摘要：為滿足落水式太陽能熱水器自動(dòng)控制的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PIC16C72單片機(jī)的水溫水位控制器。以NTC熱敏電阻作為測溫傳感器，用PIC16C72內(nèi)置的多路8位A/D轉(zhuǎn)換器把NTC熱敏電阻上的壓降轉(zhuǎn)換為數(shù)字量實(shí)現(xiàn)測溫。通過非對(duì)稱多諧振蕩器電路把水位傳感器的等效電阻轉(zhuǎn)換為振蕩信號(hào)的頻率，然后用PIC16C72內(nèi)置的計(jì)數(shù)器測量頻率的高低，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的測量。介紹了控制器的工作原理、完整的硬件電路和功能。該設(shè)計(jì)省去了溫度測量信號(hào)調(diào)理電路、專用A/D轉(zhuǎn)換和輸出譯碼驅(qū)動(dòng)芯片，具有硬件系統(tǒng)組成簡單、可靠性好的特點(diǎn)。
太陽能熱水器因具有節(jié)能環(huán)保、使用費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)正快速進(jìn)入千家萬戶，與太陽能熱水器配套的水溫水位控制器十分方便用戶的使用，產(chǎn)品市場前景好，被受到廣泛重視和研究。但當(dāng)前使用的水溫水位控制器仍存在著許多缺餡，如按鍵功能設(shè)計(jì)不合理，需要復(fù)用按鍵，用戶操作離不開說明書，操作儀表復(fù)雜，給用戶帶來了許多麻煩；選用的水溫傳感器參數(shù)和測量電路不合理，容易因熱擊穿損壞；水位傳感
器容易結(jié)水垢或開裂故障多，使用壽命短，維修成本高。迄今為止，國內(nèi)外還沒有質(zhì)量過關(guān)的水溫水位控制儀。針對(duì)上述問題，為使控制器的功能更全面實(shí)用，操作更簡便、直觀，提高傳感器的可靠性，降低維修成本，筆者結(jié)合PIC單片機(jī)和NTC熱敏傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于落水式太陽能熱水器的控制器。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
該控制器主要是用于測量、顯示落水式太陽能熱水器水箱中的水位和水溫，上下水管道溫度，控制電磁閥上水、控制輔助電加熱及管道防凍電伴熱帶等。它主要由單片機(jī)PIC16C72、水箱溫度和管道溫度傳感器、水位傳感器及測量電路、輸入按健、用水水流開關(guān)、電磁閥控制、電加熱控制和電伴熱帶控制等部分組成�？刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)PIC16C72作為控制的核心，通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各部分的控制。水位測量模塊實(shí)現(xiàn)水箱水位的測量，溫度測量模塊實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水箱水溫、上下水管道溫度的溫度測量。三路控制輸出通過繼電器分別控制上水電磁閥、電加熱器和防凍電伴熱帶工作。LED部分顯示水箱水位，水箱水溫及顯示相關(guān)參數(shù)，按健部分用于選擇工作模式、設(shè)置相關(guān)參數(shù)、手動(dòng)控制上水或電加熱。水流開關(guān)用于測量用水狀態(tài)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的控制器以單片機(jī)PIC16C72為控制核心，控制器的電路如圖2所示。單片機(jī)PIC16C72內(nèi)有2個(gè)計(jì)數(shù)器，內(nèi)置一個(gè)五通道8位A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶有2K的OTP程序存儲(chǔ)器。這里測量水位的方法是用非對(duì)稱式多諧振蕩器電路把水位傳感器的等效電阻大小轉(zhuǎn)換為振蕩信號(hào)頻率的高低，由單片機(jī)內(nèi)置的計(jì)數(shù)器對(duì)頻率計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)水位的測量。儲(chǔ)水箱水溫、上下水管道溫度的測量方法均是利用熱敏電阻與固定電阻串聯(lián)分壓，把溫度的變化轉(zhuǎn)換為熱敏電阻上壓降的變化，利用單片機(jī)內(nèi)的多通道8位A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)這二路溫度電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，由程序讀取和處理。程序控制PORTB口分時(shí)作鍵盤輸入口和顯示輸出口。
圖2 控制器硬件電路
2.1 水位測量
水位傳感器的長期可靠性是水位測量的關(guān)鍵。早期曾采用半導(dǎo)體壓力傳感器來測水位，由于水垢堵塞水壓傳導(dǎo)管，在應(yīng)用一段時(shí)間后因不適用測量水位環(huán)境要求而放棄。這里采用非對(duì)稱式多諧振蕩器電路把水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)作為水位測量方法。在圖2中，非對(duì)稱式多諧振蕩器由74HC04和電容C5,電阻R3,R19,R22和水位傳感器的等效電阻Rw組成。該電路的振蕩頻率為1/[2.2（R19+R22+Rw）C5].這里是把若干個(gè)電阻相串聯(lián)，在電阻間的引線處引出水位探測電極，作為水位測量傳感器。由于水有導(dǎo)電性，水位的變化可引起水位探測電極間的短路，這會(huì)改變水位傳感器的等效電阻Rw的大小，從而使振蕩器頻率變化。該信號(hào)經(jīng)非門隔離后由74HC04的引腳6輸出到單片機(jī)的引腳T1CKI,由PIC16C72片內(nèi)計(jì)數(shù)器T1對(duì)振蕩信號(hào)的頻率計(jì)數(shù)。水位傳感器的串聯(lián)電阻參數(shù)的選擇是有效測量水位的關(guān)鍵因素。通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上述多諧振蕩器電路中，當(dāng)選用電容C5為0.1μF,水位傳感器由30,10,10,10kΩ的4個(gè)電阻相串聯(lián)組成水位傳感器時(shí)，測量水位時(shí)傳感器的等效電阻值在60~0 kΩ之間變化，多諧振蕩器的振蕩信號(hào)的頻率在60~415 Hz之間，測量水位效果較好。水位傳感器的結(jié)構(gòu)形式、電極材料類型是影響水位傳感器使用壽命的重要因素。用導(dǎo)電硅膠材料做水位傳感器的導(dǎo)電電極并采用雙電極備份結(jié)構(gòu)，較好地解決了因水位傳感器故障經(jīng)常出現(xiàn)的跑水問題。
2.2 溫度測量
下面以水箱水溫的測量方法為例說明測溫原理。在圖2中，RT1是熱敏電阻，用來感應(yīng)水箱水溫。電阻R1與RT1組成簡單的串聯(lián)分壓電路對(duì)5 V的電源電壓分壓，RT1上的壓降為5V·RT1/（RT1+R1），該壓降隨溫度變化而變化，并通過A/D的輸入引腳AN0送入PIC16C72A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。熱敏電阻RT1用于測量室外管道的溫度，原理與上述完全相同，由引腳AN1把相應(yīng)的熱敏電阻上的壓降送入A/D轉(zhuǎn)換器。這里選用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）作測溫傳感器，NTC測溫?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)行精密溫度測量，主要缺點(diǎn)是熱電特性非線性現(xiàn)象嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在測量溫度較高時(shí)NTC熱敏電阻功耗較大，易造成熱擊穿，因此應(yīng)盡量選用阻值較大的NTC熱敏電阻和分壓電阻。另外，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,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10 mV,這樣就要求信號(hào)源內(nèi)阻最大不要超過20 kΩ。經(jīng)分析和研究表明，在選用玻璃封裝的NTC熱敏電阻，精度為50kΩ+±0.5%,其B25/50為4050 k±1%,分壓電阻選用熱穩(wěn)定性好的精度為20 kΩ±0.5%的金屬膜電阻，不需線性補(bǔ)償，僅使用查表的方法就能滿足測溫精度±1℃的要求，并較好地解決了熱敏電阻的熱擊穿問題。
2. 3 鍵盤輸入和顯示輸出
利用PIC16C72的PORTB口的每個(gè)I/O引腳可提供量大20 mA的拉電流直接點(diǎn)亮LED工作，并具有軟件控制弱上拉的特點(diǎn)，可簡化按健輸入和顯示輸出接口電路設(shè)計(jì)。PORTB口除作按健狀態(tài)的輸入口外，還用于水位、溫度顯示及工作狀態(tài)的輸出端口，這通過程序設(shè)置PORTB口分時(shí)作輸入口或輸出口的方式實(shí)現(xiàn)。鍵盤查詢電路由電阻R4~R10及6個(gè)按鍵S1~S6組成，S1~S6分別定義為"升溫"、"降溫"、"定量"、"定時(shí)"、"上水"、"電熱"鍵。通過讀入引腳RB0~RB5上的電平可輸入按鍵S1~S6的開關(guān)狀態(tài)。兩位數(shù)碼管SM42052、水位指示燈L1~L7、狀態(tài)指示燈L8~L14以共陰、動(dòng)態(tài)掃描方式輸出顯示，由PIC16C72的引腳RC4~RC7輸出的4個(gè)共陰顯示位控電平，控制4個(gè)8050三極管Q1~Q4作為兩位數(shù)碼管和兩組LED（L1~L7,L8~L14）的位控。由軟件譯碼后的顯示碼由引腳RB0~RB6上輸出直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管和指示燈L1~L14.按健S1~S6通過1kΩ的限流電阻R16接到PORTC口的引腳RC3,目的在于消除當(dāng)PORTB作輸出口時(shí)，按鍵操作可能對(duì)數(shù)碼管和指示燈L1~L14顯示的影響。在查詢輸入按健S1~S6的狀態(tài)前，程序先使引腳RC3輸出低電平，然后讀入PORTB口的電平，輸入按健S1~S6的狀態(tài)。而在PORTB作輸出前，程序先設(shè)置RC3為輸入引腳，然后再從PORTB口的引腳RB0~RB6上輸出顯示碼，由于這時(shí)RC3引腳呈輸入高阻，按健S1~S6浮空，即使此時(shí)有健被按下，也不會(huì)把引腳RB0~RB6上輸出的高電平拉低而影響顯示。L1~L7燈顯示水箱水位，兩位數(shù)碼管一般情況顯示水箱水溫，當(dāng)按升溫或降溫鍵時(shí)，閃爍顯示設(shè)定的水溫值；當(dāng)按定時(shí)健時(shí)，閃爍顯示設(shè)定的用水時(shí)間值；當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，則顯示故障編碼；燈L8~L10分別為定溫工作模式、定量工作模式、定時(shí)工作模式指示燈；燈L11~L14分別為上水、電熱、故障、自來水水壓狀態(tài)指示燈。S1、S2分別為升溫鍵和降溫鍵，用于選擇定溫模式，并用于改變水溫設(shè)定值；S3鍵為定量鍵用于選擇定量模式，并用于預(yù)置水量值，定時(shí)鍵S4用于選擇定時(shí)模式并改變時(shí)間設(shè)定值，S5為上水鍵用于開啟/關(guān)閉自動(dòng)上水，S6為電熱鍵用于開啟/關(guān)閉電加熱，S7為水流開關(guān)，用于測量用戶用水狀態(tài)。
2.4 控制輸出電路
系統(tǒng)有三路控制輸出，分別是由單片機(jī)的RA5、RC1和RC2輸出控制三極管Q6、Q7和Q8,分別控制繼電器RL1和RL2、RL3和上水電磁閥。繼電器RL1和RL2用于控制電加熱管對(duì)水箱中的儲(chǔ)水輔助電加熱，繼電器RL3控制電伴熱帶用于上下水管路防凍堵，Q8控制上水閥上水。例如，按"上水"鍵將RC2置高電平開啟上水電磁閥，啟動(dòng)上水。再次按"上水"鍵，程序使RC2輸出低電平，關(guān)閉上水電磁閥。低溫電伴熱帶防凍的條件是，室外管道溫度等于或低于4℃，程序就將RC1口置高電平，使電伴熱帶通電工作發(fā)熱，當(dāng)管道溫度等于或高于10℃時(shí)，使引腳RC1輸出低電平，以關(guān)閉電伴熱帶電源。
3 功能介紹和軟件編程
本系統(tǒng)采用單片機(jī)程序控制，功能有水溫水量顯示、定量上水、定溫上水、定時(shí)用水、自動(dòng)上水、輔助電加熱、管道自動(dòng)防凍、溢水自停、用水自動(dòng)停止上水和停止電加熱，低水壓判斷等功能。主要功能介紹如下：定量上水功能：按"水量"鍵，定量摸式燈亮，系統(tǒng)進(jìn)入定量模式，水位燈開始閃爍，此時(shí)繼續(xù)按"水量"鍵，水位燈開始循環(huán)變化，在希望的水量值處停下，水量設(shè)定完成。按"上水"鍵，上水燈亮，開始上水，當(dāng)水箱中的水量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止上水。定溫上水功能：接"升溫"或"降溫"鍵，此時(shí)定溫模式燈亮，表示系統(tǒng)進(jìn)入定溫模式，數(shù)碼管閃爍顯示設(shè)定的水溫值。繼續(xù)按"升溫"或"降溫"鍵，直到期望值為止。按"上水"鍵，上水燈亮，啟動(dòng)定溫上水功能，在上水過程中，再按一下"上水"鍵，將關(guān)閉上水。定時(shí)用水功能：首先按"水量"健，水位燈閃爍顯示設(shè)定的水量值，繼續(xù)接水量鍵直到欲設(shè)定的水量值；再按"升溫"或"降溫"鍵，數(shù)碼管閃爍顯示設(shè)定的水溫值，繼續(xù)按"升溫"或"降溫"鍵，直到欲設(shè)定的值；最后再按"定時(shí)"鍵，此時(shí)數(shù)碼管閃爍，此時(shí)定時(shí)模式燈亮，指示當(dāng)前為定時(shí)工作模式，繼續(xù)按"定時(shí)"鍵，直到顯示的數(shù)值為欲設(shè)定的用水時(shí)間（1~24 h）。在定時(shí)模式下，當(dāng)日照較好，太陽能已使水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，不啟動(dòng)電輔助加熱；當(dāng)日照不足時(shí)，控制器會(huì)計(jì)算出合適的啟動(dòng)電輔助加熱的時(shí)機(jī)，真正做到光與電自動(dòng)互補(bǔ)，既節(jié)電又保證全天候使用。如要取消定時(shí)功能，按一下"水量"鍵或"升溫""降溫"鍵就離開定時(shí)模式，進(jìn)入定量模式或定溫模式。定溫電輔助加熱功能：當(dāng)水溫低于設(shè)定值時(shí)，按"電熱"鍵可在開啟/關(guān)閉電加熱間切換。防干燒功能：當(dāng)水溫低于設(shè)定值，水箱中水位不足1/4時(shí)，即使按電熱鍵也不能啟動(dòng)電加熱。溢水自停功能：上水15min后，水位無變化，將自動(dòng)關(guān)閉上水。另外還設(shè)計(jì)有用戶用水自動(dòng)推遲上水、停止電加熱等功能，水箱無水15 min后自動(dòng)啟動(dòng)上水功能。系統(tǒng)程序由主程序、多個(gè)功能子程序及一個(gè)中斷服務(wù)程序組成，程序流程如圖3和圖4所示。程序用PIC匯編語言編寫完成，程序代碼近2kB.
圖3 主程序流程圖
圖4 中斷程序流程圖
4 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)通過在測溫電路中采用較大阻值的分壓電阻和NTC熱敏電阻，有效地降低了NIC熱敏電阻的工作電流，較好地解決了NTC熱敏電阻的熱擊穿問題。采用自制的備份電極的水位傳感器，成倍地延長了水位傳感器的使用壽命。選用PIC16C72為控制芯片，外圍電路簡單、成本低、抗干擾性好。設(shè)計(jì)的定量、定溫、定時(shí)3種工作模式，功能全面實(shí)用，能滿足家庭太陽能熱水器多樣化控制的要求。按鍵操作簡明，無按鍵復(fù)用，一目了然，用戶容易掌握和使用，該水位水溫控制器特別適用于家庭落水式太陽能熱水囂的自動(dòng)控制。
