电冰箱测温系统报告.docx
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电冰箱测温系统报告.docx
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电冰箱测温系统报告
电冰箱温度测控系统
姓名:
管瑞
学号:
2009033223
专业:
测控技术与仪器
目录
1.课设主要内容
2.总体设计方案
2.1总体设计方案简介
2.2电冰箱电控系统的主要功能和要求
三.系统硬件电路设计
3.1单片机系统电源设计
3.2键盘显示电路设计
3.3霜厚检测电路
3.4.1冷冻室温度采样电路图
3.4.2冷藏室温度采样电路图
3.5冷冻室冷藏室温度检测采样原理
3.6ADC0809与AT89C51接口设计
3.7制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路
4.电冰箱测控系统软件设计
4.1主程序
4.2T0中断服务程序
4.3T1中断服务程序
五.心得与体会
六.附件
6.1ADC0809简介
6.2地址锁存器74LS373
6.3锁存器74LS273
6.4接口芯片8279简介
一:
课设主要设计内容
本设计的目的是利用单片机采集环境温度值,以数字量的形式存储和显示,可以独立作为一种设备对温室温度进行有一定精度的控制,经过简单的运算发出各种控制命令,并能动态的显示当前温度值,设定目标控制温度值。
本设计所采用的控制芯片为AT89C51单片机,此芯片功能强大,能够满足设计要求。
通过对电路的设计,对芯片的外围扩展,使得单片机作为控制器核心,对电冰箱的工作过程进行控制,并用声音将电冰箱的一些工作过程进行提示,使控制过程更人性化。
通过AD590温度传感器对冷藏室、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;对除霜电路则采用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。
二:
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蒸发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。
一般,当蒸发器温度高至3~5°C时,启动压缩机制冷,当温度低于-10°C~-20°C时,停止制冷。
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,AD590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。
该系统具有简洁,操作简便,实用方便的特点。
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,AD590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电冰箱电控系统的主要功能和要求
1设定3个测温点,测量范围-26°C~+26°C,精度±0.5°C;
2利用功能键分别控制温度设定、速冻设定、冷藏室和冷冻室温度设定等;
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制冷压缩机停止机后自动延时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1~8h;
8工作电压180V~240V,当过压或欠压时,禁止启动压缩机;
三:
系统硬件电路设计
3.1单片机系统电源设计
1.+5V稳压电源的设计
+5V电压源主要用于为AT89C51,ADC0809,8279,光敏二极管,LED,报警电路等器件及电路提供稳压源。
电源(Vcc)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3-5所示:
+5V稳压电源电路图
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;C7,C8两个电容接LM7805的Vout端对整形后的电压进行滤波,确保Vcc端输入+5V直流电压。
D1为发光二级管,接通电源时,灯亮表示电源电路供电正常,否则电源电路出错。
ML7805的引脚图如图3-6所示:
LM7805三端稳压器引脚图
2.正负12V稳压源的设计
12V稳压源主要用于为比较器,固态继电器等提供稳压源。
其电路图如图3-7所示:
正负12V稳压电源的设计电路图
如图所示为双极性对称稳压电源电路,它采用两只三端稳压器LM7812和LM7912构成的简单实用的对称型正负稳压电源。
LM78系列输入电压为正电压,LM79系列三端稳压器输入电压为负电压,其他特性,两者较为相似。
图中,C9,C10两个电容接LM7812的Vin端对外电源输入的电压进行平波和高频滤波,C11,C12两个电容接LM7912的Vin端对外电源输入的电压进行平波和高频滤波;C13,C1两个电容接LM7812的Vout端对整形后的电压进行滤波,C15,C16两个电容接LM7912的Vout端对整形后的电压进行滤波。
该电源输出电压为±12V,输出电流最大为l.5A。
对LM7812,LM7912的选择,力求性能参数尽量对称。
正、负三端稳压器均要加装合适的散热器。
3.2键盘显示电路设计
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。
为了减少键盘电路占用I/O引脚数目,将键盘电路设计为4×4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1×4的矩阵键盘即可。
本设计的键盘电路如图3-23所示:
键盘显示电路
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,上图中,列线选用RL0,并通过5.1KΩ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。
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OUTA0~OUTA3和OUTB0~OUTB3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。
3.3霜厚检测电路
(1)霜厚检测电路原理图如图3-9所示:
霜厚检测电路图
图中Rt为温度传感器,选用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:
Rt=286/(26.8+t)-2.68(kΩ)
A点电压与温度关系为:
VA=(2.68*5)/(Rt+2.68)=1.26+0.047t
(2)除霜电路工作原理
把热敏电阻器安装在距蒸发器3mm的某个合适的位置上,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。
3.4.1冷冻室温度采样电路图
AD590检测采样冷冻室温度电路如图3-12所示:
冷冻室温度检测电路
3.4.2冷藏室温度采样电路图
AD590检测采样冷藏室温度电路如图3-13所示:
冷藏室温度检测电路
3.5冷冻室冷藏室温度检测采样原理
AD590作为温度传感器,安装于冷藏室和冷冻室内的内侧壁。
AD590在25℃(298.2K)时,理想输出电流为298.2μA,但实际上存在一定误差,可以在外电路中进行修正。
如图3-12所示,将AD50串联了一个可调电阻R12,在已知温度下调整电阻值,使输出电压V0满足1mV/K的关系(如25℃时,V0应为298.2mV)。
调整好后,固定可调电阻,即可由输出电压V0读出AD590所处的热力学温度。
冷冻室和冷藏室的温度分别经AD590感测并转换为电压量后,通过电压跟随器分别输入ADC0809的两个模拟通道INT0和INT1,进行模拟量到数字量的转换。
转换后的数字量送入单片机内,结合编程,控制压缩机的开启于停止工作,并通过转换,在LED中进行温度值的显示。
3.6ADC0809与AT89C51接口设计
ADC0809完成对冷冻室和冷藏室的温度采样以及对电源电压的采样,经A/D转换,需输入到AT89C51单片机,所以,必须设计ADC0809与AT89C51的连接通信电路。
两片芯片的连接图如图3-16所示:
ADC0809与AT89C51连接图
在上图中,AT89C51的ALE引脚上输出的脉冲是1/6的单片机晶振,经二分频后,提供ADC0809的时钟脉冲,有利于两者的工作步调协调。
P0口是地址/数据线,地址与数据分时复用,所以,ADC0809的三位地址需通过地址锁存器,以保证地址与数据的分时复用的正确性。
ADC0809的三位地址A,B,C对8条通道进行选择,其中,A为低位地址,C为高位地址。
IN0输入的是从冷冻室采样所得的转换为电压信号的温度值;INT1输入的是从冷藏室采样所得的转换为电压信号的温度值;INT2输入的是经采样的电源电压值。
EOC是标志通道中数据完成模拟到数字的转换的信号。
当通道中数据完成从模拟到数字的转换后,EOC发出脉冲,经反相后,输入单片机的/INT0接口,产生中断信号。
产生中断信号后,单片机结合中断程序,对中断进行处理,控制压缩机的运行和停止。
3.7制冷压缩机和除霜电热丝启、停控制电路
下图是压缩机和加热丝控制电路。
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的输出再经达林顿驱动器MC1413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。
压缩机和加热丝控制电路
四.电冰箱测控系统软件设计
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。
置速冻标志
加一处理
减一处理
置冷冻室显示标志
置冷藏室显示标志
清速冻标志
依标志调相应显示子程序
4.2T0中断服务程序
T0中断服务程序主要完成电源欠压、过压处理、开门状态检查及处理等,如图所示。
4.3T1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、除霜、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,其框图如图所示。
五:
心得与体会
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(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器。
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。
所以,选择这种单片机作为控制核心芯片是非常简便的,可以简化硬件电路,而且可以运用业标准的MCS-51指令集,使指令可读性增强。
本设计的模拟到数字的转换芯片使用了ADC0809。
ADC0809A/D转换器采用逐次逼近的转换方式,具有速度较快,精度较高的优点。
运用ADC0809可以连续的采样电冰箱冷藏室和冷冻室的温度,并动态的显示冷藏室和冷冻室内的温度,使用户更好的了解冰箱内的工作温度。
另外,也可以满足电冰箱的精度要求。
本设计的键盘显示电路采用了通用可编程键盘和显示器的接口芯片8279。
8279可实现对键盘和显示器的自动扫描,识别闭合键的键号,完成显示器动态显示,可以节省CPU处理键盘和显示器的时间,提高CPU的工作效率。
另外,8279与单片机的接口简单,显示稳定,工作可靠。
所以,设计中选用8279的通用键盘显示电路可使系统设计简单化。
电冰箱冷藏室和冷冻室的温度检测采用AD590可达到较高精度,且可以连续感测,能使温度得到动态连续的显示;霜厚检测由于无须较高精度,所以采用热敏电阻作为传感元件,可以减少成本。
另外,由于霜的厚度达到设定值往往需要较长的时间,所以霜厚检测采用中断的处理方式,这样可以节省CPU处理霜厚检测的时间,提高CPU的工作效率。
当然,本设计也存在很多的缺陷,如不能直接设置温度值而需通过加一和减一来实现;设置不同部分的温度需通过功能键进行切换而不能直接选择等,都有待改进。
综上所述,该电冰箱的电控系统具有简便实用的特点,可以满足大多数用户的使用要求,具有较好的可行性。
当然本次实验,对我们的理解力与资料的搜集能力有着较高的要求,电冰箱温度测控系统实验,集合了硬件电路的设计,软件程序的编程,相对难度个人觉得有点高,在没有老师的指导下,能很好的完成这份作业我觉得比较困难。
当然,网上的相关资料有很多,我在网上搜索了许多相关资料,并在我的作业中借鉴了这当中认为比较适合的资料,在这方面提高了我的资料搜索能力与筛选能力。
同时,由于protues的使用还不是完全的熟练,通过这次课设使我对protues软件的使用有这更深的了解,利于我对prtues的更熟练的运用。
附件
一.ADC0809简介
1.主要特性
1)8路8位A/D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100μs
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW。
2.ADC0809的芯片封装及引脚功能简介
ADC0809芯片为28引脚,为双列直插式封装,其引脚排列如图3-11所示:
ADC0809引脚图
对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下:
(1)IN7~IN0——模拟量输入通道
(2)ALE——地址锁存允许信号。
对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
(3)START——转换启动信号。
START上升沿时,复位ADC0809;START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换;在A/D转换期间,START应保持低电平。
本信号有时简写为ST。
(4)A、B、C——地址线。
通道端口选择线,A为低地址,C为高地址,引脚图中为ADDA,ADDB和ADDC。
其地址状态与通道对应关系见表3-5。
ADC0809地址通道对应关系
(5)CLK——时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号由外界提供,因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号。
(6)EOC——转换结束信号。
EOC=0,正在进行转换;EOC=1,转换结束。
使用中该状态信号即可作为查询的状态标志,又可作为中断请求信号使用。
(7)D7~D0——数据输出线。
为三态缓冲输出形式,可以和单片机的数据线直接相连。
D0为最低位,D7为最高。
(8)OE——输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0,输出数据线呈高阻;OE=1,输出转换得到的数据。
(9)Vcc——+5V电源。
(10)Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准。
其典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V。
3.转换数据的传送
A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成,因为只有确认完成后,才能进行传送。
为此可采用下述三种方式。
(1)定时传送方式
对于一种A/D转换其来说,转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs,相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序,A/D转换启动后即调用此子程序,延迟时间一到,转换肯定已经完成了,接着就可进行数据传送。
(2)查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号,例如ADC0809的EOC端。
因此可以用查询方式,测试EOC的状态,即可却只转换是否完成,并接着进行数据传送。
(3)中断方式
把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号,以中断方式进行数据传送。
不管使用上述那种方式,只要一旦确定转换完成,即可通过指令进行数据传送。
首先送出口地址并以
信号有效时,OE信号即有效,把转换数据送上数据总线,供单片机接受。
另外,ADC0809对输入模拟量要求:
信号单极性,电压范围是0-5V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。
二.地址锁存器74LS373
单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373以及CMOS的74HC373,是带三态缓冲输出的8D触发器,其引脚图如图3-15所示:
74L373引脚图
其功能表如下表所示:
74L373功能表
E
G
功 能
0
0
直通Qi=Di
0
1
保持(Qi保持不变)
1
X
输出高阻
74L373的真值表如下所示:
EGDQ
LHHH
LHLL
LLXQ
上表中:
L——低电平;
H——高电平;
X——不定态;
Q0——建立稳态前Q的电平;
G——输入端,与8031ALE连高电平:
畅通无阻低电平:
关门锁存。
图中OE——使能端,接地。
当G=“1”时,74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同;
当G为下降沿时,将输入数据锁存。
三.锁存器74LS273
(1)基本特性
74LS273是带有清除端的8D触发器,只有在清除端保持高电平时,才具有锁存功能,锁存控制端为11脚CLK,采用上升沿锁存。
CPU的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK端相连。
(2)74LS273引脚图如图3-17所示:
74LS273引脚图
(3)74LS273功能表
74LS273功能表
74LS273八D触发器
输入
输出
/Cr
CP
D
Qn+1
L
×
×
L
H
↑
H
H
H
↑
L
L
H
L
×
Qn
四.接口芯片8279简介
1:
8279引脚封装及引脚功能
8279采用单±5V电源供电,40脚封装。
其引脚封装如图3-20所示:
8279引脚图
(1)DB0~DB7:
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,将缓立器读出,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)SL0~SL3:
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)RL0~RL7:
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FIFORAM中。
(13)OUTA3~OUTA0及OUTB3~OUTB0:
显示输出A口及B口,这两个口是16×4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。
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