Материал: Бытовой холодильник

Бытовой холодильник

Содержание

Введение

. Обзор технической литературы

.1 Принцип работы однокамерного холодильника

.2 Принцип работы бытового двухкамерного холодильника с электромеханической системой управления

.3 Бытовой холодильник с электронной системой управления

. Постановка задачи

.1 Функции микроконтроллерной системы

.2 Функции контроллера и требования к техническим характеристикам

.3 Требования к панели индикации и панели управления

. Разработка структурной и функциональной схем микропроцессорной системы

.1 Выбор и обоснование микроконтроллера

.2 Выбор датчиков температуры

. Выбор и описание алгоритмов работы микропроцессорной системы

. Выбор и обоснование языка программирования

. Разработка системы диагностирования аппаратных средств

. Расчет вероятности безотказной работы

Заключение

Список литературы

Приложение А Структурная схема микропроцессорной системы

Приложение Б Функциональная схема микропроцессорной системы

Приложение В Схема программы управления микропроцессорной системы

Приложение Г Временные диаграммы работы микропроцессорной системы

Приложение Д Фрагмент кода программы

Введение

В настоящее время бытовые холодильники нашли широкое применение: они имеются практически в каждом доме. Система управления в бытовых холодильниках - тот интерфейс, который позволяет хозяину устанавливать нужные ему режимы работы прибора. Существует две принципиально отличающиеся системы: электромеханическая и электронная. При этом, внешние регуляторы могут быть практически одинаковыми. Механическая система сейчас практически не используется. Более того, даже модели холодильников 30-летней давности обладали электромеханической, а не чисто механической системой [1].

В чем преимущества электронной системы? Прежде всего, в том, что она позволяет выставлять более точные значения температуры в различных камерах холодильного прибора. К тому же, в распоряжении пользователя оказывается больше полезных функций.

Электромеханическую систему многие считают более надёжной, хотя на данный момент однозначно этого утверждать нельзя: надёжность элементов электронной системы управления растёт с каждым годом. Вопреки установившемуся мнению, что ремонт электромеханической системы обходится дешевле ремонта электронной, в некоторых случаях происходит всё наоборот. Например, в случае выхода из строя температурного датчика (термистора) замена такого датчика может обойтись дешевле замены электромеханического терморегулятора. Хотя, конечно, в случае выхода из строя электронного модуля управления ремонт может быть достаточно дорог. Следует отметить, что электронные блоки сами собой ломаются редко, как правило, их выход из строя происходит из-за скачков напряжения, или из-за неправильной эксплуатации холодильника (например, владелец холодильника решил полить водой цветы, установленные на холодильнике, случайно пролил воду, вода попала на электронный блок, блок сгорел). С другой стороны, электромеханическая система устанавливает температуру менее точно, чем ее более «продвинутая» сестрица, ориентирующаяся на показания температурных датчиков, точность которых намного выше, чем точность электромеханических терморегуляторов. К тому же таких датчиков может несколько, что также позволяет оценивать температуру в камерах более точно.

Данный курсовой проект посвящен разработке микропроцессорной системы управления, предназначенной для замены имеющихся электромеханических систем управления в бытовых двухкамерных холодильниках.

. Обзор технической литературы

Чтобы понять, как должна работать система управления, следует изучить принцип работы бытового двухкамерного холодильника.

двухкамерный холодильник микропроцессорный контроллер

1.1 Принцип работы однокамерного холодильника

Холодильник - устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере [2]. Применяется обычно для хранения пищи или предметов, требующих хранения в прохладном месте (лекарства, косметика). Бытовой холодильник имеется почти в каждой семье. Работа холодильника основана на использовании теплового насоса, переносящего тепло из рабочей камеры холодильника наружу, где оно рассеивается во внешнюю среду. Существуют также промышленные холодильники, объём рабочей камеры которых может достигать десятков и сотен кубометров, они используются, например, на предприятиях общественного питания, мясокомбинатах, промышленных производствах.

Холодильники могут подразделяться на 2 вида: среднетемпературные камеры для хранения продуктов и низкотемпературные морозильники. Однако в последнее время наибольшее распространение получили двухкамерные холодильники, включающие в себя оба компонента.

Бытовые холодильники по принципу своего действия относятся к компрессионным. Теоретической основой, на которой построен принцип работы компрессионных холодильников, является второе начало термодинамики: «невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара». Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основная передача тепла основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах - испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.

Структурная схема холодильника приведена на рисунке 1. Основными составляющими частями холодильника являются:

)        конденсатор, находящийся снаружи холодильника;

)        терморегулирующий расширительный вентиль (ТРВ), являющийся дросселирующим устройством;

)        испаритель, находящийся внутри холодильника;

)        компрессор, получающий энергию от электрической сети;

)        хладагент - циркулирующееся в системе вещество с определёнными физическими характеристиками.

Рисунок 1 - Структурная схема холодильника

Хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или ТРВ) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости и превращение ее в пар. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника.

Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор.

В конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и конденсируется, то есть превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь.

Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя тепло, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая тепло.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объем испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается. Капилляр - это аналог ТРВ. Он не меняет свое сечение, а дросселирует определенное количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра и типа хладагента.

При достижении необходимой температуры температурный датчик размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) датчик вновь включает компрессор.

.2 Принцип работы бытового двухкамерного холодильника с электромеханической системой управления

Двухкамерный холодильник отличается от однокамерного наличием собственного испарителя для холодильной и морозильной камер. Принцип работы двухкамерного холодильника следующий: жидкий фреон, накачиваемый мотором-компрессором, проходит по конденсатору и капиллярной трубке, попадет в испаритель морозильной камеры, вскипает и, испаряясь, начинает охлаждать поверхность испарителя [3]. При этом испарение жидкого фреона и, соответственно, охлаждение начинается в месте входа капиллярной трубки в испаритель и постепенно продвигается по его каналам к выходу испарителя морозильной камеры, как показано на рисунке 2. Пока поверхность испарителя не охладится до минусовой температуры, в испаритель холодильной камеры фреон не поступает. После обмерзания испарителя морозильной камеры жидкий фреон начинает поступать в испаритель холодильной камеры, охлаждает его до температуры минус 14 °С, после чего мотор-компрессор отключается. После отключения мотора воздух в холодильной камере под воздействием окружающей среды постепенно нагревается, от этого нагревается испаритель холодильной камеры. При достижении определенной температуры мотор снова включается.

Рисунок 2 - Устройство двухкамерного холодильника

Испаритель холодильной камеры в двухкамерных холодильниках обычно называют «плачущим». Как правило, в холодильной камере достаточно большого объема устанавливается испаритель небольшого размера (в несколько раз меньше, чем в морозильной камере), который обмерзает до температуры минус 14 °С за довольно короткое время. После этого чувствительный элемент терморегулятора, закреплённый на поверхности этого испарителя, "даёт команду" на отключение мотора-компрессора. За время работы мотора испаритель успевает охладить объём холодильной камеры до температуры плюс 4 °С. После отключения мотора-компрессора воздух в холодильной камере начинает нагревать поверхность испарителя. Вода, образовавшаяся из растаявшего инея каплями стекает по испарителю в специальный лоток на стенке камеры. Регулируя мощность компрессора, можно изменять температуру как в холодильной, так и в морозильной камере. Если датчик температуры установлен только в холодильной камере, то и температура будет регулироваться по холодильной камере, т.е. при понижении температуры в холодильной камере с плюс 4 °С до плюс 2 °С, температура в морозильной камере тоже понизится на 2 °С, например с минус 20 °С до минус 22 °С. Если температуру в холодильной камере повысить, то в морозильной камере температура тоже повысится. Отметим, что агрегат холодильника рассчитан таким образом, что даже при минимальном значении терморегулятора температура в морозильной камере не поднимется выше положенной нормы минус 18 °С.

Панель управления холодильником в электромеханических системах - это, как правило, одна-две ручки регулятора и столько же кнопок (например для включения холодильника и режима «Супер»).

.3 Бытовой холодильник с электронной системой управления

Многим уже привычен таймер на микроволновой печи, на стиральной машинке или газовой плите, это отлично экономит время и довольно удобно в быту. Такой функцией управления теперь снабжены большинство новых моделей бытовых холодильников. XX век всем запомнился холодильниками с электромеханическим управлением, но в XXI веке, развитие, техника и фантазия достигла многих высот не только в дизайне, функциональности, но и в электронном управлении [1].

Принцип функционирования электронного регулирования температуры не сильно отличается от механического. Электронные регуляторы температуры не имеют электрических контактов и управляют включением охлаждения по команде электронных датчиков, установленных в регулируемых камерах. Однако в чем плюс такого регулятора, он не привязан к испарителю, он может находиться как внутри так и снаружи холодильника.

Другим плюсом является высокая точность регулирования температуры. Такая точность нужна не всем моделям бытовых холодильников, она присуща большим и дорогим моделям. Такие холодильники, чтобы не понести убытков от порчи продуктов, из-за колебаний температуры, спасает электронное управление. Поддерживать четко определенную температуру полезно тогда, когда нужно сохранить «капризные» продукты, требующие строго определенного температурного режима. Помимо этого, можно хранить большее количество продуктов. Также в распоряжении владельца окажется быстрое управление охлаждением и согреванием воздуха внутри камеры холодильника. Многие современные холодильные аппараты обладают функцией быстрого охлаждения [1]. Это очень полезно если требуется быстро заморозить некий свежий продукт, чтобы он не испортился.

Существуют специальные отсеки для хранения вина и напитков. Электронное управление позволяет не просто точно установить в них температуру, но и сигнализирует хозяину, когда напиток достиг нужной температуры и готов к подаче к столу.

Электронная система способна также сигнализировать, если обнаружена неисправность. В случае сбоя в работе холодильника, подается сигнал, на дисплей зачастую выводится код ошибки или информация о том, что именно неисправно. Также вам вовремя сообщат, если плохо закрыта дверца (звуковой сигнал, в некоторых случаях - мигает красная лампочка).

Панель управления холодильником у электронной системы обычно более разнообразна и зрелищна, чем у электромеханической. Электронный пульт представляет собой пульт с клавишами, который показывает не только регулирование температуры, но и другие цифровые указатели, цветные световые индикаторы, которые регулируют и показывают разные режимы работы. В большинстве случаев панель управления оснащена дисплеем, который может быть оснащён как оригинальными и стильными клавишами, так сенсорной панелью управления. В последнее время появились интерактивные панели управления (как таковых кнопок на них нет, пользователь нажимает прямо на дисплей, на котором высвечены символы управления холодильником). Многие производители используют панель управления как элемент дизайна. Как правило, при этом не теряется ни функциональность, ни эргономичность.

Современный бытовой холодильник с электронной системой управления оснащен следующими кнопками:

–       отключение холодильника с помощью кнопки;

–       кнопка памяти информирует о повышении температуры замороженных продуктов в ваше отсутствие;

–       кнопка «Защита от детей» защищает холодильник от случайных включений и находится в недоступном для них месте.

Предусмотрены следующие режимы:

а) «Режим быстрого охлаждения продуктов». Если сделаны большие покупки , к примеру к торжеству, то такой режим поможет быстро охладить большое колличество продуктов,сразу же после их закладки за счет включения вентилятора. По окончанию режима быстрого охлаждения, вентилятор отключается и автоматически восстанавливается нормальный режим работы.

б) «Режим быстрого охлаждения напитков». Если нужно срочно охладить напитки или спиртное перед употребелением, то эта функция справится, доведя напитки до оптимальной температуры. Звуковой сигнал оповестит о том, что напитки, вино, можно подавать к столу.

в) «Режим отпуск». Если владелец холодильника собираетесь в командировку или отпуск, холодильник прекрасно позаботится о ваших продуктах. Продукты будут сберегаться при температуре 15 °С, продукты не испортятся и в холодильнике не будет неприятного запаха, потребеление электроэнергии тоже сведется к минимуму.

Для отображения состояния имеются индикаторы и сигналы:

а) Регистрирующее устройство в виде индикатора с окрашенной жидкостью на внутренней стенке двери морозильной камеры выполняет такую же функцию как и кнопка памяти. При низких температурах жидкость остается замороженной вверху индикатора. Если температура поднимается выше критического уровня, она тает и стекает вниз.

б) Если дверь холодильника плохо закрыта или температура поднялась выше допустимого предела. Об этом известит красная мигающая лампочка и звуковой сигнал.

в) Вовремя устранить неполадки помогает функция «самодиагностика», которая срабатывает в аварийных ситуациях.

г) Аварийная сигнализация предупредит вас, если забился фильтр воды. В холодильнике может быть функция «очистка воды», когда в закрытый холодильник поступает чистая вода.

Самые продвинутые модели холодильников могут являть собой «комбинированные приборы». Так, в дверцу может быть встроен небольшой телевизор, радиоприёмник или даже диктофон. Необходимость последнего (оставлять голосовые записки на холодильнике) - сомнительна, а вот телевизор может оказаться весьма полезным «бонусом». Хотя с экономией места скорее всего это не связано, так как телевизоры, как правило, установлены в холодильниках типа Side-by-Side, который поставить в малогабаритную кухню скорее всего не удастся [1].

Высшей точкой развития холодильников с электронным управлением сейчас являются агрегаты, которые входят в так называемые системы «умный дом». Такой холодильник можно в какой-то мере считать членом семьи. Он способен сам оценивать количество продуктов, которые загружены в камеры, их состояние, предупреждать, если срок годности продуктов подходит к концу. Такие холодильники позволяют заказывать продукты через Интернет. В общем, это весьма интеллектуальный прибор, крайне полезный в хозяйстве.