1、 ： 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金（ ） ， （ ） ，山东省高等学校科技计划 （ ） ， （ ） ，大学生 创 新 创 业 训 练 计 划 （ ） ， （ ） ，东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室开放课题基金 （ ）作者简介：杨东， 男， ，博士， 讲师； 研究方向： 系统控制； ： 基于 的冰箱制冷系统设计马国耀，杨东，任丹凤（曲阜师范大学工学院， ， 山东省日照市；东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室， ， 江苏省南京市；曲阜师范大学图书馆， ， 山东省日照市）摘要：以冰箱制冷系统设计为研究目标进行系统硬件电路及温度控制系统设计硬件系统包含 模块、 数字
2、温度传感器模块、 继电器模块、 液晶屏显示模块、 出口级 类半导体制冷片及电源等， 软件包含不同控制子程序控制系统可以实现温度设定、 温度显示、 开关制冷模式、 温度处理等功能， 其中温度处理主要是采用最小二乘法原理对采集到的温度进行线性拟合 该系统也可应用于车载冰箱、 饮水机、 恒温箱等电子系统设计中关键词：冰箱制冷系统； ； 半导体制冷片； 温度控制； 最小二乘法中图分类号： 文献标识码：文章编号： （ ） 冰箱是日常生活中常用的一种制冷设备， 通过制冷使日常所需的一些必备物品处于一种恒定低温的环境下， 从而使物品能够长时间冷藏保鲜 温度的采集与控制是衡量一台冰箱工作效率的重要方面之一随着
3、超大规模集成电路技术的发展， 智能化温度控制系统在工业中的应用越来越广泛在设计的冰箱制冷系统的整个控制系统中， 冰箱的温度采集通过 温度传感器模块获取由于温度传感器和温度控制等因素的限制， 温度的获取值和实际值之间一定会存在一定的差异， 这就要求我们要采用一定的方法， 提高温度控制过程中的效果在冰箱的使用上， 用户可以通过控制面板上的按键， 对期望的冰箱温度进行设定， 通过在 中编写相应的程序， 使单片机能够自动对比冰箱内部温度和设定温度， 进而控制半导体制冷片的工作， 从而使冰箱内部的温度升高或降低到设定的温度值， 同时在 显示屏上实时显示冰箱内、 外部的温度和用户自己设定的温度值系统硬件设
4、计 模块 系列 ， 工作电压 ，闪存的写电压为 ， 采用 内核， 其性能可达到 本系统采用的是山 外 核心板， 拥有 和 ， 系统主频为 （ 可超频至 ） ， 处理数据的能力更强， 运算速度更快， 在温度采集、 对温度的处理过程中优势明显 数字温度传感器模块 数字温度传感器模块能够提供个字节的 温 度 数 据， 共 位 数， 测 温 范 围 大 致 在 之间， 固有测温误差为 由于 每次读数位数的限制， 每次仅仅可以读出位数， 但这并不影响 的效率和精度 在进行温度转换时， 转换时间约为 ， 分辨率可达到 测温原理如图所示 从图中原理显示， 可知低温度系数晶振在温度变化时振荡频率的变化很小，
5、可以用来产生固定频率的脉冲信号， 进而将脉冲信号发送给计数器高温度系数晶振在温度变化时振荡频率的变化较大， 所产生的第 卷第期 年月 曲阜师范大学学报 ChaoXing脉冲信号作为脉冲输入发送给计数器 计数器和温度寄存器在初始时刻都被预置在 所对应的一个基数值 在计数器中， 对来自低温度系数晶振产生的脉冲信号进行基本减法运算 在运算过程中如果计数器中的值减到， 温度寄存器的值将自动加同时将预置基数值重新装入计数器， 计数器重新开始计数， 与此同时， 计数器中的计数值也进行相应的减法运算 当计数器计数到时， 温度寄存器的值停止累加， 此时温度寄存器中的数值即为当前所测温度 图中所示的斜率累加器的
6、作用主要是对测温过程中所不可避免的非线性数据进行修正和补偿， 它的输出值用于修正计数器的预置值图 测温原理图出口级 类半导体制冷片半导体制冷片的制冷原理是珀耳帖效应 因为半导体制冷片中含有型和型种不同的半导体材料， 这个半导体材料通过串联形成个电偶当电源端输出的直流电通过这个电偶时， 就会发生能量的转移， 从而达到吸收能量或放出能量的效果，放热量或吸热量的大小由直流电的电流大小来决定 出口级 类半导体制冷片是常规半导体制冷片的增强版， 工作电压为 ， 工作电流可以达到 ， 电流可以根据散热波动为 ， 制冷效果更强 制冷量计算公式， （ 其中） ，式中：为放热或吸热功率；为比例系数， 称为珀尔帖
7、系数；为工作电流；为温差电动势率；为冷接点温度继电器模块本设计中所采用的继电器模块自带光耦隔离， 抗干扰能力强； 可以通过选择不同的引脚从而设置不同电平的触发方式， 易于通过单片机控制； 带有容错设计， 即使单片机与继电器之间的信号线发生故障， 继电器也不会动作， 安全性能高 在冰箱制冷系统的控制系统中， 半导体制冷片的供电电源为 ，常规继电器无法承受 电流， 所以必须采用驱动能力更强的带光耦隔离的继电器， 如图所示图带光耦隔离的继电器 模块 ， 即有机发光二极管（ ） ， 又称为有机电激光显示（ ， ）因为 相 比于普通的 ， 的体积更为轻薄、 省电特性更为优异、 使用寿命相对较长， 所以从
8、产生之初就受到广泛 电 子 技 术 爱 好 者 的 重 视本 系 统 中 采 用 的 为 通 讯 方 式， 板 子 管 脚 依 次 为 （ 地） ， （ 电源） ， （ 时钟） ， （ 数据） ， （ 复位） ，（ 数据命令） 具体与 的接线如图所示图 与 的接线软件设计开发工具我们所使用的嵌入式系统开发工具是 是一套用于编译和调试嵌入式系统应用程第期马国耀， 等： 基于 的冰箱制冷系统设计ChaoXing序开发工具， 支持汇编，和语言， 而且还可以在仿真过程中打断点、 通过 实时显示全局变量的变化情况等功能 在运行速度方面， 由于软件比同类型其他软件占用空间小， 编译效率更高、 速度更快 因
9、此， 是广大编程人员的优先选择程序原理基于 的制冷冰箱系统的软件部分主要由温度获取、 温度处理、 温度显示大部分构成温度获取主要通过 温度传感器获得由于 只有一根 线， 所以读写数据都只能通过这一根线， 也因此， 对单片机相应 的 读 写 数 据 程 序 有 着 严 格 的 时 序 要 求 出厂时有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性 该协议定义了几种信号的时序： 初始化时序、 读时序、 写时序 所有时序都是将主机作为主设备， 单总线器件作为从设备 而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始， 如果要求单总线器件回送数据， 在进行写命令后， 主机需启动读时序完成数据接收数
10、据和命令的传输都是低位在先图 温度处理过程温度处理主要通过 单片机软件编程进行处理 能够提供个字节的温度数据， 但是必须通过两次读数分别获取其高位和低位 在这 位数据中， 前位是符号位， 也就是说，如果前位的数据全为， 则代表测得的温度大于或等于； 如果前位的数据全为， 则代表测得的温度小于 具体的温度处理如图所示温度显示通过 显示屏显示 在开机后，单片机通过 接口向单片机发送初始化指令， 显示当前环境温度值、 冰箱内部温度值和设置温度值其中设置温度值在程序中默认初始化为 ， 可以通过按动个不同的按键使当前设置温度加或者减控制过程基于 的冰箱制冷系统如图所示图基于 的冰箱制冷系统首先打开电源，
11、 使单片机和继电器等模块正常工作， 继 电 器 默 认 为 常 开 状 态冰 箱 内 外 温 度 由 获取后传至 进行温度处理，处理后通过 显示可以通过按键设置冰箱内部温度， 当 检测到冰箱内部温度大于设置温度时， 立即使相应引脚输出高电平， 继电器接收高电平信号翻转为常闭状态， 半导体制冷片得电后开始制冷； 当 检测到冰箱内部温度等于设置温度时， 继电器接收低电平信后重新变为常开状态， 半导体制冷片停止工作 由于程序在死循环 （） 和 定时器中断内， 所以单片机会不断获取冰箱内温度并与设置温度作比较， 重复上述动作温度处理最小二乘法最小二乘法原理， 是指在残差平方和为最小值时所得出的测量结果
12、的最可信赖值 通过最小二乘法原理， 可以很方便的得出与测量结果相匹配的函数原型在最小二乘法原理中，个变量的线性关系是最简单也是最理想的一种函数关系 设有组实测数据（，） （， ，） 其最佳拟合回归方程为曲阜师范大学学报（ 自然科学版） 年ChaoXing ，式中，为直线的截距，为直线的斜率由最小二乘法残差平方和最小和偏导数相关定理， 解得：（）（）（）（）烍烌烎处理过程在制冷冰箱的设计过程中， 为了提高冰箱的控制精度， 采用 卡读写模块对 获取的冰箱内温度值进行存储 通过对比 卡内的测量温度值和冰箱内的实际温度值， 明显可以看出冰箱在进行温度的控制过程中精度较低将数据以散点图的形式在 中显示，
13、从离散点在图形上的分布来看， 离散点大致分布在同一直线的附近（ 忽略个别误差较大的点） ， 故可以用线性拟合来求出离散点之间满足的关系 数据在分布上大致满足原型函数为： ，（）式中为通过其他手段获得的实际的冰箱内温度，为采集的温度 在 中通过调用 函数， 对温度值进行一次多项式方式拟合， 输出的参数值为，的值 再将采集到的温度带入式（） 中，得到拟合后的温度值， 单片机将以拟合后的温度作为真实温度在 显示屏上显示， 并对制冷片进行相应的开关控制 测试分析图的曲线是实际温度值和测量温度值的变化曲线， 获取的次数为 次， 测试的过程是降温过程由图曲线的变化可知， 测量值和实际值在初始的时刻误差最大
14、， 这是因为 在初始化时需要一定的时间来等待相应的电平信号为了使 的测试结果更加真实， 这个误差数据较大的点在测试中被保留， 但由于是 内部硬件电路的固有特性， 第一次获取的温度误差可以忽略 随着获取次数的增加， 实际值和测量值都呈现一定的下降趋势且两条曲线之间的差值逐渐变小， 但由图像可知差值在一定的时间内仍然存在， 这对冰箱内温度的监控和冰箱的实际应用是不利的， 所以在控制系统中， 需要对温度的测量值进行处理； 在最后， 温度的测量值和实际值无限接近， 这是因为 的斜率累加器在发挥作用图的曲线是根据温度的测量值和实际值通过最小二乘法拟合的曲线，轴为温度的测量值，轴为温度的实际值， 蓝色点是
15、根据温度的实际值和测量值标记的点 由图像可知， 蓝色点的分布近似呈线性关系， 在进行拟合后， 蓝色点在拟合曲线附近集中， 误差较小， 且拟合曲线方程简单， 可以在单片机中直接编程应用， 因此可以比较好的对温度测量值进行处理图 中温度的实际值和测量值图拟合曲线结语本文设计的制冷冰箱不但能够实现温度的基本控制， 还能实时显示环境温度、 冰箱内外温度 在控第期马国耀， 等： 基于 的冰箱制冷系统设计ChaoXing制系统中， 由于硬件自身的优化设计和软件中对温度进行最小二乘法线性拟合， 所以具有一定的控制精度， 可以在恒温饮水机、 医疗设备冷藏、 低温试验箱中推广使用 而且随着单片微型计算机（ ）
16、的不断发展， 智能化电器的成本也将会越来越低、 控制方式也将会越来越简单参考文献：吕胜杰， 霍淑艳基于 的单总线多点测温技术 现代电子技术， ， （ ） ： 谢兴红 直流激发极化接收机研制 成都理工大学， 刘伟， 陈盛云， 郭毅刚 基于 的温度测量系统的设计与仿真 中国科技信息， （ ） ： 王任远， 沈占彬 数字式智能温度控制器的研究 工矿自动化， （ ） ： 左现刚， 刘艳昌 基于 总线的温度数据采集与硬件设计制造业自动化， ， （ ） ： 宋永东， 白宗文， 周美丽， 等 一种高精度温度测量系统的设计 微计算机信息， ， （ ） ： 徐科军传感器与检测技术第版北京： 电子工业出版社： 北京， ： 刘志平， 石林英最小二乘法原理及其 实现 中国西部科技， （ ） ： ， ， （ ， ， ， ， ； ， ， ， ， ， ； ， ， ， ， ） ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； 曲阜师范大学学报（ 自然科学版） 年ChaoXing
