刘天慈计算机论文最终修改版.docx
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刘天慈计算机论文最终修改版
电气与电子信息工程学院
课程设计报告
设计：
计算机控制
专业名称：
电气工程及其自动化
班级：
2006级电气（本）2班
学 号：
0640220225
姓名：
刘天慈
指导教师：
皮大能胡蔷
设计时间：
2009/12/7～2009/12/18
设计地点：
K2—单片机实验室
完成时间：
2009年12月21日
计算机控制课程设计成绩评定表
姓名
刘天慈
性别
女
专业班级
2006级电气（本）2班
课程设计题目：
冰箱温度控制器的设计与研究
课程设计答辩或质疑记录：
1、电冰箱制冷系统如何实现制冷？
答：
电冰箱的制冷系统一般设置在冷冻室，由压缩机出来的高温、高压液态制冷剂，经冷凝器冷却后，被送到设置在冷冻室四周的蒸发器中蒸发为气态，同时吸收外界的热量，达到制冷的目的，制冷的程度由压缩机的开启与停止的时间来决定。
2、冰箱温度控制系统为何要采用模糊控制算法？
答：
冰箱温度是主要的控制对象，控制的好就有显著的节能效果。
影响温度的因素很多，如室内温度的高低，冰箱本身的容积，开冰箱门的次数，每次开门的时间，冰箱中食品的多少，以及食品的种类和性质等等。
所以要相建立冰箱温度变化的数学模型是很难的。
因此可以采用模糊控制算法加以解决。
评语：
设计论文题与论文的内容基本相符，结构基本完整，详略得当，语言也比较通顺，论文思路清晰；对于初稿内容不够充实、具体，缺乏实践分析。
经过作者重新整理，反复修改，在理论的基础上使用仿真软件仿真分析，使论文条理清晰、说理充分，有理有据。
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2009年12月30日
课程设计任务书
2009～2010学年第1学期
学生姓名：
刘天慈专业班级：
2006级电气（本）2班
指导教师：
皮大能胡蔷工作部门：
电气学院自动控制教研室
一、课程设计题目计算机控制
二、课程设计内容（含技术指标）
1．设计目的及要求
通过本课程设计学生应掌握设计所用硬件电路的工作原理，软件的使用方法。
能较熟练地使用软件平台设计较复杂的计算机控制系统。
1）根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。
2）要求掌握计算机控制系统的设计内容、方法和步骤。
3）学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数。
4）学会绘制有关计算机控制系统原理图和编制元器件明细表。
5）学会编写设计说明书。
6）通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法。
7）按设计指导书中要求的格式书写设计报告，所有的内容一律打印。
8）报告内容包括设计过程、软件仿真结果及分析、硬件仿真结果及分析。
9）必须有整体电路原理图、各模块原理图。
10）软件仿真包括各个模块的仿真和整体电路的仿真。
2．设计内容
1）接口设计项目设置与内容
序号
名称
内容提要
学时
每组人数
1
8253可编程计数/定时器
8253与单片机的硬件连接
8253工作方式及其功能
2
5～10
2
A/D转换
ADC0809与单片机的硬件连接、ADC0809的转换性能
ADC0809转换的编程和调试方法
2
5～10
3
存储器扩展与EPROM编程
常用存储器芯片
单片机扩展外部存储器的硬件、软件设计与调试方法
EPROM的擦除、编程方法
2
5～10
4
基本I/O接口和中断
单片机I/O接口的特性和使用方法
单片机中断系统的性能、中断程序的
编制和调试方法
2
5～10
5
步进电动机控制
单片机控制步进电动机的硬件接口技术
步进电动机驱动程序的设计与调试方法
2
5～10
6
顺序控制
了解顺序控制系统设计和调试简单的顺序控制系统
2
5～10
2）计算机控制系统设计项目设置与内容
a.通用微计算机控制系统的设计;
b.PID数字控制器的设计；
c.冰箱温度控制器的设计。
d.模糊控制器的设计
三、进度安排
1．时间安排
序号
内容
学时安排（天）
1
接口设计项目
2
2
方案的选择论证
1
3
硬件、软件设计和仿真
4
4
撰写和打印设计报告
2
5
设计答辩
1
合计
10
2．执行要求
计算机控制系统设计的4题中选做一题，要求独立完成，并在答辩过程中检测。
为了避免雷同，在设计中所采用的方案不能一样。
四、基本要求
（1）根据要求确定系统设计方案；
（2）绘制系统框图和电气原理草图，程序流程图；
（3）计算电路参数和元器件选择，程序清单；
（4）系统各环节的仿真实验；
（5）安装，调试与修改；
（6）误差分析与调整；
（7）绘制系统原理总图，列出原器件明细表；
（8）画出软件框图，列出程序清单；
（9）结构设计；
（10）写出使用说明书；
（11）对设计进行全面总结，写出课程设计报告；
五、课程设计考核办法与成绩评定
根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。
评定项目
基本内涵
所占比例
设计过程
考勤、自行设计、按进度完成任务等情况
20％
设计报告
完成设计任务、报告规范性等情况
50％
答辩
回答问题情况
30％
90～100分：
优；80～89分：
良；70～79分：
中；60～69分，及格；60分以下：
不及格
黄石理工学院电气学院课程设计评分标准
项目
优秀（100>x≥90）
良好（90>x≥80）
中等（80>x≥70）
及格（70>x≥60）
不及格（x<60）
设计
过程
严格保证设计时间并按任务书中规定进度开展各项工作。
较好的保证设计时间，按期完成任务书规定的任务。
基本保证设计时间，按期完成任务书规定的任务。
不能保证设计时间，在指导教师监督下能完成任务书规定任务。
不能保证设计时间和进度，没有完成规定的任务。
设计
报告
结构严谨，逻辑性强，论述层次清楚，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，设计图纸清晰。
结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字通顺，达到规范化要求，设计图纸较清晰。
结构基本合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，设计图纸质量一般。
结构基本合理（有不合理部分），论证基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求，设计图纸无重大错误。
内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求，设计图纸达不到基本要求。
答辩
情况
紧扣主题、概念清楚、方法科学、设计工艺可行、数据可靠。
紧扣主题、概念清楚、设计工艺可行、数据可靠。
主题明确、概念较清楚、设计工艺可行、数据较可靠。
主题基本明确、概念尚清楚、数据无重大错误。
主题不明确、概念不清楚、数据不正确。
六、课程设计参考资料
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.2007.3
指导教师：
皮大能胡蔷
2009年10月
教研室主任签名：
2009年10月30日
目录
摘要1
1引言2
2电冰箱的组成及工作原理3
2.1电冰箱的系统组成3
2.2工作原理3
2.3主要功能及要求3
3硬件电路设计5
3.1系统结构图5
3.2显示器输出通道和键盘输入通道5
3.3温度和霜厚的检测电路6
3.4电源电压的检测7
3.5制冷压缩机电动机和除霜电热丝的启停控制电路7
3.6开门状态检测电路8
3.7报警电路8
4硬件系统电路原理图9
5模糊控制算法10
5.1对精确值的模糊化处理11
5.2.模糊推理规则的归纳13
5.3.模糊量向精确量的转化13
6软件流程15
6.1主程序流程15
6.2压缩机保护子程序16
7小结17
8参考文献17
摘要
本报告从冰箱的硬件结构框图和模糊控制器两个方面，以模糊控制算法为主线，将冰箱的温度控制过程完全地描述了出来。
具体分为硬件结构框图及各功能电路的介绍、模糊控制算法、软件程序框图等三部分。
由于冰箱的温度控制过程离不开对控制器的控制算法，因此本报告着重讨论了温度控制器的模糊控制算法，并举出例子进行了详细阐述。
关键词：
冰箱，模糊控制，Matlab仿真
Abstract
Thereportfromtherefrigeratorandfuzzycontrollerhardwareblockdiagramofthetwoaspectsofthefuzzycontrolalgorithmasthemainline,thetemperatureoftherefrigeratorcontrolprocessdescribedcompletelyout.Thespecifichardwareblockdiagramisdividedintofunctionalcircuitsandtheintroductionoffuzzycontrolalgorithms,softwareprogramssuchasblockdiagramofthreeparts.Astherefrigeratortemperaturecontrolprocesscannotbeseparatedonthecontrollerofthecontrolalgorithm,thisreportfocusedonthetemperaturecontrollerofthefuzzycontrolalgorithm,citingexamplesdescribedindetail.
KeyWords：
Refrigerator，FuzzyControl，Matlabsimulation
冰箱温度控制器的设计与研究
1引言
电冰箱是现代家庭不可缺少的家用电器。
近年来，随着微电子技术、传感器技术以及控制理论的发展，电冰箱向大容量、多功能、无氟、节能、智能化、人性化方向发展。
在家庭中所用的电冰箱，一般都是双层，有冷冻室和冷藏室。
冷冻室通常用于冷冻食品和制冰，在冷冻室中的食品要求存放时期较长，食品中的水分也会凝结成冰。
冷冻室的温度通常为-6~-18°C左右。
冷藏室用于在较低的温度中存放食品，但要求有一定的保鲜作用，故不能冻伤食品。
冷藏室的温度通常为0~10°C左右。
一个优良的电冰箱，应该具有较高的温度控制精度，同时又具有最优的节能效果。
采用模糊控制可以提高温度控制精度，并且能对压缩机的工作状态进行较恰当的控制而达到节能的作用。
本报告设计了一种基于单片机的温度测量和控制装置，能对环境温度进行测量，并能根据温度给定值给出调节量，控制执行机构，实现调节环境温度的目的。
2电冰箱的组成及工作原理
2.1电冰箱的系统组成
液体由液态变为气态时，会吸收很多热量，简称为“液体汽化吸热”，电冰箱就是利用了液体汽化的过程中需要吸热的原理来制冷的。
蒸气压缩式电冰箱制冷系统原理图如图1-1所示，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。
2.2工作原理
根据冷藏室和冷冻室的温度情况决定是否开压缩机，若冷藏室的温度过高，则打开电磁冷门V1,关闭阀门V2，V3，同时打开压缩机，产生高温高压过热蒸气，经过冷凝器冷凝，干燥过滤器干燥，毛细节流管降压后，在蒸发器汽化制冷，产生低温低压的干燥气体。
经过电磁阀门V1流入冷藏室，使冷藏的温度迅速降低，当温度达到要求时关闭压缩机，同时关闭电磁阀门V1。
若是冷冻室的温度过高，则应打开V2关闭V1,V3。
电磁阀门V3主要用于冷冻室的化霜。
需要化箱时打开V3,从压缩机流出的高温高压气体流经冷冻室可匀速将冷冻室霜层汽化。
达到化霜的效果。
一般化霜的时间要短，不然会伤存放的食品。
2.3主要功能及要求
1、设定2个测温点，测量范围：
－26C～＋26C，精度±0.5C；
2、利用功能键分别控制温度设定、冷藏室及冷冻室温度设定等；
3、制冷压缩机停机后自动延时3分钟后方能再启动；
4、电冰箱具有自动除霜功能；
5、开门延时超过20秒发声报警；
6、工作电压为180～240V，当欠压或过压时，禁止启动压缩机并用指示灯显示。
图2-1电冰箱制冷系统原理图
直冷式电冰箱的控制原理是根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启、停，使冰箱内的温度保持在设定温度范围内。
冷冻室用于冷冻食品通常用于冷冻的温度为－3C～－15C,冷藏室用于相对于冷冻室较高的温度下存放食品，要求有一定的保鲜作用，不能冻伤食品，温度一般为0C～10C，当测得冷冷冻室温度高至－3C~0C时或者是冷冻室温度高至10C～13C是启动压缩机制冷，当冷冻室温度低于－15C～－18C或都冷藏室温度低于0C～－3C时停止制冷，关断压缩机。
采用单片机控制，可以使控制更为准确、灵活。
3硬件电路设计
3.1系统结构图
电冰箱的制冷系统一般设置在冷冻室，由压缩机出来的高温、高压液态制冷剂，经冷凝器冷却后，被送到设置在冷冻室四周的蒸发器中蒸发为气态，同时吸收外界的热量，达到制冷的目的，制冷的程度由压缩机的开启与停止的时间来决定。
在冷藏室和蔬菜室中不设蒸发器，而是将冷冻室的冷气经公用风道，由风机传送给各温区，用各区的风门控制该温区的温度变化。
冷冻室和其它温区的温度控制匹配问题通过模糊控制器来协调。
电冰箱模糊控制系统的结构图如图3-1所示。
它包括输入部分、单片机部分和输出部分。
输入部分包括冷冻室温度检测电路、冷藏室温度检测、冷冻室结霜的厚度检测电路、门开关信号检测电路和过压欠压检测电路。
输出部分包括LED数码显示电路、键盘输入通道电路、报警电路、压缩机控制电路和除霜电热丝控制电路。
图3-1冰箱温度控制器硬件结构框图
3.2显示器输出通道和键盘输入通道
显示器由3位LED数码管构成，一位用于显示温度的正、负，两位用于显示温度值。
键盘是8个按键开关。
显示输出和键盘输入均通过单片机的串行口。
串行口工作在方式0即移位寄存方式,显示输出通道和键盘输入通道电路如图3-2所示。
当P3.1为“1”时，TXD端输出的同步脉冲通过“与”门发送到显示移位寄存器74LS164的移位脉冲输入端，RXD输出的数据就能被移位到显示器通道。
当P3.1为“0”时，RXD端的数据信息仅能被读入到键盘扫描用的移位寄存器中，显示通道的移位寄存器的内容保持不变，显示通道采用的是可直接驱动共阳极LED数码管的74LS164移位寄存器简化了线路结构。
键盘输入通道的工作过程是由RXD向键盘扫描移位寄存器74LS164逐位发送数据“0”，每次发送后即从端口线P3。
0读入键盘信号，若读得“0”，说明对应键位已按下，键盘扫描移位的次数即该键的键号或键值，这样电路使键盘通道的连线较少。
图3-2键盘输入和显示电路
3.3温度和霜厚的检测电路
温度和霜厚的检测均选用AD590为传感器，测温参考电路见图3-3。
图3-3AD590测温电路图
AD590具有灵敏度高，一致性好（与热敏电阻相比），输出电流为1uA/°K，测温范围为—55～±150℃；供电范围：
+4～+30V。
霜的厚度检测用如下方法实现；首先将AD590安装在距蒸发器3mm的某个合适的位置上，当霜厚大于3mm时，霜就将AD590与蒸发器连接在一起，该AD590就会感受到较低的蒸发器的温度，再和其它测温状态相比较，就能得到霜厚大于3mm的结论。
3.4电源电压的检测
当电源电压波动范围超过允许范围（200～400），将会造成压缩机工作不正常甚至损坏，所以采用图3-4电路随时检测电流电压的情况送到单片机进行处理，一旦发现过压或欠压时，单片机输出信号让电机停止工作，起到保护压缩机的作用。
图3-4电源电压检测电路
3.5制冷压缩机电动机和除霜电热丝的启停控制电路
如图3-5所示，单片机产生的控制信号经过端口P0.3和P3.4输出，并在P3.5的控制下被锁存器74LS273锁存，其输出再经达林顿型驱动器MC1413驱动后控制固态继电器SSR1和SSR2。
采用固态继电器驱动器作为压缩机和除霜电热丝的开关元件无火花产生，无触头损耗，不产生电磁干扰，而且实现了控制部分和交流高压部分的电隔离，使系统的安全可靠性得到提高。
图3-5启停控制电路
3.6开门状态检测电路
开门状态的检测电路由门开关和发光二极管组成，如图3-6所示。
关门时，触点a接通P3.2为低电平；触点b接通P3.2为高电平。
计算机软件通过对P3.2的查询来分析冰箱门的开闭，并对开门状态时间计时。
图3-6开门状态检测电路图图3-7报警电路
3.7报警电路
开门时间超过2分钟后，单片机的端口P3.3输出高电平使报警线路工作控制压电蜂鸣器发出响声。
当开门时间小于2分钟刚P3.3为低电平报警结束。
4硬件系统电路原理图
图4-1硬件系统电路原理图
5模糊控制算法
冰箱温度是主要的控制对象，控制的好就有显著的节能效果。
影响温度的因素很多，如室内温度的高低，冰箱本身的容积，开冰箱门的次数，每次开门的时间，冰箱中食品的多少，以及食品的种类和性质等等。
所以要相建立冰箱温度变化的数学模型是很难的。
因此可以采用模糊控制算法加以解决，下面给出食品冷藏温度表和保存时间表。
表5-1部分食品最适宜的冷藏温度
表5-2食品在冷藏箱内能保存的时间
一般鱼、肉等食品易带微生物，在低温下也容易变质，所以最好保存在冷冻室，且温度愈低，保存时间也愈长，如－6℃时可保存一星期，－12℃时可保存一个半月，－18℃时可保存三个月。
所以电冰箱冷藏室的温度调整在2～4℃较合适，冷冻室的温度调整在－12～－18℃以下较为合适。
冰箱模糊控制框图如图5-1所示。
冰箱控制器的一般工作过程如下
5.1对精确值的模糊化处理
将测温电路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。
我们设定冷藏室温升范围在－6～+6℃之间变化，将它分为8档，并和模糊变量负大、负中、负小、负零、正零、正小、正中、正大一一对应，依据经验可有如下定义：
“正大”（PL）——多数取+6℃附近；
“正中”（PM）——多数取+4℃附近；
“正小”（PS）——多数取+2℃附近；
“正零”（P0）——多数取比零稍大一点附近；
“负零”（N0）——多数取比零稍小一点附近；
“负小”（NS）——多数取－2℃附近；
“负中”（NM）——多数取－4℃附近；
“负大”（NL）——多数取－6℃附近；
图5-1冰箱模糊控制框图
表5-3偏差
的赋值表
上述定义中只涉及在[－6，6]区间上连续取值的量的整数值，对于非整数值，可采用就近归整的原则将其整数化，如：
1.2→1,5.8→6,－4.2→－4,另外，我们定义了－4对应负中，但是－3、－2、－5、－6也都可称为负中的属性，只是相对负4来说，属于负中的成份差一点，即有着不同的隶属度，定义出8个模糊变量，分别对应区间[－6，6]上各整数值的隶属度，就可以得到一个模糊子集。
如表3所示。
该表称为温度升偏差e的赋值表,表中数字表示对应元素的隶属度,若实际的温度精确测量值不在[－6，6]之间，而是在[a，b]之间，可以通过变换式Y=
将在[a，b]区间上变化的变量x转化为[－6，6]之间的变量Y。
表5-4偏差
的赋值表
同理，就得到偏差变化率所对应的模糊子集如表4所示。
模糊处理的结果即模糊控制器的输出量u也采用NL、NM、NS、0、PS、PM、PL来描述，就可得到输出u在[－6，6]区间上变化的赋值表如表5-5所示。
表5-5输出量u的赋值表
5.2.模糊推理规则的归纳
根据
和
的模糊集和输出u的模糊集，就可对冰箱的使用经验进行模糊推理规则的归纳。
对于双输入、单输出的控制系统一般可用语句“IFAANDBTHENC”来描述，冰箱温度控制系统利用上述语句形式将上述3个表综合起来，把实际控制推理规则归纳整理构成系统的控制规则表如表5-6所示。
表5-6推理语言规则表
5.3.模糊量向精确量的转化
模糊量向精确量转换通常有2种方法：
选择隶属度最大的原则和加权平均判决原则。
选择隶属度最大的原则实现模糊量到精确值的转化，特点是计算简单，适合于计算机的实现处理，但转换结果所含的信息量少，因为放弃了其余隶属度较低的各点情况。
表5-7模糊控制表
设偏差e=PM，偏差变化率
=PS，根据推理语言规则表查得输出u=NM，再查u的赋值表得
NMU=（0.1/－6）+（0.8/－5）+（1.0/－4）+（0.8/－3）+（0.1/－2）
由此选择从属度最大的原则转换,得到结果为
=－4（为最大隶属度）。
利用加权平均原则转换时转换结果为：
=
=－4
我们将上述所有控制规则合成一起，经大量计算构成模糊控制表见表5-7。
将此表放到单片机中去，这样，在温度控制过程中单片机将测温和变换得到的e和
直接按控制表中行、列相比较，马上求出控制量u去控制压缩机电机工作时间和化霜电热器的电流。
6软件流程
6.1主程序流程
图6-1程序框图
本系统由主程序，中断服务程序和多个子程序组成。
子程序主要由电源电压及压缩机断电延时保护检测子程序、温度设定检测子程序、冷冻室温度模糊控制子程序、冷藏室温度模糊控制子程序、模糊化霜控制子程序、压缩机控制及保护子程序和温度补偿控制子程序、温度采集及标度变换子程序、故障检测子程序、初始化子程序模块组成，其主程序流程如图6-1所示。
为了减少程序执行时间，各子程序都能快速返回主程序。
子程序对相关事件的处理由标志位和判断标志位来完成。
6.2压缩机保护子程序
压缩机的运行必须满足一定的工作要求，因此必须进行断电延时保护和过欠压保护，且过欠压保护要分运行和启动过程两种情况。
从以上内容可以看出断电延时通过检测I/O端口的电平高低得出，过欠压保护功
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