摘要 (1)1、智能冰箱温度控制器设计任务要求 (3)2、冰箱的硬件系统 (3)2.1、冰箱的硬件组成及工作原理 (3)2.2、控制芯片 (4)2.3、温度传感器 (4)2.4、键盘 (5)2.5、电源模块 (5)2.6、电机驱动 (6)2.7、声音报警 (6)2.8、显示 (6)3、PID 简介 (7)3.1、PID控制的原理和特点 (8)3.2、数字PID 的实现 (9)3.3温度控制PID 算法设计 (11)3.4、温度控制实现 (12)4、系统程序设计 (13)4.1、系统流程图 (13)4.1.1、温度比较处理流程图 (13)4.1.2、主程序流程图 (14)4.2、系统关键子程序设计 (15)4.2.1、获取温度子程序 (15)4.2.2、PID温度控制子程序 (16)4.2.3、温度比较处理子程序 (16)4.2.4、PWM子程序 (18)4.2.5、LCD显示子程序 (18)总结 (22)参考文献 (22)附录 (23)摘要一个优良的电冰箱，应该具有较高的温度控制精度和较好的控制效果。
本设计主要从冰箱的硬件电路和PID控制两个方面，以PID控制算法为主线，对冰箱的温度控制过程进行描述。
具体分为硬件结构框图及各功能电路的介绍、PID控制算法、软件程序框图、关键子程序等四部分。
由于冰箱的温度控制过程离不开控制器的控制算法，因此本报告对温度控制器的PID控制算法进行详细阐述。
关键词：温度控制，PID算法，单片机，温度显示，报警AbstractA good refrigerators, should be high temperature control precision and better control effect. This design is mainly from the hardware circuit and PID control two aspects with PID control algorithm as the main line, the temperature control of the refrigerator to describe the process. Specific hardware structure diagram and divided into each function of the circuit is introduced, PID control algorithm, software program diagram, key procedure and so on four parts. Because of the refrigerator temperature control process cannot leave the controller control algorithm, so the temperature controller reports on PID control algorithm is described in detail.Keywords:temperature control, PID algorithm, a single-chip microcomputer, temperature display, call the police1、智能冰箱温度控制器设计任务要求1.1、能检测控制温度。
1.2、PID算法控制压缩机调节冰箱内温度。
1.3、通过LCD显示屏实现优良的人机界面。
1.4、实现报警等功能。
2、冰箱的硬件系统2.1、冰箱的硬件组成及工作原理蒸气压缩式电冰箱制冷系统主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器等部件组成，其动力均来自压缩机。
制冷压缩机吸入来自蒸发器的低温低压的气体制冷剂，经压缩后成为高温高压的过热蒸气，排入冷凝器中，向周围的空气散热成为高压过冷液体，高压过冷液体经干燥过滤器流入毛细管节流降压，成为低温低压液体状态，进入蒸发器中汽化，吸收周围被冷却物品的热量，使温度降低。
压缩机冷循环周而复始的运行，保证了制冷过程的连续性。
图1.1 冰箱制冷系统原理图家用电冰箱的工作温度一般为－7℃～4℃。
冷冻室的温度通常为－7℃～0℃；冷藏室的温度通常为0℃～4℃。
因此，对控制器的要求是将温度控制在－7℃～4℃的任意温度处。
为了达到高精度、智能化控制的目的。
系统应该通过传感器来检测冰箱内温度，运用PID算法来调节温度，控制压缩机的开停，使放置到冰箱的食物处于设定好的温度环境下。
采用PID控制可以提高温度控制精度，并且能对压缩机的工作状态进行较恰当的控制从而达到较好的控制效果。
电冰箱的制冷系统一般设置在冷冻室，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，制冷的程度由压缩机的开启与停止的时间来决定。
冷冻室和其它温区的温度控制匹配问题通过PID控制器来协调。
电冰箱PID控制系统的结构图如图1.2所示。
输入部分包括冷冻室温度检测电路、冷藏室温度检测、按键设置温度值电路和电源模块组成。
输出部分包括LCD数码显示电路、报警电路、压缩机控制电路。
图1.2 智能温度控制系统框图2.2、控制芯片方案一： 51单片机。
51单片机通用灵活、价格低廉、使用方便，但数据处理能力很弱，处理速度较慢，资源不够丰富，降低了系统的可靠性。
方案二：采用8位高性能、低功耗ATmega16单片机作为主控芯片。
优点：AVR是高速嵌入式单片机，具有高速、低耗、保密的优点。
其内部集成资源丰富。
考虑到项目的实际需求和可操作性，选用方案二。
2.3、温度传感器方案一：选用Pt热敏电阻。
Pt热敏电阻RTD具有较高的精度，工作温度范围：-200°C至+850°C。
它们还具有较好的长期稳定性，利用适当的数据处理设备就可以传输、显示并记录其温度输出。
方案二：选用DS18B20传感器。
信息经过单线接口从DSl820送出。
DSl820的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在l s(典型值)内把温度变换成数字。
考虑项目的实际需求和系统简化，选用方案二。
图2.1 温度传感器电路2.4、键盘方案一：选用4*4矩阵键盘。
矩阵键盘功能强大，占用I/O资源少，是目前应用非常广泛的键盘方案。
方案二：选用非编码键盘。
将按键直接与I/O口相连接，通过软件来判断按键是否按下和按键的功能。
因为本系统设计的功能所需按键数较少，为降低生产成本，选择方案二。
图2.2 键盘电路2.5、电源模块选用开关电源。
开关电源供电稳定，体积小，成本低，很容易买到，是目前生产生活中常用的电源选择对象。
2.6、电机驱动由于电机的工作电压为220V交流电，我们采用继电器和TB6560电机驱动芯片来作为压缩机的驱动。
图2.3 压缩机驱动电路2.7、声音报警声音报警选用蜂鸣器。
蜂鸣器功率小，耗电少，声音尖锐易引起人们的注意。
图2.4 声音报警电路2.8、显示方案一：LCD12864模块。
LCD12864模块带有中文字库，接口方式灵活，操作指令简单，可以完成汉字和图形的显示。
形成良好的人机界面。
方案二：LED数码管。
LED数码管只能显示数字和“-”，而且使用四位数码管占用I/O资源较多。
考虑应用效果，选择方案一。
图2.5 LCD显示电路3、PID 简介PID（Proportional Integral Derivative）控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。
它不仅适用于数学模型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。
PID 工作基理：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。
若扰动出现使得现场控制对象值(以下简称被控参数)发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送器送至PID 控制器的输入端，并与其给定值(以下简称SP 值)进行比较得到偏差值(以下简称 e 值)，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值(SP 值)，以达到控制目的，如图 3.1所示，PID 控制流程图，根据运算结果控制执行部件的过程。
PID 控制器的控制规律可以描述为：比例（P）控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。
但是，比例控制不能消除稳态误差。
比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。
积分（I）控制的作用是：只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。
因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。
积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
微分（D）控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
图3.1 PID 控制流程图3.1、PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID一般算式及模拟控制规律如式(1)所示：式中：u(t)为控制器的输出；e(t)为偏差，即设定值与反馈值之差；KC 为控制器的放大系数，即比例增益；TI为控制器的积分常数；TD为控制器的微分时间常数。
PID算法的原理即调节KC，TI，TD三个参数使系统达到稳定。
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此在计算机控制系统中，必须首先对式(1)进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：将式(2)和式(3)代入式(1)，则可得到离散的PID表达式：式中：△t=T为采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度(采样定理)；E(K)为第K次采样时的偏差值；E(K-1)为第K-1次采样时的偏差值；P(K)为第K次采样是调节器的输出。