一款智能冰箱控制器的原理及应用
摘要：目前冰箱行业微电脑控制器冰箱主要生产风冷冰箱和直冷冰箱为主，它们都具有优缺点，本智能冰箱控制器兼顾了两者的优点，采用一种风冷、直冷相结合的控制模式。本控制器采用10位AD采集传感器温度进行精确控温、箱体制冷采用风门及脉冲阀控制、人机数据交换采用电容式感应按键技术、显示界面采用长寿命的白色LED模块显示、使用节能而寿命长的白色LED灯组作箱体照明、配备方便生产测试维修的特殊程序、具有自动化霜功能。
关键词：智能冰箱；微电脑控制器；自动化霜；感应按键技术；白色LED灯组照明
中图分类号：TN87文献标识码：A
工作原理：
随着人们生活水平的提高，科技的发展，电冰箱已经成为每个家庭必备的家用电器。人们对电冰箱的分类越来越细，储存食物的要求越来越高，每个间室的温度需要独立调节，且温度精确的要求越来越高、节能降噪也有新的要求。
该产品采用高性价比的富士通单片机实现对变频压缩机，电磁阀、加热器、风扇、风门步进电机等外部设备进行控制，采用10位AD对箱体进行温度传感器采集，实现精确温度控制；采用独特的制冷方式：冷藏室采用保鲜效果好且耗电量较低的直冷式控制方式，变温、冷冻室采用无需除霜、干净清爽、制冷均匀达到精确控温效果的风冷控制方式，从而实现物品轻松分类存储，生熟分开；可实现超大宽幅变温，还可单独关闭，节省能耗。在风道中内置了紫外光催化装置，通过控制此装置的开启，能够实现主动杀菌；通过软件控制可实现自动运行模式、冷藏关闭、左冷冻关闭、速冻、杀菌；还有便于生产维修的自检程序、声光报警提示等多种功能。主控板和显示板连接采用双机通讯方式连接，减少了通讯线线束，降低成本；人机数据交换操作采用弹簧为电极、玻璃为介质的非接触电容式感应按键技术；显示界面采用长寿命的白色LED模块显示；箱体照明采用弱电控制的白色LED灯组，降低了功耗。软件配备了便于生产维修展示的上电运行程序、故障运行程序、硬件自检程序、维修程序、参数设定程序、商场演示程序。
1 控制芯片的选择：
主控制芯片的选择是微电脑控制器的关键：要兼顾性能、价格、品质等诸多方面。该控制器输入及负载输出多达30个，芯片需要使用6路A/D采集，2路PWM输出，3路外部中断，2路16位定时器，1组串口通讯，其余为普通I/O口，根据以上功能，选择性价比高的富士通微处理器 MB95F698KPMC1-G-SNE2。显示板芯片需要满足具有32个I/O口，其中需要1路A/D采集，1路PWM输出，1组串口通讯，考虑成本及通用性，选择性价比高的富士通微处理器 MB95F698KPMC1-G-SNE2。
2 电源电路设计：
该控制器直流负载多，12V电压最大负载电流高达达1.5A，电源能量供应如果采用线性变压器，则变压器的价格高，体积大，重量大，装在印制板上在运输过程容易损坏，也不利用冰箱上安装，为克服以上缺点，本系统选择PI生产的TOP264EG开关电源方案（如图1），为了克服大负载工作时电压波动及降低待机功耗，采用隔离方式的2路独立电源，一路5V给单片机工作，一路12V给继电器及大电流给直流负载工作。根据功率要求，它具有在宽电压85-265VAC输入电压及密闭环境下，输出功率达到20W；具有良好的抵抗输入浪涌的能力、自动重启动电路在短路、开环的故障情况下，安全地限制了输出功率，更加适合于广泛地区的供电环境。
3 过零信号采集电路设计：
在线性变压器设计时，过零信号采集电路设计比较简单，因变压器初级和次级波形频率相同，只要从变压器次级线圈采集，不需要强弱电隔离处理，但开关电源设计就比较麻烦，因强弱电没有相同的波形频率，要采集过零信号还必须从强电中采集，传统的设计是电源采用一个二极管单向整流，通过功率電阻分压限流驱动光耦，通过光耦输出信号给单片机来判断，应光耦驱动电流大，需几个毫安才能温度输出，损耗功率大，无法满足待机功耗要求。本方案采用低电流导通的三极管驱动光耦，光耦电源采用开关电源辅助电源驱动，大大降低了功耗。通过光耦输出信号给单片机来判断电源过零时刻。
4 风门步进电机控制电路设计
在风冷冰箱上，都会有一个风门步进电机电路设计，当然，采用专用集成芯片控制实现简单，但价格高，为了使整体价格满足客户要求，因该风门步进电机没有中间抽头，风门步进电机的正转和反转控制复杂，需要控制电源换极，该系统采用八个三极管的对管设计，通常设计会采用4个IO口来控制风门步进电机的正转和反转，但该方案存在风门未工作时线圈有电流，浪费功率且单片机IO口数量多，本方案采用3个IO口控制，其中2路I/O口控制风门逻辑，1路控制地导通，轻松实现了风门步进电机的正转和反转控制。价格低，性能稳定（如图1）。
5 人机操作显示设计：
传统冰箱控制器人机数据交换主要有：轻触按键、薄膜按键两种方式。轻触按键的缺点在于直接弹片受力，寿命有限，防水性差；薄膜按键开关是由柔性绝缘材料层和导电材料层组合而成的一种密封多层结构非自锁按键开关，防水性好，但寿命有限；并且以上两种安装方式为嵌入在箱体外，整体外观差，该控制器克服了以上缺点，采用电容式感应按键技术，电极采用螺旋式弹簧，配备整体玻璃门，具有整体外观美观，防水性好，寿命长。
传统的显示方式有：LED指示灯、数码管、液晶屏。LED指示灯、数码管方案成本较低但显示效果单调，功能不直观；液晶屏显示效果丰富，但成本较高，本方案综合了成本和显示效果的因素，采用白色LED模块显示。
6 箱体照明灯设计：
传统的冰箱门灯使用灯泡和白色LED发光二极管灯条两种方案。灯泡方案是通过机械式门开关按键控制灯泡得电点亮，该方案在电源电压波动较大的区域容易烧坏灯泡，且不节能。白色LED发光二极管灯条方案是通过12V低压供电，由单片机控制点亮，该方案节能，但出光效果不均匀。本方案采用白色LED发光二极管通过导光板显示，显示效果均匀，美观大方，且节能环保。
7 传感器采集电路设计：
主控板通过温度传感器进行温度采样，显示板通过环温传感器采集环境温度，通过硬件π形滤波与软件算术平均滤波，有效地抑制高频干扰，达到准确测温，温度值最高精度可达0.1℃，为冰霜的高精度控制提供了保证。
8 变频压缩机控制电路设计：
该系统为大冰箱制冷设计，如果采用普通压缩机无法达到预期的制冷效果，且功耗较大。本系统采用变频压缩机，变频控制器采用压缩机自带的控制板，通过温度传感器采集箱体温度，由单片机输出合适的频率信号，控制压缩机转速，达到较好的制冷效果。
9 独特的制冷模式设计：
目前冰箱行业微电脑控制器冰箱主要生产风冷冰箱和直冷冰箱为主，它们都具有优缺点，本智能冰箱控制器兼顾了两者的优点，采用一种风冷、直冷相结合的控制模式。冷藏室采用保鲜效果好且耗电量较低的直冷式控制方式，变温、冷冻室采用无需除霜、干净清爽、制冷均匀达到精确控温效果的风冷控制方式，从而实现物品轻松分类存储，生熟分开；可实现超大宽幅变温，还可单独关闭，节省能耗。
结语
本智能冰箱控制器采用一种风冷、直冷相结合的控制模式，冷藏室采用保鲜效果好且耗电量较低的直冷式控制方式，变温、冷冻室采用无需除霜、干净清爽、制冷均匀达到精确控温效果的风冷控制方式。具有精确控温、自动化霜功能；采用变频压缩机制冷，功耗低；目前该方案已经批量生产，性能稳定、环保节能。
参考文献
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