冰箱溫度控制器的設(shè)計(jì)與研究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電冰箱作為應(yīng)用較為普及的家用電器，近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，電冰箱具有溫度模糊控制、智能化霜、故障自診功能，同時(shí)還具有控制精度高、性能可靠、省電等優(yōu)點(diǎn)，并能達(dá)到高質(zhì)量食品保鮮的目的，是電冰箱發(fā)展的主要方向。</p><p>　　電冰箱控制的主要任務(wù)就是保持箱內(nèi)食品最佳溫度，

2、達(dá)到食品保鮮的目的。由于冰箱內(nèi)溫度受多種不確定因素影響，如放入冰箱中物品的溫度、熱容量以及物品的充滿率、開(kāi)門(mén)的頻繁程度等，冰箱內(nèi)的溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型很難建立，因此無(wú)法用傳統(tǒng)的控制方法實(shí)現(xiàn)精確控制。</p><p>　　本文采用模糊控制技術(shù)可以方便地提高控制精度，配以電子溫度檢測(cè)，對(duì)壓縮機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到精確控溫和節(jié)能的目的。通過(guò)變頻控制可以使冷凍室的溫度控制更加合理。當(dāng)冷凍室需要制冷量比較大的時(shí)候，可以通過(guò)

3、變頻調(diào)控，使電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，就加強(qiáng)壓縮機(jī)制冷；同理，當(dāng)冷凍室制冷量比較小時(shí)，則使電機(jī)轉(zhuǎn)速慢一些。就降低壓縮機(jī)制冷。通過(guò)半導(dǎo)體制冷使冷藏室的溫度控制更加精確。在冷藏室需要制冷的時(shí)候可以啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷，而不用啟動(dòng)壓縮機(jī)，這樣一方面避免了壓縮機(jī)的頻繁開(kāi)啟，另一方面也節(jié)約了能量，同時(shí)也保證了冷藏室的溫度更加準(zhǔn)確。</p><p>　　為了提高冰箱的性能，軟件上還采取了自學(xué)習(xí)功能、故障運(yùn)行自恢復(fù)功能、維護(hù)自檢功能和容錯(cuò)技術(shù)等

4、抗干擾設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有控制精度高、性能可靠、省電等特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：模糊控制論；冰箱；單片處理機(jī)；自學(xué)習(xí)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, refrigerator as a widespread family electronics, they hav

5、e advantages of perfect accuracy、high performance、saving electricity and keeping fresh food of high quality, while development of micro-electronics technology, senor technology and control theory. It is the main orientat

6、ion of developing refrigerators.</p><p>　　The control of the refrigerator aims to keep the food furthest temperature. But there are many factors effect the refrigerator temperature, such as food temperature,

7、 thermal capacity, full or not and frequency of opening door. So it's difficult of building the model of the refrigerator. So it can't realize precision control using traditional control method.</p><p&

8、gt;　　The Paper improves the control precision utilizing fuzzy control technology. And the frequency conversion has been designed in order to avoid starting up compressor frequently which makes the electrical machinery wo

9、rk according to requirement. So the refrigeration of compressor will be more effective. Safe adopts the semiconductor and compressor to refrigerate at the same time. In the normal situation the safe refrigerates with ref

10、rigeration of the freezer when the freezer needs refrigeration, t</p><p>　　For the performance of refrigerator ,the self-learning, self-repairing, self-checking and fault tolerant technique ale used in softw

11、are designing, This system has the advantages of high control precision reliable performance and saving electric energy.</p><p>　　Keywords：Fuzzy control theory; Refrigerator; Single chip compute; Self-learni

12、ng</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題背景及意義1</p><p>　　1.2智能冰箱系統(tǒng)概述1</p><p>　　1.3 方案論證2</p><p>

13、<b>　　2 系統(tǒng)介紹3</b></p><p><b>　　2.1概述3</b></p><p>　　2.1.1電冰箱的熱負(fù)荷3</p><p>　　2.1.2 電冰箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能簡(jiǎn)介4</p><p>　　3 系統(tǒng)數(shù)

14、學(xué)模型與控制理論7</p><p><b>　　3.1概述7</b></p><p>　　3.2模糊智能控制理論7</p><p>　　3.2.1 模糊智能控制的發(fā)展7</p><p>　　3.2.2 智能模糊控制的基本原理7</p><p>　　3.2.3 模糊控制算法10</

15、p><p>　　3.2.4模糊智能控制在電冰箱系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)16</p><p>　　3.2.5 模糊控制應(yīng)用于冰箱上的必要性、可行性17</p><p>　　4.1智能冰箱的功能18</p><p>　　4.2冷凍室制冷的實(shí)現(xiàn)方法19</p><p>　　4.3冷藏室制冷的實(shí)現(xiàn)方法20</p>&l

16、t;p>　　4.4模糊化霜的實(shí)現(xiàn)22</p><p><b>　　5 硬件系統(tǒng)23</b></p><p>　　5.1系統(tǒng)概述23</p><p>　　5.2系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)25</p><p>　　5.2.1按鍵輸入的實(shí)現(xiàn)25</p><p>　　5.2.2蜂鳴的實(shí)現(xiàn)25</

17、p><p>　　5.2.3溫度采集的實(shí)現(xiàn)26</p><p>　　5.2.4 顯示電路的實(shí)現(xiàn)27</p><p>　　5.2.5變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)28</p><p><b>　　6系統(tǒng)軟件32</b></p><p>　　6.1系統(tǒng)軟件概述32</p><p>　　6.

18、2 件總體結(jié)構(gòu)32</p><p><b>　　7 結(jié) 論34</b></p><p><b>　　致 謝35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><

19、p>　　1.1課題背景及意義 </p><p>　　眾所周知，電冰箱是現(xiàn)代家庭中必不可少的家用電器。而目前市售冰箱大多采用傳統(tǒng)的機(jī)械式溫控，控制精度差，功能單一，控制方式簡(jiǎn)單難以滿足現(xiàn)代冰箱發(fā)展的要求。</p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)一步提高，人們對(duì)多功能化的發(fā)展要求越來(lái)越高。單片機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展，使得箱內(nèi)溫度控制可隨冷藏室和冷凍室的不同而分別設(shè)定，

20、定時(shí)自動(dòng)除霜、白動(dòng)制冰、省電等諸多功能和要求得以實(shí)現(xiàn)。特別是模糊控制技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用日趨成熟，為電冰箱向智能化方向發(fā)展提供了有利技術(shù)支持[1]。</p><p>　　在電冰箱的控制中，溫度是主要的控制對(duì)象，控制的好就有顯著的節(jié)能效果。但冰箱內(nèi)要受諸如環(huán)境溫度的高低、冰箱本身的容積、冰箱中食物的多少、以及食物的種類和性質(zhì)、存放物品的初始溫度、散熱特性及其熱容量、物品的充滿率及開(kāi)門(mén)的頻繁程度等控制。冰箱內(nèi)的溫度

21、場(chǎng)分布極不均勻，要想建立電冰箱溫度變化的精確數(shù)學(xué)模型是很困難的，因此采用模糊控制技術(shù)才能達(dá)到最佳的控制效果[2]。</p><p>　　1.2智能冰箱系統(tǒng)概述</p><p>　　智能控制技術(shù)的發(fā)展，正在改變著人們的生活方式，更加舒適、更加可靠的家用電器可日益提高人們的生活水平。單片機(jī)是智能家電的核心單元，因?yàn)閱纹瑱C(jī)是嵌入在家用電器中，沒(méi)有自己獨(dú)立的外殼，通常稱為嵌入式系統(tǒng)，如今嵌<

22、/p><p>　　入式系統(tǒng)無(wú)處不在，正推動(dòng)著二十一世紀(jì)一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命。為了適應(yīng)智能控制</p><p>　　技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在它誕生以來(lái)的二十多年內(nèi)，發(fā)生了迅猛的變化，從四位機(jī)</p><p>　　發(fā)展到六十四位機(jī)，架構(gòu)也在發(fā)生變化。</p><p>　　電冰箱是白色家電中最有代表性的，在中國(guó)，電冰箱在家庭中的普及率很高，而且，制造技術(shù)也非常

23、成熟，關(guān)鍵技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，部分技術(shù)還領(lǐng)先于國(guó)際同行。家用電冰箱的模糊控制技術(shù)、多段變溫技術(shù)、自動(dòng)制冰技術(shù)、瞄準(zhǔn)冷卻技術(shù)、自動(dòng)開(kāi)門(mén)技術(shù)、變頻技術(shù)、信息化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)等都不同程度的折射出智能控制技術(shù)在家用電器中的廣泛應(yīng)用前景[2]。</p><p><b>　　1.3 方案論證</b></p><p>　　經(jīng)典控制理論，對(duì)于解決線性定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題是很有效的。然而，

24、經(jīng)典控制理論對(duì)于非線性的時(shí)變系統(tǒng)難以奏效。無(wú)論采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，許爹隋況下被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。</p><p>　　模糊控制是一種以模糊集臺(tái)論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的新型計(jì)算機(jī)控制方法。從線性控制與非線性控制角度分類，模糊控制是一種非線

25、性控制。</p><p>　　模糊控制的方法模仿人的思維方式和人的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，用電腦來(lái)代替人腦實(shí)施有效的控制。模糊控制則是依賴于被控系統(tǒng)的物理特性。特理特性的提取要靠人的直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，這些物理特性在人腦中是用自然語(yǔ)言來(lái)抽象成一系列概念和規(guī)則的。用這種方法可以把人的經(jīng)驗(yàn)形式化并引入控制過(guò)程，再運(yùn)用比較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)模期推理，進(jìn)行判斷決策，以達(dá)到令人滿意的控制效果。</p><p>　　

26、單片機(jī)是一種十分特別的集成電路，它不但內(nèi)部含有控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器，還含有大量的接口部件。這種特點(diǎn)使得它成了一個(gè)十分有用的控制器件。單片機(jī)用于執(zhí)行模糊控制有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　可以接受數(shù)字量、模擬量和開(kāi)關(guān)量；</p><p>　　(2)可以輸出數(shù)字量、模擬量和開(kāi)關(guān)量；</p><p><b>　　(3)模糊化方便；</b><

27、/p><p>　　(4)反模糊化方便；</p><p>　　(5)模糊推理的執(zhí)行較容易。</p><p>　　在控制芯片的選擇上，市場(chǎng)上有許許多多的嵌入式控制芯片，本設(shè)計(jì)采用的是8051單片機(jī)，它是市面上常見(jiàn)的嵌入式芯片單它是一種8位的單芯片微控制器，屬于MCS-51單芯片的一種，由英特爾公司于1981年制造[4]。</p><p>　　相比市面

28、上其他單片機(jī)，8051市場(chǎng)份額占有率大，產(chǎn)品成熟可靠，在單一的封裝中提供很多功能（包括CPU,RAM,ROM,輸入輸出，中斷，時(shí)鐘等）有非常多的周邊硬件和軟件資源，為我們的硬件結(jié)構(gòu)架設(shè)和軟件設(shè)計(jì)提供了非常多的參考，有利于我完成這次設(shè)計(jì)，所以我選擇它作為核心控制器。</p><p>　　綜上所述，我選擇80C51單片機(jī)作為核心控制器，采用模糊控制方法完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p><

29、b>　　2 系統(tǒng)介紹</b></p><p><b>　　2.1概述</b></p><p>　　2.1.1電冰箱的熱負(fù)荷</p><p>　　家用電冰箱的制冷系統(tǒng)有壓縮機(jī)、冷凝器、干燥器、節(jié)流毛細(xì)管、蒸發(fā)器等構(gòu)成，如下圖2.1所示</p><p>　　圖2.1制冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖</p>&

30、lt;p>　　壓縮機(jī)排氣經(jīng)冰箱冷暖氣(在冰箱背面或側(cè)面)冷凝后進(jìn)入干燥過(guò)濾器，去除水分和雜質(zhì)，在通過(guò)毛細(xì)管節(jié)流。節(jié)流后的氣液混合物先流入冷凍室和冷藏室，農(nóng)蒸發(fā)器中吸收熱量蒸發(fā)，使冷凍室和冷藏室的溫度達(dá)到設(shè)定要求從蒸發(fā)器流出的制冷劑流入壓縮機(jī)[5]。</p><p>　　2.1.2 電冰箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文的研究對(duì)象是大容積、多功能無(wú)氟電冰箱，這種電冰箱一般是多門(mén)分體

31、結(jié)構(gòu)、一套制冷裝置，多通道風(fēng)冷式。箱體結(jié)構(gòu)如圖2.2所示?？刂茰囟鹊氖侄沃饕菈嚎s機(jī)的開(kāi)停，循環(huán)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、通風(fēng)道門(mén)的開(kāi)啟程度等。</p><p>　　圖2.2電冰箱的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能簡(jiǎn)介</p><p>　　傳感器組主要由冷凍室、冷藏室、冰溫室及環(huán)境溫度等傳感器組成，通過(guò)溫度及風(fēng)門(mén)狀態(tài)檢測(cè)和信號(hào)處理、根據(jù)模糊推理決策，控制壓縮機(jī)及

32、相應(yīng)風(fēng)門(mén)、風(fēng)扇、電機(jī)、制冰機(jī)等運(yùn)轉(zhuǎn)模式。</p><p>　　圖2.3 冷凍室溫度控制模糊推理框圖</p><p>　　冷凍室溫度控制模糊推理框圖2.3所示。風(fēng)冷式電冰箱的制冷系統(tǒng)設(shè)置在冷凍室，由壓縮機(jī)出來(lái)的高溫、高壓液態(tài)制冷劑，經(jīng)冷凝器冷卻后，被送到設(shè)置在冷凍室四周的蒸發(fā)器中蒸發(fā)為氣態(tài)，同時(shí)吸收外界的熱量，達(dá)到制冷的目的。壓縮機(jī)的開(kāi)停決定制冷的程度。</p><p&g

33、t;　　圖2.4 冷藏室溫度控制模糊推理框圖</p><p>　　圖2.4是冷藏室溫度控制模糊推理圖</p><p>　　在冷藏室和蔬菜室中不設(shè)蒸發(fā)器，而且將冷凍室的冷氣經(jīng)過(guò)公用風(fēng)道，由風(fēng)機(jī)傳送給各溫區(qū)，用各區(qū)的風(fēng)門(mén)控制該區(qū)的溫度變化。冷凍室和其它溫區(qū)的溫度控制匹配問(wèn)題用模糊控制器協(xié)調(diào)[6]。</p><p>　　冷凍室和冷藏室的溫度控制方案基本是相同的，只是控制對(duì)

34、象不同。前者控制壓縮機(jī)開(kāi)停，后者調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)?，F(xiàn)在以冷凍室為例，說(shuō)明溫度控制系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。模糊控制電冰箱不僅要考慮到冷凍室溫度的恒溫調(diào)節(jié)，同時(shí)也要考慮到冷凍室溫度與食品溫度未必相同這一因素。最終應(yīng)使食品溫度保持在某一范圍內(nèi)，從而達(dá)到保險(xiǎn)的目的，這是它與傳統(tǒng)PID恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)追求的控制目標(biāo)間的差別。</p><p>　　食品放進(jìn)冷凍室即開(kāi)始降溫，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，冷凍室的溫度可能已降到給定值，但這時(shí)食品溫度

35、溫度還沒(méi)達(dá)到保鮮溫度的要求，因此，這時(shí)壓縮機(jī)關(guān)斷以后，冷凍室的溫度開(kāi)始回升，當(dāng)回升到給定值時(shí)，理應(yīng)將壓縮機(jī)再次投入運(yùn)行。但實(shí)際上，這時(shí)食品的溫度由于熱慣性并不能與冷凍室空間溫度一直，從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)延時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)，延時(shí)多長(zhǎng)，也與放入食品的熱容量有關(guān)。</p><p>　　以上分析說(shuō)明，最后一次投入的食品的熱容量（初始溫度和重量）在以后的壓縮機(jī)控制決策的調(diào)整中起著重要最用。但投入視屏的熱容量是無(wú)法檢測(cè)，不能指望

36、用戶輸入，而必須利用模糊推理和傳感技術(shù)[7]。</p><p>　　投入的食品熱容量的檢測(cè)是在食品放入冷凍室并關(guān)門(mén)后5min內(nèi)進(jìn)行的。一般情況下，冷凍室的溫度都在-18℃左右，當(dāng)食品存入以后冷凍室的溫度急驟上升，上升的絕對(duì)值和變化率，決定于放入食品的溫度和熱容量，溫度的變化曲線如圖2.5所示。</p><p>　　從圖2.5（b）可以看出，在食品重量相等的情況下，食品溫度愈高（）溫度升高的

37、變化率愈大，制冷壓縮機(jī)應(yīng)愈早投入運(yùn)行。圖2.5（a）說(shuō)明，放在食品溫度相同的情況下，食品質(zhì)量越大（），其溫度上升變化率愈大，制冷壓縮機(jī)啟動(dòng)后溫度的下降愈緩。通過(guò)實(shí)驗(yàn)摸索了這一規(guī)律，并且建立了文中所述的模糊推理關(guān)系。同時(shí)應(yīng)該指出，存放食品時(shí)，動(dòng)作的緩慢，門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短，以及室溫的高低，對(duì)冷凍室的溫度也有相當(dāng)大的影響，在判斷食品溫度時(shí)應(yīng)該予以考慮[8]。</p><p>　　圖2.5存入食品后冷凍室溫度的變化<

38、;/p><p>　　根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了冷凍室溫度模糊控制推理框圖。初投食品后，根據(jù)冷凍室溫度及其變化率，應(yīng)用模糊推理1判斷食品的溫度及熱容量。根據(jù)該次投放食品時(shí)開(kāi)門(mén)次數(shù)和持續(xù)時(shí)間及當(dāng)時(shí)室溫，應(yīng)用模糊推理2確定修正系數(shù)，前兩者通過(guò)乘法器得到該次投放食品的熱容量。這種判斷是一次性的，只對(duì)該次投入食品以后的溫度控制有效。判定的食品熱容量，作為確定壓縮機(jī)控制決策的模糊推理3的輸入。它的另一個(gè)輸入是冷凍室給定溫度與實(shí)際溫度的

39、差值，差值為零是壓縮機(jī)開(kāi)停的理論界面，必須根據(jù)投入食品的熱容量，應(yīng)用模糊推理3確定開(kāi)停時(shí)間的修正值。必須指出，這種控制過(guò)程是一次性的，以每次投入食品為周期，但控制策略是一貫的，推理法則是一致的。對(duì)于原來(lái)存放在冷凍室的食品，納入箱體熱慣性考慮，不參與控制過(guò)程，引起的誤差在工程上是允許的。</p><p>　　3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與控制理論</p><p><b>　　3.1概述<

40、/b></p><p>　　電冰箱的主要任務(wù)是保證所儲(chǔ)存的食品在經(jīng)過(guò)冷凍、冷藏之后，仍然色、味不變，其主要手段是通過(guò)保持箱體內(nèi)的最佳溫度達(dá)到食品保鮮的目的。傳統(tǒng)的PID控制方法是一種線性的控制方法，對(duì)于電冰箱這個(gè)非線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它已經(jīng)不能很好地滿足系統(tǒng)控制的要求。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，以及智能控制理論在各</p><p>　　行各業(yè)中的應(yīng)用，電冰箱控制系統(tǒng)可以采用智能控制方法進(jìn)行控

41、制。模糊控制理論發(fā)展于20世紀(jì)60、70年代，它也是一種智能控制方法。將電冰箱控制系統(tǒng)與模糊控制理論有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，必能實(shí)現(xiàn)理想的控制效果[9]。</p><p>　　3.2模糊智能控制理論</p><p>　　3.2.1 模糊智能控制的發(fā)展</p><p>　　模糊理論是在美國(guó)帕克萊加州大學(xué)電氣工程系Zadeh教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)

42、的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。對(duì)于模糊理論這樣一個(gè)新生事物，學(xué)術(shù)界一直有兩種不同的觀點(diǎn)，其中持否定態(tài)度的觀點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)仍然占據(jù)上風(fēng)。正確的觀點(diǎn)是模糊控制不應(yīng)該依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，當(dāng)然也不應(yīng)該拒絕有效的數(shù)學(xué)模型。模糊控制理論在特定條件下可以達(dá)到經(jīng)典控制理論難以達(dá)到的“滿意控制”，而不是最佳控制。模糊控制理論的確還有許多不完善之處，比如模糊規(guī)則的獲取和確定，隸屬函數(shù)的選擇以及比較敏感的穩(wěn)定性

43、問(wèn)題至今仍未得到完善的解決。盡管如此，也不應(yīng)該否定模糊理論的科學(xué)性和有效性，它已經(jīng)成為智能控制的一個(gè)重要分支[10]。</p><p>　　3.2.2 智能模糊控制的基本原理</p><p>　　在自動(dòng)控制技術(shù)出現(xiàn)之前，人們?cè)谏a(chǎn)、生活過(guò)程中只能采用于動(dòng)控制方式來(lái)達(dá)到控制某一對(duì)象運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。比如，在日常生活中．當(dāng)我們擰開(kāi)水龍頭往一空捅接水時(shí)，常常會(huì)有這樣的生活經(jīng)驗(yàn)：</p>

44、<p>　　(1)桶里水很少時(shí)，應(yīng)開(kāi)大閥門(mén)。</p><p>　　(2)桶里的水比較多時(shí)，應(yīng)擰小閥門(mén)。</p><p>　　(3)捅中的水快滿時(shí)，應(yīng)把閥門(mén)擰很小。</p><p>　　(4)桶中的水已滿時(shí)，要迅速關(guān)死閥門(mén)。</p><p>　　在以上的手動(dòng)控制過(guò)程中，首先是由人通過(guò)眼睛的觀察(檢測(cè)作用)來(lái)檢測(cè)水桶(被控對(duì)象)的輸

45、出(水位)，大腦要經(jīng)過(guò)一系列的推算從而做出正確的決策(控制量)，最后由手動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度大小，使桶里的水(被控對(duì)象的輸出信號(hào))達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，即用最短的時(shí)間接滿一桶水而又不溢出一滴水。人們就是這樣不斷地通過(guò)檢測(cè)、判斷、調(diào)整等一系列動(dòng)作來(lái)完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程(或生活過(guò)程)的手動(dòng)控制。在這里，眼睛相當(dāng)于傳感器，大腦就是控制器，手則做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在最短的時(shí)間內(nèi)接滿一桶水且水不溢出則是控制目標(biāo)。按照控制理論的思想來(lái)看待上述過(guò)程，上述的接水過(guò)程是一個(gè)

46、典型液位控制系統(tǒng)[11]，如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 液位的手動(dòng)控制方法</p><p>　　在上述手動(dòng)液位控制中，人的控制過(guò)程是用語(yǔ)言來(lái)加以描述的，表現(xiàn)為一系列條件語(yǔ)句，也就是所謂的語(yǔ)言控制規(guī)則。在描述以上控制規(guī)則的條件語(yǔ)句中存在一些詞，如“很少”、“較多”、“決滿”、“大”、“小”等概念均具有一定的模糊性，這些概念沒(méi)有明顯的外延。模糊控制方法模仿人的思維方式和人的控

47、制經(jīng)驗(yàn)，</p><p>　　用電腦代替人腦來(lái)實(shí)施有效的控制措施。傳統(tǒng)的控制理論依賴于被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而模糊控制則是依賴于被控系統(tǒng)的物理特性[12]。物理持性的提取要靠人的直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，這些物理特性在人腦中是用自然語(yǔ)言來(lái)抽象成一系列的概念和規(guī)則的，自然語(yǔ)言的重要特點(diǎn)是具有模糊性。人可以根據(jù)不精確信息來(lái)進(jìn)行推理而得到有意義的結(jié)果。那么我們?cè)趺从脵C(jī)器來(lái)模仿這樣的過(guò)程呢?用于描述的數(shù)學(xué)工具就是Zadeh提出的模糊集合

48、論，或者說(shuō)模糊集合論在控制上的應(yīng)用。這是一種解決復(fù)雜系統(tǒng)控制決策的技巧和方法。用這種方法可以把人的經(jīng)驗(yàn)形式化并引入控制過(guò)程，再運(yùn)用比較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)模糊推理，進(jìn)行判斷決策，以達(dá)到令人滿意的控制效果[13]。在工程實(shí)現(xiàn)上，則使用模糊邏輯語(yǔ)言分析方法，且這種語(yǔ)言可以轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語(yǔ)言。這種方法有三個(gè)特點(diǎn)：第一，它不用數(shù)值變量而是用語(yǔ)言變量來(lái)描述系統(tǒng)；第二，它是利用附帶條件的命題來(lái)描述變量之間的關(guān)系；第三，它是使用模糊運(yùn)

49、算法則進(jìn)行推理[14]。</p><p>　　目前，模糊控制主要還是建立在人的直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，這就是說(shuō)，操作人員對(duì)被控系統(tǒng)的了解不是通過(guò)精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是通過(guò)操作人員豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和直觀感覺(jué)。這種方法可以看成是一組探索式?jīng)Q策規(guī)則[15]。由于人的決策過(guò)程本質(zhì)上就具有模糊性，因此，控制動(dòng)作并非穩(wěn)定一致，且有一定的主觀性。但是，有經(jīng)驗(yàn)的模糊控制設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)對(duì)操作人員控制動(dòng)作的觀察和與操作人員的交談?dòng)懻摚?/p>

50、用語(yǔ)言把操作人員的控制策略描述出來(lái)，以構(gòu)成一組用語(yǔ)言表達(dá)的定性的決策規(guī)則。如果把那些熟練技術(shù)工人或者技術(shù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和形式化描述，用語(yǔ)言表達(dá)成一組定性的條件語(yǔ)句和不精確的決策規(guī)則，然后利用模糊集合作為工具使其定量化。設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，用形式化的人的經(jīng)驗(yàn)法則模仿人的控制策略，再驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制，這就是模糊控制器。</p><p>　　模糊控制算法是一種新型的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制算法，因此，模糊控制

51、系統(tǒng)具有數(shù)字控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)形式[16]，其系統(tǒng)組成如圖3．3所示。</p><p>　　圖3.3 模糊控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　模糊控制系統(tǒng)一般可以分為四個(gè)組成部分[17]：</p><p><b>　　(1)模糊控制器</b></p><p>　　模糊控制器是控制系統(tǒng)的核心，從硬件上，它可以選用工業(yè)控制計(jì)

52、算機(jī)、單片機(jī)或可編程控制器。其主要完成輸入量的模糊化、模糊關(guān)系的運(yùn)算、模糊決策結(jié)果的反模糊化處理等過(guò)程。一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)在很大程度上取決于模糊控制器的設(shè)計(jì)水平。</p><p>　　(2)輸入/輸出接口電路</p><p>　　該接口電路主要包括前向通道中的A/D轉(zhuǎn)換電路以及后向通道中的D/A轉(zhuǎn)換電路等兩個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換把傳感器檢鍘到的反映被控對(duì)象輸出量大小的模擬量(～

53、般為電壓信號(hào)1—5V或電流信號(hào)4-20mA)轉(zhuǎn)換成微機(jī)可以接受的數(shù)字量(0或1的組合)送到模湖控制器進(jìn)行運(yùn)算；D/A轉(zhuǎn)換把模糊控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成比例的模擬量(一般為電流信號(hào)4-20mA)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間以及性能價(jià)格等因素是選擇A/D或D/A轉(zhuǎn)換器是應(yīng)考慮的。</p><p><b>　　(3)廣義對(duì)象</b></p><p>　　廣

54、義對(duì)象包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控制對(duì)象。常見(jiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁閥、伺服電機(jī)繼電器等。被控對(duì)象可以是線性的，也可以是非線性的，可以是定常的，也可以是時(shí)變的。還須指出，被控對(duì)象缺乏精確數(shù)學(xué)模型的情況適宜選擇模糊控制，但也不排斥有較精確的數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，也可以采用模糊控制方案。</p><p><b>　　(4)傳感器</b></p><p>　　傳感器時(shí)將被控對(duì)象或各種過(guò)程的

55、被控量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(模擬的或數(shù)字的)的一類裝置。被控制量往往是非電量，如溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。因此，在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。</p><p>　　3.2.3 模糊控制算法</p><p>　　模糊控制的核心部分為模糊控制器，如圖3．4所示。</p><

56、p>　　圖3.4 模糊控制器</p><p>　　模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。通常將模糊控制輸入變量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對(duì)象，由于這種控制器輸入變量只選誤差一個(gè)，它的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。所以，目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。二維模糊控制器如圖3.5所示。</p><

57、p>　　其中E為偏差，EC為偏差變化率，U為控制量。</p><p>　　圖3.5 二維模糊控制器</p><p>　　從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但維數(shù)過(guò)高，模糊控制規(guī)則變得過(guò)于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。這或許是目前廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用二維模糊控制器的原因所在。本章以二維模糊控制器為例。要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言控制的模糊邏輯控制器，須解決精確量的模糊化，模糊規(guī)則形成和推理及模猢輸

58、出量的反模糊判決三個(gè)基本問(wèn)題[18]。</p><p>　　(1)精確量的模糊化</p><p>　　把精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)稱為精確量的模糊化。模糊控制器的輸入變量(常取偏差、偏差變化率)和輸出變量(常取控制量)均用自然語(yǔ)言形成給出，它不是以數(shù)值形式給出，因此它不是數(shù)值變量，而是語(yǔ)言變量。在應(yīng)用中常取語(yǔ)言變量的詞集為如下7個(gè)模糊子集組成的集合：</p><

59、;p>　　{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大} (3.1)</p><p>　　或{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB} (3.2)</p><p>　　把模糊控制器的輸入變量偏差，偏差變化率的實(shí)際范圍及輸出變量的實(shí)際變化范圍稱為這些變量的基本論域。<

60、/p><p>　　若偏差E(e)的基本論域?yàn)閇-，]，其內(nèi)的量是精確量，偏差的量化論域?yàn)椋篨=(-n、 n+l、...、n-1，n} （3.3）</p><p>　　正整數(shù)n為將O～范圍內(nèi)連續(xù)變化的偏差離散化(或量化)后分成的級(jí)數(shù)。由于通?！賜。因此，偏差的量化因子定義為：</p><p>

61、　　=n/ （3.4）</p><p>　　[-n,n]稱為模糊集合論域。</p><p>　　量化因子選定后（即n選定后），系統(tǒng)的任何偏差總可以由式子3.4量化為論域2-3上某一元素。</p><p>　?。?）t≤＜t+ (t<n),量化

62、為t</p><p>　　（2）t+≤≤t+1 (t<n),量化為t+1</p><p>　?。?）≤-n量化為-n</p><p>　?。?）≥n 量化為-n</p><p>　　例如取n=6，

63、觀測(cè)量偏差e的范圍可量化為：</p><p>　　{-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，1，2，3，4，5，6} (3.5)</p><p>　　若偏差取E(e)的基本論域?yàn)閇a，b]，模糊集論域?yàn)閇-n,n]則量化公式為：</p><p>　　把∈[a、b]量化為x∈[-n，n]，此公式也稱為離散化公式。</p><p>　　輸入語(yǔ)言變

64、量偏差的語(yǔ)言值常取式子2.1，每一個(gè)語(yǔ)言值變成為量化域2-3上的模糊子集。如取n=6，量化域上的模糊子集可作如下選取：</p><p>　　E1負(fù)大(NB) ，取-6附近；</p><p>　　E2負(fù)中(NM) ，取-4附近；</p><p>　　E3負(fù)小(NS) ，取-2附近；</p><p>　　E4 零 (Z) ，取0附近；</

65、p><p>　　E5正小(PS) ，取+2附近；</p><p>　　E6正中(PM) ，取+4附近；</p><p>　　E7 大(PB) ，取+6附近；</p><p>　　每個(gè)模糊子集的賦值可根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料建立，也可以分析定義。在分析定義中，常用三角形函數(shù)或正態(tài)形函數(shù)作為隸屬函數(shù)，圖3.6是以三角形函數(shù)作為隸屬函數(shù)時(shí)的圖，表3.1為取三角形

66、函數(shù)時(shí)輸入語(yǔ)言變量E(e)的賦值表。</p><p>　　圖3.6 輸入函數(shù)隸屬度</p><p>　　表3.1 輸入語(yǔ)言變量E（e）的賦值表</p><p>　　同理，對(duì)于偏差變化率，設(shè)其基本論域?yàn)閇-，]偏差變化率的量化論域?yàn)椋?lt;/p><p>　　Y={-m；-m+1，...m-1，m)

67、 (3.7)</p><p>　　因此，偏差的量化因子可定義為：</p><p>　　=m／ (3.8)</p><p>　　系統(tǒng)輸出控制量U(u)的基本論域設(shè)為[-Yu，Y-u]，控制量所取的量化論域?yàn)椋?lt;/p><p&g

68、t;　　Z={-s，-s+l,......s-1，s} (3.9)</p><p>　　輸出控制量的比例因子由下式確定</p><p>　　K=/S (3.10)</p><p>　　對(duì)于輸入變量

69、偏差變化率及輸出控制量，均可類似于輸入變量偏</p><p>　　差那樣進(jìn)行基本論域的量化處理，建立量化論域上的隸屬函數(shù)等。 </p><p>　　(2)糊規(guī)則形成和推理</p><p>　　根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)制定出模糊控制規(guī)則，并進(jìn)行模糊邏輯推理，以得到一個(gè)模糊輸出集合即一個(gè)新的模糊隸屬函數(shù)，這一步稱為模糊規(guī)則形成和推理。其目的是用模糊輸入值適配

70、控制規(guī)則，為每個(gè)控制規(guī)則確定其適配的程度，并且通過(guò)加權(quán)計(jì)算合并那些規(guī)則的輸出。</p><p>　　用自然語(yǔ)言描述的控制規(guī)則進(jìn)行形式化數(shù)學(xué)處理后可以表示為如下形式：</p><p>　　●“如果A，那么B” (If A Then B)</p><p>　　●“如果A，那么B，否則C”(If A Then B Else C)</p><p>　

71、　●“如果A且B，那么C”(If A AND B Then C)</p><p>　　再模仿人的模糊邏輯推理過(guò)程，確定推理方法，這樣計(jì)算機(jī)就可用模糊化的輸入量，根據(jù)判定的模糊控制規(guī)則和事先確定好的推理方法進(jìn)行模糊推理，并得到模糊輸出，即模糊輸出隸屬函數(shù)。</p><p>　　根據(jù)模糊集合和模糊關(guān)系理論，對(duì)于不同類型的模糊規(guī)則可用不同的模糊推理方法。</p><p>

72、　　（a）對(duì)于“If A Then B”類型的模糊規(guī)則?？刹捎萌缦峦评矸椒?lt;/p><p>　　若己知輸入為A，則輸出為巳若現(xiàn)在己知輸入為，則輸出可用下式合成規(guī)則</p><p><b>　　求得：</b></p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　其中模糊關(guān)系，這是一個(gè)

73、二維的模糊集合，定義為：</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　?。╞）對(duì)于“If A Then B Else C”類型的模糊規(guī)則，可采用如下推理方法</p><p>　　若己知輸入為A，則輸出為B，否則輸出為C，若現(xiàn)在己知輸入為，則輸出</p><p>　　或者，可用下式求得：</p

74、><p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　　（3.14）</b></p><p>　　其中模糊關(guān)系，被定義為：</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　?。?.16）</b>

75、;</p><p><b>　　其推理系數(shù)為</b></p><p>　?。╟）對(duì)于“If A AND B，THEN C”類型的推理規(guī)則，可采用如下推理方法在這類規(guī)則中，A一般用來(lái)表示被控量的測(cè)量值與期望值的偏差的隸屬函數(shù)，一般表示偏差變化率的隸屬函數(shù)。和可分別定義為若干個(gè)不同等級(jí)的隸屬函數(shù)，若作標(biāo)準(zhǔn)化處理，可以分為負(fù)小、負(fù)大、零、正小、</p><

76、;p><b>　　正大等隸屬函數(shù)。</b></p><p>　　如果一個(gè)模糊控制規(guī)則寫(xiě)成如下形式：</p><p>　　如果E1且EC1，那么U1；</p><p>　　如果E2且EC2，那么U2；</p><p>　　如果E3且EC3，那么U3；</p><p><b>　　..

77、....</b></p><p>　　表3.2 E,EC→U的模糊控制規(guī)則表</p><p>　　對(duì)于每一條規(guī)則，均可得到一個(gè)模糊關(guān)系為</p><p>　　若i=1，2......s，共有S條規(guī)則，總的模糊關(guān)系為</p><p><b>　　那么輸出控制量集合</b></p><p>

78、;　　由此如果一直輸入E，EC和輸出控制量U，就可以求出他們的模糊關(guān)系R；</p><p>　　反之，如果已知模糊關(guān)系R，就可以根據(jù)輸入E和EC求出控制量U。</p><p>　?。?）模糊輸出量的反模糊化</p><p>　　根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作為控制量，這一步稱為模糊輸出量的反模糊判決。由模糊控制算法得出

79、的是輸出在量化論域上的模糊集，但被控制對(duì)象只能接受精確的控制量，這就需要進(jìn)行輸出信息的模糊判決，也就是要把模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。</p><p><b>　　設(shè)輸出模糊集為：</b></p><p>　　常用的方法有以下三種</p><p><b>　　最大隸屬度法：</b></p><p>　　選取

80、隸屬度最大的因素作為控制量，即：</p><p>　　如果式中的最大值不唯一，則取其平均值。</p><p>　　加權(quán)平均法又稱權(quán)系數(shù)加權(quán)平均法，該法用公式</p><p>　　來(lái)判斷控制量,其中權(quán)系數(shù)的選擇可以根據(jù)具體情況而定。</p><p><b>　　重心法：該法用公式</b></p><p&

81、gt;<b>　　來(lái)判決控制量</b></p><p>　　3.2.4模糊智能控制在電冰箱系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　要執(zhí)行模糊控制，在數(shù)字計(jì)算機(jī)中就必須以一定的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些模糊控制的算法的目的是輸入的連續(xù)精確量中，通過(guò)模糊推理的算法過(guò)程，從而求出相應(yīng)的精確控制值來(lái)。模糊控制算法有多種實(shí)現(xiàn)形式，常用的方法有合成推理的關(guān)系矩陣法，合成推理的查表法，合成推理的解

82、析公式等[19]。</p><p>　　本文采用合成推理的查表方法。</p><p>　　合成推理的查表方法a是要事先制定控制響應(yīng)表，例如表3.3為一個(gè)系統(tǒng)的模糊控制表。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將該表事先置入內(nèi)存中供實(shí)時(shí)查表使用。在實(shí)際控制時(shí)，模糊控制器首先把輸入量量化到輸入量的語(yǔ)言變量論域中，再根據(jù)量化的結(jié)果去查表求出控制量，這樣大大提高模糊控制的實(shí)時(shí)效果，節(jié)省內(nèi)存空間。</p>&l

83、t;p>　　表3.3 模糊控制表</p><p>　　3.2.5 模糊控制應(yīng)用于冰箱上的必要性、可行性</p><p>　　目前，市場(chǎng)上出售的冰箱有機(jī)槭溫控、電子溫控和電腦溫控等控制方式，它們的溫度控制裝置、化霜裝置和其他控制裝置的控制值都是事先設(shè)定的，這就易使許多能量消耗在目的相異的各種動(dòng)作及因缺少靈活性而發(fā)生的各種多余動(dòng)作，造成器件的頻繁開(kāi)啟，一方面造成器件損壞，溫度的起伏較大，

84、不利于食品保鮮，另一方面，浪費(fèi)了大量能量。用傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到令人滿意的控制效果[20]。</p><p>　　在冰箱的應(yīng)用和發(fā)展中，造就了一批冰箱控制專家，他們有豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，從早期的簡(jiǎn)單控制方式為主積累了許許多多的實(shí)際控制方法和經(jīng)驗(yàn)。領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，操作人員的實(shí)際方法和經(jīng)驗(yàn)，與糊?？刂茖＜业睦碚摵头椒ㄏ嘟Y(jié)合，將會(huì)使冰箱控制技術(shù)從理論到實(shí)踐均發(fā)生很大的進(jìn)展。</p><p>　　

85、為此，本課題確定了用單片機(jī)專家模糊控制器對(duì)冰箱進(jìn)行控制，將人工智能中的專家系統(tǒng)技術(shù)與模糊控制相結(jié)合，構(gòu)成一種專家模糊控制器。在硬件上80C51單片機(jī)為核心，用C語(yǔ)言對(duì)其編程進(jìn)行控制[21]。</p><p>　　4 智能冰箱的功能及其實(shí)現(xiàn)方法</p><p>　　4.1智能冰箱的功能</p><p>　　家用電冰箱智能化控制系統(tǒng)真正從用戶考慮出發(fā)設(shè)計(jì)，充分研究了日

86、常生活中人的習(xí)慣特征，充分考慮了現(xiàn)代人機(jī)關(guān)系，運(yùn)用了模糊控制、人機(jī)工程學(xué)等現(xiàn)代理念，真正意義上的對(duì)冰箱進(jìn)行核心控制，實(shí)現(xiàn)人們所渴求的智能冰箱[22]。本設(shè)計(jì)主要有以下功能：</p><p>　?。?）冷凍室模糊制冷</p><p>　　利用模糊控制技術(shù)，在冷凍室需要制冷的時(shí)候，快速啟動(dòng)，并且設(shè)計(jì)了變頻調(diào)速系統(tǒng)，避免了壓縮機(jī)的頻繁開(kāi)啟，使電機(jī)能夠按照所需要的進(jìn)行工作，使壓縮機(jī)制冷更加合理有效

87、。</p><p>　?。?）冷藏室模糊制冷</p><p>　　冷藏室制冷和以往的冰箱制冷不一樣，過(guò)去冷藏室的溫度變化是隨著冷凍室的溫度而變化的，當(dāng)冷凍室需要制冷的時(shí)候，壓縮機(jī)才開(kāi)始啟動(dòng)制冷，這就造成了當(dāng)冷凍室的溫度比較低不需要制冷的時(shí)候，而冷藏室的溫度比較高需要制冷，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾，使冷藏室不能達(dá)到很好的制冷效果。本設(shè)計(jì)克服了上述缺點(diǎn)，采用半導(dǎo)體和壓縮機(jī)同時(shí)制冷，正常的情況下冷藏

88、室還是隨著冷凍室的制冷而制冷，當(dāng)冷凍室需要制冷時(shí)，啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷，冷藏室同時(shí)也能達(dá)到制冷效果；當(dāng)冷凍室不需要制冷時(shí)，這時(shí)不啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷，而是用半導(dǎo)體單獨(dú)對(duì)冷藏室制冷，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的效果后，半導(dǎo)體停止制冷。這樣控制的效果能使冷藏室基本上達(dá)到獨(dú)自控制的目的[23]。</p><p><b>　?。?）模糊化霜</b></p><p>　　以前，冰箱的定時(shí)化霜與冰箱門(mén)的關(guān)閉

89、之間沒(méi)有直接關(guān)系?，F(xiàn)在，運(yùn)用模擬神經(jīng)智能控制技術(shù)將冰箱門(mén)開(kāi)閉次數(shù)、開(kāi)閉頻率和最佳化霜時(shí)間加以統(tǒng)計(jì)和分析，預(yù)置于控制程序中，讓其記憶，然后，根據(jù)冰箱的實(shí)際運(yùn)行選擇在冰箱門(mén)開(kāi)閉最少的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化霜，使冰箱內(nèi)溫度波動(dòng)最小，對(duì)食品質(zhì)量影響最小。</p><p><b>　　其它功能</b></p><p>　　開(kāi)門(mén)時(shí)問(wèn)過(guò)長(zhǎng)報(bào)警功能，當(dāng)任何一個(gè)箱門(mén)打開(kāi)超過(guò)4分鐘，報(bào)警提示

90、，但不影響系統(tǒng)正常工作。冰箱面板上有數(shù)碼管顯示器，可以顯示冷凍室和冷藏室的溫度，并通過(guò)按鍵可對(duì)冷凍室和冷藏室的溫度進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到用戶所需要的溫度。</p><p>　　4.2冷凍室制冷的實(shí)現(xiàn)方法</p><p>　　該部分的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要是通過(guò)兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。一部分是電機(jī)的變頻調(diào)速，另一部分是利用模糊理論來(lái)對(duì)冷凍室進(jìn)行模糊控制的。</p><p>

91、　　采用電機(jī)的變頻調(diào)速，可以很好的解決上述問(wèn)題，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制壓縮機(jī)的制冷量，當(dāng)冷凍室需要冷量大時(shí)，可以使電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，當(dāng)冷凍室需要冷量小時(shí)，可以使電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢。利用模糊控制可以很好的判斷什么時(shí)候需要壓縮機(jī)制冷，制冷量的多少，然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制[24]。</p><p>　　我們期望通用變頻器的輸出電壓波形是純粹的正弦波形，但就目前技術(shù)而言，還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦發(fā)生器那樣標(biāo)準(zhǔn)的可交頻變

92、壓的逆變器。目前技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)的一種方法：逆變器的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個(gè)正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱為，SPWM波形[24]。</p><p&

93、gt;　　三相對(duì)稱的參考正選電壓調(diào)制信號(hào)、、由參考信號(hào)發(fā)生器提供，其頻率和幅值都是可調(diào)的。三角載波型號(hào)由三角波發(fā)生器提供，它分別與每項(xiàng)調(diào)制信號(hào)在比較器上進(jìn)行比較，給出“正”或“負(fù)”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波，作為變壓變頻器功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。</p><p>　　4.3冷藏室制冷的實(shí)現(xiàn)方法</p><p>　　該部分的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。一部分是利用半導(dǎo)體對(duì)冰箱冷

94、藏室制冷，另一部分是利用模糊理論來(lái)對(duì)冷凍室進(jìn)行模糊控制。</p><p>　　在前面已經(jīng)講過(guò)，冷藏室制冷和以往的冰箱制冷不一樣，過(guò)去冷藏室韻溫度變化是隨著冷凍室的溫度而變化的，當(dāng)冷凍室需要制冷的時(shí)候，壓縮機(jī)才開(kāi)始啟動(dòng)制冷，這就造成了當(dāng)冷凍室的溫度比較低不需要制冷的時(shí)候，而冷藏室的溫度比較高需要制冷，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾，使冷藏室不能達(dá)到很好的制冷效果。 </p><p>　

95、　本設(shè)計(jì)克服了上述缺點(diǎn)，采用半導(dǎo)體和壓縮機(jī)同時(shí)制冷，正常的情況下冷藏室還是隨著冷凍室的制冷而制冷，當(dāng)冷凍室需要制冷時(shí)，啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷，冷藏室同時(shí)也能達(dá)到制冷效果；當(dāng)冷凍室不需要制冷時(shí)，這時(shí)不啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷，而是用半導(dǎo)體單獨(dú)對(duì)冷藏室制冷，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的效果后，半導(dǎo)體停止制冷。</p><p>　　半導(dǎo)體制冷[25]又稱熱電制冷或溫差電制冷，是50年代末發(fā)展起來(lái)的制冷新技術(shù)，它既沒(méi)有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，又無(wú)傳統(tǒng)制冷機(jī)必需的

96、制冷劑，它是利用特種半導(dǎo)體材料組成P-N結(jié)，通上直流電就能制冷，幾秒鐘內(nèi)就可使冷端結(jié)霜。當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，這是法國(guó)人珀?duì)柼钤绨l(fā)現(xiàn)的，因此稱為珀?duì)柼?yīng)。</p><p>　　圖4.2 半導(dǎo)體制冷原理</p><p>　　圖4.2可分為2部分來(lái)研究。當(dāng)電流的極性如圖所示時(shí)，電子從電源負(fù)極出發(fā)，經(jīng)金屬片結(jié)點(diǎn)4，P型半導(dǎo)體，結(jié)點(diǎn)1，金屬片回到

97、電源正極。但因左半部是P型半導(dǎo)體，導(dǎo)電方式是空穴型的左穴流動(dòng)方向與電子流動(dòng)方向相反，所以空穴是從金屬片，結(jié)點(diǎn)3，P型半導(dǎo)體，結(jié)點(diǎn)4，金屬片回到電源負(fù)極?？昭ㄔ诮饘佼?dāng)中所具有的能量，低于在半導(dǎo)體中所具有的能量。當(dāng)空穴在電場(chǎng)作用下，由金屬片通過(guò)結(jié)點(diǎn)3，到達(dá)P型半導(dǎo)體時(shí)，必須增加一部分能量。但空穴本身無(wú)法自己增加能量，只有從金屬片中吸收能量，并把這部分熱能變成空穴的勢(shì)能。因而在結(jié)點(diǎn)3處的金屬片的溫度便降低。而當(dāng)空穴沿P型半導(dǎo)體通向結(jié)點(diǎn)4流向金

98、屬片時(shí)，由于P型半導(dǎo)體中空穴的能量大于金屬中空穴的能量，因而要釋放出多余的勢(shì)能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮茚尫懦鑫矗允菇Y(jié)點(diǎn)4處金屬片的溫度升高。圖3.3中右半部由N型半導(dǎo)體金屬片相聯(lián)接，靠自由電子導(dǎo)電。電子在金屬中的勢(shì)能低于在n型半導(dǎo)體中的勢(shì)能，在電場(chǎng)的作用下，電子從金屬片通過(guò)結(jié)點(diǎn)2到達(dá)N型導(dǎo)體時(shí)必然要增加勢(shì)能，這部分勢(shì)能也只能從金屬片的熱能取得，因而使結(jié)點(diǎn)2處金屬片的溫度降低，當(dāng)電子從N型半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)結(jié)點(diǎn)l流向金屬片時(shí)，因電子是由勢(shì)能較高的地方

99、流</p><p>　　表4.1冷藏室模糊控制規(guī)則表</p><p>　　在控制上仍然采用模糊控制，不過(guò)要比冷凍室控制簡(jiǎn)單，只涉及到半導(dǎo)體制冷的開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)。模糊控制器仍然采用雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)，分別用系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec作為輸入變量，以控制量e作為輸出變量。偏差e和偏差變化率ec的模糊劃分、論域選擇和冷凍室的一樣，這里就不再闡述了。不同的是，控制量c的劃分有所不同，c只取半導(dǎo)體制冷

100、開(kāi)關(guān)的“通”(ON)和“斷”(OFF)這兩種狀態(tài)。</p><p>　　4.4模糊化霜的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　除霜是冰箱必須要做的工作，壓縮機(jī)累計(jì)工作一定時(shí)間后，蒸發(fā)器表面會(huì)被箱內(nèi)水氣凝結(jié)的霜覆蓋，隨著霜層的加厚，使制冷效率下降，造成能源浪費(fèi)。</p><p>　　除霜控制分除霜時(shí)機(jī)判斷和除霜的執(zhí)行兩部分。除霜時(shí)機(jī)判斷一般有經(jīng)驗(yàn)判斷、直接測(cè)量和間接測(cè)量三種方法。

101、機(jī)械式控制器只能采用經(jīng)驗(yàn)判斷，即定時(shí)除霜的方案。電子與電腦控制的可以采用直接測(cè)量和間接測(cè)量法，以上三種方案如獨(dú)立運(yùn)用不一定能捕獲到最佳時(shí)機(jī)。</p><p>　　除霜的目的是為了提高制冷效率，但除霜本身卻要消耗能量，這是一對(duì)矛盾。此外，除霜是為了使食品得到穩(wěn)定的低溫環(huán)境，但除霜本身產(chǎn)生的熱量又會(huì)暫時(shí)影響食品的溫度，這又是一對(duì)矛盾。模糊控制器針對(duì)這些矛盾所設(shè)計(jì)的除霜控制方案，使冰箱在除霜時(shí)，箱內(nèi)食品溫度回升最小，除

102、霜效率最高并節(jié)約能量。</p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，除霜一般在壓縮機(jī)累計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間達(dá)8小時(shí)左右進(jìn)行[27]，但蒸發(fā)器霜層厚度除了與壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間有關(guān)外，還受環(huán)境溫度、濕度、制冷系統(tǒng)性能等因素的影響。因此，除霜的模糊控制用間接方法測(cè)試霜層厚度，當(dāng)霜層厚度達(dá)到一定程度時(shí)才進(jìn)行除霜比較合理。</p><p>　　以前，冰箱的定時(shí)化霜與冰箱門(mén)得開(kāi)閉之間沒(méi)有直接關(guān)系?，F(xiàn)在，運(yùn)用模擬神經(jīng)智能控制技術(shù)將

103、冰箱門(mén)開(kāi)閉次數(shù)、開(kāi)閉頻率和最佳化霜時(shí)間加以統(tǒng)計(jì)和分析，預(yù)置于控制程序中，讓其記憶，而后根據(jù)冰箱的實(shí)際運(yùn)行選擇在冰箱門(mén)開(kāi)閉最少的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化霜，使冰箱內(nèi)溫度波動(dòng)最小，對(duì)食品質(zhì)量影響最小。根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)分析，建立冰箱的開(kāi)閉情況和化霜時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。—天24小時(shí)分割成12個(gè)時(shí)間段，以開(kāi)閉頻率來(lái)表征冰箱門(mén)的開(kāi)閉狀態(tài)。不同的開(kāi)關(guān)頻率的分布，有不同的最佳化霜時(shí)間。以大量統(tǒng)計(jì)得到的這些對(duì)應(yīng)關(guān)系，作為輸入輸出樣本，經(jīng)離線學(xué)習(xí)存于記憶中，這就是控制上的

104、基本經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)、是開(kāi)發(fā)單位賦予冰箱的智能。</p><p>　　為了記憶冰箱門(mén)的開(kāi)閉次數(shù)，將1天分割為12個(gè)時(shí)間段，對(duì)每個(gè)時(shí)間段中冰箱門(mén)的關(guān)閉次數(shù)，作為1天的數(shù)據(jù)記憶(一般平均而言1個(gè)時(shí)間段內(nèi)冰箱門(mén)的開(kāi)閉約為4次)。再將8天冰箱門(mén)開(kāi)閉次數(shù)的累計(jì)數(shù)據(jù)作為記憶的依據(jù)。以后平均隔24小時(shí)記憶更新一次，即經(jīng)過(guò)24小時(shí)的設(shè)定點(diǎn)，從8天累計(jì)數(shù)中減去1/8，再把新的1天的數(shù)據(jù)加進(jìn)去，成為新一輪的累計(jì)數(shù)。用以上記憶方法得到的實(shí)際

105、運(yùn)行的情況作為12，時(shí)間段門(mén)開(kāi)閉頻率，以此作為輸入，就可確定最佳化霜時(shí)間。在冰箱門(mén)開(kāi)閉頻率低時(shí)，蒸發(fā)器的化霜放在必要的時(shí)間段范圍內(nèi)進(jìn)行[28]。</p><p><b>　　5 硬件系統(tǒng)</b></p><p><b>　　5.1系統(tǒng)概述</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行核心控制，考慮到通用、易用、成本

106、、節(jié)能等因數(shù)，選定了80C51單片機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為8K，運(yùn)用8255擴(kuò)展I/O口，液晶顯示器驅(qū)動(dòng)芯片采用ICM721IAM。根據(jù)溫度采樣數(shù)據(jù)的精度，采用常用的ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，用AD521作放大器。在保證精度要求的條件下，做到成本最低。根據(jù)家用電冰箱的溫度范圍及精度確定應(yīng)用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。另外，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中采用MA818芯片[29]產(chǎn)生正弦波，用8K的ROM作為三角波發(fā)生器，

107、此外，外界按鈕采用薄膜按鈕，手感舒適并經(jīng)久耐</p><p>　　圖5.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　用。電路板為雙面版，整塊電路板上元件都采用貼片式封裝，更加小巧可靠。</p><p>　　圖5.1是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　圖5.2是電路原理圖。</p><p>　　A3電路原理圖見(jiàn)附錄。

108、</p><p>　　圖5.2 系統(tǒng)硬件電路原理圖</p><p><b>　　5.2系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.2.1按鍵輸入的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　圖5.3 鍵盤(pán)電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)鍵用一根輸入線，本系統(tǒng)采用P1口的0-3位，分

109、別是模式按鈕、增加按鈕、加少按鈕，冰箱門(mén)開(kāi)中斷出發(fā)按鈕。本系統(tǒng)按鈕采用中斷方式識(shí)別，使用INT0中斷，使用軟件方式消除按鍵抖動(dòng)。中斷方式獨(dú)立按鈕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件容易實(shí)現(xiàn)，可靠，電路圖如圖5.3所示。</p><p>　　5.2.2蜂鳴的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　圖5.4蜂鳴功能電路圖</p><p>　　本系統(tǒng)蜂鳴器頻率發(fā)生采用軟件編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)P1.4口輸出方波。圖

110、中三極管為信號(hào)功率放大，以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。系統(tǒng)完成后要通過(guò)軟件進(jìn)行蜂鳴器蜂鳴聲響調(diào)整,電路圖如圖5.4所示。</p><p>　　5.2.3溫度采集的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　溫度傳感器采用AD590,AD590是美國(guó)ANALOG DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流與絕對(duì)溫度成比例。在4 V至30 V電源電壓范圍內(nèi)，該器件可充當(dāng)一個(gè)高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為1。

111、 </p><p>　　圖5.5 AD590的封裝和基本應(yīng)用電路</p><p>　　圖5.5 溫度采集的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　AD590為電流型傳感器[30]，外界溫度每升高一度，輸出電流增加1。AD590輸出串接電阻1K，使輸出電壓為1/℃，并接入AD521的反相輸入端。同時(shí)AD521的反相輸入端接入適當(dāng)電壓，使當(dāng)外界溫度為30℃