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由于社会迅速的发展,人们愈来愈追求生活的质量,吃上新鲜食物是生活质量的一方面的体现,因此对电冰箱食物保鲜的性能的要求也越来越高。目前市场上大部分的电冰箱总是存在着类似于功能少、操作复杂、控制不方便等缺点。由于人们对生活质量对科学技术的追求,市场上这些电冰箱已经不能满足人们的需要了,因此研究出一种控制灵活,操作方便的电冰箱,已经成为当务之急[1]。
另一方面随着大规模集成电路的产生,人们的生活质量也有了很大的变化,微型计算机的发展使得现代科学技术也得到了快速的发展,单片机使得现代工业控制领域带实现了次翻天覆地的改变。在1970年,研制出了单片机。它从8位到32位的单片机,发展很快,并向双CPU,容量很大,功耗低。在开发高科技产品过程中,单片机是不可缺少的核心手段。它结合了一些高新技术,比如传感技术和计算机技术,并且采用了机械技术发展的新成果,不仅是在民用工业有广泛的应用前景,在国民经济建设中也也及其具有应用前景。单片机在智能仪器仪表的设计制造,电子产品,自动化工业,武器装备及通信等方面也得到了广泛的应用,含盖了生产、生活、军事等各个领域,实现了电子产品的准确化、智能化、最优化和多功能化,发挥着及其重要的作用。世界上大多数国家高度重视单片机的发展。目前由于单片机的控制技术实现了自动化的生产技术,促进了计算机、材料加工、医疗甚至是纺织等相关领域的发展,因此它在现代高科技技术中占有举足轻重的地位。单片机的发展是对国家科学技术水平的主要度量标志[2]。实践证明,单片机用于电冰箱控制系统具有准确的精度、优异的功能、良好的经济性,不仅提高了产品的生产效率而且提高了产品的质量,节约了自然能源,改善了目前劳动能力不足的问题。它在各个方面都显示出了比较高的优良的性能[3]。
制冷机的微机控制系统是以单片机为核心,它不仅有效的提高了机器的性能,而且也提高了控制的精度,硬件与软件相互配合实现电冰箱的智能化和自动化[4]。
电冰箱的国内发展趋势
从1956年起,我国在家用电冰箱的技术方面开始起步,在改革开放以后,电冰箱技术的发展非常迅速,特别是在1985年,有110多厂家生产电冰箱[5]。在发展的初
期阶段,主要着重扩大产品的数量,后来由于不断完善市场经济体制,我国逐渐注重产品的质量。最近几年,因为各种因素的影响,我国市场对家用电器的需求量极度减小,因此一场“价格战”几乎渗透到各个领域的家用电器。实际上,近年来中国电冰箱行业一直在进行技术较量。在这场较量中,广东科龙集团略胜一筹。科龙首创的用稀有金属及其化合物制成的“养鲜魔宝”技术,具有除臭保鲜、气调和调湿养鲜三大功能。它可以高效率的吸收果蔬释放的催熟气体,抑制果蔬生长,减少营养成分的流失。它还可以平衡室内的湿度,当箱内的湿度超过一定值时,自动吸收箱内水分;当湿度过少时,就适度释放水分,因此可以使食物保持长达15天的新鲜。中国第一台网络冰箱(BCD-348W/HT)由科龙成功研制,它让冰箱行业进入了网络时代。网络冰箱与家用电脑通过网络接口串联起来,从而连接到因特网上,此时来自于维修服务中心的远程微机系统就可以对此故障冰箱进行检测、诊断,排解运行的故障,及时优化运行的参数,使冰箱每时每刻都处于最佳工作状态,甚至能智能制订食谱、自动指导烹饪方法、在网上购物等满足人类需求的优良功能。在2007年,我国所有的电冰箱企业总共的年销售量高达30790000台,,其中,销往国内的就有1427万台,%。由于电冰箱的销售总量达到了5年以来的最高数量,所以冰箱行业的发展再次进入了峰值的时期。在2023年的前10个月,我国冰箱产业的最高产额达到了344万台,;冰箱总销售额达到88亿元,[6]。
我国家用电冰箱在未来几年当中的改变将体现为以下几个趋势:
(1)环保产品成为市场主流。依据《中国消耗臭氧物质逐步淘汰国家方案》和《中国家用制冷行业CFCs逐步淘汰战略研究》的相关条例,环保电冰箱将在之后的几年中不断的进步,并将逐步成为市场上的主流产品。
(2)节能技术推广。作为一个新的国家标准,我国在家用冰箱的耗电量及能耗方面的等级区分将在市场上普及开来,所以冰箱节能技术将成为今后生产企业生产技术研究的重中之重。
(3)智能化产品。例如在冰箱外就可以显示内部温度并对温度进行控制、通过电脑自动控制温度、冰箱内霜体过厚时会自动检测并融化霜体、在断电前自动记录各个工作方式,来电后可以依据记忆重新启动。
(4)多元化格式发展。我国地大物博,各地区的气候差异很大,区域发展有快慢,经济、文化以及生活****性均有差异,再加上发展方向的差异和市场细分,因而家用电冰箱的方向发展更加趋于多元化。只有针对性的、多元化的设计才能满足不同地区、不同层次用户的功能需求。比如,以北京为首的北方用户钟情于大气磅礴,拥有大冷冻室的冰箱,来存放他们购买了的很多食物;在上海附近的华东地区消费者则青睐于娇小漂亮的冰箱;无霜冰箱深得以广州为代表的岭南消费者的喜爱,由于南方气候的影响,他们较为重视对食物的保鲜,在意于有保鲜室、大型的果疏室和能够自动净化内部空气这些用途。拥有温度变化性能的多门冰箱(某一部分可用于快速冷冻、部分冷冻、冰温贮藏、果蔬冷藏室,每一室都可以有多种用途)就能够更好地满足消费者不同的储物需求。
(5)隐性化趋势。用户素质水平的一步步提升,使冰箱在形体设计方面需要满足越来越高和更加全面的要求。在设计的时候一方面要考虑到冰箱本身的颜色和形状,同时也要考虑到冰箱与家居环境的协调与搭配。按照现如今的房间规划趋势,家用电冰箱在设计时需要与厨房用具、家具相匹配,如可随意的拜访,或者任意相互组合[7]。
电冰箱的国外发展趋势
全球第一台家用的电冰箱是在1910年,由美国人发明制造的,它是压缩式制冷电冰箱。15年后,瑞典丽都公司研究出了第一台家用吸收式的电冰箱。美国在1927年研究出全封闭式电冰箱。利用煤气、电、煤油等能源加热,从而使得空气冷却的连续扩散吸收式冰箱,在1930年被市场广泛使用。在1931年,研究出的新型制冷剂***利,广泛应用与工业上。1930年到1940年,在美国的每个家庭已经普遍使用了含有冷冻机的电冰箱。
为了更好的满足市场不断的需求,和不断提高广大人民的生活质量,在日本各冰箱制造公司都在积极改进自己的产品,并且快速研制出新的多功能的产品。因此,在1996年,所有的日本电冰箱企业的总销售量高达4950000台。这些冰箱中,被宾馆、旅店等商用的120升以下的电冰箱占30个百分点,另外300升以上的电冰箱占57个百分点,400升以上的需求量不断增加,多门冰箱大约占70个百分点。冰箱功能越来越完善,规格愈来愈齐全[5]。
因为近年来我国市场上销售的冰箱精度低,功能少,控制的方式单一,且大多是传统的机械式温控冰箱,所以很难顺应人们的生活的需求。多功能的电冰箱以单片机为控制核心,实现了冷冻室,冷藏室温度的显示和设置,智能报警,自动除霜等的功能,它具有简单的结构、高的可靠性、低的成本、多功能等特点。因此,在本系统中,
利用AT89C51单片机芯片采集冷冻室,冷藏室温度值,并且通过数字量的形式存储和显示,AT89C51单片机结合软件指令,执行各种控制,可以显示动态的温度值。本次设计通过合理的设计电路,在单片机的外围接各种芯片,扩展了单片机的功能,结合软件指令,自动的控制制冷机的各个系统,实现功能齐全的制冷机系统。用两个运算放大器组成温度传感器,从而将检测到的冷藏室、冷冻室温度的模拟信号值,用ADC0809进行模数转换,然后通过单片机进行后续处理;使用MF53-1型热敏电阻对霜层厚度进行检测,温度检测产生中断信号,送入AT89C51单片机产生中断信号,给出中断命令,从而达到了让人满意的除霜效果。本系统设计的电冰箱具有电路简单、较强的实用性、较高的性价比、控制方便、显示直观等优点,可广泛应用于家用电冰箱。
2总体方案
这个电冰箱系统是将AT89C51这个单片机当做核心,然后由除霜电路、显示电路、温度采集电路、扫描键盘电路、压缩机工作电路和电热丝启停控制电路等部分构成。本系统在运行的过程中,能够实现这些功能:1、使用冰箱外的按键调节冷冻室的温度、冷藏室的温度、进行速冻设置等;2、使用LED数码管将冷冻室温度、冷藏室温度直观的表达出来;3、压缩机从停止工作到重新进行驱动这一过程有3min的延时时间;4、具备主动化霜的能力,当霜体厚度达到3mm时启动电热丝工作;5、开门时间在2min以上的,将会声光报警,提示使用者尽快关上门。
根据电冰箱的控制系统设计的要求,本设计在测温电路中,通过热敏电阻在不同温度下阻值变化而造成的电流变化,在ADC0809中进行模数转换,以达到温度采集的作用。键盘扫描完成从默认显示的冷藏室温度到冷冻室温度的切换,并且由加一键来完成温度的设定,并通过显示电路显示出来,最后借由确认键来将设置好的温度传递到主程序中。使自动除霜,冷冻室、冷藏室温度保持以及速冻功能得以实现。对于电冰箱温度以及门的异常状态,通过声光报警提醒用户及时处理。
在这个系统控制当中,是利用AT89C51做为控制中心,通过ADC0809进行模数之间的转换,通过热敏电阻反应冰箱内温度变化,由锁存器,二位数码管,按键开关等元器件构成,组成了日常生活中我们经常接触到的冰箱控制系统,使之拥有了温度控制、自动除霜和异常报警这些能力。
主要组成部件有:单片机、数码管、时钟芯片、按键、继电器等。系统总体结构框图如图1所示。
AT89C51单片机
直流电源供电电路路
晶体振荡电路
复位电路
报警电路
功放
冷冻室温度传感器器
放大器
A/D转换器
显示器
键盘电路
冷藏室温度传感器
霜厚温度传感器
放大器
放大器
压缩机
加热丝
门限开关
图1系统组成框图
3硬件设计
AT89C51芯片
AT89C51单片机的引脚封装图如图2所示:
主要功能特性:
·兼容mcs-51指令系统
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命:1000写/擦循环
·数据保留时间:10年
·全静态工作:0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32位可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·软件设置空闲和省电功能
·片内振荡器和时钟电路
·灵活的isp字节和分页编程
·双数据寄存器指针[8]
图2AT89C51单片机的引脚封装图
AT89C51单片机有四个八位的并行I/O口。它们是P0口、P1口、P2口和P3口,~,~,~,~,I/O线一共是32根。每根线可以单独用作输入或输出。其中P1口、P2口和P3口是内部带有上拉电阻的8位双向I/O端口[9]。
①P0口:由于P0口可以当做低字节地址/数据总线使用,并且多路复用,所以本系统中,将P0口对应的8个引脚分别与锁存器74LS373的数据线相连,可以对锁存器74LS373进行存取;在对Flash存储器进行编程时,P0用于接收代码字节;在校验时,则输出代码字节;此时需要外加上拉电阻。
②P1口:,门开关电路中接有LED发光二极管,当门开关打开时,;当光门的时候,,结合软件程序,判断门的开和闭,就可以进行光报警。,作为T1的脉冲源使用。,当出现开门超过2min的时候,蜂鸣器就开始发出声音。。。
③P2口:P2口与P0口一样,它的8个引脚也与锁存器74LS373数据线相连,地址与数据轮换使用,通过锁存器与LED数码管相接,控制数码管显示实时温度。
④P3口:,作为输入线使用,,作为输出线使用。,外部RAM写选通,,外部RAM读选通。
。与复位电路相接,高电平的时候有效,当振荡器工作的时候,在RST引脚上会出现两个机器周期你以上的高电平,这时就可以进行单片机复位。
。本系统中将此引脚与锁存器74LS373的G端相连,ALE为高电平的时候,ALE端不时的向锁存器74LS373的G端输出正脉冲信号,此输出的正脉冲信号为振荡器频率的六分之一。
,其中XTAL1为振荡器的反相放大器的输入并且为内部时钟工作电路的输入。XTAL2与XTAL1相反[10]。
ADC0809
(1)主要特性
1)8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。
2)具有转换起停控制端。
3)单个+5V电源供电
4)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
5)工作温度范围为-40~+85摄氏度
6)低功耗,约15mW[11]。
(2)ADC0809引脚图
图3ADC0809引脚图
外部特性(引脚功能)
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如图所示。下面说明各引脚功能。
ADDA、ADDB、ADDC为3位地址输入线,可以用来选通表3中八路模拟通道中的一路。其模拟通道地址码如表1所示:
表1模拟通道地址码
当ADC0809转换器的ALE端为高电平的时候,锁存器工作,ADC0809转换器进行数模转换。
,如果想要ADC0809启动,就必须在START端口输入至少100ns的正脉冲。
,低电平有效,当为高电平的时候,结束A/D转换。
,当为高电平的时候有效。当模数转换结束的时候,除非OE端输入高电平,才能输出数字量,
否则不能打开输出三态门。
ADC0809的CLK与二分频器相连,作为时钟脉冲输入端。
REF(+)、REF(-):基准电压。
Vcc:电源,单一+5V。
GND:地[12]。
数码管
本系统中选用LED数码管显示冷藏室和冷冻室温度值。它具有价格低、优良的配置、而且很方便与单片机接口等顺应人们需求的优点。因为它有八个二极管,并且它们都可以发光,所以通常称之为八段显示器。“8”这个数字是由七个发光的二极管组合形成的;一个发光二极管构成小数点的“.”。通常LED数码管有共阳极和共阴极两种接法。在共阳极接法的数码管显示块中,并接发光二极管的阳极,在发光的二极管阴极都显示为低电平的时候,发光二极管就被点亮;共阴极接法与共阳极正好相反[13]。数码管引脚图及数码显示器内部结构如图4所示,本系统中采用共阳极的接法。
图4数码管引脚图及数码显示器内部结构
我们常见的二极管与这八个二极管的电压,电流的特性都差不多。即如果正向压降变大那么正向电阻也会变大。在一定区间内,正向电流越大,亮度越高;反之越暗。因为通常LED的起动电流在一到二毫安之间,而最大允许的电流在十到三十毫安之间。因此当电路信号在数码管的输入端高于三点五伏的高电平或者五伏的电源电压的时候,我们必须要串加限流电阻,防止器件被损坏。LED数码管的使用条件和使用注意事项如下[14]。
(1)LED的使用规则:
:四毫安到五毫安之间差不多是平均电流,一百毫安是最大电流;静态电流:由于LED中各个发光二极管的电流为十毫安,因此电流加起来总共为八十毫安。
:LED中,显示数字“8”中的段和小数点都是由二极管的发光的亮度决定。
(2)使用说明:
,时间最好控制在五秒,温度最好在二百六十度左右
本系统采用一个两位的数码管进行温度显示。
下表所示为共阳极LED所显示的不同字符的字段码[15]。如表2所示。
表2共阳极不同字符的字码段
显示字符
共阳极字段码
0
C0H
1
F9H
2
A4H
3
B0H
4
99H
5
92H
6
82H
7
F8H
8
80H
9
90H
F
8EH
继电器
本系统中电磁继电器作为主要的控制器件。由于本系统中,需要电冰箱自动清除冰箱内多余的霜和压缩机从停止工作到重新进行驱动这一过程有3min的延时时间,这个两个电路中都需要用到继电器来控制电路。它们分别是除霜电路和压缩机控制电路。把继电器的一端接上一个可以发光的二极管和一个一千欧姆大小的电阻,这里的电阻起到了限流的作用。如果在电路运行的时候,发光二极管发光,此时继电器的线圈上有电流,从而控制了压缩机启动,或者是除霜工作。同时,在电路中还需要并联一个普通的二极管。它的作用主要是使得一些元器件能够正常工作。本电路采用5V大小的继电器。
地址锁存器74LS373
单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373。它是一个8D触发器。锁存器74LS373是三态缓冲输出的[16]。地址锁存器74LS373的引脚图如图5所示:
图574L373引脚图
74LS373的真值表如表3所示:
表374LS373真值表
Dn
LE
OE
On
H
H
L
H
L
H
L
L
X
L
L
Q0
X
X
H
高阻态
本系统中,两次用到了锁存器74LS373。在单片机与ADC0809的接口电路中,将锁存器74LS373的D端与AT89C51单片机的P0口相连,将Q1和Q2端与ADC0809的A和B端相连,用来选通地址。在数码管显示电路中,在数码管与AT89C51单片机直接接上锁存器74LS373,将锁存器74LS373的D端与AT89C51单片机的P2口相连,将Q端与数码管的段选端相连。用来锁存信号,使得数码管准确显示冷藏室和冷冻室的温度。
温度检测电路如图6所示
图6温度检测电路
在图6中的热敏电阻为温度传感器。此处的电阻选用的是具有负温度系数MF53-1型热敏电阻。反应快、互换性好、使用时间长、成本少是它区别于其它热敏型电阻的优点。尤其是当温度在-26℃~+26℃范围时,MF53-1型热敏电阻的使用价值尤为突出。此时它的电压与温度的关系图差不多为一条直线。它的阻值和温度的关系如下:
Rt=286/(+t)-(KΩ)
本系统中温度检测的电路主要是用来接收冷冻室和冷藏室温度的信息。它用于将微弱的电压进行放大。因为模数转换器ADC0809的模拟输入电压为0到5伏,所以要想办法使得温度检测电路中的电压与它相匹配。因此需要将分压电阻上的电流经过两个LM324运算放大。前面的一个LM324作为射级跟随器,它的作用是得到高输入阻抗。后面的LM324最终实现差分放大。当电冰箱里面的温度变化的时候,冷冻室传感器的阻值也会改变。电冰箱内的温度值与传感器的阻值呈反比关系。所以我们就可以通过温度的变化,转化为温度检测电路中热敏电阻阻值的变化,然后引起电压变化从而导致控制电路开始工作,分别控制压缩机的启和停。这里温度检测电路属于电压检测的方式,即通电后随温度的改变就有微弱的电压的变化。通过运算放大器输入到A/D转换器的模拟输入通道IN0,把A/D转换器转换的数字量送入AT89C51,通过软件编程,控制压缩机的启和停并且在数码管上面显示冷藏室的温度值。本系统中冷冻室温度采样系统与冷藏室温度采样系统类似,在此省略。
霜层厚度检测电路则是选择一个离蒸发器三毫米恰当的地方,安置MF53-1型电阻。在霜厚超过三毫米的时候,MF53-1型电阻接触到霜层。由于感受到了较低的温度,热敏电阻的阻值会随之升高,从而改变了运算放大器的输出信号,经过