Терморегулятор для холодильника на микроконтроллере ATMEGA8 и термодатчике DS18B20

↑ 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!»

Как провести проверку терморегулятора самостоятельно в домашних условиях?

При понимании, что такое терморегулятор в холодильнике, обнаружить поломку и устранить ее будет значительно легче. Существует несколько способов проверки работоспособности термостата самостоятельно.

Оптимальная температура включенного на всю мощность холодильника, составляет 6–7 Со.

Холодильник работает без отключения

В таком случае необходимость извлечения терморегулятора для диагностики отсутствует. Достаточно:

• обесточить агрегат;
• освободить все камеры;
• установить максимальную температуру либо запустить режим быстрой заморозки;
• в центре холодильной камеры разместить градусник, предпочтительней, который замеряет отрицательную температуру;
• включить пустой холодильник;
• через несколько часов достать градусник, который должен показывать 6–7 Со.

Проверить рабочий ли терморегулятор, можно, если снять рыле полностью и соединить провода напрямую.

Если же показания отличаются от 6–7 Со, стоит снять сломанный термостат и заменить его на новый.

При неисправном терморегуляторе холодильник может не включаться.

Агрегат не включается

Следствием неисправности холодильного аппарата может являться не только поломка реле. Прежде, чем вызывать специалиста, необходимо разобраться: в чем именно поломка и возможна ли починка без обращения к мастеру?

Новый терморегулятор можно приобрести в специализированном магазине.

В этом случае проверка проста: нужно отключить питание холодильника, выдернув вилку устройства из розетки. Затем снять защитный кожух и разобраться в проводах.

Перед тем, как приступить к ремонту холодильника, нужно отключить его от питания.

Если модель агрегата достаточно старая, то к клеммам реле подходят всего два провода, которые нужно соединить между собой, с помощью кусочка провода, либо зафиксировав провода на кончиках скрепки.

Если проверка термостата не выявила проблем, то поломка заключается в другом.

Включить холодильник в сеть, если компрессор заработал, то значит причина поломки – термостат. Если же компрессор не запустился, то причина поломки – реле либо двигатель. В последнем случае, без помощи специалиста не обойтись.

Качественный ремонт с последующей гарантией сможет произвести только мастер.

В современных моделях разобраться немного сложней, так как проводов, подходящих к терморегулятору, уже четыре.

1. Провод, идущий от двигателя – оранжевый, черный или красный.
2. От питания – коричневый.
3. От сигнальной лампочки – желтый, белый или зеленый.
4. Заземление – желтый с зеленой полосой.

Перед заменой термостата обязательно запомните расположение проводов.

К замыканию подлежат первые 3 провода из списка. Далее устройство подключается к питанию и проверяется работа компрессора. Если он запустился, то неисправность в термостате, если нет – в реле или двигателе.

Неисправный терморегулятор необходимо заменить.

Наросты наледи на стенках и полках холодильной/морозильной камеры

Для проверки исправности термостата в данном случае, необходимо выполнить следующее.

• Освободить камеры.
• Оставить агрегат в работающем состоянии на 5 часов.
• В течение “пустой” работы холодильника, производить замер времени между запуском и отключением устройства. Если промежуток равен 40 минутам, то работа агрегата нормальная. При наименьших значениях терморегулятор считается неисправным и подлежит замене.

После того, как у нерабочего холодильника выявлена неполадка, проблема устраняется.

↑ 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.

Термостат холодильника
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.

Прототип терморегулятора холодильника

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!

Как правильно заменить

Выполняя работу по замене неисправного термостата, нужно придерживаться инструкции, чтобы не допустить распространенных ошибок. Нарушение правил установки нового компонента может вызвать некорректное функционирование оборудования и спровоцировать возникновение поломок других деталей.

Демонтаж

Приступая к демонтажу терморегулятора, обязательно нужно выключить холодильник из розетки. Затем следует найти расположение компонента в зависимости от разновидности оборудования. Обычно для демонтажа достаточно открутить регулировочную ручку, снять крепеж и защитную крышку корпуса.

↑ 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.

Принципиальная схема терморегулятора

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.

Электрическая схема холодильника «NORD-214–1». SK — терморегулятор; EL — пампа накаливания; К — пускозащитное реле; М — компрессор; ЕК1 — электронагреватель поперечины; ЕК2 — электронагреватель оттаивания; SQ — выключатель освещения; Х — провод армированный.

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

Устройство температурного датчика

Детектор нужно рассматривать вместе с термостатом (терморегулятором) — эти два узла функционируют вместе, именно они настраивают работу системы охлаждения. По сути, это и есть ядро управляющей части, к которому подключен селектор, сенсорное табло для выставления нужного режима.

Термостат с реле являет собой коробочку с селектором на стенке холодильника, внутри его отсека. У современных моделей чаще узел встраивают в корпус, обычно в верхнюю часть. Наружный сегмент состоит только из ручки регулировки (селектора), панели управления с кнопками, сенсорным или обычным табло, индикацией.

Селектором с градуировкой или на сенсорном дисплее, в зависимости от продвинутости изделия и типа управления — механического, электронного — пользователь выставляет режимы охлаждения и заморозки (нормальная, суперзаморозка и прочее).

Есть 2 вида конструкции термодатчиков.

Электронный (соединяющийся с микроконтроллером, с микросхемой) — это небольшой кусочек чувствительного материала в пластиковом корпусе, терморезистор, термопара, небольшая плата с ним. Выводы элемента соединяются с микросхемой термостата или узла управления. При изменении температуры меняется сопротивление термопары, которое регистрирует микроконтроллер (МК), сравнивает с выставленными пользователем значениями. Дальше команда от МК поступает на реле, которое и смыкает/расцепляет контакты. В данном случае есть 2 проводка, подводящие небольшое напряжение к сенсору. Термостат, а скорее, блок управления при таком устройстве тоже электронный.

Более привычный вариант термодетектора — механический. Особенно его надо рассматривать вместе с термостатом такого же типа — это, скорее, его часть, в большей мере неотделимая, чем у электронных разновидностей, обычно она незаменяемая, хотя такое теоретически возможно. Более подходящее название для всего узла — термореле. Данный вариант сенсора представляет собой герметичную металлическую капиллярную трубку, внутри наполненную хладагентом. У некоторых моделей на конце есть медная колба. Один конец такого элемента размещается в локации, где требуются замеры, второй с сильфоном, заходит в терморегулятор, соединяясь там с механическими частями, влияющими на контакты цепи.

Внутри сильфонной трубки есть определенное давление, изменяемое в зависимости от температуры. На другом конце, крепящемся к термостату, есть сильфон (гофрированная упругая оболочка), натяжение которой меняется, когда пользователь селектором с пружинкой настраивает рамки смыкания/размыкания контактов (вкл./выкл. мотора). При определенной температуре хладагент меняет свое состояние (расширяется/сжимается), натиск в трубке меняется, часть, заходящая в терморегулятор, подвигается и давит или перестает воздействовать через сильфон на шток, смыкающий или расцепляющий электроцепь.

Когда уровень охлаждения достигает выставленного на селекторе, датчик сигнализирует об этом (электронный вариант) или перестает давить на пружинку термостата — реле расцепляет контакты или они сами расходятся в зависимости от натиска. Мотор прекращает работать. Таким образом, исключается переморозка, переохлаждение. Со временем температура начинает повышаться по естественным причинам и вследствие «отдыха» компрессора. Описанный процесс происходит наоборот.

↑ 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.

Блок-схема работы основной части программы

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.

Блок-схема работы программы в аварийном режиме

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.

Как самостоятельно заменить термодатчик?

Чтобы точно определить, является ли неисправность термостата причиной проблем, нужно провести небольшую диагностику и только после этого приступать к замене узла, процесс выявления поломки и ремонт холодильника можно выполнить своими руками.

Диагностика и регулировка

При значительном обмерзании стенок морозилки используйте такой метод проверки работоспособности функционального узла:

1. В момент работы мотора медленно поворачивайте ручку регулятора, увеличивая температуру внутри отделения.
2. Через некоторое время, когда уровень устанавливаемого значения совпадёт с уровнем температуры в отсеке, датчики зафиксируют заданный параметр, и на компрессор поступит сигнал об отключении. Прекращение работы мотора будет означать, что реле исправно.
3. Извлеките из камеры все находящиеся в ней продукты и оставьте холодильник включённым на 5–6 часов. В течение этого времени внимательно следите за длительностью перерывов в работе мотора: если она составляет не менее 30–40 минут, бытовой прибор можно эксплуатировать в обычном режиме. В противном случае откорректируйте цикличность включения компрессора изменением настроек термостата.

Определить, что «виновник» отсутствия отключения рефрижератора — термостат, можно таким способом:

1. отключите холодильник от электропитания;
2. извлеките все продукты и разместите их на время проверки функционального узла в прохладное место;
3. установите ручкой регулятора максимально низкую температуру или включите режим заморозки;
4. разместите на средней полке холодильной камеры термометр, которым можно измерять температуру воздуха ниже 0 °С;
5. подключите рефрижератор к электропитанию;
6. через 2 часа оцените показания термометра: если воздух в холодильном отсеке нагрелся более 6 °С выше нуля, реле неисправно.

Если бытовой агрегат после отключения долго не начинает работать, выполните такие действия:

1. Отключите электропитание холодильника, снимите кожух термореле. В старых моделях холодильников к клеммам функционального узла подходят два провода. Отсоедините их и напрямую замкните между собой (небольшим куском провода или разогнутой канцелярской скрепкой).

Если в момент замыкания контактов компрессор начал работать – реле непригодно для эксплуатации. Если мотор не запустился – причина неполадок может заключаться в поломке пускозащитного реле или двигателя.

В более современных моделях бытовых холодильников к терморегулятору подходит 4 провода:

жёлтый с зелёной полоской – заземление; оранжевый (или красный, чёрный) соединяет узел с компрессором; коричневый – «ноль», ведёт к вилке; белый (или жёлтый, зелёный) подсоединён к лампочке в камере холодильника.

Для выявления неисправности термостата замкните все провода, кроме заземления. Если мотор включился – регулятор неисправен.

↑ 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.

Ремонт или замена термостата своими руками

Рассмотрим самостоятельную замену термореле на примере двухкамерного холодильника марки «Атлант». Пошаговый алгоритм действий:

1. Убрать накладку, закрывающую верхнюю петлю, и выкрутить крепёжные болты.
2. Снять дверь отсека.
3. Снять заглушку, установленную на крыше рефрижератора, и вывернуть винт (зачастую имеющий вид шестигранника).
4. Открутить саморезы, которые расположены сзади и удерживают крышку. Убрать крышку.
5. Снять ручку температурного регулятора.
6. Открутить саморезы для крепления кронштейна и вынуть регулятор температуры.
7. Поменять узел и повторить действия, описанные выше, в обратном порядке.

↑ 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.

Возможные причины выхода из строя

Существует несколько явных признаков, свидетельствующих о поломке термостата:

• компрессор работает, не переставая, или с недолговременными остановками (это можно понять по постоянному шуму холодильника);
• стены изнутри покрыты льдом, а в морозильнике намерзает снег;
• в холодильной камере установлена низкая или высокая (относительно) температура;
• под холодильником растекается вода;
• рефрижератор сам отключается и перестаёт работать.

Основная причина поломки термостата – механический износ элементов. При этом наиболее вероятно повреждение:

• корпуса сильфона. Герметичность нарушится, часть хладагента выйдет наружу, и обеспечение требуемой величины давления для включения компрессора станет невозможным;
• контактов из-за прогорания;
• соединения трубочки и испарителя. Герметичность, обеспечиваемая клеевым соединением, нарушится.