文献综述
电冰箱控制系统设计
摘要：随着家用电冰箱的普及，人们对电冰箱的控制功能要求越来越高，对电冰箱控制系统提出了更高的要求，多功能、智能化是其发展方向之一，传统的机械式、简单的电子控制已经难以满足发展的要求。本文采用MCS一51系列中的8051单片机作为控制系统的核心对电冰箱的工作过程进行控制。电路利用温度传感器对冷冻室及冷藏室的温度进行检测，再送入单片机进行分析判断，当蒸发器的温度高于一定温度时就启动压缩机，当温度低于一定温度时就停止启动压缩机，从而达到使冰箱内的温度保持在设定温度范围内的目的。此外，通过键盘对冷冻室及冷藏室温度进行设定并显示、对连续速冷时间进行设定并显示、开门超时警、工作电压超限报警以及自动除霜等功能。 关键词：单片机，电冰箱，控制系统 引言
随着超大规模集成电路技术的发展，单片机也随之有了很大的发展，各种新颖的单片机层出不穷，并以广泛的应用深入到人类生活的各个领域，成为当今科技不可缺少的重要工具。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。采用单片机对电冰箱进行控制，可以使电冰箱的控制更准确灵活直观。 现状分析 1单片机控制系统 1.1对电冰箱的控制要求
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。一般当蒸发器温度高至 3 ~ 5时启动压缩机制冷,当温度低于20 时停止制冷,关断压缩机。采用单片机控制, 可以使控制更准确、灵活。
电冰箱采用单片机控制主要功能及要求是: a)人工智能, 自动调温: 在人工智能状态下, 电冰箱能够随环境温度变化而自动调节温度设置, 无需人为调节, 便能达到最佳制冷效果。
b) LED ( 发光二极管 ) 显示, 数字温控: 利用 LED显示冷冻室、冷藏室温度以及压缩机启停和速冻、报警状态, 动态显示电冰箱的运行情况。
c)冷藏、冷冻温度调节: 利用功能键分别控制温度设定、速冻设定、冷藏室及冷冻室温度设定等, 冷藏温度可设置在 2 ~ 10 之间; 冷冻温度可设置在- 16 ~7 。
d) 多温保鲜功能: 冷冻温度可设置在 - 7 , 进入多温保鲜功能, 通过对电冰箱的温度控制, 使得电冰箱内存在多个温区, 不同的区域适合存放的食物类别与期限也不同。
e)速冻功能: 运用细胞保活技术, 以超强制冷能力, 使食品迅速通过最大冰晶生成带, 不破坏细胞结构, 保持细胞活力, 营养成分不散失, 保鲜效果好。连续速冻时间设定范围 1 h~ 8 h。 f) 自动化霜功能: 电冰箱在运行过程中不断检测压缩机累计运行时间、记录门开启次数和时间以及环境温度, 判断是否满足化霜条件, 满足化霜条件时接通化 霜加热丝, 同时断开压缩机和风机, 关闭风门,30min 后断开化霜加热丝, 接通压缩机, 再过 15min后接通风机, 进入正常控制循环。
g)压缩机断电延时保护功能: 电冰箱每次开机上电时, 检查压缩机停机时间是否已经延时5min。压缩机若已经延时5min, 可以立即启 动; 若延 时未到5min, 则继续延时到5min后才可以启动。
h) 开门延时报警: 当电冰箱开门超过2min 时发声报警。 i) 工作电压保护: 工作电压180 V ~ 240 V, 当欠压或过压时, 禁止启动压缩机并用指示灯显示。 1.2系统硬件电路设计 1.2.1主机电路
控制器以 8051单片机为核心, 输入通道由温度传感器、霜厚度传感器和 A /D转换器组成, 两支温度传感器分别用于测量冰箱的冷藏室、冷冻室温度, 键盘主要用于设定冷藏室、冷冻室的上下限温度, 启动除霜、快速冷冻等功能。4位 LED和指示灯可随时显示冷藏室和冷冻室温度。声讯电路是用于电冰箱工作状态的超限报警等。压缩机控制电路用于控制压缩机的工作, 以对电冰箱温度进行自动控制。除霜控制电路用于控制接通或断开电热丝, 达到对电冰箱除霜的目的。 1.2.2A /D转换电路
A /D 转换电路采用逐次逼近式8位ADC0809芯片。该芯片共有 8路模拟输入通道, 在本系统中只使用其中 4个通道 IN0~ IN3。其中 IN0作为冷藏室温度检测通道, IN1作为冷冻室温度检测通道, IN2作为除霜 检 测 通 道, IN3 作 为 电 源 电 压 检 测 通 道。ADC0809的 A, B, C 三端通过地址锁存器接于 P0 口的 P0.0、P0.1、P0.2, 该三端控制模拟通道号的选择。8位数据输出直接与 P0口的 P 0.0~ P0.7 连接, P2.7与 WR、RD端经与非门接于 0809的 ALE、START、OE,控制 0809的启动、读、写。
1.2.3键盘和显示电路
键盘及 LED电路采用 6个功能键控制冷冻室、冷藏室及速冻温度设定。 4位 LED负责显示冷冻室、冷藏室温度及压缩机启、停和报警等状态。显示和键盘输入采用 INTEL8279芯片。该芯片是一种专用的可编辑键盘、显示接口器件, 使用该芯片可以很方便地实现键盘输入和 LED控制两种功能。该芯片与单片机连接, 可以提高单片机的工作效率。8031单片机的数据总线与 INTEL8279的数据总线 D0~ D7连接, RD、WR控制线在操作逻辑上INTEL8279的RD、WR信号一致, 可直接相连。P2口的一部分线经译码器译码后的一路输出作为INTEL8279的片选信号CS。 1.2.4除霜电路
传感器选用 MF531型热敏电阻,具有负温度系数,灵敏度较高。把热敏电阻安装在距蒸发器3mm的某个合适的位置上,当霜的厚度大于3mm 时,热敏电阻接触到霜从而感到较低的温度,其电阻值 R ( t)变大, 运算放大器输出信号有变化, 经 A/D转换后送入单片机,经单片机分析、判断, 给出除霜命令, 接通化霜加热丝, 同时断开压缩机和风机, 30min后断开化霜加热丝,接通压缩机,再经15min后接通风机。 1.2.5电源过欠压保护电路
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单片机的 A /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。 1.2.6报警电路
报警电路比较简单,利用一个三极管驱动蜂鸣器来实现。 2模糊控制系统 2.1控制系统构成 本系统采用TOSHIBA公司TMP87C846N八位微处理器构成。除了通常的电源供应和检测、温度设定输入外, 系统的被测量有冷冻室温度、室内环境温度、冰箱门状态、压缩机运行状态、蒸发器进出口温度、风门状态等7类16项。系统的输出, 除了通常的L ED显示, 报警提示电路外, 被控量有压缩机的开停、风机的速度、风门的开启度、除霜加热运行等4项。 2.2控制系统设计 2.2.1温控原理
风冷式电冰箱的制冷系统设置在冷冻室, 由压缩机出来的高温、高压液态制冷剂, 经冷凝器冷却后, 被送到设置在冷冻室四周的蒸发器中蒸发为气态, 同时吸收外界的热量, 达到制冷的目的。压缩机的开停决定制冷的程度。在冷藏室和蔬菜室中不设蒸发器, 而是将冷冻室的冷气经公用风道, 由风机传送给各温区, 用各区的风门控制该温区的温度变化。冷冻室和其它温区的温度控制匹配问题用模糊控制器协调。 2.2.2温控方案及模糊推理
冷冻室和冷藏室的温度控制方案基本是相同的, 只是控制对象不同。前者控制压缩机开停, 后者调节风机风门。现以冷冻室为例, 说明温度控制系统模糊控制器的设计问题。模糊控制电冰箱不仅要考虑到冷冻室温度的恒温调节, 同时也要考虑到冷冻室温度与食品温度未必相同这一因素。最终应使食品温度保持在某一范围内, 从而达到保鲜的目的, 这是它与传统的PID 恒温调节系统追求的控制目标间的差别。食品放进冷冻室即开始降温, 经过一段时间, 冷冻室的温度可能已降到给定值, 但这时食品温度还没有达到保鲜温度的要求, 因此, 这时压缩机不应关断, 必须继续制冷, 延长的时间,视放入的食品的热容量而定。在压缩机关断以后, 冷冻室的温度开始回升, 当回升到给定值时, 理应将压缩机再次投入运行。但实际上, 这时食品的温度由于热惯性并不与冷冻室空间温度一致, 从节能的观点出发,应延时起动压缩机, 延时多长, 也与放入食品的热容量有关。以上分析说明, 最后一次投入的食品的热容量( 初温和重量) 在以后的压缩机控制决策的调整中起着重要的作用。但投入食品的热容量是无法检测的, 不能指望用户输入, 而必须利用模糊推理和软传感技术 。投入的食品热容量的检测是在食品放入冷冻室并关门后 5min内进行的。一般情况下, 冷冻室的温度都在- 18℃左右, 当食品存入以后冷冻室的温度急骤上升, 上升的绝对值和变化率, 决定于放入食品的温度和热容量。在食品重量相等的情况下, 食品温度愈高( T1> T 2> T 3) 温度升高的变化率愈大, 制冷压缩机应愈早投入运行。 在放入食品温度相同的情况下, 食品质量越大(Q1> Q2> Q3) ,其温度上升变化率愈大, 制冷压缩机启动后温度的下降愈缓。我们通过实验摸索了这一规律, 并且建立了文中所述的模糊推理关系。同时应该指出, 存放食品时, 动作的快慢, 门开启时间的长短, 以及室温的高低, 对冷冻室的温度也有相当大的影响, 在判断食品温度时应该予以考虑。根据以上分析, 设计冷冻室温度模糊控制推理框图。初投食品后, 根据冷冻室温度及其变化率, 应用模糊推理( Ⅰ) 判断食品的温度及热容量。根据该次投放食品时开门次数和持续时间及当时室温, 应用模糊推理( Ⅱ) 确定修正系数, 前两者通过乘法器得到该次投放食品的热容量。这种判断是一次性的, 只对该次投入食品以后的温度控制有效。判定的食品热容量, 作为确定压缩机控制决策的模糊推理( Ⅲ) 的输入。它的另一个输入是冷冻室给定温度与实际温度的差值, 差值为零是压缩机开停的理论界面, 必须根据投入食品的热容量, 应用模糊推理( Ⅲ) 确定开停时间的修正值。必须指出, 这种控制过程是一次性的, 以每次投入食品为周期, 但控制策略是一贯的, 推理法则是一致的。对于原来存放在冷冻室的食品, 纳入箱体热惯性考虑, 不参与控制过程, 引起的误差在工程上是允许的。 3.网络控制系统 3.1背景
因特网的普及使得人们可以把日常使用的家用电器与网络相接，人们能够通过网络实现对家用电器的远程控制、产品当前数据获取，运行状态标志等，而且还可以在产品生产者和使用者之间建立一种信息渠道，其一生产厂商可以通过用户对产品的在线登录注册、产品的故障信息上传得到相关的数据，例如产品分布、故障信息等；其二用户可以通过网络在某种程度上进行生产厂家对产品控制程序的升级、修改等。由于具有上述特点，使得目前家用电器业界积极研究开发的新一代信息电器产品—网络家电。家庭网络的信息控制中心 上与 Internet网相连，下则通过无线收发模式与诸多家用电器产品进行各种信息数据的交换。网络电冰箱的电脑控制器中,信息的收发设计上考虑到家庭应用的特定环境可以采用无线模式。收到的信息可通过的串口与产品控制器相接，也可以通过器件进行数据的处理、缓存。 3.2网络电冰箱程序设计
网络化电冰箱电脑控制器的用户可在远方监控家电运行状况，查询电冰箱的食品信息并通过网络实现产品注册，既可保护商家利益，又能为商家提供市场信息。在家电产品故障后自动将故障代码送给厂商，可接受厂商馈送的维修信息，为售后服务提供方便。在IEG1IGE 的大环境下H充分利用蓝牙技术的优势，通过构成家庭信息网络和信息电器产品，将会对国内家用电器行业带来一次冲击。 3.3控制程序的基本构成
电冰箱电脑控制器的控制程序主要可分为四大部分：主程序、通信程序、上电复位和自检程序等模块。主程序主要有监控程序、键盘查询、显示管理、外部信息接收处理以及其他子程序段组成。通信程序主要有数据判断、数据接收、数据匹配、数据发送以及其他子程序段。上电复位模块及自检程序模块是通用技术。 趋向预测
单片机是智能家电的核心单元，电冰箱控制系统采用单片机是其一大趋势。除此之外，再将模糊控制技术用于电冰箱，可以有效提高电冰箱的性能，电冰箱控制系统采用模糊控制技术是其第二个发展趋势。同时，电冰箱控制系统网络化是其又一发展趋势。 参考文献
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