基于PIC16C71的數(shù)字水溫配制閥的設(shè)計(jì)

王公堂

（山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014）

隨著社會(huì)的發(fā)展，各種熱水器及管道熱水進(jìn)入千家萬(wàn)戶，人們?cè)诓煌瑘?chǎng)合對(duì)水溫的要求是多種多樣的，經(jīng)常需要把熱水和冷水混合到需要的溫度?？梢钥刂聘鞣N熱水器及管道熱水的出水溫度，能快速準(zhǔn)確地調(diào)制出所需溫度的熱水，可用于淋浴、洗漱及其他需要恒溫?zé)崴畧?chǎng)所的水溫智能配制閥，是一個(gè)有應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)。本設(shè)計(jì)正是順應(yīng)這種需要，以PIC16C71芯片為核心，控制機(jī)械部分自動(dòng)調(diào)整冷水和熱水的混合比例，實(shí)現(xiàn)出水水溫的自動(dòng)控制，解決了由于水壓波動(dòng)、水溫變化或出水量改變引起的水溫忽冷忽燙的難題，比手動(dòng)調(diào)節(jié)用水溫度方式有明顯的節(jié)水效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

熱水和自來(lái)水作為控制閥的2個(gè)輸入，利用混水閥控制冷、熱水輸入量和比例，混合后的水經(jīng)出水口流出，供用戶使用。安裝在出水口的溫度傳感器感測(cè)出水口處的溫度并通過(guò)測(cè)溫電路傳送給單片機(jī)。該調(diào)溫水閥的組成如圖1所示。當(dāng)出水開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，單片機(jī)把溫度傳感器測(cè)量的出水口處的溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，需要時(shí)由PIC16C71來(lái)控制直流電機(jī)帶動(dòng)混水閥，來(lái)調(diào)整進(jìn)入水閥的冷、熱水的比例，從而控制出水的溫度，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到頭時(shí)，單片機(jī)得到相應(yīng)的信號(hào)，終止電機(jī)繼續(xù)同向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)溫升或溫降按鍵在25～50℃范圍內(nèi)對(duì)用水溫度進(jìn)行設(shè)置，LED數(shù)碼管顯示設(shè)定的用水溫度值。若設(shè)定溫度與傳感器檢測(cè)的溫度不符，根據(jù)二者溫差的大小，單片機(jī)輸出不同寬度的脈沖電壓信號(hào)控制直流電動(dòng)機(jī)按不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)冷熱水混合閥，改變冷水和熱水的流入比例。當(dāng)外界條件再次發(fā)生變化時(shí)，如水壓減小或增大等，出水管水溫與設(shè)定溫度出現(xiàn)溫差，此時(shí)單片機(jī)再一次控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)水溫進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使出水口水溫自動(dòng)與設(shè)定用水溫度保持一致。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 控制面板和電路

設(shè)計(jì)控制面板按鈕應(yīng)最少化，并且使用方便，功能合理，控制操作簡(jiǎn)便，儀表能顯示出設(shè)置的溫度?？刂泼姘迦鐖D2所示，面板左側(cè)的2位LED數(shù)碼管用來(lái)顯示預(yù)置的用水溫度。面板右上方的溫升按鍵、溫降按鍵分別用來(lái)增加和減少預(yù)置出來(lái)水溫的溫度。面板右下方為手動(dòng)開(kāi)關(guān)，決定水閥的開(kāi)關(guān)和出水量大小，當(dāng)其置于“關(guān)”時(shí)，為關(guān)閉出水非工作狀態(tài)。

圖2 控制面板圖Fig.2 Diagram of control board

圖3是控制閥的電路圖。系統(tǒng)使用低壓直流電源，用PIC16C71單片機(jī)做控制，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

圖3 電路圖Fig.3 Schematic circuit of system

2.1 測(cè)溫原理和參數(shù)選擇

在圖3中，熱敏電阻RT為測(cè)溫元件，用于測(cè)量出水口處的水溫。一個(gè)固定電阻R16與熱敏RT相串聯(lián)組成分壓電路，RT上的壓降接到引腳通過(guò)電阻R17接AN0輸入到PIC16C71的內(nèi)置的8位A/D轉(zhuǎn)換器[1]，把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由程序讀取實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。測(cè)溫的關(guān)鍵是要選擇合適的測(cè)溫元件和合理的電路參數(shù)。這里選用的是一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）[2-3]，它采用玻殼封裝、體積小、價(jià)格低，安裝方便。NTC測(cè)溫?zé)崦綦娮璧闹饕獌?yōu)點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高、響應(yīng)速度快，能進(jìn)行精密溫度測(cè)量，主要缺點(diǎn)是熱電特性非線性現(xiàn)象嚴(yán)重。如使用TG40B503（25℃時(shí)，阻值50 kΩ，B值4 050 K，玻璃封裝）NTC熱敏電阻，在0～99℃范圍內(nèi)，電阻的靈敏度約為8 500～100 Ω/℃，非線性嚴(yán)重，使用時(shí)一般要進(jìn)行線性補(bǔ)償。這里通過(guò)計(jì)算，選擇合理的測(cè)溫電路參數(shù)，在有效的測(cè)溫范圍內(nèi)，沒(méi)有進(jìn)行線性補(bǔ)償，僅使用溫度查表的方式就有效地解決了NTC測(cè)溫電阻的非線性問(wèn)題。下面討論測(cè)溫精度和電路參數(shù)的選擇問(wèn)題。

電阻R16與熱敏電阻RT串聯(lián)組成分壓電路，對(duì)電源電壓5 V 分壓，RT上的壓降 Vi=5 V·RT/（RT+R16） 隨溫度變化而變化。該電壓通過(guò)A/D的輸入引腳AN0送入PIC16C71內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由程序讀取使用。在RT上并接一個(gè)0.1 μF的電容C3實(shí)現(xiàn)濾波，用于消除干擾和噪聲。在試用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選用的NTC熱敏電阻（如標(biāo)稱(chēng)值為10 kΩ）和分壓電阻（如5.1 kΩ）的阻值較小時(shí)，熱敏電阻在工作一段時(shí)間后易被擊穿，而在選用阻值較大的NTC熱敏電阻和分壓電阻后，問(wèn)題就較好地解決了。分析原因，應(yīng)該是NTC熱敏電阻中的工作電流和功耗較大造成的熱擊穿。因此應(yīng)盡量選用阻值較大的NTC熱敏電阻和分壓電阻，盡量減小流過(guò)熱敏電阻的電流。另一方面，考慮到PIC單片機(jī)的A/D輸入信號(hào)引腳的輸入漏電流最大為±500 nA[4]，要保證A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的正確，就要求損耗在信號(hào)源內(nèi)阻上的電壓不能超過(guò)10 mV（A/D基準(zhǔn)電壓為5 V時(shí)的1/2個(gè)LSB），這要求信號(hào)源內(nèi)阻最大不要超過(guò)20 kΩ。當(dāng)選用標(biāo)稱(chēng)為50 kΩ，B25/50為4 050 K的NTC熱敏電阻，其在溫區(qū)（0～99℃）的阻值變化在168.3～3.217 kΩ之間。當(dāng)選擇固定分壓電阻為20 kΩ時(shí)，A/D輸入信號(hào)源的等效內(nèi)阻是熱敏電阻和分壓電阻并聯(lián)后的阻值，阻值范圍是17.9～2.77 kΩ，這可以滿足A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)信號(hào)源內(nèi)阻最大不能超過(guò)20 kΩ的要求，對(duì)應(yīng)的輸入給A/D的信號(hào)電壓Vi的范圍在4.469～0.693 V之間，覆蓋了有效的A/D輸入電壓值區(qū)間（0～5 V）的大部分，經(jīng)8位A/D轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的數(shù)字量在0xE5～0x23之間。在0～97℃溫區(qū)，當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入電壓變化量在55.5～19.7 mV之間，均大于1 LSB對(duì)應(yīng)的模擬電壓值19.6 mV，因此8位A/D轉(zhuǎn)換后測(cè)溫的精度達(dá)到±1℃是有保證的；在97～99℃間，當(dāng)溫度變化1℃時(shí)對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓變化量在18.8～18.5 mV之間，8位A/D轉(zhuǎn)換測(cè)溫精度達(dá)不到±1℃，但正常測(cè)溫一般不會(huì)高于95℃，并且出水口溫度控制在25～50℃也比較低。

以上分析說(shuō)明不用加入輸入信號(hào)的調(diào)理電路，也能滿足測(cè)溫精度±1℃的要求。A/D模擬輸入引腳AN0串接R17用于限流保護(hù)，防止過(guò)壓輸入造成芯片損壞或出現(xiàn)硬件死鎖的問(wèn)題，因?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懙紸/D模擬輸入信號(hào)源的內(nèi)阻和采樣時(shí)間，R17的阻值不能太大，阻值選為1 kΩ。RT選用NTC熱敏電阻的精度為 50 kΩ±0.5℅，其 B25/50為 4 050 K±1℅，分壓電阻R16選用熱穩(wěn)定性好的金屬膜電阻，精度為20 kΩ±0.5%。

2.2 鍵盤(pán)輸入和輸出顯示電路

設(shè)計(jì)輸入電路時(shí)利用了PIC16C71的PORTB口具有軟件控制弱上拉電路[5]的特點(diǎn)。鍵盤(pán)查詢(xún)電路由電阻R6、R7、R8，按鍵 S1、S2、S3及電阻 R12組成，通過(guò)引腳 RB6、RB5、RB4查詢(xún)按鍵的狀態(tài)。RB4～RB6腳作為輸入端時(shí)分別與按鍵S1、S2和 S3相連，S1為溫増?jiān)O(shè)置按鈕，S2為溫降設(shè)置按鈕，S3為手柄開(kāi)關(guān)關(guān)聯(lián)鍵。RB6、開(kāi)關(guān)S3和R12組成用水狀態(tài)查詢(xún)輸入電路，由RB6引腳輸入用水狀態(tài)。設(shè)定的用水溫度由RB1～RB8通過(guò)限流電阻 R5～R11后由二位LED數(shù)碼管輸出，RA1和RA2輸出控制VQ1和VQ2作為L(zhǎng)ED數(shù)碼管的位控。

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

三極管VQ3～VQ6的導(dǎo)通和截止由引腳RA3和RB0的輸出電平控制，用于控制直流電機(jī)M的電源極性翻轉(zhuǎn)[5]。取樣直流電機(jī)M的壓降值送給PIC16C71芯片的A/D轉(zhuǎn)換器的另一輸入通道，電機(jī)兩端的電壓降由R14、R15分壓取樣后由RA4引腳輸入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后由程序讀取，用于判斷電機(jī)位置和控制。

3 A/D數(shù)據(jù)的處理

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，若把PIC16C71的A/D轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)不作處理就直接用于溫度控制，會(huì)使電機(jī)不時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作。即使在測(cè)溫電路中加入了各種濾波電路，仍不見(jiàn)改善。因此推斷該干擾可能來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部?？紤]到該系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)溫度的變化較緩慢，適合采用滑動(dòng)窗口平均法進(jìn)行數(shù)字濾波[6]。在采用數(shù)字濾波方法對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后得到的連續(xù)16個(gè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后，有效消除了對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的噪聲。

4 結(jié)束語(yǔ)

該數(shù)字水溫配制閥選用低壓直流電源供電，以確保安全。出水開(kāi)關(guān)和流量的大小用單手柄控制，用按鍵預(yù)置用水溫度并由數(shù)碼管顯示，操作簡(jiǎn)單，可以在25～50℃之間對(duì)出水溫度進(jìn)行設(shè)置，分辨率是1℃。如果出水口水溫和設(shè)定的水溫不一致，則LED數(shù)碼管閃爍顯示以提醒注意，同時(shí)單片機(jī)根據(jù)兩者之間的高低和差值的大小，產(chǎn)生脈沖控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)混水閥，調(diào)整冷熱水的進(jìn)水比例。該水閥與家庭熱水器配套使用，可自動(dòng)快速調(diào)節(jié)出需要的水溫，可以防止冷熱水刺激，洗浴舒適，節(jié)水效果明顯。

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