冰箱温度控制器的设计

冰箱温度控制器的设计

冰箱温度控制器的设计

1 引言

家用电冰箱一般有冷冻室和冷藏室，冷冻室的温度为－6℃～－18℃左右；冷藏室的温度为0℃～10℃。在该温度范围内，食品保鲜效果较好，因此，对控制器的要求是将冷冻室和冷藏室的温度自动控制在各自的范围内。在电冰箱的控制中，温度是主要的控制对象，控制的好就有显著的节能效果。但冰箱内要受诸如环境温度的高低、冰箱本身的容积、冰箱中食物的多少、以及食物的种类和性质、存放物品的初始温度、散热特性及其热容量、物品的充满率及开门的频繁程度等控制。冰箱内的温度场分布极不均匀，要想建立电冰箱温度变化的精确数学模型是很困难的，因此采用模糊控制技术才能达到最佳的控制效果。

2 模糊控制系统概述

2.1 普通电冰箱的结构

普通电冰箱的箱体是用隔热材料分割成几个空间，可有单门冷藏式、单门冷冻式、双门冷藏、冷冻式和三门冷冻、冷藏式。

（1）冷冻室和冷藏室

冰箱是利用冷却剂周期性循环的物态变化吸热而致冷。用于吸热的蒸发器就设在冷冻室，蒸发器冷却的冷气循环到冷藏室，使之降温。由于这种结构的安排，冷冻室的温度降得较快，而冷藏室的温度降得较慢。

（2）除霜加热器

因为在冰箱降温过程中，空气和食物中所含的水分会凝聚到蒸发器和食物上而结成霜，当蒸发器表面结霜后，其热交换能力下降，而影响致冷效果；当霜层过厚时，还可能引起压缩机故障。除霜加热器包括门框加热器和蒸发器上的化霜加热器。

2.2 模糊控制电冰箱系统结构

家用电冰箱的发展，除了无氟、大容量外，主要是多门分体结构，一套制冷装置、多通道风冷式。为了适应这一情况，达到高精度、智能化

控制的目的，本系统主要实现温度控制和智能化霜。温度控制就是要把握冰箱内存放的食物的温度和热容量，控制压缩机的开停、风扇转速和风门开启度等，使食物达到最佳保存状态。这就需要用传感器来检测环境温度和各室温度，并运用模糊推理来确定食物温度和热容量。智能除霜就是要根据霜层厚度，选择门开启次数最少的时间段，即温度变化率最小时快速除霜，这样对食物影响最小，有益于保鲜。运用模糊推理来确定着霜量和考虑门开启状况，经模糊推理确定除霜指令。此外，本系统还具有故障自诊及运行状态的显示等功能。控制电路框图如图1所示。

2.2.1 系统硬件组成

该系统采用8位87C552单片机为控制器8KROM，256字节的RAM为传感器，主要有冷冻室、冷藏室、冰温室及环温等传感器，采用价格低廉的热敏电阻。在门状态检测电路中，为了减少输入线数，简化装配工艺，多个状态开关共用一根输入线。通过输入线状态变化和箱内温度变化来决策时冷冻室箱门打开，还是冷藏室箱门打开。显示电路由LED显示和数码显示两部分组成。LED显示电冰箱运行状态，数码显示

则为维修人员全面检查冰箱故障提供有力的数据。压缩机断电时间检测克服了传统上只要控制主板上断电，无论压缩机是否已延迟3分钟，都需要再延迟3分钟后才能启动压缩机的缺陷，实现了无论是压缩机自动停机或者强制断电停机时，只要压缩机停电时间超过3分钟，就可以启动压缩机。

电源

及检测

传感器

门状态

检测

压缩机断电时间检测

制冰机

状态检测

风门

状态检测

强制

制冰检测水盒检测

储冰量

检测

冷冻冷藏冰温室温

设计

驱动电路

驱动电路

驱动电路

驱动电路

驱动电路

驱动电路

驱动电路

驱动电路

单

片

微

机

87C552

显示

制冷风扇电机

化霜加热

驱动电路

图1 控制电路框图

2.2.2 系统软件结构

本系统软件主要由主流程、功能子程序组成。子程序主要由电源电压及压缩机断电时间检测子程序、温度定检子程序、传感器检测、冷冻室温度模糊控制子程序、冷藏室温度模糊控制子程序、冰温室温度模糊控制子程序、模糊化霜控制子程序、模糊速冷控制子程序、自动制冰和强制制冰子程序等程序模块组成，系统主程序流程图如图2所示。

上电复位初始化温度定检子程序电源及压缩机断电时间检测子程序维修自检故障子程序温度传感器组检测子程序故障自检,故障修复及报警子程序冷凝风扇电机控制子程序冷冻室温度模糊控制子程序自动制冷和强制制冰子程序模糊速冷控制子程序冰温室温度模糊控制子程序模糊化霜控制子程序冷藏室温度模糊控制子程序电加热丝控制子程序维修自检Y N 图2 系统程序流程框图

2.3冰箱温度控制器的模糊控制应用

电冰箱温度控制器的模糊控制，主要应用于以下三方面：

（1）冷冻室的温度控制

用冷冻室内温度传感器检测的温度和温度变化来推断食品的温度。因为当不同温度的食品放进冰箱时，冰箱的温度和温度变化是不同的，由此就可推断出食品的温度。例如放进去的是热容量大温度高的食品，温度传感器检测到的温度就高，而且温度变化大；但如果放进去的是热容量小而温度高的食品，检测的温度也会上升，但温度会比较快的降下来。根据这些思想就可以制定出相应的推理规则，通过检测到的温度值和温度变化量推理获得放进去食品的温度。

（2）冷藏室的温度控制

冷藏室温度控制的思想与以上所述相同，只不过冷藏室的体积一般都比冷冻室大，且需要保持的温度也没有那么低，一般在3℃左右。如果由于其中塞满东西而使冷气不能很好的对流，致使冷藏室温度分布不匀，就可能一部分食品会被冻坏，而另一部分食品温度较高而变质。而且，冷藏室内食物的温度还会受其环境温度以及冰

箱门开关的影响，所以还需要用环境温度传感器检测到的外部温度和冰箱门开关情况，来对食品温度进行模糊修正。最终根据食品温度和温度随时间变化的情况，依照控制规则，对压缩机和风扇电机以及气流调节器进行控制。

（3）蒸发器的除霜控制

除霜就是通过加热融化掉蒸发器上所结的霜。加热势必要提高温度，这样就会对食品的温度产生不利的影响。所以除霜控制的关键是要设法减小除霜加热器对食品温度的影响。实践证明，如果在冰箱温度保持稳定的情况下除霜，影响会比较小。所以用冰箱门的开关情况作为冰箱使用状况的推理规则；再根据压缩机的运行实践来推断出蒸发器上的结霜量。

3 模糊控制规则

3.1 冷冻室温度模糊控制

电冰箱一般以冷冻室的温度作为控制目标。根据温度与设定指标的偏差，决定压缩机的开停。由于温度场本身是个热惯性较大的实体，所以系统是一个滞后环节。冷冻室的温度和食品的温度有很大差别，因此，冰箱为了保鲜，仅仅保