一款智能冰箱控制器的原理及應用

羅國瑞

（廈門華聯電子有限公司，福建 廈門 361000）

工作原理：

隨著人們生活水平的提高，科技的發展，電冰箱已經成為每個家庭必備的家用電器。人們對電冰箱的分類越來越細，儲存食物的要求越來越高，每個間室的溫度需要獨立調節，且溫度精確的要求越來越高、節能降噪也有新的要求。

該產品采用高性價比的富士通單片機實現對變頻壓縮機，電磁閥、加熱器、風扇、風門步進電機等外部設備進行控制，采用10位AD對箱體進行溫度傳感器采集，實現精確溫度控制；采用獨特的制冷方式：冷藏室采用保鮮效果好且耗電量較低的直冷式控制方式，變溫、冷凍室采用無需除霜、干凈清爽、制冷均勻達到精確控溫效果的風冷控制方式，從而實現物品輕松分類存儲，生熟分開；可實現超大寬幅變溫，還可單獨關閉，節省能耗。在風道中內置了紫外光催化裝置，通過控制此裝置的開啟，能夠實現主動殺菌；通過軟件控制可實現自動運行模式、冷藏關閉、左冷凍關閉、速凍、殺菌；還有便于生產維修的自檢程序、聲光報警提示等多種功能。主控板和顯示板連接采用雙機通訊方式連接，減少了通訊線線束，降低成本；人機數據交換操作采用彈簧為電極、玻璃為介質的非接觸電容式感應按鍵技術；顯示界面采用長壽命的白色LED模塊顯示；箱體照明采用弱電控制的白色LED燈組，降低了功耗。軟件配備了便于生產維修展示的上電運行程序、故障運行程序、硬件自檢程序、維修程序、參數設定程序、商場演示程序。

1 控制芯片的選擇：

主控制芯片的選擇是微電腦控制器的關鍵：要兼顧性能、價格、品質等諸多方面。該控制器輸入及負載輸出多達30個，芯片需要使用6路A/D采集，2路PWM輸出，3路外部中斷，2路16位定時器，1組串口通訊，其余為普通I/ O口，根據以上功能，選擇性價比高的富士通微處理器 MB95F698KPMC1-GSNE2。顯示板芯片需要滿足具有32個I/O口，其中需要1路A/D采集，1路PWM輸出，1組串口通訊，考慮成本及通用性，選擇性價比高的富士通微處理器 MB95F698KPMC1-G-SNE2。

2 電源電路設計：

圖1

該控制器直流負載多，12V電壓最大負載電流高達達1.5A，電源能量供應如果采用線性變壓器，則變壓器的價格高，體積大，重量大，裝在印制板上在運輸過程容易損壞，也不利用冰箱上安裝，為克服以上缺點，本系統選擇PI生產的TOP264EG開關電源方案（如圖1），為了克服大負載工作時電壓波動及降低待機功耗，采用隔離方式的2路獨立電源，一路5V給單片機工作，一路12V給繼電器及大電流給直流負載工作。根據功率要求，它具有在寬電壓85-265VAC輸入電壓及密閉環境下，輸出功率達到20W；具有良好的抵抗輸入浪涌的能力、自動重啟動電路在短路、開環的故障情況下，安全地限制了輸出功率，更加適合于廣泛地區的供電環境。

3 過零信號采集電路設計：

在線性變壓器設計時，過零信號采集電路設計比較簡單，因變壓器初級和次級波形頻率相同，只要從變壓器次級線圈采集，不需要強弱電隔離處理，但開關電源設計就比較麻煩，因強弱電沒有相同的波形頻率，要采集過零信號還必須從強電中采集，傳統的設計是電源采用一個二極管單向整流，通過功率電阻分壓限流驅動光耦，通過光耦輸出信號給單片機來判斷，應光耦驅動電流大，需幾個毫安才能溫度輸出，損耗功率大，無法滿足待機功耗要求。本方案采用低電流導通的三極管驅動光耦，光耦電源采用開關電源輔助電源驅動，大大降低了功耗。通過光耦輸出信號給單片機來判斷電源過零時刻。

4 風門步進電機控制電路設計

在風冷冰箱上，都會有一個風門步進電機電路設計，當然，采用專用集成芯片控制實現簡單，但價格高，為了使整體價格滿足客戶要求，因該風門步進電機沒有中間抽頭，風門步進電機的正轉和反轉控制復雜，需要控制電源換極，該系統采用八個三極管的對管設計，通常設計會采用4個IO口來控制風門步進電機的正轉和反轉，但該方案存在風門未工作時線圈有電流，浪費功率且單片機IO口數量多，本方案采用3個IO口控制，其中2路I/O口控制風門邏輯，1路控制地導通，輕松實現了風門步進電機的正轉和反轉控制。價格低，性能穩定（如圖1）。

5 人機操作顯示設計：

傳統冰箱控制器人機數據交換主要有：輕觸按鍵、薄膜按鍵兩種方式。輕觸按鍵的缺點在于直接彈片受力，壽命有限，防水性差；薄膜按鍵開關是由柔性絕緣材料層和導電材料層組合而成的一種密封多層結構非自鎖按鍵開關，防水性好，但壽命有限；并且以上兩種安裝方式為嵌入在箱體外，整體外觀差，該控制器克服了以上缺點，采用電容式感應按鍵技術，電極采用螺旋式彈簧，配備整體玻璃門，具有整體外觀美觀，防水性好，壽命長。

傳統的顯示方式有：LED指示燈、數碼管、液晶屏。LED指示燈、數碼管方案成本較低但顯示效果單調，功能不直觀；液晶屏顯示效果豐富，但成本較高，本方案綜合了成本和顯示效果的因素，采用白色LED模塊顯示。

6 箱體照明燈設計：

傳統的冰箱門燈使用燈泡和白色LED發光二極管燈條兩種方案。燈泡方案是通過機械式門開關按鍵控制燈泡得電點亮，該方案在電源電壓波動較大的區域容易燒壞燈泡，且不節能。白色LED發光二極管燈條方案是通過12V低壓供電，由單片機控制點亮，該方案節能，但出光效果不均勻。本方案采用白色LED發光二極管通過導光板顯示，顯示效果均勻，美觀大方，且節能環保。

7 傳感器采集電路設計：

主控板通過溫度傳感器進行溫度采樣，顯示板通過環溫傳感器采集環境溫度，通過硬件π形濾波與軟件算術平均濾波，有效地抑制高頻干擾，達到準確測溫，溫度值最高精度可達0.1℃，為冰霜的高精度控制提供了保證。

8 變頻壓縮機控制電路設計：

該系統為大冰箱制冷設計，如果采用普通壓縮機無法達到預期的制冷效果，且功耗較大。本系統采用變頻壓縮機，變頻控制器采用壓縮機自帶的控制板，通過溫度傳感器采集箱體溫度，由單片機輸出合適的頻率信號，控制壓縮機轉速，達到較好的制冷效果。

9 獨特的制冷模式設計：

目前冰箱行業微電腦控制器冰箱主要生產風冷冰箱和直冷冰箱為主，它們都具有優缺點，本智能冰箱控制器兼顧了兩者的優點，采用一種風冷、直冷相結合的控制模式。冷藏室采用保鮮效果好且耗電量較低的直冷式控制方式，變溫、冷凍室采用無需除霜、干凈清爽、制冷均勻達到精確控溫效果的風冷控制方式，從而實現物品輕松分類存儲，生熟分開；可實現超大寬幅變溫，還可單獨關閉，節省能耗。

結語

本智能冰箱控制器采用一種風冷、直冷相結合的控制模式，冷藏室采用保鮮效果好且耗電量較低的直冷式控制方式，變溫、冷凍室采用無需除霜、干凈清爽、制冷均勻達到精確控溫效果的風冷控制方式。具有精確控溫、自動化霜功能；采用變頻壓縮機制冷，功耗低；目前該方案已經批量生產，性能穩定、環保節能。

[1]Paul R.Gray.模擬集成電路的分析與設計[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]胡漢才.單片機原理及系統設計[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1997.

[4]馬愛文.數字電路簡明教程[M].北京：電子工業出版社，2003.

[5]童詩白，華成英《模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社， 2002.

[6]8-bit Microcontrollers New 8FX MB95690K Series FUJITSU SEMICONDUCTOR DATA SHEET.