单片机热水器温度控制器设计
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)。
本文介绍了用PIC16C57单片机设计的一种多功能热水控制器,具有自动和手动加水、设置水温、实时显示水量及温度和报警功能，并且具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。
关键词: PIC单片机；DS1820数字温度传感器；热水控制器
图2(c)水闸加热管控制电路
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。
图5 RTCC原理图
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内的PS0~PS2决定。OPTION的RTE位用于选择外部计数脉冲的触发沿，当RTE为"1"时下降沿触发，“0“时为上升沿触发。RTCC计数器采用递增方式计数，当计数至FFH时，在下一个计数发生后，将自动复零，重新开始计数，以此循环下去。在实际设计中，OPTION寄存器为“00100111“，即定时器的信号源来自RTCC引脚的外部信号，预分频器的分频比率为1：256，上升沿触发。RTCC引脚信号的输入频率为1kHz，因此RTCC计数至FFH时需65536ms。通用寄存器F0EH、F0FH用作定时暂存。
当设置定时加水功能时，初始化RTCC、OPTION、F0EH、F0FH,开始进行定时，每隔256ms查询一次RTCC的值，RTCC每循环一次，F0EH－F0FH增1，当增到1318时，24小时定时到，寄存器复位，自动加水。
b) 按下恒温控制钮，恒温LED变亮，表示进行恒温控制，再按一下LED灭，取消恒温控制。与水量设定类似，长按后，进行温度设定。
c) 按下手动加热钮时，加热LED变亮，加热至65℃，如水量少于1档，则先加水到1档，再按一次取消加热。
d) 按下手动加水钮时，加水至设定水量值，长按可设定水量。手动加水过程中，再次按下取消加水。
正常情况下，两个七段码显示当前水温，另一个显示当前水位。
水温测量
温度读取是通过与DS1820通信完成。DS1820通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS1820(发复位脉冲 →发ROM功能命令 →发存储器操作命令 →处理数据)。各操作时序图如图6和图7所示。
本程序中需用到的操作命令如下：
SKIPROM命令(CCH)：此命令执行后，表示以后的存储器操作命令将针对在线的所有DS1820，由于本系统中只有一片DS1820，因此发出此命令后，就可对其进行操作。 本文介绍了用PIC16C57单片机设计的一种多功能热水控制器,具有自动和手动加水、设置水温、实时显示水量及温度和报警功能，并且具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。
关键词: PIC单片机；DS1820数字温度传感器；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)。
图1 总体布局图
2(a)基本温度水温测量电路
图2 (b)基本显示电路图图
图2(c)水闸加热管控制电路
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。
图3(a)电路原理图
图3(b)波形图
图4 系统流程图
图5 RTCC原理图
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内的PS0~PS2决定。OPTION的RTE位用于选择外部计数脉冲的触发沿，当RTE为"1"时下降沿触发，“0“时为上升沿触发。RTCC计数器采用递增方式计数，当计数至FFH时，在下一个计数发生后，将自动复零，重新开始计数，以此循环下去。在实际设计中，OPTION寄存器为“00100111“，即定时器的信号源来自RTCC引脚的外部信号，预分频器的分频比率为1：256，上升沿触发。RTCC引脚信号的输入频率为1kHz，因此RTCC计数至FFH时需65536ms。通用寄存器F0EH、F0FH用作定时暂存。
当设置定时加水功能时，初始化RTCC、OPTION、F0EH、F0FH,开始进行定时，每隔256ms查询一次RTCC的值，RTCC每循环一次，F0EH－F0FH增1，当增到1318时，24小时定时到，寄存器复位，自动加水。
b) 按下恒温控制钮，恒温LED变亮，表示进行恒温控制，再按一下LED灭，取消恒温控制。与水量设定类似，长按后，进行温度设定。
c) 按下手动加热钮时，加热LED变亮，加热至65℃，如水量少于1档，则先加水到1档，再按一次取消加热。
d) 按下手动加水钮时，加水至设定水量值，长按可设定水量。手动加水过程中，再次按下取消加水。
正常情况下，两个七段码显示当前水温，另一个显示当前水位。
水温测量
温度读取是通过与DS1820通信完成。DS1820通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS1820(发复位脉冲 →发ROM功能命令 →发存储器操作命令 →处理数据)。各操作时序图如图6和图7所示。
本程序中需用到的操作命令如下：
SKIPROM命令(CCH)：此命令执行后，表示以后的存储器操作命令将针对在线的所有DS1820，由于本系统中只有一片DS1820，因此发出此命令后，就可对其进行操作。
CONVERT命令代码［44H］：启动在线DS1280进行温度A/D转换。
READSCRATCHPAD命令代码[BEH]：读取温度寄存器的温度值。
对DS1820操作的总体流程图如图8所示。
其他功能程序
漏电检测、数据处理、定时计数等其他功能程序都根据程序运行时间进行了统筹设计，在此不再进行详述。图6 读写时序图 图7 初始化时序图8 DS1820操作流程图
结语
电热水器单片机控制器具有新颖、价廉、安全、实用等优点，并且在国产电热水器上获得了成功应用。本文的一些方法也适用于冰箱、空调等家用电器的电脑控制设计中。
标签： PIC单片机；DS1820数字温度传感器；热水控制器 MCU和嵌入式微处理器 344