基于I2C和單總線(xiàn)通信的全天分段熱水智能控制器

傳統的溫控熱水器大多把溫度作為唯一的控制參數，系統利用溫度傳感器對環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測并將溫度設定值與測量值進(jìn)行比較，只要測量值小于設定值就啟動(dòng)循環(huán)泵加熱以達到滿(mǎn)足用戶(hù)需要的目的。這類(lèi)熱水器功能單一且浪費了大量的水、電資源。

一般情況下，家庭使用熱水的時(shí)間點(diǎn)比較固定，基本可以分為早、中、晚3個(gè)時(shí)間段。針對這一情況，本設計采用Microchip的PIC16F72單片機為主控制器，根據DS18B20所采集的溫度數據以及用戶(hù)設置的時(shí)間段(3段)上下限數值和溫度設定值對循環(huán)泵的啟動(dòng)和停止進(jìn)行控制，實(shí)現對熱水器水箱溫度的有效控制。這樣循環(huán)泵在其它時(shí)段便不會(huì )工作，節省了大量的電能。當用戶(hù)需要在非設置時(shí)間段內使用熱水時(shí)，可以按下加熱鍵進(jìn)行快速加熱，從而保證了用戶(hù)也能及時(shí)用到熱水。顯然這種控制器在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的前提下顯著(zhù)增強了溫控系統智能化程度，大大提高了資源利用率，給用戶(hù)帶來(lái)了真正的實(shí)惠。

1 總體設計及工作原理

全天分段熱水智能控制器主要由單片機控制模塊，溫度采集模塊，日歷時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、時(shí)間段上下限及預加熱溫度設置模塊、電機驅動(dòng)模塊和外部存儲模塊等部分組成。其系統框圖如圖1所示

單片機PIC16F72作為控制器的核心，快速響應各種給定信號和反饋信號，并發(fā)出相應的指令控制各個(gè)部分，保證整個(gè)系統有序工作。溫度傳感器檢測熱水器水箱溫度并通過(guò)單總線(xiàn)送入到單片機中進(jìn)行處理，時(shí)鐘芯片及外部存儲器通過(guò)I2C總線(xiàn)與單片機間進(jìn)行通信。溫度顯示實(shí)時(shí)溫度和設置溫度。時(shí)間顯示設置時(shí)段及系統時(shí)鐘。在實(shí)際溫度小于設置溫度3度時(shí)，如果時(shí)間在設置的3段范圍內，水泵啟動(dòng)，當實(shí)際溫度大于設置溫度時(shí)，水泵停止工作。加熱鍵根據用戶(hù)需要實(shí)現快速加熱。

2 系統硬件設計

單片機選用微芯公司的PIC16F72，完全可以滿(mǎn)足本系統中要求的采集、外部中斷、控制、數據處理及存儲空間的需要，在用PIC16F72設計系統時(shí)，首先要構成一個(gè)最小系統，單片機才能正常工作，即電源、晶振、復位缺一不可。本系統采用的是+5 V電源，晶振采用的是4 MHz和兩個(gè)30 pF電容構成的無(wú)緣晶振，復位電路采用的是改進(jìn)型RC復位電路，即在經(jīng)典的RC復位電路基礎上增加了一個(gè)二極管構成放電回路，這樣不但可以避免電源毛刺造成系統不穩定，而且電源緩慢下降也能可靠復位。

2．1 溫度采集電路

系統需要對熱水器水箱溫度進(jìn)行測量控制，測溫的關(guān)鍵是要選擇合適的感溫元件和合理的采集電路。文中采用的是美國DALLAS公司推出的單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20，與傳統的熱敏電阻不同，DS18B20將溫度傳感器與A／D轉換器集成在一個(gè)芯片上，可直接將被測溫度轉換為全型數字信號直接供單片機處理，且具有結構簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、用戶(hù)可自行設定預警上下限溫度等特點(diǎn)，因此使硬件設計大大簡(jiǎn)化，對應的硬件電路如圖2所示。

傳感器DS18B20測量溫度范圍為-55～125℃，完全滿(mǎn)足系統要求。DS18B20通過(guò)一個(gè)單線(xiàn)接口發(fā)送或接受信息，因此從中央處理器到DS18 B20僅需連接一條線(xiàn)。在1s(典型值)內把溫度變換為數字，以9位數字值方式讀出溫度，無(wú)需校準，即可提供工業(yè)級的測溫范圍和精度。

2．2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘及外部存儲芯片

本系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用低功耗的CMOS時(shí)鐘芯片PCF8563實(shí)現，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)終端輸出和掉電檢測器，所有的地址和數據通過(guò)I2C總線(xiàn)接口串行傳遞。每次讀寫(xiě)數據后，內嵌的字地址寄存器會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生增量，日歷時(shí)間編碼格式為BCD。PCF8563制作數字時(shí)鐘編程簡(jiǎn)單，可靠實(shí)用，配合其超低維持功耗(典型值為0．25μA，Vdd=3．0 V，Tamb=25 C)，當系統斷電時(shí)，只需用一個(gè)后備電池就可以長(cháng)時(shí)間掉電保持實(shí)時(shí)時(shí)間計時(shí)，本系統選用壽命長(cháng)、性?xún)r(jià)比高、可靠性強的便攜式紐扣電池CR2025。利用二極管的單向導電性實(shí)現了系統的掉電保護功能。當CPU正常運行時(shí)，系統電源為時(shí)鐘芯片提供電源，其正常工作，當系統掉電時(shí)，紐扣電池為時(shí)鐘芯片提供電源，其保持準確計時(shí)。如圖3所示。

外部存儲芯片選用的是AT24C02B，主要用于存儲時(shí)間段上下限與設置溫度數據，采用I2C總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)數據和地址。

2．3 液晶顯示電路

液晶用于顯示溫度、時(shí)間以及循環(huán)泵的工作狀態(tài)(STOP或RUN)，且提供了友好的人機交互界面，可方便輸入需設置的時(shí)間段上下限和溫度值。本系統選用的是編程簡(jiǎn)單，體積小，性?xún)r(jià)比很高的1 602，為了提高視覺(jué)效果和美觀(guān)，采用的是白色背光，模塊最佳工作電壓為5．0 V，顯示容量為16x2個(gè)字符，可分兩排顯示。對應的電路連接如圖4所示。


2．4 按鍵模塊

系統中共用4個(gè)按鍵，分別為設置鍵、增加鍵、減少鍵、加熱鍵。設置鍵用于設置溫度和時(shí)間；增加和減少鍵用于修改時(shí)間和溫度數值；加熱鍵用于任意時(shí)間需要加熱時(shí)快速加熱。按鍵在閉合及斷開(kāi)的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，為了確保CPU對鍵的一次閉合或斷開(kāi)僅作一次處理，保證系統的可靠性，本設計在軟件上加入了可靠的按鍵消抖程序。

2．5 繼電器

綜合考慮，本設計選用了直流輸入控制，交流過(guò)零導通，過(guò)零關(guān)斷輸出型無(wú)觸點(diǎn)固態(tài)繼電器。與傳統的電磁繼電器相比，其在操作中不會(huì )產(chǎn)生電弧，因而具有高穩定性。本設計輸入控制電壓為5 V，該繼電器對應的驅動(dòng)電流只有15 mA左右，其啟動(dòng)性能平穩且提供了10 ms以下的開(kāi)關(guān)速度，顯著(zhù)提高了系統數據的吞吐量。

3 軟件的實(shí)現

程序設計是本設計的核心部分。整個(gè)程序包括主程序、按鍵處理子程序、I2C總線(xiàn)讀寫(xiě)子程序、單總線(xiàn)讀寫(xiě)子程序、定時(shí)器子程序、鍵中斷服務(wù)子程序、按鍵消抖子程序、上電自檢子程序和顯示子程序等。

主程序流程圖如圖5所示，初始化主要是各I／O口、各寄存器、定時(shí)器的初始化，上電自檢，開(kāi)定時(shí)器和定時(shí)中斷允許，顯示LOGO，讀時(shí)鐘以及當前溫度并顯示等。然后判斷標志位F是否等于1，若F=1，說(shuō)明加熱鍵按下，則CPU直接查詢(xún)溫度判斷循環(huán)泵的啟動(dòng)或停止，當實(shí)際溫度小于設置溫度3度時(shí)，水泵啟動(dòng)且LCD顯示對應的RUN，當實(shí)際溫度大于設置溫度時(shí)，水泵停止工作且LCD顯示對應的STOP；若F=0，說(shuō)明加熱鍵沒(méi)按下，則CPU先進(jìn)行時(shí)間段判斷，再進(jìn)行溫度判斷，當時(shí)間在設置的三段范圍內且實(shí)際溫度小于設置溫度3度時(shí)，水泵啟動(dòng)，否則水泵停止工作。

設定按鍵外部中斷為高優(yōu)先級，使主程序能實(shí)時(shí)響應按鍵處理，進(jìn)行相應的操作。若長(cháng)按設置鍵，則進(jìn)入設置環(huán)節，否則有按鍵按下時(shí)則背光亮5秒鐘，便于用戶(hù)讀取時(shí)間和溫度，然后自動(dòng)熄滅。鍵處理子程序是本設計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其流程圖如圖6所示。

單片機與DS18B20之間數據交換采用單總線(xiàn)，由于只有一根線(xiàn)通信，所以必須采用嚴格的主從結構，當主機呼叫從機時(shí)，從機才能應答，主機訪(fǎng)問(wèn)單線(xiàn)期間必須嚴格遵循單線(xiàn)命令的序列，如果命令序列混亂，單線(xiàn)器件不會(huì )響應主機。

單片機與時(shí)鐘芯片PCF8563及外部存儲器之間通信采用I2C總線(xiàn)，I2C總線(xiàn)是由數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL構成的串行總線(xiàn)，可發(fā)送和接受數據，最高傳送速率100 kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線(xiàn)上，但每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址。本設計中的PCF8563和AT24C02B雖然掛在同一條總線(xiàn)上，其地址分別為0xa2和0xa0，彼此獨立，互不相關(guān)。這點(diǎn)在編程時(shí)必須注意，很容易出錯。I2C總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單和有效。由于接口直接在組件之上，因此，I2C總線(xiàn)占用的空間非常小，減少了電路板的空間和器件引腳的數量，降低了成本。

系統采用單片機C語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)環(huán)境是Microchip的MPIAB IDE V8．50，在線(xiàn)調試及下載工具是ICD3。

4 結束語(yǔ)

文中從硬件和軟件的角度出發(fā)，設計了一套基于PIC16F72單片機的溫度智能控制系統。與傳統的溫控系統相比，本系統大大地提高了資源利用率，且元器件選擇頗具考究，有很大創(chuàng )新，硬件結構簡(jiǎn)單、體積小巧，成本低廉、界面直觀(guān)、安全可靠。并且在設計時(shí)考慮到以后擴展系統工程的需要，單片機留出了一定的控制引腳以便于外接其他功能模塊。該控制器已經(jīng)成功運用在小型即熱式電熱水器中。