Терморегулятор для холодильника на микроконтроллере ATMEGA8 и термодатчике DS18B20. Схема, плата, прошивка

Здравствуйте, дорогие читатели Датагор.ру!
Сегодня я расскажу о своём проекте, который родился на свет, благодаря выходу из строя одной из важнейшей части моего холодильника — терморегулятора. Автоматика перестала работать и всё время держала компрессор холодильника во включённом состоянии, доведя температуру внутри до −4°С вместо штатных +5°С! Минусовая температура в холодильнике, из супа получаем кусок льда! А в морозильной части вообще под −25°С было.
Пришла пора мне изучить принципы работы холодильных установок и собрать свой, цифровой терморегулятор, с индикацией, настройками и защитой компрессора по времени. Об этом и будем говорить далее. Приступаем!

↑ Немного истории

Моему холодильнику уже добрых 20 лет и за это время он успел сменить в себе два мотора и один термостат, побывал в двух мастерских и теперь это «чудовище Франкенштейна» совсем перестало выключаться.
По опыту скажу, что я очень не люблю такие термостаты, их механическая начинка довольно капризная. А ещё мастера мне попадались уникальные, они чинили одну часть холодильника, и ломали другую. Например, после ремонта у меня перестала включаться лампочка «в салоне» при открывании двери.
«Хочешь, чтобы было сделано хорошо? Сделай это сам!»

↑ Изучение холодильного вопроса и временное решение

Разобрал я корпус термостата и давай изучать, как он должен работать. При понижении температуры, фреон в трубке термостата сжимается и начинает тянуть на себя контакты реле компрессора, от чего реле отщёлкивается и отключает компрессор. После повышения температуры происходит обратный процесс. Значит, мне следует подключить своё реле к контактам, вместо термостата.


Еда начинает портиться! Звать мастера, чтобы он провозился с холодильником пару недель (а у меня в городе такие мастера и есть) — не вариант, что делать? Надо периодически выдёргивать вилку из розетки, имитируя работу термостата! Меня хватило на один день этого мазохизма, поэтому мне нужно удобное решение и собрал я за вечер обычный микроконтроллерный таймер-реле включения/выключения буквально на подносе и это не шутка.


Работает! Его задача — тупо включать компрессор на 15 минут и выключать на 45. Питание взял от импульсника из сломанного DVD плеера, в нём удачно обнаружились два выхода 12 и 5 Вольт. Реле врезал в удлинитель и прижал всё колонками. Изящное временное решение вышло!

↑ Схема моего терморегулятора

Теперь есть «время на подумать» и поискать вдохновения в Интернете для разработки полноценного терморегулятора.
Что в итоге я выяснил:
• компрессор может работать часами, но не сутками, ему нужен отдых;
• после выключения компрессора, нужно минимум 5-10 минут перед повторным запуском.

В остальном, есть простор для творчества.


Тут всё просто. Есть реле RL1 на ток в 16А на каждую группу, управляющую компрессором. Ключ Q1 управляет этим реле, получая команды от микроконтроллера U1. МК тактируется от кварца в 4 МГц.

Кнопки управления всего две, это «PLUS» и «MINUS», подтянуты они к плюсу питания и зашунтированы ёмкостями С4 и С5, для избавления от дребезга контактов.

Используется цифровой термодатчик U1 ds18b20, работающий по однопроводному протоколу.

Вся индикация — на семисегментном LED индикаторе с общим анодом, работающим в динамическом режиме. Светодиод «WORK» это индикатор состояния компрессора, который показывает, включен он или нет.

Питание взял от готового импульсника, на выходе которого, снимается 12В на реле и 5В на всё остальное.

Осталось ознакомиться со схемой холодильника и приступить к разработке логики управления компрессором.


В итоге, клеммы с термостата SK будут отключены и перенаправлены на контакты моего реле.

↑ Пишем холодильную программу для МК

Начинаем продумывать логику программы, а она довольно сложная. Мне даже в начале разработки, после пары дней кумеканья, пришлось стереть всё и писать код заново, но предварительно составив блок-схему логики работы программы.
С блок-схемой стало гораздо проще писать «поэму». Общая логика работы программы описана ниже на рисунке.


Тут не указана процедура опроса кнопки, т.к. она происходит постоянно на всех этапах работы программы. Во время периодического опроса датчика, а это каждые 3 секунды, происходит проверка исправности датчика температуры. В случае потери связи с датчиком, программа перейдёт в аварийный режим, когда вызывается подпрограмма таймера работы/отдыха компрессора. Для возврата в нормальный режим, необходимо будет исправить связь с датчиком температуры и выключить/включить устройство.


Данная подпрограмма является копией той, что работала на подносе в начале статьи, так что предыдущие труды прошли не зря.

Прошивка и исходники, как всегда, в подвале статьи! Что касается фьюзов, то они все сняты, кроме CKSEL1, т.е. микроконтроллер настроен на работу от внешнего кварца на 4 МГц.

↑ Индикация и настройки

Теперь поговорим об индикации. В устройстве заложены несколько параметров, которые можно настраивать:
1) температуру внутри — «t» (от 0 до 10 градусов, шаг 0,1 градус);
2) гистерезис заданной температуры — «G» (от 1,0 до 5,0 градусов, шаг 0,1 градус);
3) таймер отдыха компрессора — «h» (от 5 до 60 минут, шаг 1 минута);
4) таймер работы компрессора — «H» (от 10 до 600 минут, шаг 10 минут);
5) время работы компрессора в аварийном режиме — «on» (от 5 до 99 минут, шаг 1 минута);
6) время отдыха компрессора в аварийном режиме — «oF» (от 5 до 99 минут, шаг 1 минута).

Далее фотографии с реальными настройками.












Настройка температуры производится простым нажатием кнопок «PLUS» и «MINUS», при этом первоначальное нажатие покажет текущую заданную температуру, а повторное нажатие одной из двух кнопок, уже изменит её на 0,1 градус.

Если не трогать кнопки 2 секунды, настройки сохраняются и устройство покажет текущую температуру в камере холодильника.

Для проведения настроек других параметров, нужно нажать сразу две «PLUS» + «MINUS» кнопки и отпустить, а затем изменять значения необходимых параметров теми же кнопками «PLUS» и «MINUS».

Переход на следующий параметр в меню, происходит также нажатием сразу двух кнопок «PLUS» + «MINUS».

Если не трогать кнопки 2 секунды, все настройки сохраняются и индикация возвращается на показ температуры в камере холодильника.

Порядок переключаемых с помощью двух кнопок параметров соответствует порядку пунктов (2 → 3 → 4 → 5 → 6), перечисленному выше.
Применение параметров в программе в реальном времени происходит только в пунктах 1, 2, 5, 6. Параметры пунктов 3 и 4 применяются после событий старта/остановки компрессора.

При подаче питания на устройство на индикаторе высветится оставшиеся время отдыха компрессора. Это подстраховка. Мало ли, вдруг было отключение электричества, и компрессор до этого события работал, его же нельзя вот так сразу запускать. Нужна пауза минимум 5-10 минут, чтобы давление внутри стравилось, иначе пусковой ток будет слишком велик, и это может повредить мотор. В моём случае, он просто не запускался и гудел на пусковой обмотке, потребляя более 2 кВт!

По истечении таймера защиты индикация переключается на постоянное отображение температуры.

Гистерезис необходим для образования температурного «окна», т.е. если установлена температура +5°, а гистерезис равен 2°, то компрессор будет включаться при +7° и выключаться при +3°.

↑ Конструкция и детали цифрового термостата

Прибор решено было вмонтировать на верхнюю крышку холодильника. Для этого была разработана плата из двух частей — цифровая и силовая.



В крышке холодильника была установлена новая заглушка, в месте, где должен быть световой индикатор в более дорогих моделях холодильников данной серии. Вот как раз и используем заготовленное заводом пространство.

Выпилил окошки и отверстия в заглушке. Хорошо, что у меня завалялся кусок лицевой затемняющей панели от спутникового тюнера!

Все эти кусочки пластика я посадил на термоклей. В итоге вышла довольно симпатичная лицевая панель.


Проводку от платы подключил к контактным клеммам возле компрессора, в соответствии со схемой холодильника. На фотографии видно, что моему холодильнику реально пора на пенсию, но речь не об этом.

Далее прикрутил платы на платформу от крышки.

Датчик DS18B20 протащил через отверстие на задней стенке холодильника, через которое входит фреонная трубка на испаритель внутри камеры. Провёл кабель вдоль короба от термостата и вывел наружу. Заодно и исправил косяк мастеров с лампочкой, которые как выяснилось, криво надели клеммы на патрон от лампы, эх!.. Но не будем о грустном.


Погонял систему в таком опасном открытом виде пару дней, дабы убедиться, что всё работает. После сделал гидроизоляцию платы управления, залив плату термоклеем в области микроконтроллера и надел крышку.

↑ Результаты проделанной работы

На мой взгляд, выглядит всё круто и аккуратно. Мама очень довольна изобретением и боится нажимать на кнопки, что бы без привычки ничего не сломать.

Выставил температуру в +4,5° и гистерезис в 1,5°. Итого вышло, что холодильник включается при +6° и выключается при +3°. По времени вышло, что компрессор работает 10 минут и отдыхает 55 минут, а это 0,15 рабочего времени. В Интернете сказано, что диапазон соотношение цикла работы/отдыха в 0,2-0,9 считается нормальным. Думаю, моя цифра показывает, что экономия электроэнергии находится на высоком уровне.

Это был интересный опыт в решении данной проблемы, которая возникает у многих владельцев старых холодильников.

↑ Файлы

🎁 Печатная плата в SprintLayout v6.0  43.39 Kb ⇣ 293
🎁 Проект для опытов в Proteus v8.4  22.53 Kb ⇣ 238
🎁 Исходники на C в CodeVision AVR 3.12  132.01 Kb ⇣ 262
🎁 Прошивка с диапазоном от 0°С до +5°С  4.23 Kb ⇣ 297

🎁 Исходники с правками камрада Zhenyab (расширенный диапазон)  317.26 Kb ⇣ 234
🎁 Прошивка с диапазоном от -30°С до +5°С (от Zhenyab, не проверено в железе)  4.52 Kb ⇣ 193

На этом всё. Благодарю за внимание!
И да прибудут с вами интересные статьи на Датагоре!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации