4               第一章绪言

4.1        1.1 课题背景

电冰箱作为应用较为普及的家用电器,近年来,随着微电子技术、传感器技术以及控制理论的发展,其呈现迅猛发展,电冰箱向大容量、多功能、无氟、节能、智能化、人性化方向发展,因此传统的机械式、简单的电子控制难以满足现代冰箱的发展要求。电冰箱一般设有冷冻室和冷藏室。冷冻室的温度为:- 16～ - 24 ℃。冷藏室的温度为:2～8 ℃。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,因此无法用传统的控制方法实现精确控制,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。

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control),是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年,美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年,英国的E.H.Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器,并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制,在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。

模糊控制实质上是一种非线性控制,从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论,又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是在日本,却得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来,模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步,成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生产和生活的许多方面,例如在家用电器设备中有模糊电冰箱、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。

4.2        1.2 本课题的任务和要求

单片机又称微控制器,或称嵌入式控制器。而现在的智能家电无一例外是采用微控制器来实现的,所以家用电器是单片机应用最多的领域之一。它是家用电器实现智能化的心脏和大脑。

    由于家用电器体积小,故要求其控制器体积更小以便能嵌入其结构之中。而家用电器品种多,功能差异也大,所以又要求其控制器有灵活的控制功能。单片机以微小的体积和编程的灵活性而产生多种控制功能,完全可以满足家用电器的需求。

    单片机主要用于计算机外设、实时控制、仪器仪表、通信和家用电器等各个领域,是计算机技术和电子技术的综合性应用,在不同应用场合其技术要求各不相同,因此设计方法和研制的步骤不完全一样。

单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指MCU、存储器、I/O接口和外设等物理器件的有机组合。软件是指系统监控程序的总称。在开发的过程中,它们的设计不能完全分开,二者需要互相配合、不断调整才能组成高性能的应用系统。单片机应用系统的开发包括系统总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试等几个阶段,它们有时交叉进行。

一、设计任务

（1）系统总体设计任务

    在进行系统设计之前,首先应根据对系统的功能要求及其应用环境等确定合理的、具体的功能和技术指标,对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性、以及成本等进行综合考虑,以尽量合理并符合相应的标准。然后根据市场上各种单片机的货源情况和单片机的性能及开发工具等因素选择合适的机型。接下来要根据系统中可能遇到的传感器、模拟电路、I/O接口、存储器和显示器等器件和设备进行器件选择,使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后确定硬件和软件的功能划分。由于在系统设计中某些功能用硬件和软件都能实现,在设计中应综合考虑研制周期和成本等因素具体划分软硬件功能。

（2）系统硬件设计任务

硬件设计的任务是根据总体要求,在所选的MCU和各个元器件型号的基础上设计出系统的电路原理图,做一些必要的不见实验,以及工艺结构的设计加工,印刷电路板的设计制作和样机的组装等。在硬件设计中,需要考虑系统总线的负载能力、系统扩展时的片选方式、模拟电路的速度和精度等,如需扩展存储器则尽量用一片完成,这样既降低了成本,又减小了线路板的面积,同时提高了系统的可靠性。

（3）系统软件设计任务

单片机应用系统的软件设计是系统设计中最基本而且工作量较大的任务。与系统机上操作系统支持下的纯软件不同,单片机的软件设计是在裸机的条件下进行的,而且随应用系统的不同而不同。在软件中一般需考虑以下几个方面：

1）根据要求确定软件的具体任务细节,然后确定合理的软件结构。一般系统软件的主程序和若干个子程序及中断服务程序组成,详细划分主程序、子程序和中断服务程序的具体任务,确定各个中断的优先级。主程序是一个顺序执行的无限循环的程序,不停地顺序查询各种软件标志,以完成对事务的处理。在子程序和中断服务程序中,要考虑现场的保护和恢复,以及它们和主程序之间的信息交换方法。

2）程序的结构用模块化结构,即把监控程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块分别设计,以便于调试。具体设计时可采用自底向上或自顶向下的方法。

3）在进行程序设计时,先根据问题的定义描述出各个输入变量和输出变量之间的数学关系,即建立数学模型,然后绘制流程图,再根据流程图用汇编语言进行具体程序的编写。

4）在程序设计完成后,利用相应的开发工具和软件进行程序的汇编,生成程序的机器码。

（4）系统的调试任务

    在系统样机的组装和软件设计完成以后,就进入系统的调试阶段。应用系统的调试步骤和方法是相同的,但具体细节与采用的开发系统（即仿真器）及选用的单片机型号有关。调试的过程就是软硬件的查错过程,分为硬件调试和软件调试。

1）硬件调试

单片机应用系统的软硬件调试是分不开的,通常是先排除明显的硬件故障后再和软件结合起来进行调试。常见的硬件故障有逻辑错误、元器件失效、可靠性差和电源故障等。在进行硬件调试时先进行静态调试,用万用表等工具在样机加电前根据原理图和装配图仔细检查线路,核对元器件的型号、规格和安装是否正确。然后加电检查各点电位是否正常。接下来再借助仿真器进行联机调试,分别测试扩展的RAM、I/O口、I/O设备、程序存储器以及晶振和复位电路,改正其中的错误。

2）软件调试

软件调试就是检查系统软件中的错误。常见的软件错误有程序失控、中断错误（不响应中断或循环响应中断）、输入/输出错误和处理结果错误等类型。要把各个程序模块分别进行调试,调试通过后再组合到一起进行综合调试,达到预定的功能技术指标后即可将软件固化。系统的调试过程要结合具体的仿真器进行。

二、系统设计要求

针对电冰箱的冷冻室和冷藏室温度控制,常采用双温单控和双温双控的方法。本系统采用双温双控分别对冷冻室、冷藏室实行模糊控制本控制器选择了三星单片机系列中的1 种8 位单片机KS86C4208 ,构成控制器的核心,它在30 脚的封装内集成了下列功能:片内8 KB OTP 程序存储器、片内256 字节RAM、4 个可编程I/ O 口、2 个8 位定时/ 计数器、12 个10 位A/ D 转换器、2 个12 位PWM输出、一个IIC BUS 接口、一个串行I/ O 口和一个具有9 个中断源的中断系统.

1   电冰箱温度自动调节功能

   该功能是电冰箱应具备的主要功能.电冰箱设有冷冻室和冷藏室,冷冻室的温度为- 16～ - 24 ℃。冷藏室的温度为：:2～8 ℃;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

    传感器的选择,与温度自动调节功能的实现根据设计要求(需测量冷冻室,冷藏室及室外温

度）但对测温精度要求不高,因而可选用价格便宜,性能可靠,互换性好,寿命长的热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻经简单的电路转化成电信号并放大后,可直接连到单片机;转换器的模拟信号输出端内部,含采样保持器经转换后的数据与设定温度相比较。根据比较结果再对压缩机控制电路进行控制,使温度控制在各自恰当的范围内压缩机控制.

2   电源过欠压保护功能

  为了使电冰箱安全可靠地运行,要求其电源电压在设计值之间.因此当电源电压小于设计值或大于时压缩机应自动停机并报警显示电冰箱的过欠压保护电路是在电源变压器设计时就考虑到的,在变压器设计时从变压器的次极可另外绕一组线圈,经整流滤波后的电压接入单片机的输入端,当电源电压变化时,此电压将随之变化。单片机把测到的电压与过欠压值相比较。当发现有过欠压现象时,将通过压缩机控制电路切断压缩机电源并报警,达到保护压缩机的效果.

3    压缩机开启延时功能

该功能要求压缩机停机时间超过5分钟才能启动,以延长压缩机的寿命,这就要求在每次电冰箱上电时,都要检查压缩机停机是否到5分钟。若未达到需延时到5分钟后才能启动,因此在设计时应有判断与延时功能。

按功能要求,电冰箱无论是自动停机还是强制停机。为了延长压缩机的寿命,都要延时5分钟后压缩机才能启动。即在每次接通压缩机时,单片机计时,利用单片机将计数值保存在软件设计时,每次上电都要检查此数据是否到5分钟。若时间不到,延时后才能接通压缩机

   4   故障自检报警功能

该功能要求在电冰箱运行过程中,不断诊断电冰箱的运行状态。当发现严重故障时,电冰箱停机并报警显示报警电路是用较大众化的电路完成的。既利用一个三极管驱动器蜂鸣器来实现.

4.3        1.3系统解决的问题和拟采用的研究手段

本文研究的主要内容是模糊控制的仿真及其应用在冰箱的制冷控制,冷冻室和冷藏室目标温度的模糊控制之中,以实现最佳温控。由于电冰箱内部的温度变化不仅与食物的种类,数量及热容量有关,还与用户使用习惯（开冰箱门的时间和频繁程度）周围的环境温度与通风条件等等因素有关,这是多变量,高度非线性变化过程,难以建立较准确的控制数学模型。只有应用模糊控制技术,采用高性能低价格的单片机,才是实现冰箱节能省电的较好途径。针对这一问题,本设计将模糊控制基本理论应用于电冰箱的制冷过程,以达到节能和智能化的目的。

研究方法：

1 收集资料,参与讨论系统的设计方案

2 设计冷冻室的模糊温度控制系统

3 设计冷藏室的模糊温度控制系统

4 冷冻室,冷藏室控制规则及模糊量

5 进行冷冻室,冷藏室的系统仿真

6 完成论文撰写及毕业设计规范要求的各项任务

7 用MATLAB软件来仿真

5               第二章 系统的总体设计

5.1        2.1核心单元电路

随着家用电冰箱的普及,人们对电冰箱的控制功能要求越来越高,这对电冰箱控制器提出了更高的要求,多功能、智能化是其发展方向之一,传统的机械式、简单的电子控制已经难以满足发展要求。本文介绍了采用,三星单片机系列中的1 种8 位单片机KS86C4208 ,构成控制器的核心,它对电冰箱的工作过程进行控制过程. 控制器的电路原理图,如图1 所示。8位单片的CMOS单片机.

                        图1 系统硬件电路原理图

一： 检测电路构成

电冰箱的检测是影响电冰箱性能的主要因素,它包括被控温度检测、电源电压检测和门状态检测。

1. 1 温度检测

电冰箱的温度检测包括冷冻室、冷藏室、蒸发器和环境温度测量。温度传感器采用精度高、性能可靠、寿命长、价格低廉的热敏电阻,配3 只电阻构成如图1 所示的简单测温电路,由传感器和电阻分压构成可靠的取样信号,信号无需放大,直接送给单片机A/ D 转换接口,由软件实现线性化和数字滤波。测温精度在宽范围内: - 50～ + 50 ℃,达到0. 5 ℃。

1. 2 电冰箱断电时间检测电路

为了克服传统的电子温控冰箱的控制器重新上电,无论压缩机断电时间是否已超过5min ,都需要再延迟5min 后,才能启动压缩机的缺陷。根据电容充放电延迟的特性,通过单片机对上电瞬时电容上的电压采集,就可确定电冰箱停电(压缩机停机) 是否已超过5min。

1. 3 电源电路与过欠压检测

电源电路与过欠压检测电路由变压器,整流桥、滤波电路、压敏电阻、集成稳压器构成。

二： 电冰箱控制输出电路

电冰箱控制电路包括压缩机控制电路、电磁阀控制电路、电加热丝控制电路、门灯控制电路,它们的结构类似,通过单片机的输出口线驱动相应的继电器,控制不同的控制执行部件。

三：  模糊控制器的设计

目前,电冰箱正向大容量、多门无氟、准确控温保鲜等方向发展。为了实现各室的准确控温,本设计控制温度的手段采用模糊制技术控制压缩机的开停、电磁阀的得失电和循环风机的开停等。模糊控制器的设计,包括:制冷的工作状态、输入变量的选择、取值范围的确定、输入输出变量隶属度函数的类别、模糊推理规则和算法的确定等

3. 1 模糊控制的构成

冰箱的作用是保持食品的低温存储,仅仅保持冰箱的室温是不够的,高性能的冰箱要有自动检测食品温度的功能,以此来确定工况,控制压缩机的开停、电磁阀的得失电和循环风机的开停等,确保不出现过冷现象。模糊控制器的框图,如图2 所示。

图2 模糊控制器的框图

3. 2 食品温度初判

考虑到控制精度和简化程序的要求,定义冷冻室温度Td0 [2 , - 24 ] 和冷藏室温度Tc0 [1 ,10 ] ,以冷冻室为例模糊化子集分为低(L) 、中(M) 、高(H) 3挡。冷冻室温度变化率d Td0/ d t 的论域为[ - 5 ,5 ] ,模糊子集定义为小(S) 、中(M) 、高(H) 3 挡, 冷冻室食品温度Td1 的初判的论域为[ - 18 ,20 ] , 模糊子集定义为低(L) 、中(M) 、高(H) 3 挡, 模糊化推理表如表1。

3. 3 食品温度的修正

食品温度的修正是根据门状态检测和环境温度检测,由模糊推理得到修正系数模糊化推理表如表2 所示。

  3. 4 模糊控制决策确定

食品温度初判值与修正系数通过乘法器运算后,得到温度推论值, 同时通过微分运算, 得到食品的温度变化率,将它们作为制冷工况模糊推理的输入变量,通过模糊推理得到制冷的控制决策。以冷冻室为例模糊化子集分为低(L) 、中(M) 、高(H) 3 挡。冷冻室温度的推论的论域为[2 , - 24 ] , 冷冻室温度变化率d Td/ d t 的论域为[ - 5 ,5 ] , 其输出变量为( PB) 、( PS) 、( ZO) 、( NS) 、( NB) , 对应控制压缩机的开、停,风机的转速和电磁阀的得

四    系统软件设计

本系统软件由主程序、中断服务程序和多个子程序组成,主程序流程图,包括初始化程序和主循环程序如图3 所示。压缩机控制及保护子程序,如图4 所示。

图3 主程序流程图

图4 压缩机控制及保护子程序

 五：    模拟软件调试

单片机的程序设计调试分为两种,一种是使用软件模拟调试,意思就是用开发单片机程序的计算机去模拟单片机的指令执行,并虚拟单片机片内资源,从而实现调试的目的,但是软件调试存在一些问题,如计算机本身是多任务系统,划分执行时间片是由操作系统本身完成的,无法得到控制,这样就无法时时的模拟单片机的执行时序,也就是说,不可能像真正的单片机运行环境那样执行的指令在同样一个时间能完成（往往要完成的比单片机慢）。为了解决软件调试的问题,第二种是硬件调试,硬件调试其实也需要计算机软件的配合,大致过程是这样的：计算机软件把编译好的程序通过串行口、并行口或者USB口传输到硬件调试设备中（这个设备叫仿真器）,仿真器仿真全部的单片机资源（所有的单片机接口,并且有真实的引脚输出）,仿真器可以接入实际的电路中,然后与单片机一样执行。同时,仿真器也会返回单片机内部内存与时序等情况给计算机的辅助软件,这样就可以在软件里看到真实的执行情况。不仅如此,还可以通过计算机断的软件实现单步、全速、运行到光标的常规调试手段。总结一下两者的不同与相同：

相同点：

1：都可以检测单片机执行时序下的片内资源情况（如R0-R7 、PC计数器等）

2：可以实现断点、全速、单步、运行到光标等常规调试手段。

不同点：

1：软件调试无法实现直接连接硬件电路的调试,只能通过软件窗口虚拟硬件端口的电平输出情况而仿真器可以实现与单片机一样的功能的硬件连接,从某种意义上说这个时候仿真器就是一个单片机。

2：软件调试执行单片机指令的时间无法与真实的单片机执行时间画上等号,也就是说如果一个程序在单片机中要执行300us,可能在计算机中执行的时间可能会比这个长很多,而且无法预料。仿真器则是完全与单片机相同。

3：软件调试只能是一种初步的,小型工程的调试,比如一个只有几百上千行的代码的程序,软件调试能很好的完成,如果是一个协调系统,可能还需要借助几个单片机仿真器和相关的仪器才能解决。

    MATLAB是将计算、可视化、程序设计融合在一起的功能强大的平台,其在科学计算、工程设计和系统仿真中运用很广泛.电力系统仿真是将电力系统的模型化、数学化来模拟实际的电力系统的运行,由于电力系统是个复杂的系统,运行方式也十分复杂,因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大,也不直观.MATLAB的出现给电力系统仿真带来了新的方法和手段.通过MATLAB的POWERSYSTEMBLOCK对避雷器在有电抗器补偿的电力系统中的应用进行仿真,从而说明其在电力系统仿真中的运用.

要用MATLAB 6,首先必须在计算机上安装MATLAB 6应用软件,随着软件功能的不断完善,MATLAB对计算机系统配置的要求越来越高。下面给出安装和运行MATLAB 6 所需要的计算机系统配置。

◆ MATLAB 6对硬件的要求

CPU要求：Pentium II、Pentium III、AMD Athlon或者更高；

光驱：8倍速以上；

内存：至少64MB,但推荐128MB以上；

硬盘：视安装方式不同要求不统一,但至少留1GB用于安装（安装后未必有1GB）；

显卡：8位；

◆ MATLAB 6对软件的要求

Windows95 、Window98、Windows NT或Windows2000；

Word97或word2000等,用于使用MATLAB Notebook；

Adobe Acrobat Reader 用于阅读MATLAB的PDF的帮助信息。

MATLAB 6的安装和其它应用软件类似,可按照安装向导进行安装,这里不再赘述。

2.2 MATLAB的启动和退出

与常规的应用软件相同,MATLAB的启动也有多种方式,首先常用的方法就是双击桌面的MATLAB图标,也可以在开始菜单的程序选项中选择MATLAB组件中的快捷方式,当然也可以在MATLAB的安装路径的子目录中选择可执行文件“MATLAB.exe”。

启动MATLAB后,将打开一个MATLAB的欢迎界面,随后打开MATLAB的桌面系统（Desktop）如图2-1所示。

    图1 MATLAB的桌面系统