基于PIC單片機的熱水控制器設計

關鍵詞: 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。隨著微電子技術的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強，價格低廉，在各方面得到廣泛應用。在熱水控制器中應用單片機，具有設計簡單、可靠性高、功能易擴展等優(yōu)點。
熱水控制器主要實現(xiàn)對水溫的控制，并滿足不同用戶的個性需求。因此一個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；
用戶設定功能(如水溫設定，定時設定等)；
對電加熱管的控制功能；
一些功能鍵(如定時自動加水，恒溫控制，手動加水，手動加熱等)。
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(tǒng)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(tǒng)中，RA0~RA3用于七段碼顯示，RB6控制水閘開關，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通信進行水溫測量，RB0~RB1對七段碼進行掃描，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 總線協(xié)議，只需一根口線即實現(xiàn)與MCU的雙向通訊，具有連接簡單，高精度，高可靠性等特點。在工作時，通過總線向其提供電源，單片機發(fā)出指令碼讀取溫度值。
鍵盤與水量測量電路
由于在本系統(tǒng)中，只要求顯示四個檔位的水量值，因此水量傳感器采用的是開關式傳感器，當水量達到某一檔時會拉低該檔電平，接口電路與按鍵按下類似。因此在電路設計中，將水量檔位信號與按鍵通過一片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。對溫度和水量進行循環(huán)掃描顯示。四個LED用于當前按鍵功能設定。
水溫和水量控制電路
單片機通過光電耦合對繼電器進行控制，用來切斷或接通加熱管電源，關閉或打開水閥，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圈的輸出經整形后輸入到RC6口，電路原理圖如圖3(a)所示。當漏電流超過一定閾值時，比較器輸出低電平，否則保持高電平，再通過一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路產生如圖3(b)所示波形，低電平保持時間t可由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進行調整設定。在本系統(tǒng)中t為10ms，由于PIC16C57沒有中斷功能，因此程序中必須每隔一定時間(小于10ms)對RC6口進行查詢，以檢測是否漏電，一旦檢測到RC6變低，經過確認后切斷加熱管電流，同時進行報警。報警電路還在傳感器出現(xiàn)故障、超溫時報警提示。
PIC16C57本身具有看門狗定時器，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，能自動進行掉電保護和系統(tǒng)復位。

圖3(a)電路原理圖

圖3(b)波形圖

圖4 系統(tǒng)流程圖

圖5 RTCC原理圖

系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件采用PIC16C5X精簡指令編寫。由于PIC16C57沒有中斷功能，因此本系統(tǒng)中鍵盤掃描、漏電檢測等子程序都通過查詢實現(xiàn)，并采用4MHz的時鐘頻率，對指令的運行時間進行了精確計算和設計，保證軟件的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)主程序框圖如圖4所示，本文討論鍵盤顯示與水溫測量兩個模塊。
鍵盤和顯示
本系統(tǒng)中，有四個功能按鍵：定時加水、恒溫控制、手動加水和手動加熱；三個七段碼顯示與四個LED燈指示。
a) 按下定時加水按鈕時，定時LED變亮，并以當前時間為定時時標，每24小時自動加水至設定水量；若長按此鈕超過5秒，定時LED滅，并聽到“嘟”一聲進行水量設定，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5秒，再次聽到“嘟”一聲，水量設定完畢。系統(tǒng)的定時功能主要通過軟件完成。PIC16C5X內帶一個8位定時器/計數器RTCC，在進行24小時定時加水時采用了該定時器，RTCC及其相關電路如圖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位用來選擇RTCC的計數信號源，當RTS為“1”時，信號源為來自RTCC引腳的外部信號，RTS為“0”時，信號源為內部時鐘。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過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"時下降沿觸發(fā)，“0“時為上升沿觸發(fā)。RTCC計數器采用遞增方式計數，當計數至FFH時，在下一個計數發(fā)生后，將自動復零，重新開始計數，以此循環(huán)下去。在實際設計中，OPTION寄存器為“00100111“，即定時器的信號源來自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時需65536ms。通用寄存器F0EH、F0FH用作定時暫存。當設置定時加水功能時，初始化RTCC、OPTION、F0EH、F0FH,開始進行定時，每隔256ms查詢一次RTCC的值，RTCC每循環(huán)一次，F(xiàn)0EH－F0FH增1，當增到1318時，24小時定時到，寄存器復位，自動加水。
b) 按下恒溫控制鈕，恒溫LED變亮，表示進行恒溫控制，再按一下LED滅，取消恒溫控制。與水量設定類似，長按后，進行溫度設定。
c) 按下手動加熱鈕時，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) 按下手動加水鈕時，加水至設定水量值，長按可設定水量。手動加水過程中，再次按下取消加水。
正常情況下，兩個七段碼顯示當前水溫，另一個顯示當前水位。
水溫測量
溫度讀取是通過與DS1820通信完成。DS1820通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念。因此系統(tǒng)對DS1820的各種操作必須按協(xié)議進行。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(zhí)行后，表示以后的存儲器操作命令將針對在線的所有DS1820，由于本系統(tǒng)中只有一片DS1820，因此發(fā)出此命令后，就可對其進行操作。
CONVERT命令代碼［44H］：啟動在線DS1280進行溫度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、定時計數等其他功能程序都根據程序運行時間進行了統(tǒng)籌設計，在此不再進行詳述。

圖6 讀寫時序圖

圖7 初始化時序

圖8 DS1820操作流程圖

結語
電熱水器單片機控制器具有新穎、價廉、安全、實用等優(yōu)點，并且在國產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.北京郵電學院出版社.1989