基于PIC单片机设计的热水控制器

　　引言

　　当前市场上的热水控制器基本上采用双金属片温控，控温精度低、可靠性差、功能单一。随着微电子技术的发展，单片微处理器功能日益增强，价格低廉，在各方面得到广泛应用。在热水控制器中应用单片机，具有设计简单、可靠性高、功能易扩展等优点。

　　热水控制器主要实现对水温的控制，并满足不同用户的个性需求。因此一个较完善的控制器应具有以下功能：

　　水温的测量与显示；

　　水量的测量与显示；

　　用户设定功能(如水温设定，定时设定等)；

　　对电加热管的控制功能；

　　一些功能键(如定时自动加水，恒温控制，手动加水，手动加热等)。

　　安全措施(漏电检测，安全失效保护，限温保护等)。

　　硬件电路设计

　　根据热水控制器的功能要求，并结合对PIC16C5X系列单片机的资源分析，采用此系列中的主流型号PIC16C57作为电路系统的控制核心。电热水控制器的总体布局如图1所示。

　　基本硬件电路图如图2(a)~(c)所示。在本系统中，RA0~RA3用于七段码显示，RB6控制水闸开关，RB7控制电加热管，RC3~RC5用于按键设计和读取水量，RC0~RC2用于跟DS1820通信进行水温测量，RB0~RB1对七段码进行扫描，RB2~RB5 LED指示灯显示，RC6漏电检测，RC7控制扬声器用于报警和指示。

　　水温测量电路

　　测温元件采用DALLAS的单线数字温度传感器DS1820。DS1820提供九位温度读数，测量范围-55℃~125℃，采用独特1-WIRE 总线协议，只需一根口线即实现与MCU的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。在工作时，通过总线向其提供电源，单片机发出指令码读取温度值。

　　键盘与水量测量电路

　　由于在本系统中，只要求显示四个档位的水量值，因此水量传感器采用的是开关式传感器，当水量达到某一档时会拉低该档电平，接口电路与按键按下类似。因此在电路设计中，将水量档位信号与按键通过一片74HC148优先编码器连接到单片机的I/O口上。按键的优先权高于水量信号，水量高档位信号优先权高于低档位信号，以保证能优先响应按键。

　　显示电路

　　温度采用二位七段码显示，显示范围0℃~99℃。水量采用一位七段显示，显示1、2、3、4，四档水位。对温度和水量进行循环扫描显示。四个LED用于当前按键功能设定。

　　水温和水量控制电路

　　单片机通过光电耦合对继电器进行控制，用来切断或接通加热管电源，关闭或打开水阀，从而达到对水温和水量的控制。

　　漏电检测及报警电路

　　由于热水器工作在潮湿的场合，因此需具备漏电检测与报警功能。漏电检测由漏电检测线圈的输出经整形后输入到RC6口，电路原理图如图3(a)所示。当漏电流超过一定阈值时，比较器输出低电平，否则保持高电平，再通过一单稳态触发器电路产生如图3(b)所示波形，低电平保持时间t可由单稳态触发器进行调整设定。在本系统中t为10ms，由于PIC16C57没有中断功能，因此程序中必须每隔一定时间(小于10ms)对RC6口进行查询，以检测是否漏电，一旦检测到RC6变低，经过确认后切断加热管电流，同时进行报警。报警电路还在传感器出现故障、超温时报警提示。

　　PIC16C57本身具有看门狗定时器，当系统出现异常时，能自动进行掉电保护和系统复位。

　　系统软件设计

　　系统软件采用PIC16C5X精简指令编写。由于PIC16C57没有中断功能，因此本系统中键盘扫描、漏电检测等子程序都通过查询实现，并采用4MHz的时钟频率，对指令的运行时间进行了精确计算和设计，保证软件的可靠性和稳定性。系统主程序框图如图4所示，本文讨论键盘显示与水温测量两个模块。

　　键盘和显示

　　本系统中，有四个功能按键：定时加水、恒温控制、手动加水和手动加热；三个七段码显示与四个LED灯指示。

　　a) 按下定时加水按钮时，定时LED变亮，并以当前时间为定时时标，每24小时自动加水至设定水量；若长按此钮超过5秒，定时LED灭，并听到“嘟”一声进行水量设定，此后每按一下钮，水量显示加一档，1~4档循环显示，不按此钮超过5秒，再次听到“嘟”一声，水量设定完毕。系统的定时功能主要通过软件完成。PIC16C5X内带一个8位定时器/计数器RTCC，在进行24小时定时加水时采用了该定时器，RTCC及其相关电路如图5所示。

由图5可知，RTCC工作状态由OPTION寄存器控制，其中OPTION寄存器的RTS位用来选择RTCC的计数信号源，当RTS为“1”时，信号源为来自RTCC引脚的外部信号，RTS为“0”时，信号源为内部时钟。OPTION寄存器的PSA位控制预分频器分配对象，当PSA为“1”，分配给RTCC，即外部或内部信号经过预分频器分频后再输出给RTCC。预分频器的分频比率由OPTION内