电冰箱控制系统的设计

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1、目录1.引言22 设计要求及分析32.1电冰箱温度自动调节功能32.3电源过欠压保护功能32.4压缩机开启延时功能32.5故障报警功能33. 自动控制系统硬件结构设计43.1 主要部件选择与功能实现43.1.1 单片机选型及功能介绍43.1.2 A/D转换器选型及功能介绍53.1.3 74LS373 简介53.2检测及控制电路63.2.1 传感器的选择与温度自动调节功能的实现63.2.2 电冰箱的过欠压保护电路及功能实现83.2.3 电冰箱的开启延时电路及功能的实现93.2.4 自动除霜功能的实现103.2.5 报警器11总结13参考文献14电冰箱自动控制系统的设计1.引言冰箱自动控制系统在正

2、常工况下工作，当运行过程中需要进行自动调节时， 系统能通过预设程序进行调节，要求控制系统应有一定的应变能力。对于冰箱性能的主要调节指标是箱体温度由此实现的功能有自动温度调节， 自动除霜等。要求维持冰箱的冷藏冷冻室温度维持在预先设定的数值，当箱内温度高于或 低于这一值时判断启动或关闭压缩机，使温度回归。系统还要求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，当完成化霜 工作后恢复压缩机风机的工作。另外当运行达到安全极限时，要求系统能采取一些相应的保护措施，促使运 行离开安全极限，返回到正常情况，以防事故。属于生产保护性措施的有

3、两类：一类是硬保护措施；一类是软保护措施。 例如电源的过欠压保护，压缩机开启延时，故障自检报警等.本系统通过监控环境温度，冰箱的冷冻，冷藏室温度，电源电压等数据，通 过处理判断调整冰箱的运行以达到预期的运行效果。使冰箱在节能，储藏效果， 安全方面都能进行自动有效的控制。2 设计要求及分析2.1 电冰箱温度自动调节功能该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 温度为一6C一18C，冷藏室的温度为0C10C，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。2.2 自动除霜功能冰箱冷冻室中的水分会凝结成霜，因此，电冰

4、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，若干分钟后 断开化霜加热丝，接通压缩机，再过数分钟后接通风机。2.3 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 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。2.4 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，

5、在设计时应有判断与延时功能。2.5 故障报警功能该功能要求在电冰箱运行过程中，配合 2.3 的过欠电压保护系统不断诊断电 冰箱的运行状态，当出现过欠电压信号时，电冰箱停机并报警显示。3. 自动控制系统硬件结构设计系统结构总图如图 1 所示。图 1 系统结构图3.1 主要部件选择与功能实现3.1.1 单片机选型及功能介绍MCS-51系列单片机为高性能系列，有32个并行口，具有多级中断处理系统，2 个16位定时/计数器，带有串行1/O 口，片内有ROM、RAM,寻址范围可达64K。因此，考虑到本设计控制并不复杂，速度要求不高，加上 MCS-51 系列单片机有 优良的性价比，本设计选择它。本设计用的

6、的主要管脚功能为：PO 口(P0.0P0.7)：8位准双向1/O 口，但实际上通常作为地址/数据总线 口，在访问外部存储器时，它是分时传送的地址和数据。P2 口(P2.0P2.7)： 8位准双向1/O 口，在访问外部存储器时，它输出高 八位地址，与P0 口一起组成16位地址总线。ALE 引脚：它以不变的频率(振荡频率的 1/6)周期性地发出正脉冲信号， 因此，它可以用作对外输出地时钟，或用于定时目的。WR：外部数据存储器写选通信号输出。RD:外部数据存储器读选通信号输出。3.1.2 A/D转换器选型及功能介绍ADC0809八位逐次逼近式A/D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位的模 数转换器

7、，8 路(通道)转换开关与微处理器兼容的控制逻辑。DO-D7：8 位数字量输出引脚；IN0-IN7： 8路模拟量输入引脚；A0、Al、A2:地址输入线，经译码后可选通IN0-IN7八通道中的一个通道进 行转换。START、ALE:用于启动A/D转换。REF:参考电压3.1.3 74LS373 简介74LS373 是一个三态输出，置数全并行存储，缓冲控制输入式锁存器；1D-8D： 8 位地址输入端；1Q-8Q:8 位地址输出端；OE:三态门输出允许控制信号输入端。3.2 检测及控制电路3.2.1 传感器的选择与温度自动调节功能的实现根据设计要求，需测量冷冻室、冷藏室及室外温度，但对测温精度要求不

8、高， 因而可选用价格便宜、性能可靠、互换性好、寿命长的热敏电阻作为温度传感器，。 它们检测原理都一样，检测范围为-26。C+26。C。热敏电阻经简单的电路转化 成电信号并放大后，可直接连到单片机 ADC0809AD 转换器的模拟信号输出 端，经A/D转换后的数据与设定温度相比较，根据比较结果，再对压缩机控制 电路进行控制，使温度控制在各自恰当的范围内。图 2 温度检测电路图中 R4 为温度传感器，选用 MF57 型热敏电阻，具有负温度系数，灵敏度较高，标称电阻值为110KQ ,测温范围为一 55C+35C。其阻值和温度的关系为：R 4 = 4.5 - 0.1T (k Q)Va =亠x 5 =R

9、 4 + R313.757.25 0.1T(V)Va点的电压经过LM324放大器后送入M68HC11A8单片机的一个A/D 转换通道。根据集成运放的知识可得Vb的电压为：Rf3.64Vb = (1+ 丄)Va = (1+)Va(V)R 210当温度为-55。C时，根据以上公式可计算出Vb=1.47V,再根据A/D转换后对应值为4BH (75);同理，当温度为+35。C时，Vb=5V,再根据A/D转换后对应值 为0FFH (255)。根据以上可得出温度T与A/D转换后对应值Y的关系为:Y二2xT +185(其中Y为十进制)而压缩机控制电路如图 3 所示:6RIy图3压缩机控制电路图+24V3.2

10、.2 电冰箱的过欠压保护电路及功能实现电冰箱的过欠压保护电路是在电源变压器设计时就考虑到的，在变压器设计 时，从变压器的次极可另外绕一组线圈，经整流滤波后的电压接入 ADC0809A D 输入端，当电源电压变化时，此电压将随之变化，单片机把测到的电压与过 欠压值相比较，当发现有过欠压现象时，将通过压缩机控制电路切断压缩机电源 并报警，达到保护压缩机的效果。图 4 电源电压检测电路图中 TIL113 为光电耦合器件，光电耦合器件是由发光二极管和光电接受元 件合并使用，以光作为媒介接传递信号的光电器件。适当调节RW，让电源电压 在160V时，通过Rl、RW分压限流后，经过光电耦合器件的二极管。发光

11、二极管 发光使三极管导通。电压越高，发光越强，三极管导通越良好，通过三极管发射 极电流越大，发射极电位越高。再经过集成运放后送入A/D转换的一个通道，转 换成数字量。电压为180V时，转换后数字量为0B4H(180);电压为240V时，转 换后数字量为0F0H(240)。工作电压转换后的数字量应在0B4H(180)与0F0H(240) 之间。3.2.3 电冰箱的开启延时电路及功能的实现按功能要求，电冰箱无论是自动停机还是强制停机，为了延长压缩机的寿命， 都要延时 3 分钟后压缩机才能启动。即在每次接通压缩机时，单片机计时，利用 单片机内的 EEPROM 将计数值保存。在软件设计时，每次上电都要

12、检查此数据 是否到3 分钟，若时间不到，延时后才能接通压缩机。3.2.4 自动除霜功能的实现当电冰箱内空气中含有水蒸气的温度降到 一下时，水蒸气就会凝结发器表 面和食品上而结成霜。结霜多少与箱内空气温度、湿度以及开门次数有关。冰箱 内凝结的霜就越多。霜是热的不良导体，导热系数只有 0.58W/( m0C ),比铜、铝的导热系数要小 得多。蒸发皿表面的结霜大大降低了其热交换能力，严重地影响制冷系统的制冷 效果。当蒸发皿上的霜厚达到 10mm 时，热传导效率将下降 30%以上，使压缩机 运行时间增长，耗电量增大，甚至会导致压缩机出现故障。因此及时除霜是正确 使用电冰箱的一个重要环节。霜厚检测电路与

13、测温电路完全想同，如图 2.霜厚检测电路的工作原理：把热敏电阻安装在具蒸发器 3mm 的某个适合的 位置上，当霜厚大于 3mm 时，热敏电阻接触到霜，从而感受到较低的温度，其 阻值R4变大，a点点位降低，运算放大器输出信号有变化，经过A/D转换后送 入CPU，经单片机分析、判断、给出除霜命令。当霜厚达到3mm时，R4感受到的温度大约为-10。C，当温度为-10。C时，A/D转换后对应值应为0A5H(165)。也就是说，只要A/D转换后值小于或等于 0A5H(165)就说明霜厚已经达到3mm应出去。这时，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

14、钟后接通 风机化霜加热丝的控制电路基本和压缩机的控制电路相同。：j：j：E靈1JF.I7:iT 二二:贮加:. I 心: :图 5 除霜控制电路8051 单片机控制信号经 P1.3 和 P1.4 端口输出，并在 P1.3 和 P1.4 端口输 出，并在P1.7的控制下锁存。74LS273锁存器的输出再经过达林顿驱动器MC141 后驱动固态继电器SSR1。当MC141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MC141的15端输出高电平时，SSR1的3、 4端接通，使得压缩机绕组接通电源而启动，并开始制冷。74LS272锁存控制信 号，一方面增加输出功率，另

15、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。3.2.5 报警器报警器检测来自过欠电压保护模块的信号，当收到异常信号时自动结束系统运行 并发出声光信号以提醒使用者进行处理。由于本设计对声报警无特殊要求，所以 采用单频音报警。发音器采用蜂鸣扬声器。当需要报警时 P1.2 输出“1”使 T1 管导通，然后经 T2 管放大，电路就会产生自激振荡，向扬声器输出一信号就使 得扬声器发出报警声音。图 6 声报警电路PO.O PO.lPl.2P0.2POJP0.4PXP0.6PO 78051ALEAWP2 7RD总结一周半的课程设计很快就结束了，时间很短暂。但是很高兴的是，自己在规 定时间内完成了任务。在摸索中不断思考，在思考中不断学习，感觉