基于半导体制冷的电子冰箱设计

2023年4月22日发(作者：卫生间洗手台款式图片)

2014-JX16-

中工

信商

（

本科毕业论文（设计）

基于半导体制冷的电子冰箱设计

系 （部）

专 业

学 号 ************

学生姓名

指导教师

提交日期 年 月 日

1

信息工程系

自动化

高树荫

王东云

摘要

随着人们日常生活中的需求提高，冰箱随之制造而生。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

2

Abstract

With 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 humans 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 and

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 frequent 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

electronic 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 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 room 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 semiconductor refrigerator

3

目 录

摘要………………………………………………………………………….2

Abstract…………………………………………………………………….3

目录………………………………………………………………………….4

1绪论……………………………………………………………………….5

1.1研究背景及意义………………………………………………………5

1.2国内外研究现状………………………………………………………5

1.3论文主要研究内容……………………………………………………6

2方案中的关键技术及国内外发展趋势.…………………………………….6

2.1 半导体制冷技术的国内外发展趋势……………………………………6

2.2 半导体制冷的主要特点……………………………………….………8

2.3 模糊控制技术………………………………………………………9

2.4 珀耳帖制冷系统………….………………………………………….11

2.5 整体方案概述………….………………………………………….14

3控制系统的设计………………………………….……………………….15

3.1珀耳帖制冷系统模型…………………………………………………15

3.2单片机调控系统….…………………………………………17

3.3 模糊控制的电子制冷系统……………………………………………23

4.结论……………………………………………………………………….29

参考文献………………………………………………………………………30

4

1 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，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。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

5

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"。"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

6

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的

大小来决定。

Qл=л.I л=aTc

式中：Qπ 为放热或吸热功率

π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

i

7

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：

Qτ=τ.I.△T

Qτ为放热或吸热功率

τ为汤姆逊系数

I为工作电流

△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。

8

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

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

9

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)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。

ii

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，

10

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。物理持性的提取要靠人的

[12]

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。在工程实现上，则使用模糊逻辑语言分析方法，且

[13]

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。这种方法可以看成是一组探索式决策规则。由于人的决策

[15]

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

11

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。

12

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备，它安装了散热器以阻止加热过高。

图2.14 珀耳帖驱动过程

（

（3）应用

与通常使用的压缩机制冷相比，当制冷量较大时，用温差电致冷不但造价高

而且耗电量要大一倍左右。温差电致冷器的优点是：

①不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回

转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装

容易。

②半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，

但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个金属片件就可以代替分立的加热系

统和制冷系统。

③半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的

温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，

便于组成自动控制系统。

④半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空

13

载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

⑤半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温

区发电。

⑥半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的

电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率

可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

⑦半导体制冷片的温差范围，从+90℃到—130℃都可以实现。

主要用途有：

①仪器仪表用的小型致冷器、恒温器，例如光电倍增管、红外探测器和半导

体激光器等用的致冷器，半导体零点仪、露点仪、标准频率振荡器和电子器件用

的恒温器，石油凝点测定仪等。

②医学上的应用有病理切片用的显微切片冷冻台、白内障摘除器、皮肤病冷

冻治疗器、致冷帽等。

③其他还有携带式冷热箱、半导体冰箱、半导体空调器等。大容量温差电致

冷器效率比不上压缩机的效率，原因是半导体致冷材料的品质因数Z还不够大,

而小容量温差电致冷器的各种特性均优于压缩机制冷器。

2.5整体方案概述

经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问题是很有效的。然而，经典

控制理论对于非线性的时变系统难以奏效。无论采用经典控制理论还是现代控制

理论设计一个控制系统，都需要事先知道被控对象精确的数学模型，然后根据数

学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然而，

许多情况况下被控对象的精确数学模型很难建立。

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。

单片机是一种十分特别的集成电路，它不但内部含有控制器、运算器、存储

器，还含有大量的接口部件。这种特点使得它成了一个十分有用的控制器件。单

片机用于执行模糊控制有以下几点：

14

可以接受数字量、模拟量和开关量；

(2)可以输出数字量、模拟量和开关量；

(3)模糊化方便；

(4)反模糊化方便；

(5)模糊推理的执行较容易。

在控制芯片的选择上，市场上有许许多多的嵌入式控制芯片，本设计采用的

是8051单片机，它是市面上常见的嵌入式芯片单它是一种8位的单芯片微控制

器，属于MCS-51单芯片的一种，由英特尔公司于1981年制造[4]。

相比市面上其他单片机，8051市场份额占有率大，产品成熟可靠，在单一

的封装中提供很多功能（包括CPU,RAM,ROM,输入输出，中断，时钟等）有非

常多的周边硬件和软件资源，为我们的硬件结构架设和软件设计提供了非常多的

参考，有利于我完成这次设计，所以我选择它作为核心控制器。

综上所述，我选择80C51单片机作为核心控制器，采用模糊控制方法完成

系统的设计。

3 控制系统的设计

3.1 珀耳帖制冷系统模型

带有珀耳帖设备的铝板热过程的模型如图3.1所示，图中S3是珀耳帖设备，

并且在另一端含有一个测量铝板温度的传感器。本文的建模方法是基于热传导的

傅里叶定律、牛顿冷却定律、热传导定律、珀耳帖热效应定律、温差热传导定律、

焦耳电流放热定律等等。

图3.1 珀耳帖模型

3.1.1 建模用到基础模型

dT

1. 傅里叶热传导定理： 式（3.1）

q



dx

15

(TqT)

2. 牛顿冷却定理： 式（3.2）



0x

3. 比热容定理： 式（3.3）

dQmcdT

J

4. 珀耳帖元件热公式： 式（3.4）

QSTi

p

QKT

5. 热传导公式： 式 (3.5)

2

6. 焦耳定律： 式（3.6）

RiQ

p

3.1.2 建立模型

Q)(2(TTS2SS)

20x123

（1）由铝板中间到两端传导的热量： 式



（3.7）

Q2S(TT)/d

140x1



（2）铝板到空气中对流的热量： 式 （3.8）

1

2

QSTiK(TT)Ri

（3）珀耳帖元件从铝板吸收的热量： 式

3pihlp

2

（3.9）

d(TT)mc

0x

Q

(4)所有消耗的热量： 式

4

dt

（3.10）

QQQQ

4123

由 式

（3.11）

d(TT)mc2S(TT)

0x40x



1

得

STiK(TT)Ri(TT)(2S2SS)

p1hip0x123

2



dt2d

1

式

（3.12）

1

UtSTiK(TTi)Ri



p1hp

2

2

其

上式中，令

Yt=TT



oX

拉氏变换得:

Y(S)1



U(S)

mcS(2S2SS)SS



2S



4

123

d

1

其中，

TT

0h

是外界温度，是传感器温度，吸热端温度， 是放热端

Tx

T

i

温度，是电路中电流的大小， 是铝板的大小，是塞贝克系数，是珀耳

i

dS

10

K

帖热导率， 是珀耳帖电阻，是铝板热导率，空气热传导系数，是空气热

R





c

传导系数，m是铝的质量，、、表示相应的区域。表Ⅰ中铝板热传导的

SSS

123

参数。

16

表3.1 参数列表

由以上参数可得珀耳帖系统的传递函数为：

11

G(S)

729S9.998729S10

式（3.13）

在上面的模型中，T0-Tx定义为过程输出Y( a)(t), 是珀耳帖效应吸热端

STi

1

1

到放热端的热量和，显示的是设备两端不同温度间移动的热量，

K(TT)

h1

Ri

2

2

1

2

RiSTiK(TT)

被定义为控制输出是设备输入电流产生的焦耳热，

0ih1

Ud(t),他是吸收的总热量。从公式中可以清楚的看到，珀耳帖驱动过程是一个非

线性控制模拟系统。输出温度不仅取决于i，也取决于。

i

2

2

3.2单片机调控系统

3.2.1主程序模块

主程序主要包括设置、显示默认调节温度为5℃和进行系统初始化（设定中

断、定时方式等）工作。如图3.1所示：

17

图3.1主程序框图

主程序代码：

ORG 0030H

MAIN: MOV R7, #05H ；上电后默认设定温度5℃

ACALL DISPLAY ；显示默认设定值

MOV TCON, #05H ；跳沿触发方式 将IE清零

MOV TMOD, #02H ；循环定时方式

MOV TH0, 0CEH ；延时100μs

MOV TL0, 0CEH

SETB TR0 ；启动定时

MOV IE, #87H ；开中断

SJMP “$”

3.2.2 温度设定中断子程序

包括“升温”和“降温”两段程序，它们的内容相仿。当手按下“升温”按

键，单片机判断是否大于温度上限8℃，若没超过上限，则将其值升高1℃，调

整为十进制，显示新值。若超过温度上限则返回。升温设置框图如图3.2所示

18

图3.2温度设置程序框图

升温设置程序代码：

ORG 0050H

UP: PUSH A

CJNE R7, #08H, GOUP ；最高为8℃

SJMP UPEND

GOUP: MOV A, R7

ADD A, #01 ；升高1℃

DA A ；调整为十进制

MOV R7, A

ACALL DISPLAY

UPEND: POP A

RETI

降温时，先判断手动设定温度是否超过温度下限，若低于0℃，则返回，反

之，将其值降低1℃。调整为十进制，显示新值。降温设置如图3.3所示：

19

图3.3降温程序框图

降温设置程序代码：

ORG 0060H

DOWN: PUSH A

CJNE R7, #00H, GODOWN ；最低0℃

SJMP DOWNEND

GODOWN: MOV A, R7

CLR C

SUBB A, #01 ；降低1℃

JNB PSW.6, GOON ；调整为十进制

SUBB A,#06

GOON: MOV R7, A

ACALL DISPLAY

DOWNEND: POP A

RETI

3.2.3 温度显示子程序

将2位表示设定温度值的压缩BCD码拆分，查表得到相应的共阳LED码，

分别送往P1、P2口。框图如图3.4所示：

20

图3.4显示子程序框图

ORG 0075H

DISPLAY: MOV DPTR, #LEDTAB ；LED显示码表首

MOV A, #0FH ；取个位

ANL A, R7

MOVC A, @ DPTR+A

MOV P1, A

MOV A, #0F0H ；取十位

ANL A, R7

WAP A

MOV A, @DPTR+A

MOVC P2, A

RET

ORG 0090H

LEDTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H；共阳显示码

DB 92H,82H,0F8H,80H,90H

3.2.4定时中断子程序

定时中断程序模块完成控制系统的核心工作，根据环境温度控制压缩机电

路，主要包括3部分内容。

（1） 读取温度信号值。

（2） 转换为对应的温度值。

（3） 与设定值比较决定压缩机电路状态。

将P0口输入量转化为温度值的方法分析如下：

图ADC0809的基准电压为5V，所以P0口数据值对应的电压

值：

21

V=P/256×5(V)

T0

计算时，取其整数部分：

T=210-[(10×P)/256]

0

定时中断程序框图4.5如下：

图3.5 定时中断子程序框图

ORG 0100H

TIME: PUSH A

SETB P3.1 ；输入数据

SETB P3.0 ；启动下一次模/数转换

MOV P0, #0FFH

MOV A, P0

MOV B, #10 ；转换为温度值，忽略小

MUL AB ；数部分（B）＝[(10×P)/256]

MOV A, #210

CLR C`

SUBB A, B

MOV B, #10 ；转换为BCD压缩码（因

DIV AB A内温度值小于100，故

22

SWAP A 可用程序中的转换方法）

ADD A, B ；（A）=T

CJNE A, R7, CON ；与设定温度比较

CON: JNC STOP

SETB P3.7 ；启动压缩机

SJMP TIMEEND

STOP: CLR P3.7 ；停止压缩机

TIMEEND: POP A

RETI

END

3.3模糊控制的电子制冷技术

模糊控制规则表如表3.1所示。采用上述设计步骤设计模糊控制器，控制

规则为49条，误差e、误差变化率ec均为[-30，,30]，控制输入u的范围为

[-1500,2100]。通过运行showrule(a)，可得到用于描述模糊系统的49条模糊

控制规则。控制器的模糊响应见表3.2。

E NB NM NS ZO PS PM PB

EC

NB NB NB NM NM NS NS ZO

NM NB NM NM NS NS ZO PS

NS NM NB NS NS ZO PS PS

ZO NM NS ZO ZO PS PS PM

PS NS NS PS PS PS PM PM

PM NS ZO PM PM PM PM PB

PB ZO PS PM PM PM PB PB

表3.1 模糊规则表

e -30 -20 -10 0 10 20 30

ec

-30 -1400 -1400 -800 -800 -200 -200 300

-20 -1400 -800 -800 -200 -200 300 900

-10 -800 -800 -200 -200 300 900 900

0 -800 -200 -200 300 900 900 1300

23

10 -200 -200 300 900 900 1300 1300

20 -200 300 900 900 1300 1300 2000

30 300 900 900 1300 1300 2000 2000

表3.2 模糊响应表

在程序中，位置指令的幅值为30的阶跃信号，r(k)=30。采样时间为5s。

运行模糊控制器的仿真程序，得出以下仿真结果结果。如图3.6模糊控制的输出

响应曲线、图3.7模糊控制的误差的响应曲线、图3.8模糊控制的控制量u的响

应曲线、图3.9模糊控制的偏差隶属度函数、图3.10模糊控制的偏差变化率隶

属度函数、图3.11模糊控制的控制量u的隶属度函数、图3.12模糊控制系统构

成、图3.13模糊控制动态仿真环境、图3.14模糊控制动态仿真结果。

图 3.6 模糊控制的输出响应曲线

24

图 3.7模糊控制的误差的响应曲线

25

图3.8 模糊控制的控制量u的响应曲线

图 3.9 模糊控制的偏差隶属度函数

图 3.10 模糊控制的偏差变化率隶属度函数

26

图3.11 模糊控制的控制量u的隶属度函数

27

图3.12 模糊控制系统构成

图3.13模糊控制动态仿真环境

28

图3.14 模糊控制动态仿真结果

有模糊控制仿真结果可以看出，珀耳帖控制系统的调节时间为160s,是一个

相当长的控制时间。当系统达到稳定时，即误差和误差变化率为0时，控制量u

为300。

4 结论

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。

用这种方法实现了对珀耳帖制冷系统的智能控制。

29

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