一款智能冰箱控制器的原理及應(yīng)用

羅國(guó)瑞

（廈門華聯(lián)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(fā)展，電冰箱已經(jīng)成為每個(gè)家庭必備的家用電器。人們對(duì)電冰箱的分類越來(lái)越細(xì)，儲(chǔ)存食物的要求越來(lái)越高，每個(gè)間室的溫度需要獨(dú)立調(diào)節(jié)，且溫度精確的要求越來(lái)越高、節(jié)能降噪也有新的要求。

該產(chǎn)品采用高性價(jià)比的富士通單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻壓縮機(jī)，電磁閥、加熱器、風(fēng)扇、風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行控制，采用10位AD對(duì)箱體進(jìn)行溫度傳感器采集，實(shí)現(xiàn)精確溫度控制；采用獨(dú)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(wú)需除霜、干凈清爽、制冷均勻達(dá)到精確控溫效果的風(fēng)冷控制方式，從而實(shí)現(xiàn)物品輕松分類存儲(chǔ)，生熟分開；可實(shí)現(xiàn)超大寬幅變溫，還可單獨(dú)關(guān)閉，節(jié)省能耗。在風(fēng)道中內(nèi)置了紫外光催化裝置，通過(guò)控制此裝置的開啟，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)殺菌；通過(guò)軟件控制可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行模式、冷藏關(guān)閉、左冷凍關(guān)閉、速凍、殺菌；還有便于生產(chǎn)維修的自檢程序、聲光報(bào)警提示等多種功能。主控板和顯示板連接采用雙機(jī)通訊方式連接，減少了通訊線線束，降低成本；人機(jī)數(shù)據(jù)交換操作采用彈簧為電極、玻璃為介質(zhì)的非接觸電容式感應(yīng)按鍵技術(shù)；顯示界面采用長(zhǎng)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(chǎn)維修展示的上電運(yùn)行程序、故障運(yùn)行程序、硬件自檢程序、維修程序、參數(shù)設(shè)定程序、商場(chǎng)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(guān)鍵：要兼顧性能、價(jià)格、品質(zhì)等諸多方面。該控制器輸入及負(fù)載輸出多達(dá)30個(gè)，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(shí)器，1組串口通訊，其余為普通I/ O口，根據(jù)以上功能，選擇性價(jià)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(gè)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(jià)比高的富士通微處理器 MB95F698KPMC1-G-SNE2。

2 電源電路設(shè)計(jì)：

圖1

該控制器直流負(fù)載多，12V電壓最大負(fù)載電流高達(dá)達(dá)1.5A，電源能量供應(yīng)如果采用線性變壓器，則變壓器的價(jià)格高，體積大，重量大，裝在印制板上在運(yùn)輸過(guò)程容易損壞，也不利用冰箱上安裝，為克服以上缺點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇PI生產(chǎn)的TOP264EG開關(guān)電源方案（如圖1），為了克服大負(fù)載工作時(shí)電壓波動(dòng)及降低待機(jī)功耗，采用隔離方式的2路獨(dú)立電源，一路5V給單片機(jī)工作，一路12V給繼電器及大電流給直流負(fù)載工作。根據(jù)功率要求，它具有在寬電壓85-265VAC輸入電壓及密閉環(huán)境下，輸出功率達(dá)到20W；具有良好的抵抗輸入浪涌的能力、自動(dòng)重啟動(dòng)電路在短路、開環(huán)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(qū)的供電環(huán)境。

3 過(guò)零信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)：

在線性變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)零信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，因變壓器初級(jí)和次級(jí)波形頻率相同，只要從變壓器次級(jí)線圈采集，不需要強(qiáng)弱電隔離處理，但開關(guān)電源設(shè)計(jì)就比較麻煩，因強(qiáng)弱電沒(méi)有相同的波形頻率，要采集過(guò)零信號(hào)還必須從強(qiáng)電中采集，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是電源采用一個(gè)二極管單向整流，通過(guò)功率電阻分壓限流驅(qū)動(dòng)光耦，通過(guò)光耦輸出信號(hào)給單片機(jī)來(lái)判斷，應(yīng)光耦驅(qū)動(dòng)電流大，需幾個(gè)毫安才能溫度輸出，損耗功率大，無(wú)法滿足待機(jī)功耗要求。本方案采用低電流導(dǎo)通的三極管驅(qū)動(dòng)光耦，光耦電源采用開關(guān)電源輔助電源驅(qū)動(dòng)，大大降低了功耗。通過(guò)光耦輸出信號(hào)給單片機(jī)來(lái)判斷電源過(guò)零時(shí)刻。

4 風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

在風(fēng)冷冰箱上，都會(huì)有一個(gè)風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)，當(dāng)然，采用專用集成芯片控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但價(jià)格高，為了使整體價(jià)格滿足客戶要求，因該風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有中間抽頭，風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制復(fù)雜，需要控制電源換極，該系統(tǒng)采用八個(gè)三極管的對(duì)管設(shè)計(jì)，通常設(shè)計(jì)會(huì)采用4個(gè)IO口來(lái)控制風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，但該方案存在風(fēng)門未工作時(shí)線圈有電流，浪費(fèi)功率且單片機(jī)IO口數(shù)量多，本方案采用3個(gè)IO口控制，其中2路I/O口控制風(fēng)門邏輯，1路控制地導(dǎo)通，輕松實(shí)現(xiàn)了風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制。價(jià)格低，性能穩(wěn)定（如圖1）。

5 人機(jī)操作顯示設(shè)計(jì)：

傳統(tǒng)冰箱控制器人機(jī)數(shù)據(jù)交換主要有：輕觸按鍵、薄膜按鍵兩種方式。輕觸按鍵的缺點(diǎn)在于直接彈片受力，壽命有限，防水性差；薄膜按鍵開關(guān)是由柔性絕緣材料層和導(dǎo)電材料層組合而成的一種密封多層結(jié)構(gòu)非自鎖按鍵開關(guān)，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(diǎn)，采用電容式感應(yīng)按鍵技術(shù)，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(zhǎng)。

傳統(tǒng)的顯示方式有：LED指示燈、數(shù)碼管、液晶屏。LED指示燈、數(shù)碼管方案成本較低但顯示效果單調(diào)，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(shè)計(jì)：

傳統(tǒng)的冰箱門燈使用燈泡和白色LED發(fā)光二極管燈條兩種方案。燈泡方案是通過(guò)機(jī)械式門開關(guān)按鍵控制燈泡得電點(diǎn)亮，該方案在電源電壓波動(dòng)較大的區(qū)域容易燒壞燈泡，且不節(jié)能。白色LED發(fā)光二極管燈條方案是通過(guò)12V低壓供電，由單片機(jī)控制點(diǎn)亮，該方案節(jié)能，但出光效果不均勻。本方案采用白色LED發(fā)光二極管通過(guò)導(dǎo)光板顯示，顯示效果均勻，美觀大方，且節(jié)能環(huán)保。

7 傳感器采集電路設(shè)計(jì)：

主控板通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣，顯示板通過(guò)環(huán)溫傳感器采集環(huán)境溫度，通過(guò)硬件π形濾波與軟件算術(shù)平均濾波，有效地抑制高頻干擾，達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)溫，溫度值最高精度可達(dá)0.1℃，為冰霜的高精度控制提供了保證。

8 變頻壓縮機(jī)控制電路設(shè)計(jì)：

該系統(tǒng)為大冰箱制冷設(shè)計(jì)，如果采用普通壓縮機(jī)無(wú)法達(dá)到預(yù)期的制冷效果，且功耗較大。本系統(tǒng)采用變頻壓縮機(jī)，變頻控制器采用壓縮機(jī)自帶的控制板，通過(guò)溫度傳感器采集箱體溫度，由單片機(jī)輸出合適的頻率信號(hào)，控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到較好的制冷效果。

9 獨(dú)特的制冷模式設(shè)計(jì)：

目前冰箱行業(yè)微電腦控制器冰箱主要生產(chǎn)風(fēng)冷冰箱和直冷冰箱為主，它們都具有優(yōu)缺點(diǎn)，本智能冰箱控制器兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用一種風(fēng)冷、直冷相結(jié)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(wú)需除霜、干凈清爽、制冷均勻達(dá)到精確控溫效果的風(fēng)冷控制方式，從而實(shí)現(xiàn)物品輕松分類存儲(chǔ)，生熟分開；可實(shí)現(xiàn)超大寬幅變溫，還可單獨(dú)關(guān)閉，節(jié)省能耗。

結(jié)語(yǔ)

本智能冰箱控制器采用一種風(fēng)冷、直冷相結(jié)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(wú)需除霜、干凈清爽、制冷均勻達(dá)到精確控溫效果的風(fēng)冷控制方式。具有精確控溫、自動(dòng)化霜功能；采用變頻壓縮機(jī)制冷，功耗低；目前該方案已經(jīng)批量生產(chǎn)，性能穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能。

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