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文檔簡介
1、摘 要自從1974年石油危機(jī)以來,節(jié)約能源的呼聲越來越強(qiáng)烈。在這種情況下,人們就提出了發(fā)展低能耗家用冰箱的要求。與間冷式冰箱相比,直冷式冰箱效率高,能耗低。近年來,隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)電冰箱的控制功能要求越來越高,這對(duì)電冰箱控制器提出了更高的要求,多功能、人性化和節(jié)能是其發(fā)展方向。為此,本文介紹了采用AT89C51單片機(jī)作為控制器核心,對(duì)電冰箱的工作過程進(jìn)行控制,并用聲音將電冰箱的一些工作過程進(jìn)行提示,使控制過程更人性化。通過DS18B20溫度傳感器對(duì)冷藏室溫度,冷凍室溫度進(jìn)行檢測(cè),并將產(chǎn)生的模擬信號(hào),通過ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī);對(duì)霜厚度則
2、通過熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測(cè)后產(chǎn)生中斷信號(hào)送入單片機(jī)。溫度檢測(cè)信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后用語調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和加熱器的工作,滿足消費(fèi)者對(duì)溫度的設(shè)置要求,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除霜功能。關(guān)鍵詞:AT89C51單片機(jī),A/DC0809,8279,DS18B20,直冷式電冰箱的電控系統(tǒng)。AbstractSince the oil crisis in 1974, the voice of energy conservation is becoming stronger and stronger. In this case, people put forward the requirements of the development
3、of low energy consumption of household refrigerators. Compared with direct refrigerator, refrigerator with high efficiency, low energy consumption.in recent years, with the development of microelectronic technology, sensor technology and computer control technology, people on the refrigerator contro
4、l function and the higher, which to the refrigerator controller proposed higher requirements, multi function, humanization and energy-saving is the direction of its development. To this end, this paper introduces the using AT89C51 microcontroller as the core controller, the working process of the re
5、frigerator control, and voice will prompt some refrigerators working process and the control process is more humanized. Through DS18B20 temperature sensor to the temperature of the refrigerating chamber, were detected with the temperature in the freezing chamber, and will produce the analog signal,
6、through the ADC0809 A / D conversion into the microcontroller; the frost thickness is through the thermistor for temperature detection to generate interrupt signal into the microcontroller. Temperature detection signal after the microcontroller processing language to adjust the compressor and the he
7、ater, meet the requirements of consumers set up the temperature, realize the automatic function of the cream.Keywords: AT89C51 microcontroller, A/DC08098279, DS18B20, Electric control system of direct cooling refrigerator第1章 引言1.1論文研究的背景和意義隨著家用電冰箱的普及,人們對(duì)電冰箱的控制功能要求越來越高,這對(duì)冰箱控制器提出了更高的要求,多功能、智能化、操作方便是其主
8、要發(fā)展方向,傳統(tǒng)的機(jī)械式控制、簡單的電子控制已經(jīng)難以滿足其發(fā)展要求,而以單片機(jī)為核心的電冰箱控制器具有功能強(qiáng)、成本低、測(cè)溫精度高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn),正得到越來越廣泛的應(yīng)用。直冷冰箱結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格較低,耗電量相對(duì)少,食品保鮮度好,但須經(jīng)常除霜;間冷冰箱適應(yīng)環(huán)境溫度的范圍較廣,降溫速度快,冷凍溫度低,無須除霜,使用方便,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜價(jià)格較高,耗電量也相對(duì)較大,食物易風(fēng)干。傳統(tǒng)的電冰箱溫度一般是由冷藏室控制,冷藏室、冷凍室的不同溫度是通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)器在兩室的面積大小來實(shí)現(xiàn)的,溫度調(diào)節(jié)完全依靠壓縮機(jī)的開停來控制.但是冰箱內(nèi)的溫度受諸多因素的影響,如放入冰箱物品初始溫度的高低、存放品的散熱特性及熱容量、物品
9、在冰箱的充滿率、環(huán)境溫度的高低、開門的頻繁程度等.因此對(duì)這種受控參數(shù)及隨機(jī)因素很多的溫度控制,既難以建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型,也無法用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn).一臺(tái)品質(zhì)優(yōu)良的電冰箱應(yīng)該具有較高的溫度控制精度,同時(shí)又有最優(yōu)的節(jié)能效果,而為了達(dá)到這一設(shè)計(jì)要求采用模糊控制技術(shù)無疑是最佳的選擇。溫度是表征物體冷熱程度的一個(gè)物理量。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中,對(duì)于溫度的測(cè)量及控制一直占據(jù)著重要地位。傳統(tǒng)的常用測(cè)溫元件主要有熱敏電阻、熱電偶、溫敏二極管和普通的集成溫度傳感器等,但是它們或多或少存在一些不足。由美國Dalls 公司推出的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,以其高集成度、高精度、高可靠性、接口
10、簡單、使用方便等諸多傳統(tǒng)的測(cè)溫元件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)而成為我們?cè)O(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)的溫度傳感器首選。目前市場(chǎng)銷售的雙門直冷式電冰箱,含有冷凍室和冷藏室,冷凍室通常用于冷凍的溫度為-6-18;冷藏室用于在相對(duì)冷凍室較高的溫度下存放食品,要求有一定的保鮮作用,不能凍傷食品,室溫一般為010。正由于用單片機(jī)控制器改造落后的設(shè)備具有性價(jià)比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動(dòng)化程度的特點(diǎn),所以電冰箱的電控系統(tǒng)也采用了單片機(jī)為其各功能控制實(shí)現(xiàn)的核心。1.2電冰箱的系統(tǒng)組成液體由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí),會(huì)吸收很多熱量,簡稱為“液體汽化吸熱”,電冰箱就是利用了液體汽化的過程中需要吸熱的原理來制冷的。蒸氣壓縮式電冰箱制冷系統(tǒng)原
11、理圖如圖1-1 所示,主要由壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器等部件組成,其動(dòng)力均來自壓縮機(jī),干燥過濾器用來過濾贓物和干燥水分,毛細(xì)管用來節(jié)流降壓,熱交換器為冷凝器和蒸發(fā)器。制冷壓縮機(jī)吸入來自蒸發(fā)器的低溫低壓的氣體制冷劑,經(jīng)壓縮后成為高溫高壓的過熱蒸氣,排入冷凝器中,向周圍的空氣散熱成為高壓過冷液體,高壓過冷液體經(jīng)干燥過濾器流入毛細(xì)管節(jié)流降壓,成為低溫低壓液體狀態(tài),進(jìn)入蒸發(fā)器中汽化,吸收周圍被冷卻物品的熱量,使溫度降低到所需值,汽化后的氣體制冷劑又被壓縮機(jī)吸入,至此,完成一個(gè)循環(huán)。壓縮機(jī)冷循環(huán)周而復(fù)始的運(yùn)行,保證了制冷過程的連續(xù)性。圖1-1 電冰箱制冷系統(tǒng)原理圖直冷式電冰箱的控制原理是
12、根據(jù)蒸發(fā)器的溫度控制制冷壓縮機(jī)的啟、停,使冰箱內(nèi)的溫度保持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。冷凍室用于冷凍食品通常用于冷凍的溫度為3°C15°C,冷藏室用于相對(duì)于冷凍室較高的溫度下存放食品,要求有一定的保鮮作用,不能凍傷食品,溫度一般為0°C10°C,當(dāng)測(cè)得冷冷凍室溫度高至3°C 0°C時(shí)或者是冷凍室溫度高至10°C13°C是啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷,當(dāng)冷凍室溫度低于15°C18°C或都冷藏室溫度低于0°C3°C時(shí)停止制冷,關(guān)斷壓縮機(jī)。采用單片機(jī)控制,可以使控制更為準(zhǔn)確、靈活。1.3工作原理根據(jù)冷藏室
13、和冷凍室的溫度情況決定是否開壓縮機(jī),若冷藏室的溫度過高,則打開電磁冷門V1,關(guān)閉閥門V2,V3,同時(shí)打開壓縮機(jī),產(chǎn)生高溫高壓過熱蒸氣,經(jīng)過冷凝器冷凝,干燥過濾器干燥,毛細(xì)節(jié)流管降壓后,在蒸發(fā)器汽化制冷,產(chǎn)生低溫低壓的干燥氣體。經(jīng)過電磁閥門V1 流入冷藏室,使冷藏的溫度迅速降低,當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)關(guān)閉壓縮機(jī),同時(shí)關(guān)閉電磁閥門V1 。若是冷凍室的溫度過高,則應(yīng)打開V2關(guān)閉V1, V3 。電磁閥門V3主要用于冷凍室的化霜。需要化箱時(shí)打開V3,從壓縮機(jī)流出的高溫高壓氣體流經(jīng)冷凍室可勻速將冷凍室霜層汽化。達(dá)到化霜的效果。一般化霜的時(shí)間要短,不然會(huì)傷存放的食品。1.4 對(duì)電冰箱的控制要求電冰箱的控制原理是根
14、據(jù)蒸發(fā)器的溫度控制制冷壓縮機(jī)的啟、停,使冰箱內(nèi)的溫度保持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。一般當(dāng)蒸發(fā)器溫度高至3 一5時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷,當(dāng)溫度低于一1O 一一2O 時(shí)停止制冷,關(guān)斷壓縮機(jī)。采用單片機(jī)控制,可以使控制更準(zhǔn)確、靈活。電冰箱采用單片機(jī)控制主要功能及要求是:a)人工智能,自動(dòng)調(diào)溫:在人工智能狀態(tài)下,電冰箱能夠隨環(huán)境溫度變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度設(shè)置,無需人為調(diào)節(jié),便能達(dá)到最佳制冷效果。b)LED(發(fā)光二極管)顯示,數(shù)字溫控:利用LED顯示冷凍室、冷藏室溫度以及壓縮機(jī)啟停和速凍、報(bào)警狀態(tài),動(dòng)態(tài)顯示電冰箱的運(yùn)行情況。c)冷藏、冷凍溫度調(diào)節(jié):利用功能鍵分別控制溫度設(shè)定、速凍設(shè)定、冷藏室及冷凍室溫度設(shè)定等。e)速凍功
15、能:運(yùn)用細(xì)胞?;罴夹g(shù),以超強(qiáng)制冷能力,使食品迅速通過最大冰晶生成帶,不破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),保持細(xì)胞活力,營養(yǎng)成分不散失,保鮮效果好。連續(xù)速凍時(shí)間設(shè)定范圍1 h一8 h。f)自動(dòng)化霜功能:當(dāng)霜厚達(dá)3mm時(shí)自動(dòng)除霜g)壓縮機(jī)斷電延時(shí)保護(hù)功能:電冰箱每次開機(jī)上電時(shí),檢查壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)間是否已經(jīng)延時(shí)3 min。壓縮機(jī)若已經(jīng)延時(shí)3min,可以立即啟動(dòng);若延時(shí)未到3 min,則繼續(xù)延時(shí)到3 min后才可以啟動(dòng)。h)開門延時(shí)報(bào)警:當(dāng)電冰箱開門超過2 min時(shí)發(fā)聲報(bào)警。i)工作電壓保護(hù):工作電壓180 V一240 V,當(dāng)欠壓或過壓時(shí),禁止啟動(dòng)壓縮機(jī)并用指示燈顯示。第二章總體設(shè)計(jì)方案2.1 總體設(shè)計(jì)方案簡介主機(jī)電路如圖
16、2-1所示??刂破饕訟T89C51單片機(jī)為核心,輸入通道由溫度傳感器DS18B20、霜厚度傳感器MF531和AD轉(zhuǎn)換器ADC0809組成,兩支溫度傳感器分別用于測(cè)量冰箱的冷藏室、冷凍室溫度,鍵盤主要用于設(shè)定冷藏室、冷凍室的上下限溫度,啟動(dòng)除霜、快速冷凍等功能。LED和指示燈可隨時(shí)顯示冷藏室和冷凍室溫度。聲訊電路是用于電冰箱工作狀態(tài)的超限報(bào)警等。壓縮機(jī)控制電路用于控制壓縮機(jī)的工作,以對(duì)電冰箱溫度進(jìn)行自動(dòng)控制。除霜控制電路用于控制接通或斷開電熱絲,達(dá)到對(duì)電冰箱除霜的目的。圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)硬件方框圖外圍電路是AT89C51工作的基礎(chǔ)保障電源電路提供穩(wěn)定的+5V工作電壓;時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作
17、所需的時(shí)鐘信號(hào);復(fù)位電路使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。鍵盤電路用于向系統(tǒng)輸入運(yùn)行參數(shù),控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。通過鍵盤掃描等程序設(shè)計(jì)把鍵盤輸入的數(shù)據(jù)在液晶顯示器上顯示。LED電路用來顯示鍵盤輸入的數(shù)據(jù),DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍室和冷藏室的溫度檢測(cè),ADC0809完成對(duì)溫度的模數(shù)轉(zhuǎn)換,將信號(hào)上傳給單片機(jī),其功能是靠硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件程序的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。熱敏電阻感測(cè)溫度,判斷霜厚程度,產(chǎn)生中斷信號(hào),結(jié)合單片機(jī)軟件程序,控制加熱器的啟動(dòng)與停止,完成自動(dòng)除霜的功能。第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1微處理器微處理器是本系統(tǒng)的核心,其性能的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定,鑒于本系統(tǒng)為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)行大量
18、的運(yùn)算,所以單片機(jī)采用INTEL 公司的高效微控制器AT89C51。AT89C51 是一種帶4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓,高性能CMOS8 位微處理器,俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 ? 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。如圖3-1所示圖3-1 AT89C51單片
19、機(jī)的引腳封裝圖3.1.1主要特性:Ø 與MCS-51 兼容 Ø 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 Ø 壽命:1000寫/擦循環(huán)Ø 數(shù)據(jù)保留時(shí)間:10年Ø 全靜態(tài)工作:0Hz-24HzØ 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定Ø 128*8位內(nèi)部RAMØ 32可編程I/O線Ø 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Ø 5個(gè)中斷源Ø 可編程串行通道Ø 低功耗的閑置和掉電模式Ø 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路3.1.2管腳說明VCC:供電電壓。GND:接地。P0口:P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門
20、電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí),被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí),P0 口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),P0輸出原碼,此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口:P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時(shí),將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P1口作為第八位地址接收。P2口:P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個(gè)TTL門電流,當(dāng)P2口被寫“1”時(shí),其
21、管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時(shí),P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí),P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí),它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì),當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí),P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口:P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。P3口也
22、可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:口管腳 備選功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 /INT0(外部中斷0)P3.3 /INT1(外部中斷1)P3.4 T0(記時(shí)器0外部輸入)P3.5 T1(記時(shí)器1外部輸入)P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí),要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG:當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在
23、平時(shí),ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào),此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是:每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí), ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效。/PSEN:外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間,每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。3.2復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作,其主要功能是使單片機(jī)從0000H單
24、元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化以外,當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí),為擺脫困境也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。AT89C51芯片內(nèi)部有復(fù)位電路,RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端高電平有效,復(fù)位方式有自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種。本單片機(jī)系統(tǒng)采用自動(dòng)復(fù)位方式復(fù)位。AT89C51的復(fù)位電路如圖3-3所示:圖3-2 X25045復(fù)位電路圖3.3時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào),時(shí)序是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如同一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路,為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn),電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。在AT89C51單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路,因此
25、,只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時(shí)控制元件(晶體振蕩器和電容),即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。在AT89C51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器,而在芯片的外部,XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容。AT89C51的時(shí)鐘電路如圖3-2所示:圖3-3 AT89C51的時(shí)鐘電路用晶振和電容構(gòu)成諧振電路。電容C1、C2容量在1540pF之間,大小與晶振頻率和工作電壓有關(guān)。但電容的大小影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性,為了提高精度,本實(shí)驗(yàn)板采用30pF的電容作為微調(diào)電容。在設(shè)計(jì)電路板時(shí),晶振、電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片,以減小分布電容,保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。3.4單片機(jī)系統(tǒng)
26、電源設(shè)計(jì)3.4.1 12V穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)12V穩(wěn)壓源主要用于為比較器,固態(tài)繼電器等提供穩(wěn)壓源。其電路圖如圖3-6所示:圖3-4 12V穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)電路圖如圖所示為雙極性對(duì)稱穩(wěn)壓電源電路,它采用兩只三端穩(wěn)壓器LM7812和LM7912構(gòu)成的簡單實(shí)用的對(duì)稱型正負(fù)穩(wěn)壓電源。LM78系列輸入電壓為正電壓,LM79系列三端穩(wěn)壓器輸入電壓為負(fù)電壓,其他特性,兩者較為相似。圖中,C9,C10兩個(gè)電容接LM7812的Vin端對(duì)外電源輸入的電壓進(jìn)行平波和高頻濾波,C11,C12兩個(gè)電容接LM7912的Vin端對(duì)外電源輸入的電壓進(jìn)行平波和高頻濾波;C13,C1兩個(gè)電容接LM7812的Vout端對(duì)整形后的電壓進(jìn)行濾
27、波,C15,C16兩個(gè)電容接LM7912的Vout端對(duì)整形后的電壓進(jìn)行濾波。該電源輸出電壓為±12V,輸出電流最大為l.5A。對(duì)LM7812,LM7912的選擇,力求性能參數(shù)盡量對(duì)稱。正、負(fù)三端穩(wěn)壓器均要加裝合適的散熱器。3.4.2 +5V穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)+5V電壓源主要用于為AT89C51,ADC0809,8279,光敏二極管,LED,報(bào)警電路等器件及電路提供穩(wěn)壓源。電源(Vcc)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)板正常工作的動(dòng)力源泉。電源電壓過大會(huì)大大縮短芯片的工作壽命,嚴(yán)重的會(huì)燒毀芯片及其它元器件;過小將不能驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)板工作電路。因此設(shè)定合適的電源電壓值非常重要。此實(shí)驗(yàn)板主要芯片工作電壓均位+5V左右,所
28、以采用7805三端穩(wěn)壓 芯片將+12V整形為+5V直流給整個(gè)實(shí)驗(yàn)板供電。用LM7805設(shè)計(jì)的+5V穩(wěn)壓電源電路圖如圖3-4所示:圖3-5 +5V穩(wěn)壓電源電路圖LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器,一般使用的是TO-220封裝,要求輸入輸出電壓差保持在2V以上,能提供直流5V的輸出電壓,應(yīng)用范圍廣,內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)能持續(xù)提供1A的電流,如果使用外圍器件,它還能提供不同的電壓和電流。圖中,C5,C6兩個(gè)電容接LM7805的Vin端對(duì)外電源輸入的電壓進(jìn)行濾波;C7,C8兩個(gè)電容接LM7805的Vout端對(duì)整形后的電壓進(jìn)行濾波,確保Vcc端輸入+5V直流電壓。D1為發(fā)光二級(jí)管,接通電源時(shí),
29、燈亮表示電源電路供電正常,否則電源電路出錯(cuò)。ML7805的引腳圖如圖3-5所示:圖3-6 LM7805三端穩(wěn)壓器引腳圖3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809完成對(duì)冷凍室和冷藏室的溫度采樣以及對(duì)電源電壓的采樣,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換,需輸入到AT89C51單片機(jī),所以,必須設(shè)計(jì)ADC0809與AT89C51的連接通信電路。在圖3-8中,AT89C51的ALE引腳上輸出的脈沖是1/6的單片機(jī)晶振,經(jīng)二分頻后,提供ADC0809的時(shí)鐘脈沖,有利于兩者的工作步調(diào)協(xié)調(diào)。P0口是地址/數(shù)據(jù)線,地址與數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用,所以,ADC0809的三位地址需通過地址鎖存器,以保證地址與數(shù)據(jù)的分時(shí)復(fù)用的正確性。ADC0809的三位地
30、址A,B,C對(duì)8條通道進(jìn)行選擇,其中,A為低位地址,C為高位地址。IN0輸入的是從冷凍室采樣所得的轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的溫度值;INT1輸入的是從冷藏室采樣所得的轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的溫度值;INT2輸入的是經(jīng)采樣的電源電壓值。EOC是標(biāo)志通道中數(shù)據(jù)完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換的信號(hào)。當(dāng)通道中數(shù)據(jù)完成從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換后,EOC發(fā)出脈沖,經(jīng)反相后,輸入單片機(jī)的/INT0接口,產(chǎn)生中斷信號(hào)。產(chǎn)生中斷信號(hào)后,單片機(jī)結(jié)合中斷程序,對(duì)中斷進(jìn)行處理,控制壓縮機(jī)的運(yùn)行和停止。3.5.1地址鎖存器74LS373單片機(jī)系統(tǒng)中常用的地址鎖存器芯片74LS373以及CMOS的74HC373,是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器,其引腳圖如圖
31、3-7所示:圖3-7 74L373引腳圖3.5.2 ADC0809與AT89C51的接口電路兩片芯片的連接圖如圖3-8所示:圖3-8 ADC0809與AT89C51連接圖3.6 冷凍室冷藏室溫度檢測(cè)采樣電路在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)中,需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差問題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問題等技術(shù)問題,才能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。我們?cè)跒楸錅y(cè)溫系統(tǒng)中,為了克服上面提到的三個(gè)問題,采用了新型數(shù)字溫度傳感器DS1820,在對(duì)其測(cè)溫原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,提出了提高DS1820測(cè)量精度的方法,使DS1820的測(cè)量精度由0.5提高到0.1以上,取得了良好的測(cè)溫效果。3.
32、6.1 DS1820簡介DS1820是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器,在其內(nèi)部使用了在板(ON-B0ARD)專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。與其它溫度傳感器相比,DS1820具有以下特性。1)獨(dú)特的單線接口方式,DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。2)DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能,多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。3)DS1820在使用中不需要任何外圍元件。4)溫范圍55125,固有測(cè)溫分辨率0.5。5)測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送3.6.2提高DS1820測(cè)溫精
33、度的途徑DS1820高精度測(cè)溫的理論依據(jù)DS1820正常使用時(shí)的測(cè)溫分辨率為0.5,這對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度監(jiān)測(cè)來講略顯不足,在對(duì)DS1820測(cè)溫原理詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,我們采取直接讀取DS1820內(nèi)部暫存寄存器的方法,將DS1820的測(cè)溫分辨率提高到0.10.013.6.3 DS1820使用中注意事項(xiàng)DS1820雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題:(1)較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償,由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送,因此,在對(duì)DS1820進(jìn)行讀寫編程時(shí),必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序,否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。在
34、使用PL/M、C等高級(jí)語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)DS1820操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。(2)在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題,容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS1820,在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS1820超過8個(gè)時(shí),就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題,這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。(3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗(yàn)中,當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長度超過50m時(shí),讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí),正常通訊距離可達(dá)150m,當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí),正常通訊距離進(jìn)一步加長。這種情
35、況主要是由總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?。因此,在用DS1820進(jìn)行長距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。(4)在DS1820測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中,向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后,程序總要等待DS1820的返回信號(hào),一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線,當(dāng)程序讀該DS1820時(shí),將沒有返回信號(hào),程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。3.7電源過欠壓保護(hù)電路電冰箱的過欠壓保護(hù)電路是在電源變壓器設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到的,在變壓器設(shè)計(jì)時(shí),從變壓器的次極可另外繞一組線圈,經(jīng)整流濾波后的電壓接人單片機(jī)的AD輸人端,當(dāng)電源電壓變化時(shí),此電壓將隨之變化,
36、單片機(jī)把測(cè)到的電壓與過欠壓值相比較,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有過欠壓現(xiàn)象時(shí),將通過壓縮機(jī)控制電路切斷壓縮機(jī)電源并報(bào)警,達(dá)到保護(hù)壓縮機(jī)的效果。如圖3-9所示。圖3-9電源過欠壓采樣保護(hù)電路上圖是僅用一個(gè)電壓跟隨器及幾個(gè)分立元器件構(gòu)成的電源過壓欠壓保護(hù)電路。取樣電壓通過對(duì)輸入的交流電源電壓整流濾波后,經(jīng)電阻分壓,通過光敏電阻耦合,再經(jīng)過電壓跟隨器而取得。它反映輸入電源電壓的變化。光敏電阻起到了隔離耦合的作用,可防止當(dāng)電源電壓很大時(shí),產(chǎn)生的電壓電流過大而損壞芯片及其他電路。取樣所得的電壓信號(hào)輸入到ADC0809的IN2,結(jié)合軟件編程,將電壓信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并與軟件設(shè)定的特定值相比較,當(dāng)電壓信號(hào)高于或低于
37、某兩個(gè)固定值時(shí),ADC0809將向單片機(jī)產(chǎn)生中斷,控制壓縮機(jī)停止工作。3.8制冷與除霜控制電路傳感器選用MF531型熱敏電阻,具有負(fù)溫度系數(shù),靈敏度較高。把熱敏電阻安裝在距蒸發(fā)器3 mm的某個(gè)合適的位置上,當(dāng)霜的厚度大于3 mm時(shí),熱敏電阻接觸到霜從而感到較低的溫度,其電阻值R(t)變大,運(yùn)算放大器輸出信號(hào)有變化,經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送人單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)分析、判斷,給出除霜命令,接通化霜加熱絲,同時(shí)斷開壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī),30 min后斷開化霜加熱絲,接通壓縮機(jī),再經(jīng)15 min后接通風(fēng)機(jī)。3.8.1 鎖存器74LS273(1)基本特性74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器,只有在清除端保持高電平時(shí),才具有
38、鎖存功能,鎖存控制端為11腳CLK,采用上升沿鎖存。CPU的ALE信號(hào)必須經(jīng)過反相器反相之后才能與74LS273的控制端CLK端相連。(2)74LS273引腳圖如圖3-10所示:圖3-10 74LS273引腳圖(3)74LS273功能表表3-1 74LS273 功能表74LS273八D觸發(fā)器輸 入輸出/CrCPDQn+1L××LHHHHLLHL×Qn3.8.2 驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)(1)制冷壓縮機(jī)和除霜電熱絲的啟動(dòng)和停止控制驅(qū)動(dòng)電路如圖3-11所示:圖3-11 制冷壓縮機(jī)和除霜電熱絲的啟動(dòng)和停止控制驅(qū)動(dòng)電路(2)工作原理:AT89C51單片機(jī)控制信號(hào)經(jīng)P1.3和P1
39、.4端口輸出,并在P1.7的控制下,鎖存在74LS273中,74LS273的輸出在經(jīng)達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器MC1413后,驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器SSR1和SSR2。當(dāng)MC1413的16端有高電平輸出時(shí),SSR1的3、4引腳端接通,使加熱絲接通電源而除霜。當(dāng)MC1413的15端輸出高電平時(shí),SSR2的3、4端接通,使壓縮機(jī)繞組接通電源而啟動(dòng),開始制冷。74LS273瑣存控制信號(hào),一方面,增加輸出功率,另一方面,也防止單片機(jī)復(fù)位時(shí)引起控制的誤動(dòng)作。采用固態(tài)繼電器作為壓縮機(jī)和除霜電熱絲的開關(guān),屬于無觸電開關(guān),內(nèi)部是大功率的晶閘管電路,不產(chǎn)生火花,無電磁干擾,并使高壓與單片機(jī)系統(tǒng)隔離。3.9鍵盤和顯示電路3.9.1接口
40、芯片8279簡介8279引腳封裝及引腳功能8279采用單±5V電源供電,40腳封裝。其引腳封裝如圖3-12所示:圖3-12 8279引腳圖鍵盤及LED電路采用6個(gè)功能鍵控制冷凍室、冷藏室及速凍溫度設(shè)定4位LED負(fù)責(zé)顯示冷凍室、冷藏室溫度及壓縮機(jī)啟、停和報(bào)警等狀態(tài)。顯示和鍵盤輸人采用INTEL8279芯片。該芯片是一種專用的可編輯鍵盤、顯示接口器件,使用該芯片可以很方便地實(shí)現(xiàn)鍵盤輸人和LED控制兩種功能。該芯片與單片機(jī)連接,可以提高單片機(jī)的工作效率。8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線與INTEL 8279的數(shù)據(jù)總線D0D7連接,RD、WR控制線在操作邏輯上與INTEL 8279的RD、WR信號(hào)一
41、致,可直接相連。P2口的一部分線經(jīng)譯碼器譯碼后的一路輸出作為INTEL 8279的片選信號(hào)cS.3.9.2 LED簡介顯示器是常用的輸出器件。顯示器件種類很多,有LED發(fā)光二極管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器LCD、陰極射線管CRT等。本電冰箱的電控系統(tǒng)使用的是LED數(shù)碼管。(1)LED數(shù)碼管顯示器的結(jié)構(gòu)LED數(shù)碼管是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管,其中7個(gè)用于顯示字符,1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)。故通常稱之為7段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法,包括共陽極接法和共陰極接法。本電冰箱的電控系統(tǒng)使用的LED數(shù)碼顯示器所用的是共陰極接法。(2)共陰
42、極LED數(shù)碼顯示器引腳封裝圖圖3-13共陰極LED數(shù)碼顯示器引腳圖3.9.3 鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)鍵盤顯示電路是人與AT89C51進(jìn)行人機(jī)交換的媒介,用于向CPU輸入運(yùn)行參數(shù),控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。鍵盤電路形式分為直接編碼輸入鍵盤和矩陣鍵盤。前者接口電路簡單,一般應(yīng)用于需要少量按鍵的控制系統(tǒng)。后者因占用I/O引腳數(shù)少,常被按鍵較多的控制系統(tǒng)所采用。為了減少鍵盤電路占用I/O引腳數(shù)目,將鍵盤電路設(shè)計(jì)為4×4矩陣鍵盤形式。由于本設(shè)計(jì)中需4個(gè)按鍵,分別設(shè)置為功能鍵、加一鍵、減一鍵和確定鍵。通過功能鍵切換是設(shè)置冷凍室溫度還是設(shè)置冷藏室溫度;通過加一鍵和減一鍵設(shè)置溫度值,所以只需設(shè)計(jì)為1×
43、4的矩陣鍵盤即可。本設(shè)計(jì)的鍵盤電路如圖3-14所示:圖3-14鍵盤顯示電路矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些,識(shí)別也要復(fù)雜一些,上圖中,列線選用RL0,并通過5.1K的電阻接正電源。行線通過驅(qū)動(dòng)器75451連接4個(gè)LED的公共端,作為輸出端,作為LED的片選信號(hào);列線則作為輸入,用于讀回?cái)?shù)據(jù)。非編碼式鍵盤識(shí)別閉合鍵通常有兩種方法:一種稱為行掃描法,另一種稱線反轉(zhuǎn)法。本設(shè)計(jì)用行掃描法。行線輸出是低電平,當(dāng)按鈕沒有按下時(shí),所有的輸出端都是高電平,代表無鍵按下。一旦有鍵按下,則輸入線就會(huì)被拉低,這樣,通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。ALE信號(hào)經(jīng)二分頻后作為8279的時(shí)鐘信號(hào),從而與系
44、統(tǒng)時(shí)鐘同步。8279的OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3是動(dòng)態(tài)掃描顯示的輸出口,輸出單片機(jī)的數(shù)據(jù),控制個(gè)各LED的顯示字符。3.10 開門報(bào)警電路本設(shè)計(jì)含開門報(bào)警功能,當(dāng)開門延時(shí)2min后發(fā)聲報(bào)警,用于提醒使用者關(guān)門,以達(dá)到節(jié)電節(jié)能,延長電冰箱的使用時(shí)間。其電路圖如圖3-15所示:圖3-15開門報(bào)警電路圖3.11 霜厚檢測(cè)電路冷凍室中的水分會(huì)凝結(jié)成霜,因此,電冰箱應(yīng)有自動(dòng)除霜功能。該功能的實(shí)現(xiàn)方法是通過熱敏電阻檢測(cè)環(huán)境溫度,來判斷霜厚是否滿足化霜條件。當(dāng)滿足化霜條件時(shí),檢測(cè)電路產(chǎn)生中斷信號(hào),經(jīng)過單片機(jī)的處理,控制接通化霜加熱絲,同時(shí)斷開壓縮機(jī)。當(dāng)檢測(cè)到的溫度值在一定溫度值以上后,斷開加
45、熱絲,并接通壓縮機(jī),完成自動(dòng)除霜功能。3.11.1 運(yùn)算放大器LM324LM324為四運(yùn)放集成電路,采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器,有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小,LM324工作電壓范圍寬,可用正電源330V,或正負(fù)雙電源±1.5V±15V工作。它的輸入電壓可低到地電位,而輸出電壓范圍為0Vcc。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器,除電源共用外,四組運(yùn)放相互單獨(dú)。它有5個(gè)引出腳,其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端,“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端,“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中,Vi-(-)為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反
46、;Vi+(+)為同相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324引腳排列見圖3-16。LM124、LM224和LM324引腳功能及內(nèi)部電路完全一致。LM124是軍品;LM224為工業(yè)品;而LM324為民品。由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價(jià)格低廉等特點(diǎn),因此他被非常廣泛的應(yīng)用在各種電路中。 圖3-16 LM324運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.11.2 霜厚檢測(cè)電路(1) 霜厚檢測(cè)電路原理圖如圖3-17所示:圖3-17霜厚檢測(cè)電路圖圖中Rt為溫度傳感器,選用MF53-1型熱敏電阻,具有負(fù)溫度系數(shù),靈敏度較高。其阻值和溫度的關(guān)系為:Rt=286/(26.
47、8+t)-2.68(k)A點(diǎn)電壓與溫度關(guān)系為:VA=(2.68*5)/(Rt+2.68)=1.26+0.047t(2) 除霜電路工作原理把熱敏電阻器安裝在距蒸發(fā)器3mm的某個(gè)合適的位置上,當(dāng)霜厚大于3mm時(shí),熱敏電阻接觸到霜而感到較低的溫度,其電阻值Rt變大,A點(diǎn)溫度降低,電壓跟隨器輸出電壓降低,經(jīng)放大器放大,輸入比較器中。由于輸入電壓低于比較器的比較電壓而輸出低電平,穩(wěn)壓管導(dǎo)通,經(jīng)反相器輸出低電平,結(jié)合軟件編程,觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷,控制加熱絲的啟動(dòng)和壓縮機(jī)停止工作,并通過軟件編程控制加熱絲工作一定時(shí)間后停止工作;加熱后再次檢測(cè)溫度;當(dāng)霜有一定的融化后,熱敏電阻檢測(cè)到的溫度升高,Rt阻值降低,
48、VA電壓值升高,經(jīng)放大器放大,輸入比較器中。由于輸入電壓高于比較器的比較電壓而輸出高電平,穩(wěn)壓管截止,無中斷。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件主要由主流程、功能子程序、中斷服務(wù)程序組成。采用主程序調(diào)用功能子程序,子程序盡可能少的調(diào)用其它子程序,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)溫度在64°C64°C,用七位即可存放,因此溫度值用一個(gè)字節(jié)存放, 最高位存放符號(hào)位。 4.1主程序框圖如圖41所示圖41主程序框圖4.2鍵盤掃描子程序如圖4-2所示圖4-2 鍵盤掃描子程序4.3中斷服務(wù)程序單片機(jī)控制片內(nèi)定時(shí)器每隔一定的溫度采樣時(shí)間(可設(shè)為lO s)產(chǎn)生一次定時(shí)器中斷,定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要對(duì)溫度傳感器進(jìn)行一次巡檢,并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到冷藏室、冷凍室溫度。所測(cè)得的溫度分別與設(shè)定的溫度上下限進(jìn)行比較,以判斷是否應(yīng)打開或停止壓縮機(jī),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制,隨后,再對(duì)鍵盤功能標(biāo)志進(jìn)行測(cè)試,以做出相應(yīng)的處理。在對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)控制時(shí),要注意壓縮機(jī)從停止?fàn)?/p>
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