朱小磊的文章:家用电冰箱电气控制特点

家用电冰箱电气控制特点
根据制冷方式不同，冰箱可分为直冷冰箱、无霜冰箱（又称为风冷冰箱或间冷冰箱）和风直冷冰箱，其对应的电气控制系统也有较大区别，直冷冰箱控制器件少、控制简单；无霜冰箱由于有自动除霜电路，控制复杂且故障率相应较高；风直冷冰箱的冷冻室为风冷控制、冷藏室为直冷方式。
而根据电气控制方法不同，冰箱可分为机械温控冰箱和微电脑控制冰箱。机械温控冰箱控制简单可靠、成本低，但功能单一；微电脑控制冰箱温控精确、附加功能多、有着人性化操作界面，同时由于微电脑（单片机）的技术发展和成本下降，在冰箱中的应用越来越广泛，尤其在多温区冰箱、风直冷冰箱等高档冰箱中得到全面应用。微电脑控制电冰箱的功能主要包括以下几个方面。
一 电冰箱微电脑控制系统主要功能
1.      制冷温度控制功能
通过温度传感器和微电脑控制实现冰箱各个间室温度的自动控制，使冰箱内的温度达到用户的设定温度范围。
2.      电源过压保护功能
当市电电源电压过高时，通过保险管熔断措施保护控制板及其它电器件不致于损坏。
3.      压缩机三分钟延时起动保护功能
压缩机每次停机，制冷系统管道内压力需要一段时间平衡，如果在停机后马上启动则开机负载很大容易损坏压缩机。单片机系统在每次上电时检测如果停机时间不足3分钟则自动延时三分钟启动保护压缩机。
4.      系统保护及断电记忆功能
为防止用户在插接电源过程中出现的暂时性接触不良，在单片机上电3秒后才允许开压缩机。系统因强干扰等原因造成死机时，能自动复位且保持复位前的显示和按复位前的模式运行。系统停电后再来电，自动按停电前的模式及设定运行。
5.      低温环境下的自动温度补偿功能
由于单循环制冷系统的冰箱冷藏冷冻室同时制冷，在低温环境下会造成冷藏室温度过低或冷冻室温度过高。自动温度补偿功能通过对冷藏室补偿加热器的自动控制实现在各种环境温度条件下的冷藏室冷冻室温度控制。
6.      冷藏蒸发器自动化霜控制功能
蒸发器经过一段时间的制冷后表面会结霜，霜层过厚将直接影响到冰箱的制冷效果，自动化霜控制根据冰箱运行制冷的时间使冷藏蒸发器表面的霜融化成水并排出箱外，自动化霜控制同时确保化霜过程结束后（冷藏室蒸发器的温度高于5℃）再进行制冷，避免化霜水结冰堵塞排水孔及影响制冷能力。
7.      自动除霜控制功能
无霜冰箱并非不结霜，而是冰箱具有自动除霜控制功能，不需要用户手动除霜。自动除霜控制根据冰箱运行制冷的时间及箱内的温度控制除霜加热器的工作进行除霜，除霜过程时除霜加热器加热将冷冻室蒸发器上的结霜融化成水并排出箱外，有的冰箱另设有接水槽加热器避免排水孔堵塞，自动化霜控制同时确保把霜除干净后（冷冻室蒸发器的温度高于6℃）并延时几分钟后再进行制冷。在自动除霜过程中冷冻室停止制冷，风扇电机停止运转避免冷冻室温度的回升。
8.      双稳态电磁阀初始化及自动纠错功能
双稳态电磁阀用于多循环冰箱系统，具有脉冲驱动，无驱动信号状态保持等特点，每次上电发送交替驱动脉冲使双稳态电磁阀来回动作初始化避免由于长期不运行导致的阀芯卡死。由于不是随时输出驱动脉冲，在运行过程中的自动纠错功能通过对比电磁阀应有的当前状态和对应蒸发器的温度变化是否一致，判断电磁阀的状态是否正确，否则发送驱动脉冲进行纠正。例如要求电磁阀R状态（冷藏室制冷）时如果冷藏蒸发器温度不下降，反而冷冻室蒸发器温度下降则发送R状态驱动脉冲进行纠正。避免电磁阀状态因为外界的干扰出现改变。
9.      间室关闭功能
根据使用需要由用户设定关闭不需要制冷使用的间室，以减少实际使用的耗电量。间室关闭功能通过系统控制电磁阀的状态，关断对应间室的制冷循环回路，实现对应间室停止制冷的功能。
10.  关门提示功能
根据检测到的门开关的信号，如果开门的时间超过了2分钟，则蜂鸣器鸣叫提醒用户关门，如果长时间仍未关门，则认为门开关故障或用户忘记关门，自动进行关照明灯等动作。
11.  速冷、速冻功能
速冷、速冻功能为冰箱根据用户需要设置的预存专家模式，进入速冷模式后冷藏室快速降温，进入速冻模式后冷冻室快速冷却实现保鲜效果，速冷、速冻模式由用户通过按键设定进入，符合条件后自动退出按原有设定运行。速冷、速冻模式下压缩机连续运行。
12.  状态显示功能
该功能通过显示操作界面显示冰箱的设定温度、实际温度、当前运行模式、间室关闭状态、故障代码等，常见的显示方式包括：LED发光二极管显示、LCD液晶显示屏、LED显示屏等。
13.  自诊断及故障提示、处理功能
通过软件设置，单片机对冰箱常见故障进行判断，并以故障代码的形式显示在显示操作面板上，同时程序内部转入故障处理方式运行，使电冰箱维持基本的功能。
14.  系统自检功能
为便于生产检验和售后维修，通过特定的按键组合可以进入控制系统自检程序，进入自检后冰箱按特定的流程进行运行和显示，供检验和维修人员作为判断参考。自检程序对用户不开放，可以参考厂家的维修手册了解进入方式和进入后的运行流程。
二 电冰箱微电脑控制电路构成
电冰箱微电脑控制电路由单片机和外围电路构成的硬件系统和软件程序组成。
随着半导体技术的发展，单片机的集成度越来越高、功能越来越多、也更加可靠，一般都包含有微处理单元、A/D转换、输入输出接口控制等功能，有些甚至包含了EEPROM、时钟电路、看门狗复位电路等。从应用的角度来看，只需了解其基本控制和运行功能，除信号输入、控制输出驱动、电源及辅助外围电路等硬件外，相关的控制运行是通过单片机中的软件程序来实现。
单片机的功能十分强大，制造商在开发过程中根据机型功能需要选用相应的芯片功能，图1为电冰箱微电脑控制电路结构框图，有些机型的功能电路比图1所示更为简单，有些则更加复杂。外围电路由各种分立电路组成，传感器与信号电路：将采集的非电量信号或电量信号转换为电压信号，如温度传感器采集温度信号并转换为模拟电压信号、门开关采集门的机械动作并转换为开关电压信号、电源信号的电源相位检测信号、断电时间是否超过3分钟的检测信号。驱动电路：微电脑芯片对接收到的各种信号和用户的设定输入进行运算判断处理后，输出相应的控制信号，通过驱动电路使执行元件相应动作。辅助电路：单片机正常运行所需的辅助电路，包括电源电路、晶振电路、EEPROM存储器、复位电路等，在有的型号中将晶振电路、EEPROM存储器等集成在单片机内部。

图1 电冰箱微电脑控制系统结构图
三 电冰箱微电脑控制分立电路种类与功能
电冰箱微电脑控制分立电路主要指单片机的外围电路，一般而言，图6.1.1中，除传感器和执行部分外，其它的功能模块电路均在电路板上，无论功能、性能上有多大的区别，各种电冰箱微电脑控制系统的电路结构大多相同或相似，这里以双循环风直冷电冰箱微电脑控制电路为例，主要的分立电路的名称和功能见表6.1.1所列：
表1常见微电脑控制电冰箱电路板分立电路功能说明
序号
分立电路名称
主要功能说明
1
电源过压保护电路
当电源电压过高时，使电路板上的熔断器动作，避免电路板上其它重要元器件损坏。
2
电源转换电路
为控制系统提供5V和12V的直流电源
3
晶振电路
产生高频振荡，为单片机提供标准时钟
4
复位电路
使控制系统
5
断电记忆存储电路
具有断电记忆功能的存储器，记忆用户设定值及部分运行过程参数，实现重新来电后自动恢复原有设定功能运行。
6
电源相位检测电路
为双稳态电磁阀的驱动提供电源相位参考信号
7
显示电路
显示电冰箱的运行状态
8
蜂鸣器电路
进行按键操作或提示、报警时发出蜂鸣音
9
按键电路
用户进行设定调节操作
10
背光源电路
液晶显示的背光照明
11
冷藏门开关检测电路
冷藏室开门时照明灯亮，长时间未关门进行声音提醒
12
冷冻门开关检测电路
冷冻室开门时使风扇电机停转，避免冷气外散
13
间室温度检测电路
检测冷藏室、冷冻室内的温度，控制压缩机和风扇电机的运转
14
冷藏蒸发器温度检测电路
通过检测冷藏室蒸发器的温度，判断冷藏室化霜是否已经完成
15
冷冻蒸发器温度检测电路
通过检测冷冻室蒸发器的温度，判断冷冻室除霜是否已经完成
16
压缩机及其驱动电路
单片机的弱电输出通过信号放大后驱动继电器，继而实现控制压缩机的开停，达到温度控制的目的
17
除霜加热器及其驱动电路
通过继电器控制除霜加热器的通断，实现自动除霜的功能
18
接水槽加热器及驱动电路
通过继电器控制接水槽加热器的通断，在除霜过程中晚于除霜加热器断电，确保化霜水的流出
19
照明灯及其驱动电路
通过继电器控制照明灯，实现冷藏室开门时的照明
20
风扇电机及其驱动电路
通过继电器控制风扇电机运转，利用风道将冷冻蒸发器上的冷气分配到间室内，实现制冷功能
21
电磁阀及其驱动电路
通过光耦实现强弱电隔离，同时驱动可控硅控制双稳态电磁阀的转换，即冷藏制冷循环与冷冻制冷循环的转换
四 典型微电脑控制电冰箱电控设计规格说明
本规格书描述了**常规双循环风直冷电冰箱的控制器的基本要求及控制功能。
控制器工作条件及性能参数
1.额定电压：ac220V、50Hz
2.工作电压范围：ac176V～ac264V
3.电路板正常工作温度：-10℃～+60℃
4.冷藏室温度调节范围：1℃～10℃
5.变温室温度调节范围：10℃～－36℃
控制器基本功能特征
1.液晶显示
2.单片机控制
3.热敏电阻感温
4.智能、速冷、速冻三种专家运行模式
5.冷藏室、变温室温度分别连续可调
6.冷藏室、变温室可单独关闭
7.变温室可作冷冻室用也可作冷藏室使用
8.定时提醒功能
9.断电记忆功能
10.风直冷双循环自控系统
11.自诊断及故障报警、容错处理
12.自动安全锁键
专有代号定义
冷藏室感温头温度…………………Tr
变温室感温头温度…………………Tf
冷藏室化霜感温头温度……………Trv
变温室化霜感温头温度……………Tfv
冷藏室设定温度……………………Trs
变温室设定温度……………………Tfs
冷藏室感温头修正后温度…………Tra (根据试验验证情况进行调整)
变温室感温头修正后温度…………Tfa (根据试验验证情况进行调整)
冷藏室显示温度……………………Trd
变温室显示温度……………………Tfd
冷藏室开机温度……………………Trk= Trs＋1
冷藏室停机温度……………………Trt= Trs－1
变温室开机温度……………………Tfk= Tfs＋2.0
变温室停机温度……………………Tft= Tfs－2.0
硬件配置
一、输入配置
1. 冷藏室感温头（Rtr）
2.冷藏室蒸发器感温头（Rtrv）
3.变温室感温头（Rtf）
4.变温室蒸发器感温头（Rtfv）
5.冷藏室门开关传感器（常闭触点）
6.变温室门开关传感器（常闭触点）
二、负载配置
1. 压缩机（160W、ac220V、50Hz）
2.三通阀（单稳态阀或双稳态阀）
3.冷藏室：照明灯（ac240V、10W）
4.变温室：风扇电机（小于6W、ac220V、50Hz）
5.蒸发器除霜发热管（145W、ac220V）
6.接水盘加热器（20W、ac220V）
上述提及的功率、电压、频率均指额定值。
三、显示操作界面
1.按键开关9个
智能、冷藏室调温、变温室调温、速冷、速冻、关冷藏室/关变温室、定时/（键盘锁）、+、-
2.液晶屏显示
工作模式显示：智能、速冷、速冻、定时、关冷藏室、关变温室；
冷藏室温度、变温室温度、定时设定时间及倒计时剩余时间显示；
3.LED背光源照明
4.蜂鸣器1个
按键操作
为避免按键的误操作，控制器设有自动安全锁键功能，即12秒钟内没有按键操作则自动按键上锁，禁止所有设定操作，连续按住解锁键3秒钟开锁。
通过按键操作可以实现冰箱的设定调节，所有设定可在屏幕显示上体现。设定内容包括：三种专家模式选择，冷藏室、冷冻室设定温度调节，冷藏室、冷冻室开关切换，定时提醒功能设置。
显示背光源屏保功能
每次上电、打开冷藏室门或任何按键后背光源亮， 5分钟后背光源自动熄灭进入屏保状态。
控制设计说明
一、压缩机控制
1.      正常开停控制运行中每次压缩机停机时间强制大于10分钟。
2.      非速冻状态下如压缩机连续运行时间大于3小时则强制停机
3.      冷藏室要求开机或冷冻室要求开机时压缩机开机。
4.      冷藏室要求停机且冷冻室要求停机时压缩机停机。
5.      冷藏室不化霜且Tra≥Trs+2℃时冷藏室要求开机。
6.      冷冻室不化霜且Tfa≥Tfs+2℃时冷冻室要求开机。
7.      冷藏室化霜或Tra≤Trt-2℃时冷藏室要求停机。
8.      冷冻室化霜或Tfa≤Tft-2℃时冷冻室要求停机。
二、双稳态电磁阀控制
1.      每次电磁阀状态变化，即向电磁阀连续发4个相应的脉冲，宽度5~10毫秒，频率50Hz；对于R态，发送正脉冲，冷藏室制冷；对于F态, 发送负脉冲，冷冻室制冷；
2.      上电初始化：在压缩机运行之前，向电磁阀发送 “正——负——正”脉冲。
3.      仅当一个室要求开机时，电磁阀为相应的R态（冷藏）或F态（冷冻）。
4.      当冷藏室冷冻室同时要求开机时，电磁阀按10分钟的间隔在两种状态之间轮流切换。
三、冷藏室化霜控制
1.      蒸发器结霜影响冰箱制冷效果，由于冷藏室的温度在5℃左右，所以冷藏室采用停止制冷而自然升温进行化霜。
2.      进入冷藏化霜后设置为冷藏室要求停机控制压缩机及电磁阀。
3.      当电磁阀在R态制冷连续时间超过30分钟进入冷藏室化霜。
4.      当电磁阀在R态制冷累计时间超过120分钟且退出R态制冷后进入冷藏室化霜。
5.      当Trv≥5℃退出冷藏室化霜。
6.      当冷藏室化霜时间超过120分钟退出冷藏室化霜。
四、冷冻室化霜控制
1.      冷冻室化霜时一方面停止冷冻室制冷，另一方面除霜加热器和接水槽加热器通电进行化霜。
2.      当电磁阀在F态制冷累计时间超过24小时（该参数根据机型不同相应调整）进入冷冻室化霜。
3.      进入冷冻化霜后设置为冷冻室要求停机控制压缩机及电磁阀，延时3秒钟后风扇电机停止，除霜加热器和接水槽加热器通电。
4.      当Tfv≥6℃退出冷冻室化霜。
5.      当冷冻室化霜时间超过60分钟退出冷冻室化霜。
6.      退出冷冻室化霜的过程：除霜加热器断电——延时3分钟——接水槽加热器断电——延时3分钟——完成化霜过程，压缩机、电磁阀、风扇电机按正常运行进行控制。
五、风扇电机控制
1.      压缩机开机且阀F状态（即冷冻室在制冷状态）且冷冻室门关闭时风扇电机通电。
2.      压缩机开机且阀F状态且冷冻室开门时间超过10分钟时风扇电机通电。
3.      当冷冻室不在除霜时如冷冻室开门后关门，风扇电机无条件运转1分钟。
4.      除上述情况外，风扇电机停止。
六、照明灯控制
1.      冷藏室开门后照明灯亮，如10分钟仍未关门则照明灯强制灭。
2.      冷藏室关门则照明灯灭。
七、速冷模式
1.      速冷模式下冷藏室制冷优先，当冷藏室、冷冻室都需要开机时电磁阀按R态25分钟F态10分钟转换。
2.      速冷模式下不进入冷藏室化霜。
3.      速冷模式下按Trs=2℃控制，直到退出速冷模式。
4.      当冷藏室温度≤1℃且进入速冷时间大于5分钟时自动退出速冷模式。
八、速冻模式
1.      速冻模式下压缩机连续运行
2.      速冻模式下冷冻室制冷优先，当冷藏室需要开机时电磁阀按R态10分钟F态25分钟转换。
3.      速冻模式下认为冷冻室要求开机，直到退出速冻模式。
4.      当进入速冻时间大于26小时自动退出速冻模式。
九、冷藏室、冷冻室关闭
1.      冷藏室、冷冻室关闭是指对应的间室不再制冷。
2.      关冷藏方式下冷藏室相关的控制设定功能无效，并定义为冷藏室要求停机。
3.      关冷冻方式下冷冻室相关的控制设定功能无效，并定义为冷冻室要求停机。
十、故障处理
1.      关门提示功能：当检测到冷藏室门打开的时间超过2分钟，则每隔30秒钟蜂鸣器响3声进行提示，如10分钟后仍未收到关门信号，则停止蜂鸣并强制关照明灯，直到检测到关门信号。当检测到冷冻室门打开的时间超过2分钟，则每隔30秒钟蜂鸣器响3声进行提示，如10分钟后仍未收到关门信号，则停止蜂鸣并强制取消冷冻室门开关对风扇电机的控制，直到检测到关门信号。
2.      感温头故障定义：各感温头断路故障——测得感温头温度值＜－50℃，各感温头短路故障——测得感温头温度值＞+50℃。
3.      Rr故障时，则冷藏室显示“E1”； Rrv故障时，为“E2”， F门打开时同时按住“5”和“6”两个按键5秒以上，蜂鸣器连续2声短鸣，开放E2显示功能，如存在E2故障，则显示E2 10s后关闭E2显示功能 ；Rf故障时，则变温室显示“E3”； Rfv故障时，则变温室显示“E4”。
4.      如测得的感温头温度值绝对值小于50℃,退出相应的故障状态。退出所有故障状态后如不更改设定，则按故障发生前的设定模式运行。
5.      进入感温头故障状态后，除故障代码显示外，冰箱相应进入故障运行控制模式，保证冰箱的基本控制功能。
定时提醒功能
定时提醒提供1~99分钟范围内由用户设定的定时时间，设定后进入倒计时直到定时时间到后，蜂鸣器鸣叫30秒。
定时提醒功能作为附加功能不影响冰箱的制冷运行。
自检功能
一、维修自检
1.    为便于电冰箱在生产、维修过程中的检测，设有维修自检功能。上电后30分钟内同时按下“智能”键、“定时”键3秒钟以上时，系统即进入“维修自检”状态。
2.    当系统进入自检模式后，即按以下程序进行自检：蜂鸣4声，显示全亮——接水槽加热器通电5秒钟，显示“H1”——除霜加热器通电5秒钟，显示“H2”——压缩机通电，电磁阀R态（冷藏室制冷）99秒钟，显示“C” ——压缩机通电，电磁阀F态（冷冻室制冷）99秒钟，显示“CF”——关断所有负载10秒钟，显示冷藏室蒸发器温度及冷冻室蒸发器温度——蜂鸣两声及所有显示全亮3S表示自检结束——关断所有负载10秒钟，显示冷藏室温度及冷冻室温度。
二、强制化霜
1.    为便于在生产、维修过程中对化霜系统的检测，设有强制化霜功能。上电后30分钟内同时按下“智能”键、“冷冻调温”键3秒钟以上时，系统即进入“强制化霜”状态。
2.    进入强制化霜后，按以下程序进行：关压缩机，蜂鸣3声——3秒钟后风扇电机停转——接水槽加热器通电3秒钟，显示“H2”——保持接水槽加热器接通同时接通除霜加热管99秒，冷藏室温度显示窗显示“HH”。
3.      强制化霜后，按正常化霜的退出条件和程序退出化霜过程。
系统保护
1.    为防止用户在插接电源过程中出现的暂时性接触不良，在单片机上电3秒后才允许开压缩机。
2.    系统停电后再来电，如果停电时间＜ 3分钟，则通电后须延时3分钟才允许压缩机运行（在开机条件满足时）
3.    每次用户更改设定后，系统将设定参数写入EEPROM，每次重新上电时读取EEPROM中的设定参数自动运行，确保系统自动按停电前的模式及设定运行。
4. 系统因强干扰等原因造成死机时，能自动复位且保持复位前的显示和按复位前的模式运行。