冰箱温度控制器的设计学士学位论文.doc

冰箱温度控制器的设计1 引言家用电冰箱一般有冷冻室和冷藏室，冷冻室的温度为618左右；冷藏室的温度为010。在该温度范围内，食品保鲜效果较好，因此，对控制器的要求是将冷冻室和冷藏室的温度自动控制在各自的范围内。在电冰箱的控制中，温度是主要的控制对象，控制的好就有显著的节能效果。但冰箱内要受诸如环境温度的高低、冰箱本身的容积、冰箱中食物的多少、以及食物的种类和性质、存放物品的初始温度、散热特性及其热容量、物品的充满率及开门的频繁程度等控制。冰箱内的温度场分布极不均匀，要想建立电冰箱温度变化的精确数学模型是很困难的，因此采用模糊控制技术才能达到最佳的控制效果。2 模糊控制系统概述2.1 普通电冰箱的结构普通电冰箱的箱体是用隔热材料分割成几个空间，可有单门冷藏式、单门冷冻式、双门冷藏、冷冻式和三门冷冻、冷藏式。（1）冷冻室和冷藏室冰箱是利用冷却剂周期性循环的物态变化吸热而致冷。用于吸热的蒸发器就设在冷冻室，蒸发器冷却的冷气循环到冷藏室，使之降温。由于这种结构的安排，冷冻室的温度降得较快，而冷藏室的温度降得较慢。（2）除霜加热器因为在冰箱降温过程中，空气和食物中所含的水分会凝聚到蒸发器和食物上而结成霜，当蒸发器表面结霜后，其热交换能力下降，而影响致冷效果；当霜层过厚时，还可能引起压缩机故障。除霜加热器包括门框加热器和蒸发器上的化霜加热器。2.2 模糊控制电冰箱系统结构家用电冰箱的发展，除了无氟、大容量外，主要是多门分体结构，一套制冷装置、多通道风冷式。为了适应这一情况，达到高精度、智能化控制的目的，本系统主要实现温度控制和智能化霜。温度控制就是要把握冰箱内存放的食物的温度和热容量，控制压缩机的开停、风扇转速和风门开启度等，使食物达到最佳保存状态。这就需要用传感器来检测环境温度和各室温度，并运用模糊推理来确定食物温度和热容量。智能除霜就是要根据霜层厚度，选择门开启次数最少的时间段，即温度变化率最小时快速除霜，这样对食物影响最小，有益于保鲜。运用模糊推理来确定着霜量和考虑门开启状况，经模糊推理确定除霜指令。此外，本系统还具有故障自诊及运行状态的显示等功能。控制电路框图如图1所示。2.2.1 系统硬件组成该系统采用8位87C552单片机为控制器8KROM，256字节的RAM为传感器，主要有冷冻室、冷藏室、冰温室及环温等传感器，采用价格低廉的热敏电阻。在门状态检测电路中，为了减少输入线数，简化装配工艺，多个状态开关共用一根输入线。通过输入线状态变化和箱内温度变化来决策时冷冻室箱门打开，还是冷藏室箱门打开。显示电路由LED显示和数码显示两部分组成。LED显示电冰箱运行状态，数码显示则为维修人员全面检查冰箱故障提供有力的数据。压缩机断电时间检测克服了传统上只要控制主板上断电，无论压缩机是否已延迟3分钟，都需要再延迟3分钟后才能启动压缩机的缺陷，实现了无论是压缩机自动停机或者强制断电停机时，只要压缩机停电时间超过3分钟，就可以启动压缩机。图1 控制电路框图2.2.2 系统软件结构本系统软件主要由主流程、功能子程序组成。子程序主要由电源电压及压缩机断电时间检测子程序、温度定检子程序、传感器检测、冷冻室温度模糊控制子程序、冷藏室温度模糊控制子程序、冰温室温度模糊控制子程序、模糊化霜控制子程序、模糊速冷控制子程序、自动制冰和强制制冰子程序等程序模块组成，系统主程序流程图如图2所示。图2 系统程序流程框图2.3冰箱温度控制器的模糊控制应用电冰箱温度控制器的模糊控制，主要应用于以下三方面：（1）冷冻室的温度控制用冷冻室内温度传感器检测的温度和温度变化来推断食品的温度。因为当不同温度的食品放进冰箱时，冰箱的温度和温度变化是不同的，由此就可推断出食品的温度。例如放进去的是热容量大温度高的食品，温度传感器检测到的温度就高，而且温度变化大；但如果放进去的是热容量小而温度高的食品，检测的温度也会上升，但温度会比较快的降下来。根据这些思想就可以制定出相应的推理规则，通过检测到的温度值和温度变化量推理获得放进去食品的温度。（2）冷藏室的温度控制冷藏室温度控制的思想与以上所述相同，只不过冷藏室的体积一般都比冷冻室大，且需要保持的温度也没有那么低，一般在3左右。如果由于其中塞满东西而使冷气不能很好的对流，致使冷藏室温度分布不匀，就可能一部分食品会被冻坏，而另一部分食品温度较高而变质。而且，冷藏室内食物的温度还会受其环境温度以及冰箱门开关的影响，所以还需要用环境温度传感器检测到的外部温度和冰箱门开关情况，来对食品温度进行模糊修正。最终根据食品温度和温度随时间变化的情况，依照控制规则，对压缩机和风扇电机以及气流调节器进行控制。（3）蒸发器的除霜控制 除霜就是通过加热融化掉蒸发器上所结的霜。加热势必要提高温度，这样就会对食品的温度产生不利的影响。所以除霜控制的关键是要设法减小除霜加热器对食品温度的影响。实践证明，如果在冰箱温度保持稳定的情况下除霜，影响会比较小。所以用冰箱门的开关情况作为冰箱使用状况的推理规则；再根据压缩机的运行实践来推断出蒸发器上的结霜量。3 模糊控制规则3.1 冷冻室温度模糊控制电冰箱一般以冷冻室的温度作为控制目标。根据温度与设定指标的偏差，决定压缩机的开停。由于温度场本身是个热惯性较大的实体，所以系统是一个滞后环节。冷冻室的温度和食品的温度有很大差别，因此，冰箱为了保鲜，仅仅保持冰箱的箱内温度是不够的，要有自动检测食品温度的功能，以此来确定制冷工况，保证不出现过冷现象，达到高质量保鲜的目的。图3 存入食品后冷冻室温度的变化3.1.1 食品温度及热容量检测原理为了检测放入冰箱的食品的初始温度和食品量的多少，应用模糊推理来确定相应制冷量，达到及时冷却食品又不浪费能源的目的。因此，在食品存放冰箱的初期，应设法检测食品的初始温度和热容量，对食品种类和数量做综合分析。应用软传感技术，食品温度及热容量的检测是在食品放入冷冻室并关门后5分钟内进行的。一般情况下，冷冻室的温度都在-15左右，当食品存入以后冷冻室的温度急剧上升，上升的绝对值和变化率，取决于放入食品的温度和热容量，温度的变化曲线如图3所示。从图3（b）可以看出，在食品重量相等的情况下，食品温度愈高（）,温度升高的变化率愈大，制冷压缩机投入运行愈早；从图3（a）可以看出，在放入食品温度相同的情况下，食品的重量愈重（），其温度上升变化率愈大，制冷压缩机启动后温度的下降愈缓慢。可以通过大量实验，摸索这一规律，建立一定的模糊推理关系。同时应该指出，存放食品时，门的开启时间长短，以及室温的高低，对冷冻室的温度也有相当大的影响，在判断食品温度时应该综合考虑分析。3.1.2 确定食品温度的模糊推理框图判断食品温度的模糊推理框图如图4所示。冷冻室温度传感器采集信息且算出温度变化率，经模糊推理1输出食品温度的初步判断，在根据开门状态及室温的情况加以修正，修正系数由模糊推理2来确定，然后经乘法器运算得到推论的食品温度。最后根据冷冻室的温度差和推理的食品热容量建立模糊推理，从而得到修正的压缩机开机或停机的时间。冷藏室的工作状态与冷冻室相似，系统框图基本相同，如图5所示。制冷工况（即压缩机的开停）同时受控于两个系统，通过风门的开启度和风机的转速来调整两室的温度。图4 冷冻室的模糊推理框图图5 冷藏室的模糊推理框图3.1.3 推理规则的建立（1）食品温度及热容量初判考虑适当的精度要求，并简化程序，设冷冻室温度论域为(-5，-20)，模糊语言值为（低，中，高）三档，其变化率dT的论域为（0，5），（小、中、大）三档，食物温度区域为（0，30），（低，中，高）三档。它们的率属度函数如图6所示。图6 冷冻室及食品温度率属度函数模糊控制规则用条件语句表示为 IF = 高 AND dT = 0 = 大 THEN =高 IF = 中 AND d = 中 THEN =中 上述语句共有九条，用表1来表示。表1 条件语句表示冷冻室与食品温度关系冷冻室温度论域范围变化率大变化率中变化率小高高高中中高中低低中低低（2）食品热容量修正考虑环境温度和开门时间，食品温度应乘以的修正系数K，可以用下列条件语句描述：IF = “高”AND = “长”THEN k = “大”IF = “低”AND = “短”THEN k = “小”用推理规则来表示各变量的率属度函数，如图7所示。图7 修正系数率属度函数3.1.4 制冷工况的控制决策由食品温度和食品温度变化率，通过模糊推理3，做出制冷工况控制决策。食品温度的论域为（0，20），语言模糊自己取（低、中、高）3档，温度变化率论域（-5，5），语言模糊子集取正大（PB），正小（PS），零，负小（NS），负大（NB）。制冷工况的控制决策规则可表示为若食品温度高、变化率大，则压缩机开，风机高速运转，风门开启；若食品温度低、变化率小，则压缩机关，风机低速运转，风门开启。类似规则共有15条。3.2 除霜的模糊控制模糊控制智能化霜采取了与传统控制化霜大为不同的策略。控制目标是除霜进程要对食品保鲜质量影响最小。为此，除了根据压缩机累计运行时间t及蒸发器制冷剂管道进、出口两端温差T来推断着霜量Q外，还要由化霜量及门开启时间间隔时间L的长、短或中来确定是否化霜。也就是说，选取门开启间隔时间长的，也就是开门频度低的时段化霜，以达到最理想的保温效率。除霜控制推理框图示于图8。图8 除霜控制推理框图有关的规则见表2和表3。表2 着霜量推理规则表压缩机累加运行时间t制冷剂进、出口两端温差TS（小）M（中）B（大）S（短）B（薄）JB（较薄）M（中）M（中）JB（较薄）M（中）JH（较厚）L（长）M（中）JH（较厚）H（厚）表3 除霜决策（动作）推理规则表门开启间隔L着 霜 量 Q薄中厚短OFFOFFON中OFFOFFON长OFFONON3.3 电冰箱的模糊控制算法如图9所示，把不同温度传感器检测到得温度以及温度变化和冰箱门的开关状态都用率属函数的等级表示出来。根据率属度和推理规则就可分别推出冷冻室和冷藏室内的食品温度、冷藏室内的食品温度分布、冷藏室的使用状况以及蒸发器上的结霜两等。根据这些结果，就可运用模糊控制规则得到控制压缩机、风扇电机和气流调节器的控制量，使食品温度以及温度分布总能保持最佳状态，并在对食品温度影响最小的情况下进行除霜处理。图9 模糊控制电冰箱的控制算法4 控制系统的电路结构如附图1所示，电冰箱控制系统的控制电路由电源电路、温度检测电路、门状态检测电路、功率输出电路和温度给定以及显示电路组成。各部分电路结构分析如下。4.1 电源部分电源电路由电源变压器、整流滤波电路、稳压电路构成。220V 50Hz的照明电经电源变压器TRAN变换为低压交流电压，桥式整流电路用于将低压交流电压整流为全波直流脉动电压。该脉动电压由三端稳压器MC7812和MC7805先后形成12V和5V的直流稳压电压，作为单片机的供电电源。4.2 温度检测电路 传感器组主要由冷冻室、冷藏室和环境温度检测等温度传感器组成。在电冰箱中，温度控制的精度要求不高，故传感器可以采用测温范围宽、互换性好、寿命长的热敏电阻。由于87C552本身带有A/D转换器，分压电阻上所得取样信号可以直接送给单片机A/D转换接口进行采样转换。4.3 门状态检测电路 门状态的检测电路是由门开关与单片机的I/O口连接实现的，从I/O口状态的电平变化可以判断箱门的关闭。加入光耦可以有效地去除外界的干扰输入。本设计中采用多个门状态开关共用一根输入线，这样减少了输入线，简化了装配工艺。4.4 压缩机断电时间检测电路为了实现无论压缩机是自动停机还是非自动牵制断电停机，只要压缩机停电时间超过3min，都可以启动压缩机，本系统采用延时装置、晶体管和继电器来完成对于压缩机的控制。4.5 功率输出电路压缩机、除霜电热丝和风机的输出控制信号送入集成驱动器KD65003，分别驱动各支路进行变压，从而带动负载（压缩机、电热丝、风机、风门等）运行。5 冰箱温度控制器模糊系统的仿真5.1 模糊控制系统的工作过程 模糊控制理论的提出，为我们提供了一种新的控制方法。这种方法以微处理器构成的模糊控制器为核心，以模拟人脑的思维方式为基本出发点，不需要我们对控制对象准确建模，就能很好的解决非线性、大滞后环节、变参数对象的控制问题。依靠操作人员的经验来建立合理的模糊控制算法，就能使难控制的系统达到比较好的控制效果。在本设计中，模糊控制器输入量为系统的误差E和误差变化率EC、输出为系统的控制量U，因此模糊控制器的工作过程可以描述为：首先将模糊控制器的输入量转化为模糊量供模糊逻辑决策系统用，模糊逻辑决策器根据规则决定的模糊关系R，应用模糊逻辑推理算法得出控制器的模糊输出量。最后经精确化计算得到的控制值去控制被控对象。5.2 模糊控制系统的设计 5.2.1输入输出将传感器测得的精确温度在各自的变化区间上分为几个档次，使每档对应一个模糊集。我们设定电冰箱温度升降范围020之间变化，而输入变化范围为020，输入变化率变化范围为-55之间。将它分为6档，并和模糊变量负大，负小，负大，零，正小，正大一一对应，所以K1=5/20=0.25，K2=5/51，K3=20/5=4。在MATLAB环境下，键入Fuzzy命令，进入模糊逻辑上具箱2，在屏幕上出现带有单输入、单输出、模糊规则的模块系统，用户双击输入、输出模块，可进行输入、输出变量的论域范围、各个语台变量的隶属函数形状等参数的编辑。并保存为wen.fis， 3个变量的隶属函数，它们的语言量值分别为: E =NB NS O PS PB、EC=NB NS O PS PB、U =NB NS O PS PB输入偏差E论域：“正大”（PB）多数取在+5附近、“正小”（PS）多数取在+2附近、“零”（O）多数取在零左右一点附近、“负小”（NS）多数取在-2附近、“负大”（NB）多数取在-5附近。输入变化率EC语言变量值和输出U的语言变量值同输入变量E; 5.2.2模糊规则本系统采用IF E and EC then U 为模糊规则。模糊关系为RE X EC X U; 模糊推理采用U =(E X EC )o R;该系统的模糊规则表如下表4EUECNBNSOPSPBNBNBNBNSNSONSNBNBNSOOPBOOPSPSPBPSNSOOPSPSONSNSOOPS表4 模糊规则表5.2.3 解模糊在MATLAB命令窗口中键入simulink 建立一 wen.mdl文件如图10，对模糊控制系统进行仿真。图10 仿真框图输入隶属度函数如图11(a)所示，输出隶属度函数如图11(b)所示。图11 输入量及输出量的率属度函数6 课程设计总结为期两周的计算机控制技术课程设计结束了，这次我的课题是“冰箱温度控制器的设计”。刚开始的时候，确实不怎么有头绪，也不知道应该选择哪种算法，后来在老师细心的指导下和同学们的帮助下，如期完成了设计任务，这期间感触颇多。刚接触这个题目时仅仅只有一个感性的认识，后来通过查阅资料，渐渐地有了一个思路，接下来就是方案论证了。本以为方案论证一完成，就成功了一半，但是在实际过程中，总会遇到各种问题。包括各种芯片的选择匹配问题，以及算法的设计，本以为自己的算法很完美，但是最后却发现没有考虑硬件的限制，只得重新再来。还有就是用Office的Visio软件画图，因为以前没有用过这个绘图软件的缘故，开始时用的不怎么熟练，还要边看教程边画图，后来就游刃有余了。在这次计算机控制技术课程设计中，首先我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，对以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证，论证，都一一解决了，特别是对这门课程中比较重要的知识。同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。两周时间很快就过去了，这期间我学会了很多东西，对于控制系统的认识也有了一个升华。7 参考文献【1】电气与电子信息工程学院 单片机实验指导书 【2】熊静琪. 计算机控制技术北京:电子工业出版社,2003.【3】黄忠霖. 控制系统MATIAB计算及仿真北京:国防工业出版社, 2004.【4】王建华. 计算机控制技术北京:高等教育出版社. 2008.2【5】袁秀英. 组态控制技术北京：电子工业出版社. 2007.7【6】薛迎成. 工控机及组态控制技术原理与应用北京：中国电力出版社. 2007.7【7】于海生. 计算机控制技术北京:机械工业出版社. 2007.12【8】施宝华. 计算机控制技术武汉：华中科技大学出版社. 2007.312