全天分段熱水智能控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對傳統(tǒng)的溫控?zé)崴髻Y源利用率低、功能單一等缺點，設(shè)計了一種基于I2C和單總線通信的全天分段熱水智能控制器。該控制器不僅可以根據(jù)用戶的需要智能恒溫，而且能實時顯示實際溫度，日歷時鐘以及循環(huán)泵的工作狀態(tài)。并有實時快速加熱、掉電保護等功能。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)構(gòu)成以及軟硬件實現(xiàn)過程。實踐表明，該系統(tǒng)可靠性好、適應(yīng)性強、性價比高，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計目標(biāo)，具有很好的推廣價值。
關(guān)鍵詞：PIC16F72；單總線；I2C總線；DS18B20；PCF8563；LCD

    傳統(tǒng)的溫控?zé)崴鞔蠖喟褱囟茸鳛槲ㄒ坏目刂茀?shù)，系統(tǒng)利用溫度傳感器對環(huán)境溫度進(jìn)行實時監(jiān)測并將溫度設(shè)定值與測量值進(jìn)行比較，只要測量值小于設(shè)定值就啟動循環(huán)泵加熱以達(dá)到滿足用戶需要的目的。這類熱水器功能單一且浪費了大量的水、電資源。
    一般情況下，家庭使用熱水的時間點比較固定，基本可以分為早、中、晚3個時間段。針對這一情況，本設(shè)計采用Microchip的PIC16F72單片機為主控制器，根據(jù)DS18B20所采集的溫度數(shù)據(jù)以及用戶設(shè)置的時間段(3段)上下限數(shù)值和溫度設(shè)定值對循環(huán)泵的啟動和停止進(jìn)行控制，實現(xiàn)對熱水器水箱溫度的有效控制。這樣循環(huán)泵在其它時段便不會工作，節(jié)省了大量的電能。當(dāng)用戶需要在非設(shè)置時間段內(nèi)使用熱水時，可以按下加熱鍵進(jìn)行快速加熱，從而保證了用戶也能及時用到熱水。顯然這種控制器在滿足用戶需求的前提下顯著增強了溫控系統(tǒng)智能化程度，大大提高了資源利用率，給用戶帶來了真正的實惠。

1 總體設(shè)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，日歷時鐘模塊、液晶顯示模塊、時間段上下限及預(yù)加熱溫度設(shè)置模塊、電機驅(qū)動模塊和外部存儲模塊等部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    單片機PIC16F72作為控制器的核心，快速響應(yīng)各種給定信號和反饋信號，并發(fā)出相應(yīng)的指令控制各個部分，保證整個系統(tǒng)有序工作。溫度傳感器檢測熱水器水箱溫度并通過單總線送入到單片機中進(jìn)行處理，時鐘芯片及外部存儲器通過I2C總線與單片機間進(jìn)行通信。溫度顯示實時溫度和設(shè)置溫度。時間顯示設(shè)置時段及系統(tǒng)時鐘。在實際溫度小于設(shè)置溫度3度時，如果時間在設(shè)置的3段范圍內(nèi)，水泵啟動，當(dāng)實際溫度大于設(shè)置溫度時，水泵停止工作。加熱鍵根據(jù)用戶需要實現(xiàn)快速加熱。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    單片機選用微芯公司的PIC16F72，完全可以滿足本系統(tǒng)中要求的采集、外部中斷、控制、數(shù)據(jù)處理及存儲空間的需要，在用PIC16F72設(shè)計系統(tǒng)時，首先要構(gòu)成一個最小系統(tǒng)，單片機才能正常工作，即電源、晶振、復(fù)位缺一不可。本系統(tǒng)采用的是+5 V電源，晶振采用的是4 MHz和兩個30 pF電容構(gòu)成的無緣晶振，復(fù)位電路采用的是改進(jìn)型RC復(fù)位電路，即在經(jīng)典的RC復(fù)位電路基礎(chǔ)上增加了一個二極管構(gòu)成放電回路，這樣不但可以避免電源毛刺造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且電源緩慢下降也能可靠復(fù)位。
2．1 溫度采集電路
    系統(tǒng)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公司推出的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，DS18B20將溫度傳感器與A／D轉(zhuǎn)換器集成在一個芯片上，可直接將被測溫度轉(zhuǎn)換為全型數(shù)字信號直接供單片機處理，且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、用戶可自行設(shè)定預(yù)警上下限溫度等特點，因此使硬件設(shè)計大大簡化，對應(yīng)的硬件電路如圖2所示。

    傳感器DS18B20測量溫度范圍為-55～125℃，完全滿足系統(tǒng)要求。DS18B20通過一個單線接口發(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。在1s(典型值)內(nèi)把溫度變換為數(shù)字，以9位數(shù)字值方式讀出溫度，無需校準(zhǔn)，即可提供工業(yè)級的測溫范圍和精度。
2．2 實時時鐘及外部存儲芯片
    本系統(tǒng)實時時鐘采用低功耗的CMOS時鐘芯片PCF8563實現(xiàn)，它提供一個可編程時鐘輸出，一個終端輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞。每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量，日歷時間編碼格式為BCD。PCF8563制作數(shù)字時鐘編程簡單，可靠實用，配合其超低維持功耗(典型值為0．25μA，Vdd=3．0 V，Tamb=25 C)，當(dāng)系統(tǒng)斷電時，只需用一個后備電池就可以長時間掉電保持實時時間計時，本系統(tǒng)選用壽命長、性價比高、可靠性強的便攜式紐扣電池CR2025。利用二極管的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)了系統(tǒng)的掉電保護功能。當(dāng)CPU正常運行時，系統(tǒng)電源為時鐘芯片提供電源，其正常工作，當(dāng)系統(tǒng)掉電時，紐扣電池為時鐘芯片提供電源，其保持準(zhǔn)確計時。如圖3所示。

    外部存儲芯片選用的是AT24C02B，主要用于存儲時間段上下限與設(shè)置溫度數(shù)據(jù)，采用I2C總線進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)和地址。
2．3 液晶顯示電路
    液晶用于顯示溫度、時間以及循環(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(shè)置的時間段上下限和溫度值。本系統(tǒng)選用的是編程簡單，體積小，性價比很高的1 602，為了提高視覺效果和美觀，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個字符，可分兩排顯示。對應(yīng)的電路連接如圖4所示。

2．4 按鍵模塊
    系統(tǒng)中共用4個按鍵，分別為設(shè)置鍵、增加鍵、減少鍵、加熱鍵。設(shè)置鍵用于設(shè)置溫度和時間；增加和減少鍵用于修改時間和溫度數(shù)值；加熱鍵用于任意時間需要加熱時快速加熱。按鍵在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，為了確保CPU對鍵的一次閉合或斷開僅作一次處理，保證系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)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(shè)計選用了直流輸入控制，交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷輸出型無觸點固態(tài)繼電器。與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，其在操作中不會產(chǎn)生電弧，因而具有高穩(wěn)定性。本設(shè)計輸入控制電壓為5 V，該繼電器對應(yīng)的驅(qū)動電流只有15 mA左右，其啟動性能平穩(wěn)且提供了10 ms以下的開關(guān)速度，顯著提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的吞吐量。

3 軟件的實現(xiàn)
    程序設(shè)計是本設(shè)計的核心部分。整個程序包括主程序、按鍵處理子程序、I2C總線讀寫子程序、單總線讀寫子程序、定時器子程序、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、定時器的初始化，上電自檢，開定時器和定時中斷允許，顯示LOGO，讀時鐘以及當(dāng)前溫度并顯示等。然后判斷標(biāo)志位F是否等于1，若F=1，說明加熱鍵按下，則CPU直接查詢溫度判斷循環(huán)泵的啟動或停止，當(dāng)實際溫度小于設(shè)置溫度3度時，水泵啟動且LCD顯示對應(yīng)的RUN，當(dāng)實際溫度大于設(shè)置溫度時，水泵停止工作且LCD顯示對應(yīng)的STOP；若F=0，說明加熱鍵沒按下，則CPU先進(jìn)行時間段判斷，再進(jìn)行溫度判斷，當(dāng)時間在設(shè)置的三段范圍內(nèi)且實際溫度小于設(shè)置溫度3度時，水泵啟動，否則水泵停止工作。
    設(shè)定按鍵外部中斷為高優(yōu)先級，使主程序能實時響應(yīng)按鍵處理，進(jìn)行相應(yīng)的操作。若長按設(shè)置鍵，則進(jìn)入設(shè)置環(huán)節(jié)，否則有按鍵按下時則背光亮5秒鐘，便于用戶讀取時間和溫度，然后自動熄滅。鍵處理子程序是本設(shè)計的重點和難點。其流程圖如圖6所示。

    單片機與DS18B20之間數(shù)據(jù)交換采用單總線，由于只有一根線通信，所以必須采用嚴(yán)格的主從結(jié)構(gòu)，當(dāng)主機呼叫從機時，從機才能應(yīng)答，主機訪問單線期間必須嚴(yán)格遵循單線命令的序列，如果命令序列混亂，單線器件不會響應(yīng)主機。
    單片機與時鐘芯片PCF8563及外部存儲器之間通信采用I2C總線，I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，最高傳送速率100 kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但每個電路和模塊都有唯一的地址。本設(shè)計中的PCF8563和AT24C02B雖然掛在同一條總線上，其地址分別為0xa2和0xa0，彼此獨立，互不相關(guān)。這點在編程時必須注意，很容易出錯。I2C總線的優(yōu)點是簡單和有效。由于接口直接在組件之上，因此，I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和器件引腳的數(shù)量，降低了成本。
    系統(tǒng)采用單片機C語言編寫，開發(fā)環(huán)境是Microchip的MPIAB IDE V8．50，在線調(diào)試及下載工具是ICD3。

4 結(jié)束語
    文中從硬件和軟件的角度出發(fā)，設(shè)計了一套基于PIC16F72單片機的溫度智能控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，成本低廉、界面直觀、安全可靠。并且在設(shè)計時考慮到以后擴展系統(tǒng)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。