.123.2.1 温度传感器.123.2.2 转换器与单片机接口.143.3 除霜控制电路.153.3.1 热敏电阻简介.163.3.2运算放大器.163.3.3 霜厚检测电路.173.4 键盘和显示电路.183.4.1 LED简介.183.4.2 接口芯片8279简介.183.4.3 键盘显示电路设计.203.5 开门报警电路.223.6 电源电压检测电路.24第四章 系统软件设计.264.1 主程序.264.2 T0中断服务程序.264.3 T1中断服务程序.26结 论.30参考文献.31致 谢.32附录一 总电路图.33附录二 程序清单.34第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 论文研究的背景和意义冰箱是人们日常生活中较为常用的家用电器，随着微电子技术、传感器技术和控制技术的发展，人们对电冰箱的控制功能要求越来越高，这对冰箱控制器提出了更高的要求，电冰箱朝多功能、节能、智能化和人性化方向发展，传统的机械式控制、简单的电子控制已经难以满足其发展要求，而以单片机为核心的电冰箱控制器具有功能强、成本低、测温精度高、通用性强等特点，正得到越来越广泛的应用。本次设计以单片机为核心，将来自温度传感器的信号经A/D转化后送入单片机，与给定值比较，算出温度调节量，最终控制压缩机的起停。通过本次设计，可以培养我们分析问题和解决问题的能力，掌握MCS51单片机的硬件设计与软件设计，从而使我们将学到的理论知识应用于实践中，为将来走向社会奠定良好的基础。 1.2 电冰箱的发展现状早在1800年，一位有发明天才的马里兰农场主托马斯 莫尔就找到了正确的方法。17世纪中期，“冰箱”这个词才进入了美国语言，在那之前，冰箱只是刚刚开始影响美国普通市民的饮食。随着城市的发展冰的买卖也逐渐发展起来。它渐渐地被旅馆、酒馆、医院以及被一些有眼光的城市商人用于肉、鱼和黄油的保鲜。中国冰箱业于20世纪80年代起步后，经过20年高速发展，人们对家用电冰箱的控制功能越来越高，这对电冰箱控制器提出了更高的要求。多功能，智能化以及节能减排是现今的主要发展方向，传统的机器控制，简单的电子控制已经难以满足发展的要求，而采用基于单片机温度控制系统已经成为主流，具有很强的性价比，通过软件设计就能实现功能的扩展，以及智能化的提高，最大限度地节约了成本。随着家用电冰箱的发展和普及，其耗电量占民用总用电量的比例越来越大，因而，提高冰箱的能源效率，增加我国家电产品在国内外市场上的竟争力，一与国际水平接轨，已成为生产企业的重一要任务。为了鼓励企业生产节能冰箱和用户购买节能冰箱，世界各国采取了一系列的政策措施。如美国颁布了能源法，制定了包括冰箱在内的十二种家用电器的能耗限制标准；日本实施了家用电器系列节能标准；欧洲对冰箱实行了能效等级标准；此外，加拿大、澳大利亚、台湾、香港等国家和地区也制定或实施了电冰箱的能效标准。节能问题已成为全球关心的一大课题。总之，在家电市场竟争日趋激烈的今天，如何在节能减排技术上领先一步，以提升产品的高科技含量来占领市场，从而引异家电产品的更新换代，已成为家电行业竞争的前沿阵地。1.3 论文的任务和研究内容本毕业设计的设计任务。（1）设定两个测温点，测量范围：-18+18，精度0.5。（2）利用功能键分别控制温度设定、冷藏室及冷冻室温度设定。（3）制冷压缩机停机后自动延时三分钟后方能再启动。（4）电冰箱具有自动除霜功能。（5）开门延时超过20秒发出报警。（6）工作电压为180240V，当欠压或过压时，禁止启动压缩机。系统设定3个测温点，测量范围-18+18，精度0.5：利用功能键分别控制温度设定、速冻设定及冷藏温度设定等；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；制冷压缩机停机后自动延时3min后放能再启动；电冰箱具有自动除霜功能，当霜厚达3mm时自动除霜；开门延时超过2min发声报警；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。自动调节功能是电冰箱应具备的主要功能。电冰箱设有冷冻室和冷藏室，冷冻室的温度为618，冷藏室的温度为010，在该温度范围内，食品保鲜效果较好，因此，对控制器的要求是将冷冻室和冷藏室的温度自动控制在各自的范围内。冷冻室中的水分会凝结成霜，因此，电冰箱应有自动除霜功能。该功能的实现方法是通过累计压缩机运行时间和检测环境温度，来判断是否满足化霜条件，当满足化霜条件时，接通化霜加热丝，同时断开压缩机和风机，30分钟后断开化霜加热丝，接通压缩机，再过15分钟后接通风机。电源过欠压保护功能，为了使电冰箱安全可靠地运行，要求其电源电压在180V240V之间。因此，当电源电压小于180V或大于240V时，压缩机应自动停机并报警显示。压缩机开启延时功能，该功能要求压缩机停机时间超过3分钟才能启动，以延长压缩机的寿命。这就要求在每次电冰箱上电时，都要检查压缩机停机是否到3分钟，若未达到，需延时到3分钟后才能启动。因此，在设计时应有判断与延时功能。故障自检报警功能，该功能要求在电冰箱运行过程中，不断诊断电冰箱的运行状态，当发现严重故障时，电冰箱停机并报警显示。第二章 总体设计方案第二章 总体设计方案2.1 总体设计方案简介直冷式电冰箱的控制原理是根据传感器的温度控制制冷压缩机的启动与停止，使冰箱内的温度保持在设定的温度范围内。本电冰箱电控系统要完成冷冻室及冷藏室的温度检测和动态显示的功能，霜厚检测及除霜的功能，开门报警功能，温度设置功能，以及电源过欠压保护功能。此设计的电冰箱电控系统是以AT89C51作为主控制芯片，ADC0809为模数转换芯片，DS18B20温度传感器为温度检测元件，液晶显示器，按键开关等元器件组成,通过软硬件结合实现键盘扫描，液晶显示，I/O口扩展功能。该系统具有操作简便，实用方便的特点。此设计的总体框图如图2-1所示。图2-1 总体框图外围电路是AT89C51工作的基础保障电源电路提供稳定的+5V工作电压；时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号；复位电路使单片机实现初始化状态复位。键盘电路用于向系统输入运行参数，控制系统的运行状态。通过键盘扫描等程序设计把键盘输入的数据在液晶显示器上显示。LED电路用来显示键盘输入的数据，DBS18B20实现对冷冻室和冷藏室的温度检测，ADC0809完成对温度的模数转换，将信号上传给单片机，其功能是靠硬件电路的设计和软件程序的结合来实现的。热敏电阻感测温度，判断霜厚程度，产生中断信号，结合单片机软件程序，控制加热器的启动与停止，完成自动除霜的功能。2.2 设计方案的可行性分析和预期目标本设计的硬件由单片机的最小控制系统、温度检测电路、A/D转换电路、显示电路、电源电压检测电路、报警电路等组成。硬件设计是根据总体设计要求，在所选择机型的基础上，确定系统扩展所要用的存储器、I/O电路、A/D电路以及有关的外围电路等，然后设计出系统的电路原理图，根据原理图来制作硬件。硬件部分的器件选择要符合设计环境的要求，如温度、湿度、供电条件等。采用温度传感器测得两室温度，通过单线与单片机通信，单片机将此温度值进行保存后，通过控制版面的按键输入某一冷冻室温度设定值，这个设定的温度值由单片机送往右边四位数码。显示的同时，还不断与实测的冷冻室温度进行比较，来控制压缩机的运转状态和电冰箱制冷过程。压缩机运行后，冷冻室温度不断下降，控温程序将对冷冻室温度是否比设定的温度低继续进行比较来控制压缩机停机或保持压缩机开机状态不变。软件部分采用模块化程序设计思想，用C语言编制。控制程序主要有三部分：主程序、定时器T0中断服务程序和定时器T1中断服务程序。还有一些LED数码管显示程序、A/D转换程序、温度传感器程序设计的子程序。本毕业设计的预期目标。（1）通过控制面板上的按钮，对冷冻室和冷藏室的温度进行预先设定，单片机能根据用户设定的温度，控制压缩机的开、停，使冷冻室和冷藏室的温度达到设定的温度，同时在控制面板上有数码管向用户显示两室的实时温度和预设的温度值。（2）当用户开启冰箱门之后，未关严或开门时间过长时发出开门超时报警、提醒用户及时关门以节省电能。（3）电冰箱具有自动除霜功能，当霜厚达3mm时自动除霜；开门延时超过2min发声报警。第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1 单片机最小系统3.1.1 AT89C51简介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。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。它具有以下基本特性。（1）控制中心CPU系统CPU：CPU由控制器和运算器两部分组成，主要完成取指令、指令译码、发出各种操作所需的控制信号，使单片机的各个部分协调工作等功能。时钟系统：时钟系统是单片机的心脏。单片机的所有部件都是按照时钟系统提供的节拍工作。总线控制单元：总线控制单元包括复位控制系统和外部并行总线时序。复位是将单片机的主要功能部件和寄存器单元初始化。外部并行总线时序是单片机并行扩展时对所扩展器件进行控制的时序信号。（2）外围单元输入/输出口：输入/输出口（I/O口）是从外部获取信息，并将控制信号送达被控对象的必经之道。特殊功能积存器：特殊功能积存器（SFR）是具有不同特定功能积存器的统称。SFR是单片机内资源的控制指挥中心。单片机对所有片内功能单元的操作和控制都是通过访问SFR来实现的。（3）振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。（4）芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率并可通过软件设置掉电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89C51的引脚封装图如图3-1所示。管脚说明如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。图3-1 AT89C51引脚图P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能如下所示。P3.0/RXD（串行输入口）P3.1/TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4/T0（记时器0外部输入）P3.5/T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。时钟电路如3-2所示。图3-2 时钟电路在AT89C51单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。在AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。用晶振和电容构成谐振电路。电容C1、C2容量在1540pF之间，大小与晶振频率和工作电压有关。但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，为了提高精度，本实验板采用30pF的电容作为微调电容。在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。3.1.3复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境也需按复位键以重新启动。单片机的复位通过外部电路实现，在时钟电路工作后，上电的瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。MCS-51单片机一般采取上电复位和按钮复位两种。本设计采用的复位电路如复位电路图3-3所示。在通电瞬间，由于电容的充电过程，在RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持10ms以上，就能使单片机可靠的复位。图3-3 复位电路在实际环境中，微机测控系统常常受到干扰，其中大型设备的启停、强继电器的通断、电源波形畸变等因素会造成电源电压的波动，瞬间的压降往往造成系统死机、数据丢失和误操作，使系统无法正常运行，甚至出现事故，所以对系统电源电压的监测、控制和重要数据的有效保存十分重要。3.1.4单片机系统电源设计+5V电压源主要用于为AT89C51，ADC0809，光敏二极管，LED，报警电路等器件及电路提供稳压源。电源是整个实验板正常工作的动力源泉。电源电压过大会大大缩短芯片的工作寿命，严重的会烧毁芯片及其它元器件，过小将不能驱动实验板工作电路。因此设定合适的电源电压值非常重要。此实验板主要芯片工作电压均位+5V左右，所以采用7805三端稳压芯片将+12V整形为+5V直流给整个实验板供电。用LM7805设计的+5V稳压电源电路图如图3-4所示。图3-4 稳压电源电路LM7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，要求输入输出电压差保持在2V以上，能提供直流5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。带散热片时能持续提供1A的电流，如果使用外围器件，它还能提供不同的电压和电流。图中，C5，C6两个电容接LM7805的Vin端对外电源输入的电压进行滤波；C8电容接LM7805的OUT端对整形后的电压进行滤波，确保终端输入+5V直流电压。3.2温度检测电路3.2.1 温度传感器DS18B20的主要特性：适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温； DS18B20在使用中不需要任何外围元件，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；测温范围55+125，在-10+85时精度为0.5；测量结果直接输出数字温度信号，串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。温度传感器电路图如图3-5所示。图3-5 温度传感器DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处。（1）进行远距离测温时，无需本地电源。（2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM。（3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温。 本设计DS18B20工作在外部电源供电方式，单片机采用P1.0线与DS18B20通信。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，需要在数据线上加一个4.7K的上拉电阻，另外两个引脚分别接电源和地。DS18B20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，DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20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。（2）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。3.2.2 转换器与单片机接口A/D转换电路采用逐次逼近式8位AD0809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。IN2作为除霜检测通道，IN3作为电源电压检测通道。ADC0809是8位A/D转换器，转换时间为100us，ADC0809的转换误差为1LSB。芯片由8路模拟开关、地址锁存和译码电路、A/D转换电路及三态输出锁存缓冲组成。转换器由电源（+5V）供电，模拟量输入范围为0+5V，无需零点和满刻度调整。ADC0809的主要特性。（1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。（2）具有转换起停控制端。（3）转换时间为100us。（4）单个5V电源供电。（5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。（6）工作温度范围为-4085摄氏度。（7）低功耗，约15mW。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809电路图如3-6所示。图3-6 ADC0809电路ADC0809共有8路模拟输入通道，本系统只用了其中2通道IN0，IN1，其IN0为霜厚检测通道输入，IN1为电源电压检测通道输入。ADC0809地址译码引脚A、B、C控制模拟信号的选择。通过测得的霜厚及电压的大小经ADC0809转换为数字量输入单片机，与设定值进行比较，以此来控制电热丝的工作状态及电压保护电路。由以上分析可知：在软件编写时，给出被选择的模拟通道的地址：执行一条输出指令(MOVXDPTR，A)就启动A/D转换，执行一条输入指令(MOVX A， DPTR)就读取转换结果。3.3除霜控制电路冷冻室中的水分会凝结成霜，因此，电冰箱应有自动除霜功能。该功能的实现方法是通过热敏电阻检测环境温度，来判断霜厚是否满足化霜条件。当满足化霜条件时，检测电路产生中断信号，经过单片机的处理，控制接通化霜加热丝，同时断开压缩机。当检测到的温度值在一定温度值以上后，断开加热丝，并接通压缩机，完成自动除霜功能。3.3.1 热敏电阻简介热敏电阻是一种对温度极为敏感的电阻器。该种电阻器在温度发生变化时其阻值热也随之而变化。热敏电阻器种类较多，按其结构及形状可分为球形、杆状、圆片形、管形、圆圈形等。按其受热方式的不同可分为直热式热敏电阻器和旁热式热敏电阻器。按温度系数可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻器。按工作温度范围分类有常温、高温、超低温热敏电阻。目前应用最广泛的是负温度系数热敏电阻器，其又可分为测温型、稳压型、普通型。热敏电阻器的标称值是指环境温度为25时的电阻值。用万用表测其阻值时，其阻值不一定和标称阻值相符。正温度系数热敏电阻器的特点。正温度系数热敏电阻器又称PTC热敏电阻，该电阻器温度升高时电阻值也随之增大，而且阻值的变化与温度的变化为正比例关系，但电阻器的温度超过一个定值时，阻值将急剧增大，当增大到最大值时，电阻值将随温度的增加而开始下降。负温度系数热敏电阻器的特点。负温度系数热敏电阻器又称NTC热敏电阻器，其图形号与PTC热敏电阻器相同。负温度系数热敏电阻器的种类很多且形状各异，常见约有管状、圆片形等。NTC热敏电阻器的最大特点是电阻值与温度的变化成反比，即电阻阻值随温度的升高而降低，当温度大幅升高时，电阻值也大幅下降。3.3.2 运算放大器LM324LM324为四运放集成电路，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源1.5V15V工作。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，Vo为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。3.3.3 霜厚检测电路(1) 霜厚检测电路原理如霜厚检测电路图3-7中Rt为温度传感器，选用LM324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：Rt=286/（26.8+t）-2.68(k) （3-1）A点电压与温度关系为：VA=(2.68*5)/(Rt+2.68)=1.26+0.047t （3-2）(2) 除霜电路工作原理图3-7 霜厚检测电路把热敏电阻器安装在某个合适的位置上，当霜厚大于3mm时，热敏电阻接触到霜而感到较低的温度，其电阻值Rt变大，A点温度降低，电压跟随器输出电压降低，经放大器放大，输入比较器中。由于输入电压低于比较器的比较电压而输出低电平，稳压管导通，经反相器输出低电平，结合软件编程，触发单片机产生中断，控制加热丝的启动和压缩机停止工作，并通过软件编程控制加热丝工作一定时间后停止工作，加热后再次检测温度，当霜有一定的融化后，热敏电阻检测到的温度升高，Rt阻值降低，VA电压值升高，经放大器放大,输入比较器中。由于输入电压高于比较器的比较电压而输出高电平，稳压管截止，无中断。3.4键盘和显示电路键盘显示电路是人与AT89C51进行人机交换的媒介，用于向CPU输入运行参数，控制系统的运行状态。键盘电路形式分为直接编码输入键盘和矩阵键盘。前者接口电路简单，一般应用于需要少量按键的控制系统。后者因占用I/O引脚数少，常被按键较多的控制系统所采用。显示器是常用的输出器件。显示器件种类很多，有LED发光二极管、LED数码管、液晶显示器LCD、阴极射线管CRT等。本电冰箱的电控系统使用的是LED数码管。3.4.1 LED简介LED数码管是由LED发光二极管组合显示字符的显示器。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。故通常称之为7段发光二极管数码显示器。LED数码显示器有两种连接方法，包括共阳极接法和共阴极接法。本电冰箱的电控系统使用的LED数码显示器所用的是共阴极接法，其内部结构如图3-8所示。图3-8 LED数码显示器内部结构3.4.2 接口芯片8279简介8279采用单5V电源供电，40脚封装。8279的引脚封装如图3-9所示。图3-9 8279引脚（1）DB0DB7：双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。（2）CLK：时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。（3）RESET：复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。（4）CS：片选输入线，低电平有效，单片机在CS端为低时可以对8279读/写操作。（5）A0：缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。（6）RD：读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。（7）WR：写信号输入线，低电平有效，将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。（8）IRQ：中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM中有数据时，此中断线变为高电平，在FIFO/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM中还有信息，则此线重又变为高电平。在传感器工作方式中，每当探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。（9）SL0SL3：扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字，这些可被编程或被译码。（10）RL0RL7：回送线，经过按键或传感器开关与扫描线联接，这些回送线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。（11）SHIFT：换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平，没有按下SHIFT开关时，SHIFT输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置和换位输入状态一起被存贮起来。（12）CNTL/STB：当CNTL/STB开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平，对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存贮起来，在选通输入方式中，作选通用，把数据存入RAM中。（13）OUTA3OUTA0及OUTB3OUTB0：显示输出A口及B口，这两个口是164切换的数字显示。这两个端口可被独立控制，也可看成一个8位端口。（14）BD：空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格或者用显示空格命令控制其显示空格字符。（15）VCC：5V电源输入线。（16）VSS：地线输入线。3.4.3键盘显示电路设计为了减少键盘电路占用I/O引脚数目，将键盘电路设计为44矩阵键盘形式。由于本设计中需4个按键，分别设置为功能键、加一键、减一键和确定键。通过功能键切换是设置冷冻室温度还是设置冷藏室温度，通过加一键和减一键设置温度值，所以只需设计为14的矩阵键盘即可。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，如显示电路图3-10中，列线选用RL0，并通过5.1K的电阻接正电源。行线通过驱动器75451连接4个LED的公共端，作为输出端，作为LED的片选信号；列线则作为输入，用于读回数据。图3-10 显示电路非编码式键盘识别闭合键通常有两种方法：一种称为行扫描法，另一种称线反转法。本设计用行扫描法。行线输出是低电平，当按钮没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。ALE信号经二分频后作为8279的时钟信号，从而与系统时钟同步。8279的OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3是动态扫描显示的输出口，输出单片机的数据，控制个各LED的显示字符。在单片机系统中连接键、显示器，可以用Intel公司开发的专用可编程显示器接口芯片8279来实现。该芯片如前面介绍能完成对键盘、显示器的自动扫描，能自动消除按键抖动、自动识别按键，并获得键值。8279具有一定的自我管理功能，它将原来由CPU承担的键盘、显示器的管理工作接管过来，可以大大简化系统的软硬件设计，减轻CPU的负担。扫描计数器提供键盘和显示器的扫描信号，有两种工作方式。一种是外部译码方式(也称编码方式)，4位计数器从SLO到SL3输出，经外部译码器译码后形成16位扫描信号，为键招和显示器提供扫描信号。另一种是内部译码方式(也称译码方式)，扫描计数器内部译码后从SLO到SL3输出4位扫描信号，直接用于键盘、显示器扫描。内部译码方式产生的译码信号比外部译码方式少得多，能连接的按键、显示器较少。冰箱温度显示位数较少，所以我们使用内部译码方式，采用4位显示。按键及LED显示电路连接与8279芯片，用于冰箱温度显示及对温度的设置。3.5报警装置该报警电路由一个三极管连接蜂鸣器组成。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51单片通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器。蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P2.0引脚控制，当P2.0输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P2.0输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P2.0脚的电平使蜂鸣器发出声音和关闭。蜂鸣器电路图如3-11所示。图3-11 蜂鸣器可以通过程序中改变单片机P2.0引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P2.0输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程实验来验证。本设计含开门报警功能，如开门检测电路图3-12所示。当开门延时20秒后发声报警，用于提醒使用者关以达到节电节能，延长电冰箱的使用时间。过欠压保护电路，为了使电冰箱安全可靠地运行，要求其电源电压在176V240V之间。因此，当电源电压小于176V或大于240V时，压缩机应自动停机并报警显示。图3-12 开门检测电路3.6 电源电压检测电路当220V市电电网电压过低时，可能损坏电冰箱电机时，R1和W1分压值减小，使LED导通，使集成电路导通，接着使LM324截止，从而切断电冰箱电源。调节W1可设定欠压保护值。如电压检测电路图3-13所示。图3-13 电压检测电路当电网电压过高时，有可能使冰箱电机过热烧毁。这是R和W1的分压值增高，使二极管TIL113导通，随之LM324导通，使LED截止。调节W1可设定过压保护值。第四章 系统软件设计第四章 系统软件设计电冰箱的软件设计是在硬件电路设计的基础上，通过汇编程序来实现的。此电冰箱电控系统控制设计过程中主要完成以下几个功能：冷冻室及冷藏室温度采样并进行模拟到数字的转换，自动除霜功能，开门报警以及键盘扫描和LED显示。该电冰箱控制程序主要由三大部分：主程序、定时器T0中断服务程序、定时器T1中断服务程序。4.1 主程序主程序是整个电冰箱的总控制程序，如控制各单元初始化、控制中断、定时、显示，键盘程序的启动与重复等。主程序是整个电冰箱的总控制程序，包括控制单元的初始化、控制中断、定时、显示，键盘程序的启动和重复等。本电冰箱的电控系统的核心部分是冷冻室和冷藏室的温度检测及控制电路。主程序中了对是否为冷冻室和冷藏室的温度键进行了逐步的判断，通过判断调用不同的子程序来实现对冷冻室和冷藏室的温度的控制。主程序框图如图4-1所示。4.2 T0中断服务程序T0中断服务程序主要完成电源过压欠压处理，开门状态检查及处理，以及冷冻室和冷藏室制冷压缩机工作时间定时。通过T0定时，实现每隔3min，检测一次冷冻室和冷藏室的温度，并读回温度值，转换为电压值，送给单片机。另外，每隔3min进行电源过欠压检测。T0中断服务框图如图4-2所示。4.3 T1中断服务程序 T1工作于计数方式，通过计数达到延时3min的目的。T1的中断服务程序主要完成3min定时及温度、初霜、速冻等各种检测，根据检测结果，比较、分析以控制执行元件工作，T1中断服务框图如图4-3所示。图4-1 主程序框图保护现场送时间常数中断记数到1s过欠压判断？开门了吗？通过P1.1向T1发脉冲读冷藏、冷冻室温度刷新温度缓冲区求温度均值3min延时记时并处理恢复现场中断返回过欠压处理开门处理NYYYNN图4-2 T0中断服务程序框图保护现场中断返回送记数常数速冻控制处理霜厚控制处理停止压缩机工作置3min延控标志恢复现场速冻标志？3min延控标志？温度超上限？3min延控标志？低于下限？NNNNYYY图4-3 T1中断服务程序框图结 论结 论本电冰箱的电控系统主要使用了AT89C51单片机作为控制的核心芯片。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS微处理器。由于将多功能8位CPU和存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。所以，选择这种单片机作为控制核心芯片是非常简便的，可以简化硬件