冷库单片机控制系统

湖南省永州市畜禽水产开发中心于1994年从河南红宇机械厂引进500吨中型冷库一座，该冷库的温度控制系统为人工手动控制，值班人员工作强度大，库温控制精确度差，易出错，影响库存产品质量。于1997年对该系统进行单片机控制的自动化改造，使得控制系统自动化程度大大提高，温度控制精确，节约了能源，提高了库存产品质量。经多年的运行证明，系统稳定可靠，取得了良好的经济效益。

1　系统方案

1．1 系统设计技术指标
    （1）温度控制范围：冷藏间：5±0．5℃；
                    　          冷冻间：－18±0．5℃。
    （2）温度显示精度：±0．2℃。
    （3）控制能力：8通道制冷控制，实际5路控制。
    （4）控制方式：降温，快速降温，恒温，自然升温。

1．2　系统结构

系统结构如图1所示。

库温控制系统以MCS-51系列的8031单片机为核心，扩8 kb的EEPROM2864构成最小系统。温度传感器采用对－30～＋40℃线性良好的半导体集成温度传感器，将温度转换成电流，长距离传送到两级运算放大器，8路模拟开关4051，经12位模数转换器ADC7153转换成数字信号供单片机处理控制。控制系统采用4键键盘和6位LED数码显示器进行输入参数和显示库温及状态，6路中间继电器作为控制制冷电磁阀的执行元件。

1．3　系统工作原理

控制系统为闭环工作状态。如图2所示，库温T经传感器变成电流，经传送转化成电压并放大、滤波，再经A／D转换、软件滤波，得到与库温T相应的温度数字信号。该温度一方面送LED显示供值班人员观察和送温度记录仪打印，另一方面与设定温度值比较运算，CPU根据比较结果对相应库房发出制冷、强制冷、停电或停电，从而开启或关闭电磁阀，进行制冷、强制冷、停止制冷等相关操作，并能根据所需功率调节压缩机开启的台数，既达到了库温精确控制的目的，又达到了节约能源的效果。由单片机的定时器产生时钟中断，定时扫描5个通道，进行分时控制使每个库室工作于不同的工作状态中。

2　电路特点

2．1　信号放大与滤波

如图3所示，传感器为恒流源形式的高精度的半导体温度传感器，在其两端上加上一定的工作电压，则其输出电流随温度变化而变化，其线性电流为 1μA／℃，用双绞线经长距离（50～150 m）传送后不影响测量精度。随温度变化的电流经高精度的运算放大器OP07变成电压参量，调节R3，R4的比例可使输出电压值符合A／D转化器的要求，W用于温度调节校正。

2．2　模拟开关

用4051作8路输入、1路输出的模拟开关，实际只使用其中的5路即可，以便8031对5个库室的温度轮流采样，分别控制。由于模拟开关有一定的内阻，而温度传感器的温度电压非常小，如先经过模拟开关再经放大则使测量精度大大降低，故对信号先进行放大，增加电路的成本获得更高的精度。

2．3　A／D转换

系统采样双积分型的A／D转换芯片7153，转换精度高，抗干扰能力强。虽然其转换速度慢，但由于冷库库室温度变化是大惯性变化系统，时间常数很大，因此用该芯片能满足系统要求。7135的输出为14位二进制数，其分辨率为温度量程的0．005％，为整个系统的高精度创造了条件，且价格较低。

2．4　人机对话系统

控制系统选用4键键盘和6位LED显示器。4键分别是功能键、增加键、减少键和确认键。采用软件消抖动，键盘输入采用中断方式进行工作，节约 CPU的工作时间提高系统响应速度。6位LED数码显示器的作用如下：第1位显示库房编号；第2位显示通道工作状态；第3位显示温度正负号；最后3位显示额度值，其中1位小数。

2．5　制冷控制执行部件及压缩机控制部件

由于本控制系统控制的是制冷剂的通断和压缩机的启停，启动和关闭的频率不高，故采用传统的交流接触器控制交流电磁阀的通断和控制压缩机的启停运行。为增加系统的可靠性，压缩机采用自动和人工强行控制2种模式。制冷有自动和手动控制2种方式且保留原系统的人工机械闸阀，从而增加系统的灵活性和可靠性。

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3　系统软件

（1）主程序

主程序包括定时器0、定时器1、多个标志位、温度存储器、设定值存储器的初始化、显示缓冲区清零、温度状态显示、时钟计数单元初值、键盘状态值初始化、设定堆栈指针内容。流程图如图4所示。

（2）定时器T0中断服务程序

T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动A／D转换、读入采样数据、数字滤波、温度差值运算、继电器控制及通道和压缩机开关控制、显示定时器的增1及时间判断，如图5所示。

在T0中断服务程序中要用到一系列子程序，如温度采样子程序、数字滤波子程序、标度转换子程序、功率判断子程序等。每个通道的状态参数寄存器组：工作方式寄存器、工作状态寄存器、库温寄存器、温度上限寄存器、温度下限寄存器。

（3）键盘识别中断服务程序

本系统采用4键键盘结构，即功能键、增键、减键和确认键便可完成系统参数的设定、开关机等操作，实现人机对话功能。键盘操作过程如下：

    通道号：1，2，3，4，5，6，7，8（1～5为库房通道号，6～8为压缩机通道号）。
    状态值：0为手动停止，1为手动开启，2为自动停止，3为自动开启，4为设定温度上限，5为设定温度下限。
    符　号：－，（＋）正号不显示。
    温　度：测量值，设定值。

（4）显示子程序

6位LED数码管，其中第1位显示制冷的库房号或通道号，第2位显示通道的工作状态，第3位显示温度的正负值，最后3位显示温度值和设定值，其中1位小数。显示子程序由3个模块组成：显示内容更新模块、字形码查表转换模块、字形码送串口显示模块。显示方式有2种：自动轮流显示各通道工作状态温度方式和功能设定状态显示方式。

参考文献
［1］　胡汉才．单片机原理与接口技术［M］．北京：清华大学出版社，1996．
［2］　杨宪．单片机多通道精密温控仪［J］．无线电，1995（1）．
［3］　张立红．单片微型计算机原理与应用［M］．北京：中国劳动出版社，1999．