基于PIC 單片機(jī)的熱水控制器設(shè)計(jì)

上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 甘賢海，丁國清

一 引言

當(dāng)前市場(chǎng)上的熱水控制器基本上采用雙金屬片溫控，控溫低、可靠性差、功能單一。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強(qiáng)，價(jià)格低廉，在各方面得到廣泛應(yīng)用。在熱水控制器中應(yīng)用單片機(jī)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、功能易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。熱水控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制，并滿足不同用戶的個(gè)性需求。因此一個(gè)較完善的控制器應(yīng)具有以下功能： 水溫的測(cè)量與顯示； 水量的測(cè)量與顯示； 用戶設(shè)定功能(如水溫設(shè)定，定時(shí)設(shè)定等)； 對(duì)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(cè)，安全失效保護(hù)，限溫保護(hù)等)。

二硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)熱水控制器的功能要求，并結(jié)合對(duì)PIC16C5X 系列單片機(jī)的資源分析，采用此系列中的主流型號(hào)PIC16C57作為電路系統(tǒng)的控制。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(guān)，RB7控制電加熱管，RC3~RC5用于按鍵設(shè)計(jì)和讀取水量，RC0~RC2用于跟DS1820通信進(jìn)行水溫測(cè)量，RB0~RB1對(duì)七段碼進(jìn)行掃描，RB2~RB5 LED指示燈顯示，RC6漏電檢測(cè)，RC7控制揚(yáng)聲器用于報(bào)警和指示。

1、水溫測(cè)量電路測(cè)溫元件采用DALLAS的單線數(shù)字溫度傳感器DS1820。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，測(cè)量范圍-55℃~125℃，采用獨(dú)特1-WIRE 總線協(xié)議，只需一根口線即實(shí)現(xiàn)與MCU 的雙向通訊，具有連接簡(jiǎn)單，高，高可靠性等特點(diǎn)。在工作時(shí)，通過總線向其提供電源，單片機(jī)發(fā)出指令碼讀取溫度值。 鍵盤與水量測(cè)量電路由于在本系統(tǒng)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關(guān)式傳感器，當(dāng)水量達(dá)到某一檔時(shí)會(huì)拉低該檔電平，接口電路與按鍵按下類似。因此在電路設(shè)計(jì)中，將水量檔位信號(hào)與按鍵通過一片74HC148優(yōu)先編碼器連接到單片機(jī)的I/O 口上。按鍵的優(yōu)先權(quán)高于水量信號(hào)，水量位信號(hào)優(yōu)先權(quán)高于低檔位信號(hào)，以保證能優(yōu)先響應(yīng)按鍵。

2、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(duì)溫度和水量進(jìn)行循環(huán)掃描顯示。四個(gè)LED 用于當(dāng)前按鍵功能設(shè)定。

3、水溫和水量控制電路 單片機(jī)通過光電耦合對(duì)繼電器進(jìn)行控制，用來切斷或接通加熱管電源，關(guān)閉或打開水閥，從而達(dá)到對(duì)水溫和水量的控制。

4、漏電檢測(cè)及報(bào)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(cè)與報(bào)警功能。漏電檢測(cè)由漏電檢測(cè)線圈的輸出經(jīng)整形后輸入到RC6 口，電路原理圖如圖3(a)所示。當(dāng)漏電流超過一定閾值時(shí)，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(chǎn)生如圖3(b)所示波形，低電平保持時(shí)間t可由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行調(diào)整設(shè)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(shí)間(小于10ms)對(duì)RC6 口進(jìn)行查詢，以檢測(cè)是否漏電，一旦檢測(cè)到RC6 變低，經(jīng)過確認(rèn)后切斷加熱管電流，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警電路還在傳感器出現(xiàn)故障、超溫時(shí)報(bào)警提示。 PIC16C57 本身具有看門狗定時(shí)器，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，能自動(dòng)進(jìn)行掉電保護(hù)和系統(tǒng)復(fù)位。

三系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用PIC16C5X精簡(jiǎn)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(cè)等子程序都通過查詢實(shí)現(xiàn)，并采用4MHz的時(shí)鐘頻率，對(duì)指令的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)，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(cè)量兩個(gè)模塊。 鍵盤和顯示 本系統(tǒng)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(dāng)前時(shí)間為定時(shí)時(shí)標(biāo)，每24小時(shí)自動(dòng)加水至設(shè)定水量；若長按此鈕超過5 秒，定時(shí)LED 滅，并聽到“嘟”一聲進(jìn)行水量設(shè)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(shè)定完畢。系統(tǒng)的定時(shí)功能主要通過軟件完成。PIC16C5X內(nèi)帶一個(gè)8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)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位用來選擇RTCC的計(jì)數(shù)信號(hào)源，當(dāng)RTS為“1”時(shí)，信號(hào)源為來自RTCC 引腳的外部信號(hào)，RTS 為“0”時(shí)，信號(hào)源為內(nèi)部時(shí)鐘。OPTION寄存器的PSA 位控制預(yù)分頻器分配對(duì)象，當(dāng)PSA為“1”，分配給RTCC，即外部或內(nèi)部信號(hào)經(jīng)過預(yù)分頻器分頻后再輸出給RTCC。預(yù)分頻器的分頻比率由OPTION內(nèi)的PS0~PS2決定。OPTION 的RTE 位用于選擇外部計(jì)數(shù)脈沖的觸發(fā)沿，當(dāng)RTE為"1"時(shí)下降沿觸發(fā)，“0“時(shí)為上升沿觸發(fā)。RTCC計(jì)數(shù)器采用遞增方式計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)至FFH 時(shí)，在下一個(gè)計(jì)數(shù)發(fā)生后，將自動(dòng)復(fù)零，重新開始計(jì)數(shù)，以此循環(huán)下去。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，OPTION寄存器為“00100111“，即定時(shí)器的信號(hào)源來自RTCC 引腳的外部信號(hào)，預(yù)分頻器的分頻比率為1：256，上升沿觸發(fā)。RTCC引腳信號(hào)的輸入頻率為1kHz，因此RTCC 計(jì)數(shù)至FFH 時(shí)需65536ms。通用寄存器F0EH、F0FH用作定時(shí)暫存。當(dāng)設(shè)置定時(shí)加水功能時(shí)，初始化RTCC、OPTION、F0EH、F0FH,開始進(jìn)行定時(shí)，每隔256ms查詢RTCC 的值，RTCC每循環(huán)，F(xiàn)0EH－F0FH增1，當(dāng)增到1318時(shí)，24小時(shí)定時(shí)到，寄存器復(fù)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(shè)定類似，長按后，進(jìn)行溫度設(shè)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，再按取消加熱。

d) 按下手動(dòng)加水鈕時(shí)，加水至設(shè)定水量值，長按可設(shè)定水量。手動(dòng)加水過程中，再次按下取消加水。 正常情況下，兩個(gè)七段碼顯示當(dāng)前水溫，另一個(gè)顯示當(dāng)前水位。水溫測(cè)量 溫度讀取是通過與DS1820通信完成。DS1820通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念。因此系統(tǒng)對(duì)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(fù)位脈沖 →發(fā)ROM功能命令 →發(fā)存儲(chǔ)器操作命令 →處理數(shù)據(jù))。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(zhí)行后，表示以后的存儲(chǔ)器操作命令將針對(duì)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(duì)其進(jìn)行操作。 CONVERT 命令代碼［44H］：?jiǎn)?dòng)在線DS1280 進(jìn)行溫度A/D 轉(zhuǎn)換。 READSCRATCHPAD 命令代碼[BEH]：讀取溫度寄存器的溫度值。 對(duì)DS1820操作的總體流程圖如圖8所示。其他功能程序 漏電檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、定時(shí)計(jì)數(shù)等其他功能程序都根據(jù)程序運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，在此不再進(jìn)行詳述。

四 結(jié)語

電熱水器單片機(jī)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(yīng)用。本文的一些方法也適用于冰箱、空調(diào)等家用電器的電腦控制設(shè)計(jì)中。

  

參考文獻(xiàn):

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