【毕业学位论文】(Word原稿)电冰箱模糊控制器的设计

目 录 摘要 . I . 一章 概论 . 1 题研究背景及意义 . 1 课题国内外研究现状 . 1 课题的技术要求及功能 . 1 第二章 电冰箱控制系统介绍 . 3 冰箱的工作原理 . 3 冰箱控制系统结构 . 4 芝 公司的 绍 . 5 构 . 5 行 I/O 口 . 5 ，近年来，随着微电子技术、传感器技术及控制理论的发展，冰箱具有温度模糊控制、智能化霜、除臭除菌等功能，同时具有控制精度高、 性能可靠、节能等优点，并能达到高质量食品保鲜的目的，这也是冰箱发展的主要方向。 本文采用模糊控制技术可以方便地提高控制精度，配以电子温度检测，对压缩机的工作状态进行调节，达到精确控温和节能的目的。通过变频控制可以使冷冻室的温度控制更加合理。当冷冻室需要制冷量比较大的时候，可以通过变频调控，使电机高速转动，就加强压缩机制冷；同理，当冷冻室制冷量比较小时，则使电机转速慢一些，就降低压缩机制冷。而冷藏室采用风冷控制，冷藏室的温度控制是通过控制风门电风扇来实现的。同时本文还通过光敏管和红外发射管组成了霜厚检测电路， 最终实现了智能化霜的功能。 电冰箱温度控制系统是利用温度传感器采集电冰箱冷藏室和冷冻室的温度，单片机采用 东芝 公司的 为模糊控制器，从而达到智能控制的目的。 关键词： 变频，冰箱，模糊控制技术， 单片机 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 n as a as so on of s of of it is of By of be so it So be it to of it to of of to in At of of 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 he of in as to of 1 第一章 概论 题研究背景及意义 节能和智能化是冰箱研制的主要主题，因此利用智能模糊控制技术控制变频冰箱成为冰箱开发的一个重要研究方向。节约能源是促进经济社会可持续发展的需要，在呼唤节能的形势下，变频技术成为人们关注的热点。随着微电子电力电子技术、传感器技术以及控制理论的发展， 变频技术日益成熟，变频技术应用也越来越广泛，节能效果明显。 家用电冰箱作为常用的家庭电器设备，品种多，需求量大，其节能也越来越得到重视。传统的恒频冰箱压缩机转速恒定，温度控制装置、化霜装置等都是事先设定的，这就易使许多能量消耗在目的相异的各种动作及因缺少灵活性而发生各种多余动作，造成器件的频繁开启，一方面造成器件损坏，维修成本高。另一方面，无法根据实际食品的冷量需要自动增加降低压缩机输出功率，因此温度的起伏较大，不利于食品保鲜，浪费了大量能量。变频冰箱采用变频压缩机，该压缩机采用可调速电机，实际使用时通过改 变电动机转速来改变压缩机的制冷量以匹配冰箱的实际负荷，温度波动小，制冷效率高，节能明显。同时，在大多数情况下，冰箱体内的温度场分布极不均匀，用数学模型难以精确描述，因此用传统的 制难以达到预期效果，这类控制系统最适合于采用模糊控制。 课题国内外研究现状 变频冰箱模糊控制技术成功地被海信集团有限公司、海信 (北京 )电器有限公司申请专利，该发明提供了一种可以根据冰箱各间室的温度变化率和目标接近度的对冰箱各间室的温度进行调节并且具有自学习功能的冰箱的控制方法。当前，西门子、海尔、松下等知名品牌都 在竞相研究该技术。变频冰箱模糊控制技术发展趋势：现在冰箱的四个发展趋势是 个性时尚、节能环保、智能高端、两极分化，因此 实践证明 , 采用模糊控制技术，则可以对环境温度、箱内温度、箱内温度变化率等条件综合判断，来调节冰箱的运行。它还可以根据用户的不同习惯，调节制冷、化霜等运行过程，完全不需要人工干预。因此毫无疑问，变频冰箱模糊控制技术研究是当代值得深入研究的课题。 课题的 技术要求及功能 家用电冰箱通常具有双门双层结构，一层是冷藏室，另一层是冷冻室。冷南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 2 藏室用于食物保鲜，为了不冻伤食物，本课题将冷藏 室温度控制在 0 10 ；冷冻室用于长期存放食物，故本课题将冷冻室的温度控制在 。本课题采用模糊控制技术及变频调速，可提供较高的温度控制精度和较好的节能效果。本课题设计的冰箱具有以下功能： 温度模糊控制功能 ； 模糊智能化霜功能 ； 模糊智能除臭除菌功能 ； 压缩机断电延时保护功能 ； 变频压缩机的智能调速功能 ； 显示功能 。 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 3 第二章 电冰箱控制系统介绍 冰箱 的工作原理 电冰箱是用电源为动力源来驱动压缩机，把冷媒加以 压缩，然后迅速使其升华汽化，通过吸热使对象温度下降而实现制冷 的 ，即 制冷是通过热交换的过程实现的，可采用压缩式制冷或半导体制冷的方法。 电冰箱是以液化和汽化两个重要过程进行热交换获得低温的。 蒸气压缩式电冰箱制冷系统原理图如图 2示，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，干燥过滤器用来过滤赃物和干燥水分，毛细管用来节流降压，热交换器为冷凝器和蒸发器。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，使温度降低到所需值，汽化后的气体制冷剂又被压缩机吸入，至此，完成一个循环。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 2冰箱制冷系统原理图 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 4 冰箱 控制系统结构 一般来说，冷冻室采用直冷控制方式，其温度控制是通过控制压缩机来实现的。冷藏室采用风冷控制，其温度与压缩机的工作状态有关，也与冷冻室的温度有关， 蒸发器的制冷和冷冻室的温度都通过风门传送到冷藏室，风门的控制状况决定了向冷藏室输送的冷风量，故冷藏室的温度控制通过控 制风门电风扇来实现。 模糊电冰箱模糊系统结构如图 2示。该系统由输入部分、单片机、输出部分组成。输入部件主要用于输入电冰箱的内部状态、电源状态和用户设定的温度。输出部件主要用于控制压缩机、风门和除霜电热丝的工作方式，以及温度的 显示 。 图 2糊电冰箱控制系统结构 输入部分由冷冻室温度检测电路、冷藏室温度检测电路、霜厚度检测电路、压缩机时间检测电路、温度设定电路和电源电路组成。 本课题的 单片机采用 东芝 公司的 片作为模糊控制器。输出部分由压缩机控制电路、除霜电热丝控制电路、温度显示电路和风门控制电路组成。 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 5 芝公司的 绍 构 东芝公司的 片是高性能的 8 位单片机系列，它在 42 引脚的封装内集成了以下功能：一个高性能的 8 为 核，最小指令 周期在 88K 片内 序存储器； 512 字节 据存储器； 14 个中断源，其中内部 8 个，外部 6 个； 5 个 I/O 口共 35 跟 I/O 线； 2 个 16 位定时 /计数器； 2 个 8 位定时 /计数器； 8 路 8 位逐次逼近式 A/D 转换器，转换时间在 83s；有 5 种节电工作方式：停机 速 闲 外还具有基本定时器和分频输出。 其引脚图如图 2示。 图 2片机引脚图 行 I/O 口 （ 00） 是一个 8 位通用输入 /输出口，输入 /输出方式由 入 /输出控制寄存器 0相应位设定。在复位后， 始化为“ 0”，即 为输入口。 （ 10） 是一个 8 位通用输入 /输出口，输入 /输出方式由 入 /输出控制寄存器 0 相应位设定。在复位后， 始化为“ 0”，即 为输入口。 还可以用作外部中断输入、定时器 /计数器输入和分频输出。当南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 6 作第二功能时，输入引脚应该设为输入方式，输出引脚应设为输出方式。 （ 20） 是一个 3 位输入 /输出口，它可以用作外部中断输入、 式释放信号输入以及低频晶振连接端。当它们用作输入口或第二功能时，输出锁存器应置“ 1”。在复位后，输出锁存器被初始化为“ 1”。 （ 30） 是一个 8 位输入 /输出口，具有直接驱动 大电流输出能力 。当 用作输入口时，输出锁存器应置“ 1”。在复位期间，输出锁存器已初始化为“ 1”。 （ 40） 是一个 8 位输入 /输出口，也可以用作串行接口 2（ 输入 /输出。当它用作第二功能时，输出锁存器应置“ 1”。 （ 50） 是一个 7 位输入 /输出口，也可以用作串行接口 1（ 输入 /输出、外部中断输入、定时器 /计数器输入 /输出。当它用作输入口或第二功能时，输出锁存器应置“ 1”。 （ 60）和 （ 70） 都是 8 位通用 输入 /输出口，输入 /输出方式由 7 口 输入 /输出控制寄存器 7相应位设定。 。 模拟输入选择位 (共有八个输入通道，即： 0000： 0001： 0010： 0011： 0100： 0110： 0111： 1*：保留。 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 7 第三章 电冰箱控制系统的硬件设计 电冰箱控制电路结构如图 3示，它由输入电路、 糊控制器、输出电路和功率控制电路组成。 图 3冰箱控制电路结构 源部分 电源部分由 5V 稳压电源、电压过零检测电路和电源电压检测电路组成。 压电源 稳压电源由桥式整流和三端稳压器 7805 组成，用于控制系统和单片机提供5V 电压，其电路如图 3示。 变压器 220V 的交流电压转换成 8V 低压，并利用整流桥 变为脉动直流电压，然后通过二极管 D 经滤波电容 波后，生成无纹波的直流电压。直流电压经三端稳压器 7805 稳压后，形成 5V 直流电压。 滤波电容 责负载突变情况下的滤波工作。二极管 时 ，由整流桥输出的脉动直流电压经整型电路整形后，产生 10负脉冲过零信号，用于进行时间计数。 压过零检测电路 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 8 电压过零检测电路用于向单片机的外部中断输入端 供反映交流电压信号过零点的负脉冲信号，以供模糊控制器控制晶闸管的同步移相。 其电路如图 3示。 其原理：当输入电压大于 ， 通，二极管反向偏置， 止， 为高电平；当当输入电压小于 ，则 止， 通，为低电平，可向 请中断。显然，这种过零检测电路具有过零检测精确、 灵敏度高等优点。 图 3压 电源电路 图 3压过零检测电路 压检测电路 电源电压检测电路向单片机的 A/D 输入通道 供实际电源电压，该电压经 A/D 转换后，供软件判断当前的电压值，其电路图如图 3示。 如果电源电压过高或者过低，都会损坏压缩机的电机，因此当检测到电源电压不正常时，必须立即关闭压缩机，以保安全。 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 9 图 3压检测电路 态 检测电路 状态检测电路由冷冻室温度检测电路、冷藏室温 度检测电路、 霜厚度检测电路 和压缩机断电时间检测电路 组成。 冻室 温度检测电路 冷冻室温度检测电路由偏置电阻 R和热敏电阻 成，其电路如图 3 图 3冻室温度检测电路 热敏电阻 有负温度系数，其阻值随温度的变化而变化，即温度越高，阻值越低。冷冻室的温度控制在 ，温度通常为 左右。为了提高温度检测的准确度，通常偏置电阻 R的阻值应取热敏电阻在 时的电阻值。应采用在标准 25 时电阻值较小的热敏电阻，这种电阻在负温度时有较大的电阻值。 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 10 单片机的 A/D 输入端 于读取电阻 R和 间的分压电压 并将其转换为相应的数字量。然后通过软件查表法求出相应的冷冻室温度值。分压电压 计算公式如下所示。 5V (3藏室 温度检测电路 冷藏室温度检测电路由偏置电阻 R 和热敏电阻 成，其电路如图 3示。 图 3藏室温度检测电路 冷藏室的温度控制在 0 10 ，温度通常为 5 左右。为了提高温度检测的准确度，通常偏置电阻 R 的阻值应取热敏电阻在 5 时的电阻值。冷藏室的温度要比冷冻室高，在标准 25 时，热敏电阻 阻值应比 阻值高。 单片机的 A/D 输入端 于读取电阻 R 和 间的分压电压 将其转换为相应的数字量。然后通过软件查表法求出相 应的 冷藏室 温度值。分压电压 计算公式如下所示。 5V （ 3 厚度 检测电路 霜厚度检测电路由光敏管 红外发射管 成，其电路如图 3示。 图 3厚度检测电路 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 11 光敏管用于接收来自红外发射管的光线。如果霜越厚，光敏管的光通量越大，输出电平 越小；如果霜越薄，光敏管的光通量越小，输出电平越大。因此，利用光敏管便可将霜的厚度转换为电压信号，并通过单片机的 A/D 输入端 缩机 断电时间检测电路 此电路克服了传统的只要控制器主板上电，无论压缩机断电时间是否已超过三分钟，都需要再延迟三分钟后，才能启动压缩机的缺陷。实现了无论压缩机是自动停机还是非自动强制断电停机，只要压缩机的停电时间超过三分钟 ，都可以启动压缩机。压缩机断电时间检测电路如图 3示。 图 3缩机断电时间检测电路 其工作原理是：当 为低电平时，经断电延时驱动电路后，三极管饱和导通，继电器 圈带电，触电 合，压缩机工作。同时延时驱动电路给出一反馈信号，使 为低电平。当 高电平时，经断电延时驱动电路后，三极管截止，继电器 圈失电，触点 开，压缩机停止工作。压缩机断电时开始计时，经断电延时驱动电路反馈给 的电平为高电平。经三分钟后， 动为低电平，为下次启动压缩机做准备。单片机通过检测 低电平时，说明压缩机停机时间已经超过三分钟或者压缩机正在运行，压缩机可以启动或继续运行。 度 给定和显示电路 度 给定电路 温度给定 电路由按键 相关的电阻组成。两个按键都是利用单片机内部的软件计数产生相应的温度输入值。按键按下的时间越长，软件计数所产生的温度值越大。其电路如图 3示。 当按键 下时，发光二极管 光、 灭。同时，如果按键 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 12 下的时间很短时，显示器显示当前冷冻室的温度；如果按键 下的时间很长时，表示进行冷冻室温度的设置操作，显示器将显示用户设置的冷冻室的温度。 当按键 下时，发光二极管 光、 灭。同时，如果按键 下的时间很短时，显示器显示当前冷藏室的温度；如果按键 下的时间 很长时，表示进行冷藏室温度的设置操作，显示器将显示用户设置的冷藏室的温度。 图 3度给定电路 示电路 显示电路由 3 个 7 段数码显示管和两个发光二极管 成。数码管采用软件扫描方式轮流显示，扫描频率设置为 25 次 /秒。 显示电路如图 3示。 图 3示电路 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 13 率 输出电路 控制电路中有三种功率输出电路，分别用于控制加热丝、风门和压缩机的工作状态。 热丝 控制电路 加热丝控制电路是简单的功率放大电路。它由加热丝、继电器 晶体管成。继电器与加热丝相连，单片机的输出引脚 晶体管 连。 其对加热丝的控制是这样进行的：当输出引脚 出低电平时，晶体管止，继电器 开，使加热丝停止工作，不发热；当输出引脚 出高电平时，晶体管 通，继电器 合，使加热丝工作而发热。 加热丝控制电路如图 3示。 3热丝控制电路 门 控制电路 控制电路中采用小型三相步进电机对风门进行控制。这种电机可以选择单三拍、双三拍或三相六拍的工作方式。 步进 电机工作原理 步进电机原理图如图 3示。 图 3进电机原理图 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 14 步进电机是一个数字 /角度转换器，也是一个串行的数 /模转换器。它是过程控制及仪表中的主要控制元件，广泛用于定位系 统。 步进电机旋转的根本原因：错齿，术语：齿距角、步距角，通电一周，转子转过一个齿距角， N 为几即一个齿距角分几步走完。 步进 电机控制系统原理 步进电机控制系统的组成如图 3示。 图 3进电机控制系统的组成 步进控制器 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转向控制门等。 作用 : 把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。 采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器。 优点：线路简化，降低成本降低，可靠性提高；能 灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。 功率 放大器：把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。 用微型机控制步进电机原理系统图如图 3示。 图 3型机控制步进电机原理系统图 图 3图 3比，有以下优点： 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。 只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。 风门 控制电路的设计 由于对风门控制角度的精度要求不高，在实际控制中常采用双三拍控 制方式。 双三拍工作方式是指，在步进电机的步进控制中，每次都是两相通电，控制电流切换三次，磁场旋转一周，转子移动一个齿距位置。 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关，双三拍的通电顺序为： C 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 15 由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离。由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进 主控系统。 步进电机与模糊控制器 接口电路如图 3示 。 图 3进电机与模糊控制器 接口电路 风门控制电路：为了在自动状态实现对风门的控制，设计了如图 3控制电路。其中，固态继电器（ 用日本东芝公司的 种 6装，体积小，带载能力 1A/600V。 图 3门控制电路 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 16 缩机 控制电路 压缩机 的启动和停止控制 对压缩机进行控制时，必须防止压缩机管道两端冷 媒的压力差过大，以免引起压缩机因启动电流过大而烧毁。单片机的输出引脚 输出信号经反相电路，驱动功率放大电路。功率放大电路采用晶闸管带动继电器去控制压缩机的启动和停止。其电路如图 3示。 3缩机启停控制电路 变频 压缩机控制电路 变频冰箱是将 变频技术应用在压缩机上，通过压缩机转速的调节使冰箱在节能、保鲜、静音三大方面实现了质的飞跃。 变频 调速简单介绍 变频 器与逆变器、斩波器 变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（ 将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（ 变压 变频调速（ 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。 如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由 （ 3 式中 磁转矩 ， M：主磁通， 转子电流， 子回路功率因素， 例系数 。 电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。 由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导 致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机 。 因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。 为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（ 称频（ 称 ，即 以，通常也把这种变频器叫 做 根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（ V/F）控制变频调速、矢量控制（ 频调速、直接转矩控制变频调速等。 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文 17 变压 变频协调控制 在进行电机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电机的电压与频率进行协调控制，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 基频，即基本频率 f 1，是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线，应按电动机的额定电压（指额定输出电压，是变频器输出电压中的最大值，通常它总是和输入电压相等）进行设定，即在大多数情况下，额定输出电压就是变频器输出频率等于基本频率时的输出电压值，所以，基本频率又等于额定频率与电动机额定输出电压对应的频率）。 异步电动机变压变频调速时，通常在基频 以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。 基频以下调速，在一定调速范围内维持磁通恒定，在相同的转矩相位角的条件下，如果能够控制电机的电流为恒定，即可控制电机的转矩为恒定，称为恒转矩控制，即电机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。 基频以上调速，当电机的电压随着频率的增加而升高时，若电机的电压已达到电机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电机的绝缘。为此，在电机达到额定电压后，即使频率增加仍维持电机电压不变。这样，电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化 ， 具 有恒功率特性。 基 频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压却不能超过额定电压，此时，电机调速属于恒转矩调速。电机在恒转矩调速时，磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 V/， 在恒定 f 1控制中，频率 f 1下降时，定子电阻压降在 成气隙磁通 取适