基于半导体制冷的电子冰箱设计

1（本科毕业论文（设计）基于半导体制冷的电子冰箱设计系（部）信息工程系专业自动化学号201207022116学生姓名高树荫指导教师王东云提交日期年月日中工信商2014-JX16-2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3AbstractWiththedailylifeneeds,therefrigeratorisdesignedandproduced.Itcanmaintainaconstanttemperatureofrefrigerationequipment.Isalsoakindofcivilianproductsoffoodandothergoodstomaintainaconstanttemperatureofcoldboxbody,compressor.Therefrigeratorisfundamentallylethumansfromthemoldyfood,candecreasethetemperatureandsave,letusenjoythehealthyfoodinthesummer,isnotakindofprogressofscienceandtechnologybringpeople.Ourteamfindthattherefrigeratorisrelativelylarge,highcost,inconvenienttocarrythroughthemarketinvestigationandunderstanding,andwanttodesignabeautifulappearance,lowcost,cancarryasmallrefrigerator.Becauseofthetemperatureintherefrigeratorisaffectedbymanyuncertainfactors,suchastherefrigeratoritemstemperature,thermalcapacityandarticlesfullrate,toopenthedoorofthefrequentdegreeandsoon,itisdifficulttoobtainthemathematicalmodelofthetemperatureabouttherefrigerator.Therefore,itcannotbeaccuratelycontrolledbyusingthetraditionalcontrolmethod.Thispaperusingthefuzzycontroltechnologycanimprovethecontrolaccuracy,matchedwiththeelectronictemperaturedetection,thecompressorworkingstateregulation,toachieveprecisetemperaturecontrolandenergysaving.Throughfrequencycontrolcanmakethefreezertemperaturecontrolmorereasonable.Whenthefreezingchambertocoolingcapacityisrelativelylargewhen,canthroughfrequencyregulation,sothatthemotorrotatesatahighspeed,thecompressorrefrigeration;similarly,whenissmallfreezerrefrigerationcapacity,themotorspeedisslower.Throughthesemiconductorrefrigerationandtherefrigeratingchambertemperaturecontrolismoreprecise.Inthecoldroomneededwhenrefrigerationcanstartsemiconductorrefrigeration,withouthavingtostartthecompressor,sothatontheonehandtoavoidthecompressorfrequentopen,ontheotherhand,savingenergy,butalsotoensurethefreezertemperatureismoreaccurate.Keywordsfuzzycontrolchipofsemiconductorrefrigerator4目录摘要………………………………………………………………………….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………………………………………………………………………3051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6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7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