冰箱冷藏室温度智能控制系统

目录摘要………………………………………………………………………………………11引言…………………………………………………………………………………12设计思路……………………………………………………………………………22.1设计任务…………………………………………………………………………22.2设计的理论基础…………………………………………………………………22.3冰箱的系统组成…………………………………………………………………22.3.1蒸汽式压缩机电冰箱…………………………………………………………22.3.2直冷式电冰箱…………………………………………………………………32.4总体设计方案选择………………………………………………………………32.5方案总体介绍……………………………………………………………………43硬件系统设计………………………………………………………………………43.1系统总体结构……………………………………………………………………43.2温度采集模块……………………………………………………………………53.2.1温度采集模块的选择…………………………………………………………53.2.2DS18B20测温电路…………………………………………………………63.2.3测量数据的比较………………………………………………………………73.3单片机系统及液晶模块…………………………………………………………73.3.1微处理器（单片机）……………………………………………………………73.3.2显示电路的设计…………………………………………………………………83.4输出控制模块……………………………………………………………………94软件设计……………………………………………………………………………94.1主程序流程框图………………………………………………………………104.2DS18B20工作的流程图………………………………………………………125调试与实验………………………………………………………………………125.1使用说明…………………………………………………………………………125.1.1Keil单片机模拟仿真………………………………………………………125.2功能测试…………………………………………………………………………145.2.1温度测量分辨率………………………………………………………………145.3晶振的选择………………………………………………………………………14附录1硬件原理图…………………………………………………………………15冰箱冷藏室温度智能控制系统摘要：本智能温度控制主要由温度采集模块、液晶显示模块、单片机智能控制模块和输出控制模块组成。此次设计相比于传统的冰箱温度控制器，温度信号更加精确，利用单片机控制冷藏室温度在1℃~5℃之间，当温度低于1℃，继电器不工作；当温度高于5℃，继电器开始工作，并且利用液晶显示冷藏室温度的变化。关键词：温度采集；液晶显示；温度控制1引言随着集成电路的发展，单片机的功能也越发的多样。单片机因为他本是的诸多优点，比如功能强、体积小、可靠性高、开发的周期短，成为各种检测控制方面被广泛应用的元器件，在电子工业生产中变为不可缺少的存在，特别是在我们日常的生活生产中也发挥了很多的作用[1]。而在日常生活中，冰箱已经成了家庭生活中不可缺少的一部分，就此对于冰箱的性能要求也越来越高。在这其中冰箱的智能温度控制是现今市场上冰箱重要选择。现在市面上的冰箱大多都包含着两部分，分别是冷藏室和冷冻室。其中冷藏室用于冷藏食物，要求有一定的保鲜作用，不可冻伤食物；冷冻室一般用于对食物的冷冻作用。现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通用技术)和信息处理(计算机技术)。目前信息技术中前端的产品就是传感器，而其中被广泛应用在工业生产、科学研究方面的传感器就是温度传感器，在这些领域中温度传感器的应用是位于各种传感器的第一位[2]。智能温度传感器最早是出现在20世纪90年代的中期，在其内部就应用了A/D转换器，但他测量的温度范围比较低，而且也只有1℃的分辨率。到了21世纪以后，智能温度传感器正在迅速的朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向发展[3]。传统电冰箱的温度一般是由冷藏室控制。冷藏室、冷冻室之间不同的温度是通过调节蒸发器在两室的面积大小来实现的，温度的调节完全是依靠压缩机的开停来控制。但是影响冰箱内部温度的因素有很多种：如放到冰箱内的食物他自身温度的大小、还有他们散热性能高低、食物放在冰箱里的充满率大小、环境温度的高低、开启冰箱门的频率等[4]。因此对于这种受到诸多参数要求和很多随机性的温度的控制，如要建立一个相对标准的数学模型是很困难的，同样的也无法用传统的PID来进行调节。而本次的设计，主要是通过温度传感器DS18B20来对电冰箱冷藏室温度进行采集，通过STC89C51单片机进行数字信号的处理，从而达到冷藏室温度智能控制的目的。2设计思路2.1设计任务在此次的设计当中，要设计的是一个冰箱冷藏室温度智能控制系统。控制冰箱冷藏室的温度。使冷藏室的温度控制在1~5℃之间，当冷藏室温度低于1℃时，继电器停止工作；当冷藏室温度高于5℃时，继电器开始工作。2.2设计的理论基础这次冰箱冷藏室温度智能控制系统的设计，主要是通过对于核心芯片单片机的设计，使得冰箱内冷藏室温度的控制更为的方便和准确。一般传统冰箱的温度控制是分别通过调节蒸发器在冷冻室和冷藏室的面积大小来实现的，温度的控制完全依赖于压缩机的开停。但冰箱内部两室温度的控制是受很多因素的影响，比如环境温度、开门的频率或是存放在冰箱内物品的本身散热程度。因为这些不定因素的影响，两室的温度就很难准确的进行控制[4]。2.3冰箱的系统组成2.3.1蒸汽式压缩机电冰箱液体由液态变为气态时，会吸收很多热量，简称为“液体汽化吸热”，电冰箱就是利用了液体汽化的过程中需要吸热的原理来进行制冷的。蒸气式压缩机电冰箱制冷系统原理图如图2-1所示，主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器等部件组成，其动力均来自压缩机，干燥过滤器用来过滤赃物和干燥水分，毛细管用来节流降压，热交换器为冷凝器和蒸发器。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被压缩机吸入。至此，完成一个循环。压缩机冷循环周而复始的运行，保证了制冷过程的连续性[5]。图2-1蒸汽式压缩机2.3.2直冷式电冰箱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、停，使冰箱内的温度保持在设定温度范围内。冷冻室用于冷冻食品通常用于冷冻的温度为－3C～－15C,冷藏室用于相对于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，温度一般为0C～10C，当测得冷藏室温度高至10C～13C是启动压缩机制冷，当测得冷藏室温度低于0C～－3C时停止制冷，关断压缩机。采用单片机控制，可以使控制更为准确、灵活[4]。2.4总体设计方案选择方案一：PID温度控制利用热电偶来进行温度的采集，而当通过热电偶采集的温度和希望温度的给定值不相同时，PID控制可根据测量的温度信号和希望的温度信号进行比例、积分、微分的运算[6]。从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。但该方案实施起来并不稳定，有着很多的不确定的因素，而且运用PID温度控制对精度的要求很难满足，无法使温度的控制达到一个理想的效果，此时就考虑到了运用单片机来进行温度的控制。方案二：单片机温度控制运用单片机来进行温度的控制，可以直接运用核心单片机芯片对温度传感器采集来的温度信号进行比较和处理，并通过液晶显示。而且还可以通过温度的比较来决定是否启动继电器，从而启动或停止压缩机，控制压缩机的工作。运用单片机控制温度相比于PID，对于信号的采集调节更加的精确，而且受其他因素的干扰更加的少。所以在本设计中我选用第二个方案，即单片机温度的控制。2.5方案总体介绍本设计通过温度传感器，对冰箱内部冷藏室的温度进行一个采集，对采集来的温度数据传递到单片机上。由单片机对采集的温度进行比较，最后通过比较的数据变化来调节其他系统电路的控制，实现一个降温的过程。此外，采集来的温度数据利用液晶显示在显示屏上，来显示冰箱内的温度，使用户可以了解现在温度变化的过程。3硬件系统设计3.1系统总体结构冰箱冷藏室温度智能控制器的研究，主要可分为四个主要部分：温度采集模块、单片机控制模块、显示电路及输出控制模块。图3-1为电冰箱温度智能控制系统框图。其中单片机为核心控制系统，读取从温度采集模块采集来的温度信号，并进行对比、调节输出到显示电路进行运行，并产生时钟信号使液晶显示出来，最后控制输出控制电路的运行。图3-1硬件系统框图3.2温度采集模块3.2.1温度采集模块的选择温度采集模块主要是对温度信号进行一个采集，并把采集来的信号传输到核心芯片即单片机当中去，在单片机中进行信号的分析和处理，这部分是本次设计的关键。在传统的远距离模拟信号温度测量系统中，存在着引线误差补偿、多点测量切换误差和放大电路零点漂移误差等多个技术问题，而这些问题必须要很好的解决才可能达到一个较高的测量精度[2]。方案一：热电偶进行温度采集热电偶是应用测温工作范围最多的温度采集器件。而且热电偶的测温范围也非常广，在-200℃到2500℃之间，具体取决于所使用的金属线。并且热电偶的响应快、不会自身发热而且坚固耐用。但是热电偶采集温度之后信号调理非常复杂，而且处理不当就会引入误差，导致精度的降低[7]。并且除了这一点之外，热电偶也非常容易受腐蚀，而且其本身的精度较低，一般都在1℃~2℃之间。方案二：DS18B20进行温度采集DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的的新型数字温度传感器。具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。并且18B20是独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器DS18B20的双向通讯[8]。虽然在测温范围中，DS18B20无法和热电偶进行比较，测温范围是-55℃显示电路输出控制单片机温度采集模块~125℃，但DS18B20的精度却比热电偶高，固有的测温分辨率为0.5℃。并且DS18B20自身就具有A/D转换，使用DS18B20电路比热电偶电路更加的简便。根据上述两个方案的比较，本次设计选择DS18B20来进行测温。3.2.2DS18B20测温电路DS18B20普遍有两种封装，分别是三脚封装和八脚的封装。在本次设计中我运用的是如同三极管封装的三脚外形，与八脚的贴片封装相比，这种三脚的封装在连接电路的时候更加的方便。其中三个脚分别代表电源端、接地端和信号端，只要分别接入电路中就能正常的工作[9]。然后传出给单片机进行数据的分析和处理，从而再对其他的模块进行控制。图3-2为温度传感器与单片机的接口电路。图3-2温度传感器与单片机接口电路DS18B20高精度测温的理论依据DS1820正常工作时的测温分辨率是0.5℃，而对于其我采用的方法是直接读出内部暂存存储器的方法，将其测温的分辨率直接提高到0.1℃~0.01℃。当我考虑到误差等问题时，通过分析DS18B20的内部精度来进行实际温度的计算。我设定实际温度为T，那么实际温度T可以用下面这个式子计算得到：T实际=（T整数-0.25℃）+（M每度-M剩余）/M每度（2-1）其中当应用DS18B20的读暂存寄存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量的结果，然后切去测量结果的最低有效位，得到所测的实际温度的整数部分，然后再用BEH指令读取计数器1的技术剩余值M剩余和每度计数值M每度