基于半导体制冷的电子冰箱设计Word文档下载推荐.docx

1、它可以保持恒定低温的一种制冷设备。也是一种使食物或其他物品保持恒定低温冷态的民用产品，箱体内有压缩机、制冷机用以结冰的柜或箱。冰箱从根本上让人类远离了发霉的食物，可以将温度降低并保存，让我们在夏天的时候享受健康的食物，不能不说是科技带给人的一种进步。而我们小组通过对市面上冰箱的调研和了解，发现冰箱普遍偏大，造价较高，不方便携带。我们想要设计一款样式美观，造价低，能便于携带的一款小型冰箱。 电冰箱控制的主要任务就是保持箱内食品最佳温度，达到食品保鲜的目的。由于冰箱内温度受多种不确定因素影响，如放入冰箱中物品的温度、热容量以及物品的充满率、开门的频繁程度等，冰箱内的温度场的数学模型很难建立，因此无

2、法用传统的控制方法实现精确控制。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。通过半导体制冷使冷藏室的温度控制更加精确。在冷藏室需要制冷的时候可以启动半导体制冷，而不用启动压缩机，这样一方面避免了压缩机的频繁开启，另一方面也节约了能量，同时也保证了冷藏室的温度更加准确。 关键词 冰箱 半导体 模糊控制 单片机Abstract Wit

3、h the daily life needs, the refrigerator is designed and produced. It can maintain a constant temperature of refrigeration equipment. Is also a kind of civilian products of food and other goods to maintain a constant temperature of cold box body, compressor. The refrigerator is fundamentally let hum

4、ans from the moldy food, can decrease the temperature and save, let us enjoy the healthy food in the summer, is not a kind of progress of science and technology bring people. Our team find that the refrigerator is relatively large, high cost, inconvenient to carry through the market investigation an

5、d understanding, and want to design a beautiful appearance, low cost, can carry a small refrigerator.Because of the temperature in the refrigerator is affected by many uncertain factors, such as the refrigerator items temperature, thermal capacity and articles full rate, to open the door of the freq

6、uent degree and so on, it is difficult to obtain the mathematical model of the temperature about the refrigerator. Therefore, it cannot be accurately controlled by using the traditional control method. This paper using the fuzzy control technology can improve the control accuracy, matched with the e

7、lectronic temperature detection, the compressor working state regulation, to achieve precise temperature control and energy saving. Through frequency control can make the freezer temperature control more reasonable. When the freezing chamber to cooling capacity is relatively large when, can through

8、frequency regulation, so that the motor rotates at a high speed, the compressor refrigeration; similarly, when is small freezer refrigeration capacity, the motor speed is slower. Through the semiconductor refrigeration and the refrigerating chamber temperature control is more precise. In the cold ro

9、om needed when refrigeration can start semiconductor refrigeration, without having to start the compressor, so that on the one hand to avoid the compressor frequent open, on the other hand, saving energy, but also to ensure the freezer temperature is more accurate.Keywords fuzzy control chip of semi

10、conductor refrigerator摘要.2Abstract.3目录.41绪论.51.1研究背景及意义51.2国内外研究现状51.3论文主要研究内容62方案中的关键技术及国内外发展趋势.62.1 半导体制冷技术的国内外发展趋势62.2 半导体制冷的主要特点.82.3 模糊控制技术92.4 珀耳帖制冷系统.112.5 整体方案概述.143控制系统的设计.153.1珀耳帖制冷系统模型153.2单片机调控系统.173.3 模糊控制的电子制冷系统234.结论.29参考文献301 绪论1.1 研究的背景及意义 众所周知，电冰箱是现代家庭中必不可少的家用电器。而目前市售冰箱大多采用传统的机械式温控

11、，控制精度差，功能单一，控制方式简单难以满足现代冰箱发展的要求。随着经济的发展和人民生活水平的进一步提高，人们对多功能化的发展要求越来越高。单片机技术和电子技术的高速发展，使得箱内温度控制可随冷藏室和冷冻室的不同而分别设定，定时自动除霜、白动制冰、省电等诸多功能和要求得以实现。特别是模糊控制技术在家用电器中的应用日趋成熟，为电冰箱向智能化方向发展提供了有利技术支持。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。

12、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。1.2 国内外研究现状 17世纪中期，“冰箱”这个词才进入美国语言，在那之前，冰只是刚刚开始影响美国普通市民的饮食。随着城市的发展冰的买卖也逐渐发展起来。它渐渐地被旅馆、酒馆、医院以及被一些有眼光的城市商人用于肉、鱼和黄油的保鲜。内战（1861-1865）之后，冰被用于冷藏货车，同时也进入了民用。 到1880年以前， 已经有半数在纽约、费城和巴尔的摩销售的冰， 三分之一在波士顿和芝加哥销售的冰箱开始进入家庭使用，因为一种新的家庭设备冰箱即现代冰箱的前身，被发明了。现在同类产品

13、还有冰柜。制造一台有效率的冰箱不像我们想象的那么简单。19世纪早期，发明家们关于对冷藏科学至关重要的热物理知识的了解是很浅陋的。人们认为最好的冰箱应该防止冰的融化，而这样一个在当时非常普遍的观点显然是错误的，因为正是冰的融化起到了制冷作用。早期人们为保存冰而作出了大量的努力，包括用毯子把冰包起来，使得冰不能发挥它的作用。直到近19世纪末，发明家们才成功地找到有效率的冰箱所需要的隔热和循环的精确平衡。但早在1800年，一位有发明天才的马里兰农场主-托马斯.莫尔就找到了正确的方法。他拥有一个农场，离华盛顿约20英里，那里的乔治镇村庄是集市中心。当他用自己设计的冰箱运送黄油去市场时，他发现顾客们会走

14、过装在竞争者桶里那些迅速融化的黄油而给他比市价更高的价格买他仍然新鲜坚硬，整齐地切成一磅一块的黄油。莫尔说他的冰箱的一个好处是使得农民们不必为了保持他们产品的低温而在夜里去市场交易。1.3本文研究内容 （1）了解冰箱发展历史（2）掌握半导体制冷技术（3）系统了解模糊PID控制理论（4）建立冰箱系统的数学模型（5）进行软件设计（6）仿真实验调试 2 方案中关键技术介绍及国内外发展趋势2.1 半导体制冷技术的国内外发展趋势 半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直

15、流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。 1834年，法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，他惊奇的发现一个接头变热，另一个接头变冷；这个现象后来就被称为帕尔帖效应。的物理原理为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）。所以，半导体制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差。纯金属的导电导热性能好，但制冷效率极低（不到1%）。半导体材料具有极高的热电势，可以成

16、功的用来做小型的热电制冷器。但当时由于使用的金属材料的热电性能较差，能量转换的效率很低，热电效应没有得到实质应用。直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于1945年前发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数，达到相当水平，才得到大规模的应用。80年代以后，半导体的热电制冷的性能得到大幅度的提高，进一步开发热电制冷的应用领域。半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没

17、有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，上图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连接组成. 半导体制冷片的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通

18、过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆（如右图），以达到增强制冷（制热）的效果。以下三点是热电制冷的温差电效应。2.1.1 塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势： ES=S.T式中：ES为温差电动势S（?）为温差电动势率（塞贝克系数）T为接点之间的温差2.1.2珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流

19、的大小来决定。Q=.I =aTcQ 为放热或吸热功率为比例系数，称为珀尔帖系数I为工作电流a为温差电动势率Tc为冷接点温度铂尔贴效应原理图（图1）注解：通上电源后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高。 2.1.3汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：Q=.I.TQ为放热或吸热功率为汤姆逊系数T为温度梯度以上的理论直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好

20、的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。2.2 半导体制冷的主要特点热电制冷装置与一般制冷装置的显著区别在于:不使用制冷剂,没有运动部件,容量尺寸宜于小 型化,使用直流电工作。由于不使用制冷剂,消除了制冷剂漏泄将对人体、环境造成的影响。在这些场合,使用半导体制冷是十分适宜的。例如用在密闭的工作室内。由于没有运动部件,在半导体制冷器运行时,无噪声、无振动、无磨损。因此工作可靠,维护方便,使用寿命长。对于潜艇等特殊环境,对噪音和振动有比较高的要求,维护操作亦力求简便,半导体制冷装置是比较理想的冷源。半导体制冷器的容积尺寸宜于小型化,这是一般制冷

21、技术所办不到的。小型半导体制冷器的产冷量一般在几瓦到几十瓦之间,它的效率与容量大小无关,只取决于热电堆的工作条件。微型半导体制冷器的容积和尺寸是相当小的。例如可以达到零下100e（173K）的四级复叠式半导体制冷器,它的产冷量只有几十毫瓦,外形大小跟一只香烟盒相仿。半导体制冷装置使用直流电工作,对于工作电压的脉动范围有一定的要求。如果允许的产冷量损失为1%左右,那么电压的脉动（波纹）系数（交流成分有效值与直流成分的比值）一般不应超过10%。最好采用蓄电池或三相全波整流电源。如果采用单相全波整流方式,必须加上滤波器才能使用。由于上述特点,在不能使用一般制冷剂和制冷装置的特殊环境以及小容量、小尺寸

22、的制冷条件下,显示出它的优越性,成了现代制冷技术的一个重要组成部分。但由于半导体制冷的效率比较低,再加上制造工艺比较复杂,在一定程度上限制了半导体制冷的推广和应用。2.3 模糊控制技术 模糊控制是一种以模糊集台论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。从线性控制与非线性控制角度分类，模糊控制是一种非线性控制。模糊控制的方法模仿人的思维方式和人的检测经验，用电脑来代替人脑实施有效的控制。模糊控制则是依赖于被控系统的物理特性。特理特性的提取要靠人的直觉和经验，这些物理特性在人脑中是用自然语言来抽象成一系列概念和规则的。用这种方法可以把人的经验形式化并引入控制过程，再运用比较严

23、密的数学处理过程，实现模期推理，进行判断决策，以达到令人满意的控制效果。2.3.1 模糊智能控制的发展模糊理论是在美国帕克莱加州大学电气工程系Zadeh教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容。对于模糊理论这样一个新生事物，学术界一直有两种不同的观点，其中持否定态度的观点在一段时间内仍然占据上风。正确的观点是模糊控制不应该依赖于被控对象的精确数学模型，当然也不应该拒绝有效的数学模型。模糊控制理论在特定条件下可以达到经典控制理论难以达到的“满意控制”，而不是最佳控制。模糊控制理论的确还有许多不完善之处，比如模糊规则的

24、获取和确定，隶属函数的选择以及比较敏感的稳定性问题至今仍未得到完善的解决。尽管如此，也不应该否定模糊理论的科学性和有效性，它已经成为智能控制的一个重要分支。2.3.2 智能模糊控制的基本原理 在自动控制技术出现之前，人们在生产、生活过程中只能采用于动控制方式来达到控制某一对象运动状态的目的。比如，在日常生活中当我们拧开水龙头往一空捅接水时，常常会有这样的生活经验： （1）桶里水很少时，应开大阀门。 （2）桶里的水比较多时，应拧小阀门。 （3）捅中的水快满时，应把阀门拧很小。 （4）桶中的水已满时，要迅速关死阀门。 在以上的手动控制过程中，首先是由人通过眼睛的观察（检测作用）来检测水桶（被控对象

25、）的输出（水位），大脑要经过一系列的推算从而做出正确的决策（控制量），最后由手动来调节阀门的开度大小，使桶里的水（被控对象的输出信号）达到预期的目标，即用最短的时间接满一桶水而又不溢出一滴水。人们就是这样不断地通过检测、判断、调整等一系列动作来完成对生产过程（或生活过程）的手动控制。在这里，眼睛相当于传感器，大脑就是控制器，手则做为执行机构，在最短的时间内接满一桶水且水不溢出则是控制目标。按照控制理论的思想来看待上述过程，上述的接水过程是一个典型液位控制系统，如下图所示。 图2.1 液位的手动控制方法 在上述手动液位控制中，人的控制过程是用语言来加以描述的，表现为一系列条件语句，也就是所谓的语

26、言控制规则。在描述以上控制规则的条件语句中存在一些词，如“很少”、“较多”、“决满”、“大”、“小”等概念均具有一定的模糊性，这些概念没有明显的外延。模糊控制方法模仿人的思维方式和人的控制经验，用电脑代替人脑来实施有效的控制措施。传统的控制理论依赖于被控系统的数学模型，而模糊控制则是依赖于被控系统的物理特性12。物理持性的提取要靠人的直觉和经验，这些物理特性在人脑中是用自然语言来抽象成一系列的概念和规则的，自然语言的重要特点是具有模糊性。人可以根据不精确信息来进行推理而得到有意义的结果。那么我们怎么用机器来模仿这样的过程呢?用于描述的数学工具就是Zadeh提出的模糊集合论，或者说模糊集合论在控

27、制上的应用。这是一种解决复杂系统控制决策的技巧和方法。用这种方法可以把人的经验形式化并引入控制过程，再运用比较严密的数学处理过程，实现模糊推理，进行判断决策，以达到令人满意的控制效果13。在工程实现上，则使用模糊逻辑语言分析方法，且这种语言可以转换为计算机能够接受的算法语言。这种方法有三个特点：第一，它不用数值变量而是用语言变量来描述系统；第二，它是利用附带条件的命题来描述变量之间的关系；第三，它是使用模糊运算法则进行推理14。目前，模糊控制主要还是建立在人的直觉和经验的基础上，这就是说，操作人员对被控系统的了解不是通过精确的数学表达式，而是通过操作人员丰富的实践经验和直观感觉。这种方法可以看

28、成是一组探索式决策规则15。由于人的决策过程本质上就具有模糊性，因此，控制动作并非稳定一致，且有一定的主观性。但是，有经验的模糊控制设计工程师可以通过对操作人员控制动作的观察和与操作人员的交谈讨论，用语言把操作人员的控制策略描述出来，以构成一组用语言表达的定性的决策规则。如果把那些熟练技术工人或者技术人员的实践经验进行总结和形式化描述，用语言表达成一组定性的条件语句和不精确的决策规则，然后利用模糊集合作为工具使其定量化。设计一个控制器，用形式化的人的经验法则模仿人的控制策略，再驱动设备对复杂的工业过程进行控制，这就是模糊控制器。2.4 珀耳帖制冷系统1834年法国J.-C.珀耳帖发现,当两种不

29、同金属连接起来并通以电流时,有一接头吸热，另一接头放热。这种现象后来被称为珀耳帖效应珀耳帖效应长期未能实际应用于制作致冷器,其原因是金属的珀耳帖效应很弱。直到20世纪50年代，对半导体材料的研究进一步深入，人们用N型半导体和P型半导体构成温差电偶,珀耳帖效应远远强于金属电偶从此温差电致冷器逐渐进入实用阶段。（1）珀耳帖制冷系统原理珀耳帖是由 N型半导体和P型半导体构成的温差电偶，用铝片把两个半导体连接起来。电流由N型半导体流向P型半导体时,该接头吸收珀耳帖热，式中-，、分别为P型半导体和N型半导体的温差电动势率,P型半导体的温差电动势率为正，而N型的为负。在另一接头,电流由P型半导体流向N型半

30、导体，有热量释放出来。通过各种散热方式把热端的热量带走，冷端就能保持较低温度。在热平衡条件下，冷端所能达到的温度取决于半导体材料的温差电特性和冷端的热负载以及器件的设计（工作状态、散热条件等）。实际致冷器有最大温差和最大致冷效率两种工作状态。2.12 珀耳帖图（2）珀耳帖控制系统组成实验系统是一个带有珀耳帖设备的铝板温度控制系统，显示于图2.12中。这个实验系统是由珀贴耳驱动部分、串行通信部分接口和计算机组成。珀耳帖驱动部分珀耳帖设备、温度传感器和铝板。珀耳帖设备是用来冷却铝板，温度传感器测量铝板的温度。串行通信是一种沟通个人电脑和微型计算机的接口。控制器放置在个人电脑中，微型计算机负责A/D转换并产生PWM控制信号。图2.13 珀耳帖系统的组成图2.13是珀耳帖驱动过程。珀耳帖设备和温度传感器分别安装铝板的两侧。产生热量的一边是珀耳帖设