冷庫(kù)單片機(jī)控制系統(tǒng)

湖南省永州市畜禽水產(chǎn)開(kāi)發(fā)中心于1994年從河南紅宇機(jī)械廠引進(jìn)500噸中型冷庫(kù)一座，該冷庫(kù)的溫度控制系統(tǒng)為人工手動(dòng)控制，值班人員工作強(qiáng)度大，庫(kù)溫控制精確度差，易出錯(cuò)，影響庫(kù)存產(chǎn)品質(zhì)量。于1997年對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行單片機(jī)控制的自動(dòng)化改造，使得控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度大大提高，溫度控制精確，節(jié)約了能源，提高了庫(kù)存產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)多年的運(yùn)行證明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1　系統(tǒng)方案

1．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
    （1）溫度控制范圍：冷藏間：5±0．5℃；
                    　          冷凍間：－18±0．5℃。
    （2）溫度顯示精度：±0．2℃。
    （3）控制能力：8通道制冷控制，實(shí)際5路控制。
    （4）控制方式：降溫，快速降溫，恒溫，自然升溫。

1．2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

庫(kù)溫控制系統(tǒng)以MCS-51系列的8031單片機(jī)為核心，擴(kuò)8 kb的EEPROM2864構(gòu)成最小系統(tǒng)。溫度傳感器采用對(duì)－30～＋40℃線性良好的半導(dǎo)體集成溫度傳感器，將溫度轉(zhuǎn)換成電流，長(zhǎng)距離傳送到兩級(jí)運(yùn)算放大器，8路模擬開(kāi)關(guān)4051，經(jīng)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC7153轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理控制?？刂葡到y(tǒng)采用4鍵鍵盤和6位LED數(shù)碼顯示器進(jìn)行輸入?yún)?shù)和顯示庫(kù)溫及狀態(tài)，6路中間繼電器作為控制制冷電磁閥的執(zhí)行元件。

1．3　系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)為閉環(huán)工作狀態(tài)。如圖2所示，庫(kù)溫T經(jīng)傳感器變成電流，經(jīng)傳送轉(zhuǎn)化成電壓并放大、濾波，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、軟件濾波，得到與庫(kù)溫T相應(yīng)的溫度數(shù)字信號(hào)。該溫度一方面送LED顯示供值班人員觀察和送溫度記錄儀打印，另一方面與設(shè)定溫度值比較運(yùn)算，CPU根據(jù)比較結(jié)果對(duì)相應(yīng)庫(kù)房發(fā)出制冷、強(qiáng)制冷、停電或停電，從而開(kāi)啟或關(guān)閉電磁閥，進(jìn)行制冷、強(qiáng)制冷、停止制冷等相關(guān)操作，并能根據(jù)所需功率調(diào)節(jié)壓縮機(jī)開(kāi)啟的臺(tái)數(shù)，既達(dá)到了庫(kù)溫精確控制的目的，又達(dá)到了節(jié)約能源的效果。由單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘中斷，定時(shí)掃描5個(gè)通道，進(jìn)行分時(shí)控制使每個(gè)庫(kù)室工作于不同的工作狀態(tài)中。

2　電路特點(diǎn)

2．1　信號(hào)放大與濾波

如圖3所示，傳感器為恒流源形式的高精度的半導(dǎo)體溫度傳感器，在其兩端上加上一定的工作電壓，則其輸出電流隨溫度變化而變化，其線性電流為 1μA／℃，用雙絞線經(jīng)長(zhǎng)距離（50～150 m）傳送后不影響測(cè)量精度。隨溫度變化的電流經(jīng)高精度的運(yùn)算放大器OP07變成電壓參量，調(diào)節(jié)R3，R4的比例可使輸出電壓值符合A／D轉(zhuǎn)化器的要求，W用于溫度調(diào)節(jié)校正。

2．2　模擬開(kāi)關(guān)

用4051作8路輸入、1路輸出的模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)際只使用其中的5路即可，以便8031對(duì)5個(gè)庫(kù)室的溫度輪流采樣，分別控制。由于模擬開(kāi)關(guān)有一定的內(nèi)阻，而溫度傳感器的溫度電壓非常小，如先經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)再經(jīng)放大則使測(cè)量精度大大降低，故對(duì)信號(hào)先進(jìn)行放大，增加電路的成本獲得更高的精度。

2．3　A／D轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)采樣雙積分型的A／D轉(zhuǎn)換芯片7153，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)。雖然其轉(zhuǎn)換速度慢，但由于冷庫(kù)庫(kù)室溫度變化是大慣性變化系統(tǒng)，時(shí)間常數(shù)很大，因此用該芯片能滿足系統(tǒng)要求。7135的輸出為14位二進(jìn)制數(shù)，其分辨率為溫度量程的0．005％，為整個(gè)系統(tǒng)的高精度創(chuàng)造了條件，且價(jià)格較低。

2．4　人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用4鍵鍵盤和6位LED顯示器。4鍵分別是功能鍵、增加鍵、減少鍵和確認(rèn)鍵。采用軟件消抖動(dòng)，鍵盤輸入采用中斷方式進(jìn)行工作，節(jié)約 CPU的工作時(shí)間提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。6位LED數(shù)碼顯示器的作用如下：第1位顯示庫(kù)房編號(hào)；第2位顯示通道工作狀態(tài)；第3位顯示溫度正負(fù)號(hào)；最后3位顯示額度值，其中1位小數(shù)。

2．5　制冷控制執(zhí)行部件及壓縮機(jī)控制部件

由于本控制系統(tǒng)控制的是制冷劑的通斷和壓縮機(jī)的啟停，啟動(dòng)和關(guān)閉的頻率不高，故采用傳統(tǒng)的交流接觸器控制交流電磁閥的通斷和控制壓縮機(jī)的啟停運(yùn)行。為增加系統(tǒng)的可靠性，壓縮機(jī)采用自動(dòng)和人工強(qiáng)行控制2種模式。制冷有自動(dòng)和手動(dòng)控制2種方式且保留原系統(tǒng)的人工機(jī)械閘閥，從而增加系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

3　系統(tǒng)軟件

（1）主程序

主程序包括定時(shí)器0、定時(shí)器1、多個(gè)標(biāo)志位、溫度存儲(chǔ)器、設(shè)定值存儲(chǔ)器的初始化、顯示緩沖區(qū)清零、溫度狀態(tài)顯示、時(shí)鐘計(jì)數(shù)單元初值、鍵盤狀態(tài)值初始化、設(shè)定堆棧指針內(nèi)容。流程圖如圖4所示。

（2）定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序

T0中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、溫度差值運(yùn)算、繼電器控制及通道和壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)控制、顯示定時(shí)器的增1及時(shí)間判斷，如圖5所示。

在T0中斷服務(wù)程序中要用到一系列子程序，如溫度采樣子程序、數(shù)字濾波子程序、標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序、功率判斷子程序等。每個(gè)通道的狀態(tài)參數(shù)寄存器組：工作方式寄存器、工作狀態(tài)寄存器、庫(kù)溫寄存器、溫度上限寄存器、溫度下限寄存器。

（3）鍵盤識(shí)別中斷服務(wù)程序

本系統(tǒng)采用4鍵鍵盤結(jié)構(gòu)，即功能鍵、增鍵、減鍵和確認(rèn)鍵便可完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定、開(kāi)關(guān)機(jī)等操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能。鍵盤操作過(guò)程如下：

    通道號(hào)：1，2，3，4，5，6，7，8（1～5為庫(kù)房通道號(hào)，6～8為壓縮機(jī)通道號(hào)）。
    狀態(tài)值：0為手動(dòng)停止，1為手動(dòng)開(kāi)啟，2為自動(dòng)停止，3為自動(dòng)開(kāi)啟，4為設(shè)定溫度上限，5為設(shè)定溫度下限。
    符　號(hào)：－，（＋）正號(hào)不顯示。
    溫　度：測(cè)量值，設(shè)定值。

（4）顯示子程序

6位LED數(shù)碼管，其中第1位顯示制冷的庫(kù)房號(hào)或通道號(hào)，第2位顯示通道的工作狀態(tài)，第3位顯示溫度的正負(fù)值，最后3位顯示溫度值和設(shè)定值，其中1位小數(shù)。顯示子程序由3個(gè)模塊組成：顯示內(nèi)容更新模塊、字形碼查表轉(zhuǎn)換模塊、字形碼送串口顯示模塊。顯示方式有2種：自動(dòng)輪流顯示各通道工作狀態(tài)溫度方式和功能設(shè)定狀態(tài)顯示方式。

參考文獻(xiàn)
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