电冰箱自动控制系统的设计

目录

1.引言 (2)

2 设计要求及分析 (3)

2.1电冰箱温度自动调节功能 (3)

2.3电源过欠压保护功能 (3)

2.4压缩机开启延时功能 (3)

2.5故障报警功能 (3)

3. 自动控制系统硬件结构设计 (4)

3.1主要部件选择与功能实现 (4)

3.1.1 单片机选型及功能介绍 (4)

3.1.2 A/D转换器选型及功能介绍 (5)

3.1.3 74LS373简介 (5)

3.2检测及控制电路 (6)

3.2.1 传感器的选择与温度自动调节功能的实现 (6)

3.2.2 电冰箱的过欠压保护电路及功能实现 (8)

3.2.3 电冰箱的开启延时电路及功能的实现 (9)

3.2.4 自动除霜功能的实现 (10)

3.2.5 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－6℃～－18℃，冷藏室的温度为0℃～10℃，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176V～240V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，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I/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。本设计用的的主要管脚功能为：

P0口（P0.0~P0.7）：8位准双向I/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（P2.0~P2.7）：8位准双向I/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，8路（通道）转换开关与微处理器兼容的控制逻辑。

D0-D7：8位数字量输出引脚；

IN0-IN7：8路模拟量输入引脚；

A0、A1、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00

26~26

-+。热敏电阻经简单的电路转化

C C

成电信号并放大后，可直接连到单片机ADC0809A／D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1～10K Ω，测温范围为一55℃～+35℃。其阻值和温度的

关系为：

4 4.50.1(R T k Ω=-)

313.755()437.250.1R V a V R R T =

?=+- 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：

3.64(1)(1)()210

f R V b V a V a V R =+=+

当温度为0

-时，根据以上公式可计算出Vb=1.47V,再根据A/D转换后

55C

对应值为4BH (75);同理，当温度为0

35C

+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：

=?+（其中Y为十进制）

Y T

2185

而压缩机控制电路如图3所示：

3.2.2 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R1、RW分压限流后，经过光电耦合器件的二极管。发光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/(0

m C),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0

10C

-时，

-，当温度为0

10C

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。

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

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，感觉自己获益匪浅。

平时的学习中，我们都努力去硬记书上的公式和概念，由于只是抽象的去记忆，很难形象地将其理解并消化。当遇到新的陌生的问题时，我们很难举一反三，触类旁通。究其原因，这都是由于理论脱离实践，没能很好的将书本上所学的东西领悟，利用起来。而做课程设计是一次很难得的机会，学了一学期的过程控制技术，通过课设可以运用所学的知识。这不仅可以加深我们对理论知识的进一步理解，而且可以培养我们独立思考，冷静分析及动手的能力。

这次的课程设计我做的是电冰箱自动控制系统的设计，我感觉在明确了控制量和控制条件的基础上，设计一种具有应用价值的系统并不是一件难事。不过要使系统的调节更灵活，控制更精准，能适应各种各样的环境条件突发状况就不是一件很容易的事了。

要做出一个成熟的有用的设计，除了对控制原理的了解外更重要的还是要全面了解控制对象可能涉及到的种种内在外在因素，这样才能保证设计的实用性和可靠性，做出一个真正成功的设计。

在课程设计中，元器件的选择和参数的计算是最难的部分，不过遇到问题，再解决问题，这就是做科学的人必须有的精神。我们学生也应该一样，要有遇到困难，膺任而上的勇气。通过自己的努力，能够一个模块一个模块的将问题分解开来，并一一攻克，这种感觉只有亲力亲为者才能感受到。

做课程设计是累的，但是也是甜的。如果身体上的累能够换来精神上的极大满足，我愿意一直这样累并甜着！

参考文献

1 孙洪成《过程控制系统及工程》第二版化学工业出版社2005

2 翁维勤《过程控制装置》化学工业出版社 2003

3 李雅珍《控制系统分析，设计和应用》化学工业出版社 2002

4 刘文达《先进控制技术及应用》化学工业出版社 2003

5 俞金寿《家用电器与现代生活》工艺技术出版社2002