【正文】 ........................ 67 沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院學士學位論文 1 緒 論 （ 1） 智能電冰箱的發(fā)展 20 世紀以前 ， 用冰箱保 存食物是不可想象的 ， 20 世紀沒有冰箱的生活是不可想象的。 在當今利一技迅速發(fā)展，人們生活水平迅速提高的文明社會里，家用電器越來越受到人們的重視。有人曾經(jīng)預(yù)言 ：21 世紀將 是智能家電的世紀。智能家電所涉及的高新技術(shù)領(lǐng)域十分廣泛，其中包括 ： 先進的多媒體技 術(shù)、太陽能技術(shù)、控制技術(shù) 、人工智能、生物技術(shù)以及其它高新技術(shù)等等 [1]。 歸根結(jié)底，冰箱主要還是用來保存食物的，以及保護食物內(nèi)的營養(yǎng)。近些年，各個冰箱品牌都致力于提升保鮮效果， 如 雙循環(huán) 系統(tǒng) 、減少溫 差?? 但目的只有一個 ，就是 保鮮 ！ （ 2） 電 冰箱的發(fā)展趨勢 自 1923 年世界第一臺冰箱誕生以來，人們的生活越來越離不開冰箱，尤其是進入九十年代，冰箱的發(fā)展越來越快 。 趨向時尚、個性化。傳統(tǒng)的白色和中規(guī)中矩的長方體外形已經(jīng)引不起人 們感官上的刺激，于是冰箱開始變臉，設(shè)計從注重功能實用轉(zhuǎn)向以 “ 人 ” 為本。 如以西門子 、LG 等品牌為代表的彩色冰箱，其繽紛的色彩和優(yōu)美的造型取代了傳統(tǒng)冰箱單一白色、灰色等暗淡呆板的顏色，使得原本冷峻的冰箱變得富有品位和人情味門。冰箱的 “ 變臉 ” ，真正拉開了家電業(yè)色彩個性、時尚化的序幕，使消費者能各得其愛。與二三百升容量的普通冰箱比，左右雙 開門的六七百升超大冰箱顯得異常氣派。雖然超大冰箱的銷售量不及普通型和小容量，卻已成為冰箱消費中的時尚趨勢。 返璞歸真節(jié)能、環(huán) 保成先導(dǎo)理念。到那時，含氟的冰箱就都會壽終正寢 。目前冰箱廠家采用的節(jié)能辦法一般是加厚保溫層、采用高效壓縮機、優(yōu)化系統(tǒng)匹配等。 技術(shù)革新智能、高端化。如變頻技術(shù)與模糊控制。 采用模糊控制技術(shù)，則可以對環(huán)境溫度、箱內(nèi)溫度、箱內(nèi)溫度變化率等條件綜合判斷，來調(diào)節(jié)冰箱的運行。 然而，目前市場上出售的冰箱還存在一 些不足。 電冰箱的主要任務(wù)是保證所儲存的食品在經(jīng)過冷凍、冷藏之后，其色、味不變，主要手段是通過保持箱體內(nèi)的最佳溫度達到食品保鮮的目的。 因而其數(shù)學模型很難建立，用傳統(tǒng)的控制方法很難達到令人滿意的控制效果。在冷藏室和冷凍室內(nèi)各設(shè)置了一個感溫頭，一旦感溫頭探測到冷藏室或冷凍室的溫度上升到所設(shè)定的數(shù)值后，則通知壓縮機啟動。若此時冷凍室的溫度尚在 16 度以下，本來不需要制冷，卻因凍藏室 需要制冷而被迫跟著制冷，結(jié)果是溫度被降至遠遠沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院學士學位論文 3 低于 16 度 ，甚至更低。 （ 3） 課題主要研究的內(nèi)容及任務(wù) 近年來，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片機也隨之有了很大的發(fā)展，各種新穎的單片機層出不窮，并以廣泛的應(yīng)用深入到人類生活的各個領(lǐng)域，成為當今科技不可缺少的重要工具。 MCS51 系列的單片機經(jīng)過十幾年的發(fā)展，從性能、指令功能、運算速度、控制能力等方面都有很大的提高 [2]。本設(shè)計注重理論與實踐相結(jié)合，在設(shè)計上比較合理，具有一 定的實用性和參考性。 沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院學士學位論文 4 1 智能電冰箱控制系統(tǒng)總體方案的 設(shè)計 家用電冰箱智能化控制系統(tǒng) 是 真正從用戶考慮出發(fā)盡心設(shè)計 的 ，充分研究了日常生活中人 們 的習慣特征，充分考慮了現(xiàn)代人機關(guān)系 ， 真正意義上的對冰箱進行核心控制，實現(xiàn)人們所渴求的智能冰箱。 （ 2） 單 片機機型選擇 選擇機型的出發(fā)點有以下幾個方面 ： ○ 1 市場的貨源 設(shè)計者只能在市場上所提供的機型中選擇，特別是將作為產(chǎn)品生產(chǎn)的系統(tǒng)，所選機型必須有穩(wěn)定、充足的貨源。 （ 3） 器件選擇 除了單片機以外，系統(tǒng)中可能還有傳感器、模擬電路、輸入 /輸出電路等期間和設(shè)備。 （ 4） 硬件和軟件的功能劃分 系統(tǒng)硬件的配置和軟件的設(shè)計室緊密聯(lián)系在一起的，而且在某些場合，硬件和軟件具有一定的互換性。若用軟件代替某些硬件的功能，可以節(jié)省硬件開支，但增加了軟件的復(fù)雜性。 沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院學士學位論文 5 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在所選擇機型的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)擴展所要用的存儲器、 I/O 電路、 A/D 電路以及有關(guān)的外圍電路等，然后設(shè)計出系統(tǒng) 的電路原理圖，根據(jù)原理圖來制作硬件。 本設(shè)計的硬件由單片機的最小控制 系統(tǒng)、溫度 檢測 電路 、 AD 轉(zhuǎn)換電路、 顯示電路、霜厚檢測電路、電源電壓檢測電路、報警電路 等組成 。 圖 硬件設(shè)計總框圖 本設(shè)計采用 AT89S52 單片機的串行口進行擴展，這樣大大減輕 CPU 的 負擔，也簡化了應(yīng)用軟件的編寫。 本設(shè)計 電冰箱 功能 主要有電冰箱門開時間過長報警功能，當冰箱 門打開超過 4 分鐘，報警提示，但不影響系統(tǒng)正常 的工 作 。 還有自動除霜功能，為用戶提供了方便。下面介紹軟件設(shè)計的一般方法與步驟。定義和說明各輸入 /輸出口的功能，比如輸入/輸出口是模擬信號還是數(shù)字信號、電平范圍、與系統(tǒng)接口方式、占有的口地址、讀取和輸入方式等。由系統(tǒng)的定義，可以把整個工作分解為幾個相對獨立的操作，根據(jù)這些操作的 相互聯(lián)系及時間關(guān)系，可以設(shè)計出一個合理的軟件結(jié)構(gòu)。 對于復(fù)雜的實時控制系統(tǒng)，應(yīng)采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，這種系統(tǒng)往往要求對多個對象同時進行實時控制，要求對各個對象的實時信息以足夠快的速度進行處理并做出快速響應(yīng)。為達到此目的，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)應(yīng)具備任務(wù)調(diào)度、實時控制、實時計時、輸入輸出和中斷控制、系統(tǒng)調(diào)用、多個任務(wù)并行運行等功能。這種方法是把一個完整的程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，對各個程序模塊分別進行設(shè)計、編制和調(diào)試，最后將各個調(diào)試好的程序模塊連成一個大的程序。其缺點是各個模塊的連接有時有一定的難度。此方法是先從主程序開始設(shè)計，主程序編完后，再編制各從屬的程序和子程序。其缺點是上一級的程序錯 誤將對整個程序產(chǎn)生影響，一般為較小的程序設(shè)計系統(tǒng)所采用。 目前，可用于 MCS51 系列單片機開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善， 因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。 AT89S52 單片機是 一種低功耗高性能 的 CMOS 8 位微控制器，內(nèi)置 8KB 可在線編程閃存。 AT89S52 目前 應(yīng)用范圍 很 廣 范，可用于解決復(fù)雜的控制問題 [4]。 AT89S52 共有四個 8 位的并行 I/O 口： P0、 P PP3 端口，對應(yīng)的引腳分別是 ～ ， ～ ， ～ ， ～ ，共 32根 I/O 線。 圖 AT89S52 芯片引腳圖 沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院學士學位論文 8 AT89S52 各 I/O 口的 功能如下： ○ 1 P0 端口 ， 該口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。當把 “ 1” 寫入 P0 時，則它的引腳可用作高阻抗輸 入 。 在對 Flash 存儲器進行編程時， P0 用于接收代碼字節(jié)；在校驗時，則輸出代碼字節(jié) ，此時需要外加上拉電阻。對端口寫 “ 1” 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉 到高電位，此時可用作輸入口。在對 Flash 編程和程序校驗時， P1 口接收低 8 位地址。 表 P1 口管腳復(fù)用功能 端口引腳 復(fù)用功能 T2（定時器 /計算器 2 的外部輸入端） T2EX（定時器 /計算器 2 的外部觸發(fā)端和雙向控制） MOSI（用于在線編程） MISO（用于在線編程） SCK（用于在線編程） ○ 3 P2 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口， P2 口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 P2 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻 ，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對 Flash 編程和程序校驗期間， P2 口也接收高位地址或一些控制信號。對端口寫 “ 1” 時，通過內(nèi)部的上拉電阻沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院學士學位論文 9 把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。 在 AT89S52 中，同樣 P3 口還用于一些復(fù)用功能，如表 所列。 表 P3 端口引腳與復(fù)用功能表 端口引腳 復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） 0INT （外部中斷 0） 1INT （外部中斷 1） T0（定時器 0 的外部輸入） T1（定時器 1 的外部輸入） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） AT89S52 其它 引腳的功能 如下 [5]： ○ 1 RST 復(fù)位輸入端。復(fù)位后 P0~P3 口均置 1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。 ○ 2 ALE/ PROG 地址鎖存允許信號。在對 Flash 存儲器編程時，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG 。但是，在對外部數(shù)據(jù)存儲器每次存取中，會跳過一個 ALE 脈沖。在單片機處于外部執(zhí)行方式時，對 ALE 屏蔽位置 “ 1” 并不起作用。它用于讀外部程序存儲器。在對外部數(shù)據(jù)存儲器的每次存取中， PSEN 的 2 次激活會被跳過。為了確保單片機從地址為 0000H～ FFFFH 的外部程序存儲器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。當執(zhí)行內(nèi)部程序時， EA 應(yīng)接到 Vcc。 ○ 5 XTAL1 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 溫度傳感器 的選型 AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。0. 30℃ ，其輸出電流與絕對溫度成正比 ， 溫度每升高 1K（ K為開爾文溫度 ） [6,7]。 AD590具有線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無需補償、熱容量小、抗干擾能力強、可遠距離測溫且使用方便等優(yōu)點。 其精度，測溫范圍都能符合 本設(shè)計的 要求 ，所以選用 AD590作為本設(shè)計的溫度傳感器。 圖 AD590的封裝形式 AD590的主要特性如下： ○ 1 流過器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾 文）度數(shù)， mA/K。 ○ 2 AD590 的測溫范圍為 55℃ ～ +150℃ 。電源電壓可在 4V～ 6V 范圍變化，電流變1IrT?沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院學士學位論文 11 化 1mA，相當于溫度變化 1K。 ○ 4 精度高?！?。在工業(yè)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集以及許多其他領(lǐng)域中 ， A/D 轉(zhuǎn)換部件常常是不可缺少的重要部件。該類轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度、與微機接口方便等主要優(yōu)點，適用于對快速連續(xù)變化的物理量進行跟蹤采集和記錄等應(yīng)用場合。該芯片有較高的性能價格比，適用于對精度和采樣速度要求不高的場合或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。 ADC0809 引腳 如圖 所示。1LSB； ○ 3 單一 +5V供電，模擬輸入范圍為 0~5V； ○ 4 具有鎖存控制的 8 路模擬開關(guān) ； ○ 5 具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與 TTL 兼容 ； ○ 6 功耗為 15mw； ○ 7 不必進行零點和滿刻度調(diào)整 ； ○ 8 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率，時鐘頻率范圍 為 10~1280KHz。 圖 ADC0809 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 由圖 可知， ADC0809 由 一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當 OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 ALE 端可以與 START 端連接在一起。 EOC=0 時表示 正在進行轉(zhuǎn)換； EOC=1 時表示 轉(zhuǎn)換結(jié)束。 ○ 6 OE：輸出允許控制端，用于打開三態(tài)輸出鎖存器。 ADC0809 的轉(zhuǎn)換過程 如下 ： ○ 1 在 ALE信號的作用下，地址引腳 C～ A上的信號被地址鎖存 器鎖存并選擇相應(yīng)的模擬信號，隨后被選擇的模擬信號進入 A/D轉(zhuǎn)換器。 ○ 3 轉(zhuǎn)換完成后， EOC由低電平變?yōu)楦唠娖?，該信號可以作為狀態(tài)信號由 CPU查詢，也可以作為中斷請求信號通知 CPU本次 A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。 沈陽理工大學應(yīng)用技術(shù)學院學士學位論文 14 3 智能電冰箱 硬件模塊設(shè)計 本設(shè) 計 硬件 模塊分為 八 個部分，分別為時鐘電路 、 復(fù)位電路、 溫度 檢測 電路 、 顯示電路、 A/D 轉(zhuǎn)化電路 、 霜厚檢測電路、電源電壓檢測電路、報警電路 八 個部分組成。 時鐘電路 時鐘電路 如圖 所示， 。 MCS51 單片機的時鐘產(chǎn)生方式有兩種 ： 即內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。常用的內(nèi)部 時鐘方式是采用外接石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 圖 時鐘電路 本 設(shè)計 的時鐘頻率為 12M