冰箱运行故障监控系统的设计研究.docx
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冰箱运行故障监控系统的设计研究
摘要
众所周知,电冰箱是现在的家庭中必不可少的家用电器。
而我国目前市场销售的冰箱大多是采用传统的机械式温控,其控制进度差,功能单一,控制方式简单难以满足冰箱发展的要求。
随着经济的发展和人民生活水平的进一步提高,人们对冰箱的功能要求越来越高。
由于单片机性能好,控制功能强,工作可靠,成本低等优点,现在已近在加点产品中得到了广泛的应用。
冰箱产生故障的原因可分为两类,一类是机外原因或人为故障,另一类则是真正的机内故障。
在分析故障时,首先应排除机外原因。
排除机外原因后,可将机内故障分为制冷系统故障和电气故障两类。
一般的判断和分析应先排除电气系统故障。
电气系统故障可以从以下三方面来查找:
1、电源的电压是否正常2、电源是否送电3、电动机绕组是否正常当排除电气系统故障后,制冷系统故障的分析主要是借助专用的工具对制冷系统的工作温度(实际工作中是压力)进行测量,将测量出来的参数与正常的数值进行比较来分析判断故障。
关键词:
电冰箱;故障监控;单片机
Abstract
Asweallknow,refrigeratorsisnowessentialhouseholdappliances.However,therearemostlymarketedrefrigeratorstraditionalmechanicalthermostat,whichcontrolstheprogressofthepoor,singlefunction,thecontrolissimpleisdifficulttomeetthedevelopmentrequirementsoftherefrigerator.Witheconomicdevelopmentandpeople'slivingstandardsfurtherimproved,peoplehavebecomeincreasinglydemandingfunctionalrefrigerator.Sincechipperformance,controlfunctions,reliable,lowcost,andnownearlyatpluspointproductshavebeenwidelyused.
Fridgecauseoffailurecanbedividedintotwocategories,oneisoutsidethemachinecausesorhumanerror,andtheotheristherealmachinefailure.Intheanalysisoffailureshouldbeexcludedfromtheoutsidecauses.Excludetheoutsidereasons,themachinecanbedividedintotherefrigerationsystemfaultsandfaultelectricalfaultcategories.Generaljudgmentandanalysisshouldbeexcludedfromtheelectricalsystemfailures.Electricalsystemfailurecansearchfromthefollowingthreeaspects:
1、thepowersupplyvoltageisnormal2、poweroutputand3、themotorwindingsisnormalwhenexcludingtheelectricalsystemfailure,coolingsystemfailureanalysisismainlythroughspecializedtoolsforrefrigerationoperatingtemperatureofthesystem(theactualworkofpressure)weremeasured,themeasuredparametersarecomparedwiththenormalvaluetodeterminethefaultanalysis.
Keywords:
refrigerator;FaultDiagnose;Microprocessor
1绪论
1.1电冰箱的诞生与发展
世界上首台家用的制冷设备在1910年左右出现,1913年拉森制造了一台人工操作的家用冰箱,1918年美国卡尔维纳特公司首次成功地试制出商业和家用自动电冰箱,到1920年为止约售出200台,1926年美国奇异公司经过11年的试验,制造出世界第一台密封式制冷系统的电冰箱,1927年第一台家用吸收式冰箱问世。
在八十年代初,当国内机械温控冰箱刚刚开始兴起的时候,欧洲一些大家电公司开始尝试将当时比较流行的模糊智能技术运用到冰箱制造业中。
它采用当时较为流行的数字芯片,利用较为成熟的模糊智能技术,实现对冰箱温度进行不同档位的调节,从而达到控制温度的的效果。
但是由于该冰箱与传统机械温控冰箱相比,并未显示出显著的优势。
所以并未引起消费者的重视。
进入九十年代后,由于电脑芯片技术的突飞猛进,欧洲最大的家电制造商西门子家电借助它们在自动控制领域内的最新成果,开发研制出了能够精确控制温度的电脑温控冰箱。
这种技术的应用,赋予了现代冰箱更为便捷的功能和非常显著的节能效果。
首先它可根据需要分别对冷藏室和冷冻室进行温度设定,以适应不同食品对储存温度的要求。
同时,冰箱内的电脑芯片可以自动记录LED显示屏上预先设置的温度,经过3个温度探头监测,随时保持这一恒定低温,这样能更好的保存食品口味与营养。
而它特有的速冻键,对于一次冷冻较多的食品时,可使食物迅速通过“最大冰晶生成带”,避免食物解冻后营养物质流失。
为了更科学地贮存和保鲜食品,国外电冰箱还增加了快速冷冻和快速解冻的功能。
快速冷冻是使冷冻室底面温度达-40℃左右的低温,让食品迅速通过-1~-5℃冰结晶生成区防止营养成分的破坏,保持食品原有的鲜度;快速解冻是在冰箱内增设快速解冻室,通过解冻风扇,把冰箱冷藏室的空气吹人到解冻室,使解冻室内的食品快速解冻,以适应短期保鲜贮存的需要。
1.2电冰箱的分类
电冰箱按其容积划分:
冰箱的容积单位用升(L)来表示,系列产品的有效容积从48L到430L或更大些,因此我们可以将这一系列的容积划分为100升以下、100升-180升、181升-230升、231升-290升、290升以上;这也是根据冰箱的容积所适合的家庭人口数来划分的。
电冰箱按其箱门结构划分:
可以划分为单门式电冰箱、双门式电冰箱、对开双门壁柜式电冰箱、三门式电冰箱、四门式电冰箱、可移动式电冰箱、个人专用迷你型电冰箱
电冰箱按其制冷方式划分:
电冰箱的制冷方式有直冷式(有霜)和风冷式(无霜)两种。
我国早期引进的冰箱制造技术多为直冷有霜型。
因此,市面上的国产冰箱有很大一部分仍是直冷有霜冰箱。
目前,我国冰箱消费市场已进入了更新换代期,技术更先进、使用更方便、档次更高的无霜冰箱,逐步成为市场的主流产品。
一般来说,120L以下的小型冰箱受生产成本限制,可考虑选择直冷冰箱,也比较实惠,而中、大型的冰箱选择无霜冰箱更佳。
体积越大,无霜冰箱具有的冷量分布均匀、冷冻效果的优点就越突出。
另外,在选择冷冻方式时要学会辨别,最简单的方法是留意型号中有没有字母“W”。
如“BCD-182W”,其中W的含意是无霜。
1、风冷式电冰箱:
一般被称为"无霜"冰箱。
它的原理是冷气由风道强制吹入箱内空间,造成循环,温度均匀;冷冻室自动除霜,耗电量高于直冷式。
2、直冷式电冰箱:
原理是由蒸发器表面低温的自然对流,降低箱内温度,有温差。
冷冻室须人工除霜,较为省电。
直冷式和风冷式:
可以说各有所长,现在有一种直冷式微霜冰箱,带有"动态冷却"功能,即解决了普通直冷冰箱箱内温新式过大的问题,又能保证箱内温度。
直冷冰箱保鲜、保湿性能好,价格相对便宜些,但需经常除霜,最适合在冬季比较干燥的北方和内陆地区使用;无霜冰箱冷冻室自动除霜,箱体内温度比较均匀,且体积越大,具有的冷量分布均匀、冷冻效果的优点就越突出,较适合空气湿度较大的沿海、长江沿岸及以南地区使用。
值得一提的是:
现在市场上出现了一种冷藏室带有风扇的直冷型电冰箱。
这种来自欧洲先进的动态冷却技术,既解决了普通直冷电冰箱冷藏室温度不均匀的问题,又有效保证了箱内的湿度,已逐渐成为消费新宠。
2电冰箱原理
2.1电冰箱的工作原理
制冷剂在压缩机运转制冷时,在各器件(管路)的状态、压力、温度不同。
普通电冰箱是指采用往复式压缩机的直冷式电冰箱,此类电冰箱只有一个机械控温器,有双门、三门、及四门冷藏、冷冻电冰箱。
制冷系统工作受控于电气系统,电气系统控制的依据是根据用户设置。
电冰箱器件按作用分为制冷系统、电气系统、箱体、附件四种,但各种器件是相互联系的,如压缩机和双温双控电路中电磁阀具有制冷、电气双重功能,制冷系统中防露管全部内藏于箱体门框内,毛细管部分内藏于箱体内,有的电冰箱将蒸发器全部或部分内藏于箱体内。
图2.1系统硬件结构图
制冷系统工作原理:
电冰箱的制冷作用是将箱内热量转移到箱外,这个热量转移过程是借助循环流动,不断进行液态→气态转换的制冷剂完成的。
又因箱内温度低于箱外,按热力学第二定律,高温物体热量能自动地向低温物体传热,如果要使热量从低温物体转移到高温物体,需补充一定条件,这一补充条件就是压缩机所做的机械功。
如水流一样,要想让水由低水位流向高水位,就必须用水泵从低出往高处抽水。
在电冰箱制冷系统中压缩机就起水泵作用,将蒸发器中低温制冷剂的热量移向高温冷凝器。
制冷剂在制冷系统循环流动过程中,之所以能将箱内热量转移到箱外,是因为制冷剂在循环流动过程中不断的变换压力,从而不断的变换沸点,使制冷剂在低温的箱内管路(蒸发器)蒸发吸热,在高温的箱外管路(冷凝器)冷凝散热。
制冷管路中压力的变换是由蒸发器和毛细管实现的。
压缩机介于蒸发器和冷凝器之间,对制冷剂起升压升温作用,毛细管介于冷凝器与蒸发器之间,用于对制冷剂降压。
制冷系统除压缩机外,还包括制冷剂冷凝器、干燥过滤器、节流降压的毛细管、蒸发器等装置。
1、压缩机
压缩机是制冷系统的心脏,属于机电一体化器件,既是制冷系统的发起者,又是电气系统的最终工作着。
它的主要任务是把电能转变成为机械能,推动活塞运转产生吸排气和压缩功能,用于进行热能交换,并使制冷剂在系统中往复循环,它吸入来自蒸发器已吸收了热量而变成气态的制冷剂,经过压缩变成高温高压气体,输送到门框防露管。
这一过程是以电机为动力,即将电能通过电机转换成机械功,通过压缩机又使机械功转换成热能。
图2.2压缩机结构图
2、冷凝器
冷凝器,故名恩义,是把气态制冷剂冷却凝结为液态的装置。
冷凝器位于电冰箱后背或两侧。
其任务是使压机排出的高温、高压制冷剂蒸气.在流经冷凝器的途中经过热量的传递,向空气中散热,使制冷剂降温冷却凝结为液态。
由于冷凝器管路很长,压缩机排出的高压、高温气态制冷剂在流经它的过程中,经过热量的传递向空气中散热。
温度逐步下降而冷凝为液态制冷剂。
3、干燥过滤器
干燥过滤器,简称过滤器,它介于冷凝器和毛细管之间,主要用于吸收制冷系统中残留水分及过滤有形灰尘和金属等异物,以避免制冷剂中的微量杂质和水分进入毛细管,影响制冷剂流通,从而保证制冷系统正常工作。
图2.3干燥过滤器原理图
4、毛细管
毛细管是非常细的铜管,它的内径为0.5mm-1mm,长为1-3m,介于冷凝器和蒸发器之间,是一种节流装置。
由干燥过滤器输送来的高压液态制冷剂,通过毛细管节流,被限制节流、控制流量,使其完全、充分液态进入粗口蒸发器后,压力自然下降为低压,以便于制冷剂在蒸发器内汽化。
5、蒸发器
作用是将被冷却介质的热量传递给制冷剂的热交换器。
液态制冷剂经毛细管节流降压进入蒸发器后,因压力下降,制冷剂沸点随之下降而蒸发为气体,蒸发过程中吸热,从把箱内的热量转移到制冷剂。
液态制冷剂经孔径很细的毛细管进入孔径大的蒸发器,压力突然减小使沸点下降而蒸发为气体,并在蒸发时吸收周围(冷冻和冷藏室)的热量,从而降低冷冻、冷藏室温度。
2.2电气系统工作原理
1、电气系统的主要组成部分:
电冰箱的配有不同形式的半自动或全自动的控制装置,它们按照用户的要求,半自动或全自动地控制电冰箱的正常工作。
控制系统的主要对象是压缩机电机,电加热器和照明灯,双温控直冷式的双向电磁换向阀及冷式电冰箱的蒸发器风扇电机。
电气控制装置可分以下几部分。
(1)温度控制装置
采用温控气或电脑板,使电冰箱在规定的使用环境温度下。
将箱内温度保持在一定范围内。
温度控制装置通过温控感知箱内温度,并据此确定是否接通或切断压缩机回路,实现电冰箱制冷。
温控器大体分为机械式和电子式两种。
下面介绍机械式温控器的结构和工作:
机械式温控器实际是压力温控器,它利用感温管感受箱内温度来控制一对电触头的通断,达到接通或断开压缩机回路,实现开、停机控制。
其控制原理是感温管内感温剂受温度的影响膨胀或收缩,压力随之升高或降低,通过支架带动快速活触点上移下移,与固定触点接通或断开,如图所示。
图2.4机械师温控器原理
(2)化霜控制装置
当电冰箱在正常的运转过程中,由于箱内蒸发器的表面结霜越来越厚,导致蒸发器的吸热效能减低,箱内温度上升。
为解决这一问题,设置化霜装置。
(3)压缩机启动和保护装置
为配合压缩机启动特性要求,而设置启动器。
为确保电机正常启动并对惦记运行进行安全保护,而设置过载热保护器。
启动器和保护必须配套,且与压缩机功率匹配,否则不能正常工作,甚至会损坏。
启动器用于在加电瞬间接通压缩机启动绕组回路,使启动绕组有电流流过,产生与运行绕组方向不同磁场,合成为旋转磁场,使电机转动。
(4)低温补偿装置
低温补偿装置,又称冬季补偿装置,有自动和人工控制两种方法。
前者通过突跳式温控器实现;后者通过打开或关闭低温补偿开关实现。
(5)照明控制装置和蒸发器风扇控制装置
照明装置主要完成箱门打开时箱内照明灯点亮,箱门关闭时照明灯熄灭的控制,故此灯开关设置在冷藏室箱门的门框上。
2、电机
任何电冰箱都需要设置压缩机,而对于间冷电冰箱还要设置蒸发器风扇电机,化霜定时器电机,大型冰柜有的还设置冷凝散热风扇电机。
家用电冰箱都采用单相电源,所以下面只介绍单相电机。
(1)电机结构
单相电机在定子上没有设有运行绕组(又称主绕组)和启动绕组(又称副绕组)两组绕组。
由于两组绕组在线径,匝数和分布上不同,当输入同相位的50Hz交流电时,就在两个绕组上产生了不同相位差的电流值,从而形成方向,强度不同的磁场,两者合成为旋转磁场,使电机转子转动。
(2)电机的分类
有压缩机,风扇机,化霜定时电机。
压缩机在压缩机一节将详细介绍。
下面介绍风扇电机。
风扇电机的绕组输入电压后,产生磁场使转子转动,带动扇子旋转,使气体强制对流进行热交换。
间冷机蒸发器风扇运转,强迫蒸发器冷量散向冷冻室和冷藏室。
间冷式电冰箱内的蒸发器电机由于工作在低温,高温的恶劣环境中,因此,对风扇电机有严格的技术要求。
风扇在使用过程中,无须用户向电机加注润滑油,冰柜冷凝风扇运转,强制冷凝器热量散发到空气中。
3冰箱故障监控系统的设计
3.1故障监控的方法
冰箱由制冷系统和电气系统组成,运行状态又与工作环境和条件有着密切的关系,所以对空调器的故障分析需综合考虑。
总的来说,故障的原因可分为两类,一类是机外原因或人为故障(特别是电源是否正常),另一类则是真正的机内故障。
在分析故障时,首先应排除机外原因。
排除机外原因后,可将机内故障分为制冷系统故障和电气故障两类。
一般的判断和分析应先排除电气系统故障。
电气系统故障可以从以下三方面来查找:
1、电源的电压是否正常;2、电源是否送电;3、电动机绕组是否正常;当排除电气系统故障后,制冷系统故障的分析主要是借助专用的工具对制冷系统的工作温度(实际工作中是压力)进行测量,将测量出来的参数与正常的数值进行比较来分析判断故障。
3.2控制系统硬件
1、微处理器
是本系统的核心,其性能的好坏直接影响系统的稳定,鉴于本系统为实时控制系统,系统运行时需要进行大量的运算,所以采用AT89C52单片机。
性能介绍:
52系列单片微机封装形式为双排直列式结构(DIP),引脚共40个。
AT89C52单片机的典型芯片是8052,其内部基本组成为:
一个8位的中央处理器(CPU),256byte片内RAM单元,4Kbyte掩膜式ROM,2个16位的定时器/计数器,四个8位的并行I/O口(P0,P1,P2,P3),一个全双工串行口5个中断源,一个片内振荡器和时钟发生电路。
这种结构特点决定了单片机具有体积小、成本低、可靠性高、应用灵活、开发效率高、易于被产品化等优点,使其具有很强的面向控制的能力,在工业自动化控制、家用电器、智能化仪表、机器人、军事装置等领域获得了广泛的应用。
(1)主要特性:
•4K字节可编程闪烁存储器
•全静态工作:
0Hz-24Hz
•三级程序存储器锁定
•128*8位内部RAM
•32可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•5个中断源
•可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
(2)管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为8051的一些特殊功能口,如下所示:
接口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
(3)振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
(4)芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C52设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
(5)运算器
算术/逻辑部件ALU:
用以完成+、-、*、/的算术运算及布尔代数的逻辑运算,并通过运算结果影响程序状态寄存器PSW的某些位,从而为判断、转移、十进制修正和出错等提供依据。
累加器A:
在算术/逻辑运算中存放一个操作数或结果,在与外部存储器和I/O接口打交道时,进行数据传送都要经过A来完成。
寄存器B:
在*、/运算中要使用寄存器B。
乘法时,B用来存放乘数以及积的高字节;除法时,B用来存放除数及余数。
不作乘除时,B可作通用寄存器使用。
程序状态标志寄存器PSW:
用来存放当前指令执行后操作结果的某些特征,以便为下一条指令的执行提供依据。
(6)中断系统:
8052单片机的中断系统简单实用,其基本特点是:
有5个固定的可屏蔽中断源,3个在片内,2个在片外,它们在程序存储器中各有固定的中断入口地址,由此进入中断服务程序;5个中断源有两级中断优先级,可形成中断嵌套;2个特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的编程。
5个中断源的符号、名称及产生的条件如下:
INT0:
外部中断0,由P3.2端口线引入,低电平或下跳沿引起。
INT1:
外部中断1,由P3.3端口线引入,低电平或下跳沿引起。
T0:
定时器/计数器0中断,由T0计满回零引起。
T1:
定时器/计数器l中断,由T1计满回零引起。
TI/RI:
串行I/O中断,串行端口完成一帧字符发送/接收后引起。
2、温度传感器
温度传感器是本系统不可或缺的元件,其性能的好坏直接影响系统的性能,因此温度传感器采用DALLAS公司生产的高性能数字温度传感器DS18B20。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有
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