基于PIC單片機的熱水控制器設計

關(guān)鍵詞: PIC單片機；DS1820數字溫度傳感器；熱水控制器

引言
當前市場(chǎng)上的熱水控制器基本上采用雙金屬片溫控，控溫精度低、可靠性差、功能單一。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強，價(jià)格低廉，在各方面得到廣泛應用。在熱水控制器中應用單片機，具有設計簡(jiǎn)單、可靠性高、功能易擴展等優(yōu)點(diǎn)。
熱水控制器主要實(shí)現對水溫的控制，并滿(mǎn)足不同用戶(hù)的個(gè)性需求。因此一個(gè)較完善的控制器應具有以下功能：
水溫的測量與顯示；
水量的測量與顯示；
用戶(hù)設定功能(如水溫設定，定時(shí)設定等)；
對電加熱管的控制功能；
一些功能鍵(如定時(shí)自動(dòng)加水，恒溫控制，手動(dòng)加水，手動(dòng)加熱等)。
安全措施(漏電檢測，安全失效保護，限溫保護等)。

圖1 總體布局圖

2(a)基本溫度水溫測量電路

圖2 (b)基本顯示電路圖圖

圖2(c)水閘加熱管控制電路

硬件電路設計
根據熱水控制器的功能要求，并結合對PIC16C5X系列單片機的資源分析，采用此系列中的主流型號PIC16C57作為電路系統的控制核心。電熱水控制器的總體布局如圖1所示。
基本硬件電路圖如圖2(a)~(c)所示。在本系統中，RA0~RA3用于七段碼顯示，RB6控制水閘開(kāi)關(guān)，RB7控制電加熱管，RC3~RC5用于按鍵設計和讀取水量，RC0~RC2用于跟DS1820通信進(jìn)行水溫測量，RB0~RB1對七段碼進(jìn)行掃描，RB2~RB5 LED指示燈顯示，RC6漏電檢測，RC7控制揚聲器用于報警和指示。
水溫測量電路
測溫元件采用DALLAS的單線(xiàn)數字溫度傳感器DS1820。DS1820提供九位溫度讀數，測量范圍-55℃~125℃，采用獨特1-WIRE 總線(xiàn)協(xié)議，只需一根口線(xiàn)即實(shí)現與MCU的雙向通訊，具有連接簡(jiǎn)單，高精度，高可靠性等特點(diǎn)。在工作時(shí)，通過(guò)總線(xiàn)向其提供電源，單片機發(fā)出指令碼讀取溫度值。
鍵盤(pán)與水量測量電路
由于在本系統中，只要求顯示四個(gè)檔位的水量值，因此水量傳感器采用的是開(kāi)關(guān)式傳感器，當水量達到某一檔時(shí)會(huì )拉低該檔電平，接口電路與按鍵按下類(lèi)似。因此在電路設計中，將水量檔位信號與按鍵通過(guò)一片74HC148優(yōu)先編碼器連接到單片機的I/O口上。按鍵的優(yōu)先權高于水量信號，水量高檔位信號優(yōu)先權高于低檔位信號，以保證能優(yōu)先響應按鍵。
顯示電路
溫度采用二位七段碼顯示，顯示范圍0℃~99℃。水量采用一位七段顯示，顯示1、2、3、4，四檔水位。對溫度和水量進(jìn)行循環(huán)掃描顯示。四個(gè)LED用于當前按鍵功能設定。
水溫和水量控制電路
單片機通過(guò)光電耦合對繼電器進(jìn)行控制，用來(lái)切斷或接通加熱管電源，關(guān)閉或打開(kāi)水閥，從而達到對水溫和水量的控制。
漏電檢測及報警電路
由于熱水器工作在潮濕的場(chǎng)合，因此需具備漏電檢測與報警功能。漏電檢測由漏電檢測線(xiàn)圈的輸出經(jīng)整形后輸入到RC6口，電路原理圖如圖3(a)所示。當漏電流超過(guò)一定閾值時(shí)，比較器輸出低電平，否則保持高電平，再通過(guò)一單穩態(tài)觸發(fā)器電路產(chǎn)生如圖3(b)所示波形，低電平保持時(shí)間t可由單穩態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行調整設定。在本系統中t為10ms，由于PIC16C57沒(méi)有中斷功能，因此程序中必須每隔一定時(shí)間(小于10ms)對RC6口進(jìn)行查詢(xún)，以檢測是否漏電，一旦檢測到RC6變低，經(jīng)過(guò)確認后切斷加熱管電流，同時(shí)進(jìn)行報警。報警電路還在傳感器出現故障、超溫時(shí)報警提示。
PIC16C57本身具有看門(mén)狗定時(shí)器，當系統出現異常時(shí)，能自動(dòng)進(jìn)行掉電保護和系統復位。

圖3(a)電路原理圖

圖3(b)波形圖

圖4 系統流程圖

圖5 RTCC原理圖

系統軟件設計
系統軟件采用PIC16C5X精簡(jiǎn)指令編寫(xiě)。由于PIC16C57沒(méi)有中斷功能，因此本系統中鍵盤(pán)掃描、漏電檢測等子程序都通過(guò)查詢(xún)實(shí)現，并采用4MHz的時(shí)鐘頻率，對指令的運行時(shí)間進(jìn)行了精確計算和設計，保證軟件的可靠性和穩定性。系統主程序框圖如圖4所示，本文討論鍵盤(pán)顯示與水溫測量?jì)蓚€(gè)模塊。
鍵盤(pán)和顯示
本系統中，有四個(gè)功能按鍵：定時(shí)加水、恒溫控制、手動(dòng)加水和手動(dòng)加熱；三個(gè)七段碼顯示與四個(gè)LED燈指示。
a) 按下定時(shí)加水按鈕時(shí)，定時(shí)LED變亮，并以當前時(shí)間為定時(shí)時(shí)標，每24小時(shí)自動(dòng)加水至設定水量；若長(cháng)按此鈕超過(guò)5秒，定時(shí)LED滅，并聽(tīng)到“嘟”一聲進(jìn)行水量設定，此后每按一下鈕，水量顯示加一檔，1~4檔循環(huán)顯示，不按此鈕超過(guò)5秒，再次聽(tīng)到“嘟”一聲，水量設定完畢。系統的定時(shí)功能主要通過(guò)軟件完成。PIC16C5X內帶一個(gè)8位定時(shí)器/計數器RTCC，在進(jìn)行24小時(shí)定時(shí)加水時(shí)采用了該定時(shí)器，RTCC及其相關(guān)電路如圖5所示。由圖5可知，RTCC工作狀態(tài)由OPTION寄存器控制，其中OPTION寄存器的RTS位用來(lái)選擇RTCC的計數信號源，當RTS為“1”時(shí)，信號源為來(lái)自RTCC引腳的外部信號，RTS為“0”時(shí)，信號源為內部時(shí)鐘。OPTION寄存器的PSA位控制預分頻器分配對象，當PSA為“1”，分配給RTCC，即外部或內部信號經(jīng)過(guò)預分頻器分頻后再輸出給RTCC。預分頻器的分頻比率由OPTION內的PS0~PS2決定。OPTION的RTE位用于選擇外部計數脈沖的觸發(fā)沿，當RTE為"1"時(shí)下降沿觸發(fā)，“0“時(shí)為上升沿觸發(fā)。RTCC計數器采用遞增方式計數，當計數至FFH時(shí)，在下一個(gè)計數發(fā)生后，將自動(dòng)復零，重新開(kāi)始計數，以此循環(huán)下去。在實(shí)際設計中，OPTION寄存器為“00100111“，即定時(shí)器的信號源來(lái)自RTCC引腳的外部信號，預分頻器的分頻比率為1：256，上升沿觸發(fā)。RTCC引腳信號的輸入頻率為1kHz，因此RTCC計數至FFH時(shí)需65536ms。通用寄存器F0EH、F0FH用作定時(shí)暫存。當設置定時(shí)加水功能時(shí)，初始化RTCC、OPTION、F0EH、F0FH,開(kāi)始進(jìn)行定時(shí)，每隔256ms查詢(xún)一次RTCC的值，RTCC每循環(huán)一次，F0EH－F0FH增1，當增到1318時(shí)，24小時(shí)定時(shí)到，寄存器復位，自動(dòng)加水。
b) 按下恒溫控制鈕，恒溫LED變亮，表示進(jìn)行恒溫控制，再按一下LED滅，取消恒溫控制。與水量設定類(lèi)似，長(cháng)按后，進(jìn)行溫度設定。
c) 按下手動(dòng)加熱鈕時(shí)，加熱LED變亮，加熱至65℃，如水量少于1檔，則先加水到1檔，再按一次取消加熱。
d) 按下手動(dòng)加水鈕時(shí)，加水至設定水量值，長(cháng)按可設定水量。手動(dòng)加水過(guò)程中，再次按下取消加水。
正常情況下，兩個(gè)七段碼顯示當前水溫，另一個(gè)顯示當前水位。
水溫測量
溫度讀取是通過(guò)與DS1820通信完成。DS1820通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴格的時(shí)隙概念。因此系統對DS1820的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS1820(發(fā)復位脈沖 →發(fā)ROM功能命令 →發(fā)存儲器操作命令 →處理數據)。各操作時(shí)序圖如圖6和圖7所示。
本程序中需用到的操作命令如下：
SKIPROM命令(CCH)：此命令執行后，表示以后的存儲器操作命令將針對在線(xiàn)的所有DS1820，由于本系統中只有一片DS1820，因此發(fā)出此命令后，就可對其進(jìn)行操作。
CONVERT命令代碼［44H］：?jiǎn)?dòng)在線(xiàn)DS1280進(jìn)行溫度A/D轉換。
READSCRATCHPAD命令代碼[BEH]：讀取溫度寄存器的溫度值。
對DS1820操作的總體流程圖如圖8所示。
其他功能程序
漏電檢測、數據處理、定時(shí)計數等其他功能程序都根據程序運行時(shí)間進(jìn)行了統籌設計，在此不再進(jìn)行詳述。

圖6 讀寫(xiě)時(shí)序圖

圖7 初始化時(shí)序

圖8 DS1820操作流程圖

結語(yǔ)
電熱水器單片機控制器具有新穎、價(jià)廉、安全、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，并且在國產(chǎn)電熱水器上獲得了成功應用。本文的一些方法也適用于冰箱、空調等家用電器的電腦控制設計中?！?/P>

參考文獻
1 李東星,陳小牧. PIC16C5X系列單片機應用設計.北京:電子工業(yè)出版社.1996.1
2 Dallas Corp., DS18B20 Programmable Resolution One—Wire Digital Thermometer
3 《單線(xiàn)數字溫度傳感器資料》，武漢力源電子有限公司.1996.1
4 徐惠民等.單片微型計算機原理接口應用.北京郵電學(xué)院出版社.1989