臺灣博碩士論文加值系統

本論文之研究是以一台現有的熱泵熱風機組進行調整及改善，使用模糊控制理論應用於熱風機組，並應用體感溫度使室溫控制更接近人體的真實感受。機組依照個人對溫度的高低習性，參考機組運轉當下室溫、濕度以及個人需求的目標室溫，調整熱風機組輸出最合適的溫度，如此可避免熱風機組長時間維持高溫輸出下所造成的不必要耗電，且提高機組之使用效能，利用調整風扇的開啟與關閉，達到控制壓縮機電流的效果，進而控制整體機組的輸出熱能高低，使壓縮機為非變頻式壓縮機的前提搭配理論，令機組擁有更高的使用效率與較低的耗能。本論文使用之微控制器具備價格低廉與功能完備之優點，並搭配計時器、溫度感測元件、電流量測IC等元件，使熱風機控制功能更加完善。在不同情況下測試，紀錄並分析實驗數據，設計出能夠在長時間穩定運轉下維持室溫與節省能源的熱風機控制系統。

The research of this thesis is in the frame of an existing heat-pump heater to make adjustments and improvements. Fuzzy theory, apparent temperature and room temperature are applied to heat-pump heater, which considers the level of personal habits temperature and makes temperature closer to what people really feel. To consult the surrounding temperature, humidity and target temperature makes the system output most suitable temperature, so heater can avoid extra power consumption from maintaining high output temperature, improving the efficiency of the heater. Use the fan period on and off to control the current of compressor and heat output of heat-pump heater. Premise for non-inverter compressor with theory will make the heater more efficient and less power consumption. Microcontroller used by this thesis is cheap and functional integrity, so we use it with timer, temperature detection, current detection and other functions to make heater control system more integrity. After testing a variety of situations, and to record and analyze the experimental data, we have designed a heat-pump heater control system which is steady and power saving for a long time operation.

目　錄

中文摘要..............................................................................................................i
英文摘要Abstract…………………………………………………………………..ii
誌謝............................................................................................................................iii
目錄..........................................................................................................................iv
表目錄........................................................................................................................vi
圖目錄........................................................................................................................vii
第一章　緒論................................................................................................................1
1.1　研究背景與動機…….…..…………………………………………1
1.2　研究目的….…..……………………………………………………2
1.3　研究方法……………………………………………………………3
1.4 論文架構……………………………………………………………4
1.5 文獻回顧……………………………………………………………5
第二章　熱泵系統及熱風機.................................................................................6
2.1 熱泵系統..…………………………………………………..…………6
2.1.1 前言……………………………………………………………..6
2.1.2 冷凍原理……………………...………………………………...6
2.1.3 冷媒循環原理……………………...…………………………...8
2.2熱風機介紹………………………………………………………13
2.3熱風機結構……………………………………………………..15
2.4 熱風機製熱原理…………………………………………………18
2.4.1 潛熱與顯熱……………………………………………………18
2.4.2 壓力與相變溫度………………………..……………………..19
2.4.3 柏努利定律………………………………..…………………..20
2.4.4熱風機熱能循環…………….……………..………………….21
第三章 微控制器及週邊電路..................................................................................22
3.1微控制器簡介…………………………………………………..22
3.2微控制器應用於熱風機……………………………………….27
3.2.1 前言………………………...………………………………….27
3.2.2 溫度量測………………………………………………………30
3.2.3電流量測……………………………………………………….31
3.2.4 濕度量測…..…………………….…………………………….32
3.2.5 LCD顯示器..……………...…………………………………33
3.3 濕度……………………………………………………………34
3.3.1絕對濕度與相對濕度……...…….…………………………….34
3.3.2濕度與溫度的關係…………….……………………………….35
3.3.3 體感溫度……..………………..………………………………36
3.4程式邏輯與流程……………………………………………………37
第四章 模糊控制理論..............................................................................................40
4.1模糊理論介紹…………………………………………………..40
4.1.1 前言…………………………………………………………..40
4.1.2 模糊理論基本原理…………………………………………..42
4.1.3 模糊集合運算………………………………………………..44
4.2模糊控制系統…………………………………………………..47
4.2.1 模糊化………………………………………………………..47
4.2.2 模糊規則……………………………………………………..50
4.2.3 推論引擎……….……………………………………………..53
4.2.4 解模糊化……………………………………………………..56
4.3模糊理論應用於熱風機組之設計……………………………….57
4.3.1 前言…………………………………………………………..57
4.3.2 模糊控制系統設計…………………………………………..58
第五章　實驗結果與量測..........................................................................................65
5.1實測環境…………………………………………………………..66
5.2實測結果與分析…………………………………………………..67
5.2.1 滿載運轉模式…………………………………………………67
5.2.2 模糊運轉模式…………………………………………………68
5.2.3 體感溫度運轉模式……………………………………………70
5.3測試結論………………………………………………………..77
第六章　結論與未來研究方向..................................................................................79
6.1結論………………………………………………………………..79
6.2未來研究方向……………………………………………………..80
參考文獻……………………………………………………………………………..81、表目錄

表3.2 控制板重要零件及功能……………………………………………………..29
表3.3 AMT1001技術規格…………………………………………………………..60
表4.1 模糊規則表…………………………………………………………………..60
表4.2 模糊規則與歸屬度表………………………………………………………..64、圖目錄

圖2.1 冷凍循環應用於冷凍機……………………………………………………...7
圖2.2 冷凍循環應用於熱泵機……………………………………………………...7
圖2.3 熱泵系統運作及冷媒變化圖………………………………………………...8
圖2.4 旋轉式壓縮機………………………………………………………………...9
圖2.5 冷凝器………………………………………..……………………………10
圖2.6 膨脹閥……………………………………………………………………….11
圖2.7 蒸發器……………………………………………………………………….12
圖2.8 熱風機組前視圖…………………………………………………………….13
圖2.9 熱風機組俯視圖…………………………………………………………….14
圖2.10 壓縮機……………………………………………………………………….15
圖2.11 熱互補銅管示意圖………………………………………………………….16
圖2.12 熱互補銅管………………………………………………………………….16
圖2.13 冷凝器示意圖……………………………………………………………….17
圖2.14 冷凝器……………………………………………………………………….17
圖2.15 加熱過程相變與潛熱變化………………………………………………….18
圖2.16 大氣壓力與相變溫度……………………………………………………….19
圖2.17 流體示意圖………………………………………………………………….20
圖2.18 熱能循環及溫度變化圖…………………………………………………….21
圖3.1 MCU結構...................................................................................................22
圖3.2 CPU工作原理……………………………………………………………….23
圖3.3 PIC16F1939...……………………………………………………………….27
圖3.4 控制線路架構……………………………………………………………….28
圖3.5 控制板外觀………………………………………………………………….29
圖3.6 ACS712-30A電流電壓轉換特性曲線…..………………………………….31
圖3.7 AMT1001電壓濕度轉換關係…...………………………………………….32
圖3.8 LCD顯示器………………………………………………………………….33
圖3.9 LCD顯示原理……………………………………………………………….33
圖3.10 濕度與溫度的關係…..……..……………………………………………….35
圖3.11 滿載運轉模式流程…..………..…………………………………………….38
圖3.12 模糊控制模式流程………………………………………………………….39
圖4.1 模糊理論分類……………………………………………………………….40
圖4.2 明確集合示意圖…………………………………………………………….42
圖4.3 模糊集合示意圖…………………………………………………………….43
圖4.4 模糊集合降冪計算………………………………………………………….44
圖4.5 模糊集合和運算…………………………………………………………….45
圖4.6 模糊集合積運算…………………………………………………………….46
圖4.7 模糊控制系統……………………………………………………………….47
圖4.8 明確集合…………………………………………………………………….48
圖4.9 模糊集合…………………………………………………………………….48
圖4.10 三角形歸屬函數…………………………………………………………….49
圖4.11 梯形歸屬函數……………………………………………………………….49
圖4.12 吊鐘形歸屬函數…………………………………………………………….49
圖4.13 語意式模糊規則…………………………………………………………….50
圖4.14 函數式模糊規則…………………………………………………………….51
圖4.15 Tsukamoto模糊規則...…………………………………………………….52
圖4.16 最大-最小推論引擎..……………………………………………………….54
圖4.17 最大乘積推論引擎………………………………………………………….55
圖4.18 應用模糊系統控制熱風機組流程圖........................................................58
圖4.19 目標溫度之歸屬函數……………………………………………………….59
圖4.20 體感溫度之歸屬函數……………………………………………………….59
圖4.21 輸出熱源之集合…………………………………………………………….61
圖4.22 目標溫度模糊化…………………………………………………………….62
圖4.23 體感溫度模糊化……....…………………………………………………….62
圖4.24 輸出熱源..……………..…………………………………………………….64
圖5.1 滿載運轉模式額定輸出實測……………………………………………….67
圖5.2 模糊運轉模式最大輸出實測……………………………………………….68
圖5.3 模糊運轉模式啟動初期溫度變化………………………………………….68
圖5.4 模糊運轉模式室溫變化…………………………………………………….69
圖5.5 室溫與體感溫度比較……………………………………………………….70
圖5.6 案例一溫度變化…………………………………………………………….71
圖5.7 案例一室溫與體感溫度變化……………………………………………….71
圖5.8 案例一濕度變化…………………………………………………………….71
圖5.9 案例二溫度變化…………………………………………………………….73
圖5.10 案例二室溫與體感溫度變化……………….………………………………73
圖5.11 案例二濕度變化…………………………………………………………….73
圖5.12 案例三溫度變化…………………………………………………………….75
圖5.13 案例三室溫與體感溫度變化……………….………………………………75
圖5.14 案例三濕度變化…………………………………………………………….75
圖5.15 熱風機組初期耗電量……………………………………………………….78

參考文獻
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[25]吳一農，「應用模糊控制理論於熱泵熱水器系統之研製」，國立中山大學電機工程學系，碩士論文，2008年。
[26]模糊集合運算，https://goo.gl/Ef6lD9。
[27]Tsukamoto模糊規則，https://goo.gl/iejO71。