一种智能电热水器温度控制系统的设计与实现

1、甘肃科技纵横2010年（第40卷）第6期电热水器自上世纪八十年代初进入中国，九十年代后期在中国大规模兴起，保有量迅速增加，经过十多年的发展，电热水器市场已由成长期进入成熟期，市场增长比较稳健。但随之而来的一系列问题也一直困扰这个行业，主要表现在安全性不高、智能化程度低。随着科学技术的进步以及人们对安全性要求和生活质量要求的提高，这些问题已经成为制约行业发展的瓶颈。本论述正是在仔细研究这些问题的基础上提出了智能电热水器温度控制系统的设计方案，并对方案进行了详细的论证及现场实验。1系统设计方案智能电热水器温度控制器原理框图如图1所示。系统采用PIC16F877为控制电路核心，单片机通过红外线接口接

2、收来自用户设定的温度信息，并通过温度传感器DS18B20实时对水温进行测量并在数码管上进行显示，PIC16F877根据水温状况来控制继电器的通断来实现对加热电路的接入控制。本系统还具有报警功能，如果测得用户设定温度过高或者测量出水温过高，单片机通过报警电路向用户发出声光报警，并自动切断电加热电路。 图1系统原理图温度测量功能是系统控制功能的核心，实现温度测量有几种可以选择的方案。方案一：选择AD590，AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，具有精度高、价格低、不需辅助电源、线性好的特点。但是该温度传感器输出量是模拟量，这对编程调试将带来比较大的工作量。方案二：选择DS18B

3、20，DS18B20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，而且输出量为数字量，单片机可以直接读取取值。因此，本文选取DS18B20作为本设计的温度传感器。为了避免直接操作热水器，本文通过红外线接口遥控器来实现温度控制，采用专门的红外发射与接收模块配对，这样集成的模块将带来的好处就是制作更加简易，比较容易完成，同时发射接收更稳定。2硬件设计方案2.1温度测量电路设计DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放DS

4、18B20ID 编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H ），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC 码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM 。RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM ，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM （常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM 的镜像。第6、7、8个字节为一种智能电热水器温度控制系统的设计与实现廖婧璇1，杨新华2（1. 甘肃

5、金钟培训学院，甘肃兰州730000；2. 兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州730050）摘要：本论述设计并实现了一种智能型温度监测控制系统，该系统具有设定水温、测量并显示温度、自动控制加热电路的功能。系统采用M ICROCHIP 公司的单片机PIC16F877为核心，外围扩展了8个8位数码管及若干1WIRE 温度测量器件DS18B20用以完成温度测量；温度设定通过红外线接口实现，避免了直接接触热水器所带来的触电危险。经验证，本设计方案具有操作安全、测量精确、控制准确的特点。关键词：电热水器；PIC16F877；红外线工业科技632010年（第40卷）第6期甘肃科技纵横 计数寄存器，

6、是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC 码。EEPROM 是非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM ，并在RAM 都存在镜像，以方便用户操作。DS18B20的主要特征：（1）全数字温度转换及输出；（2）先进的单总线数据通信；（3）最高12位分辨率，精度可达±0.5摄氏度；（4）12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；（5）可选择寄生工作方式；（6）检测温度范围为55°C+125°C （67°F+257°F

7、）；（7）内置EEPROM ，限温报警功能；（8）64位光刻ROM ，内置产品序列号，方便多机挂接；（9）多样封装形式，适应不同硬件系统。DS18B20是通过1-WIRE 协议与主机进行通信的，本文采用PIC16F877的一个I/O口模拟出1-WIRE 时序，从而读出测量温度，DS18B20与PIC16F877连接（见图2）。 图2DS18B20与PIC16F877连接电路图2.2红外接收电路设计 红外接收电路用于接收红外信号并从调制信号中解调出遥控器二进制控制脉冲信号，本文采用红外接收电路采用HS0038来实现。HS0038集光电转换、解调和放大于一体，HS0038能接收调制中心频率38k

8、的红外线，HS0038有三个引脚，一个VCC 一个GND ，一个红外遥控编码输出，只需少数外接元件就能实现从红外接收到输出与TTL 电平兼容的所有工作。接收的遥控码是由一个低电平与一个高电平构成，不同脉宽高低电平的组合组成不同控制码。本文将解调的信号直接输入PIC16F877的I/O接口，由程序识别出用户对温度控制的指令，HS0038与PIC16F877连接（见图3）。图3HS0038与PIC16F877连接电路图2.3数码管接口电路设计数码管中的每一段相当于一个发光二极管，8段数码管则具有8个发光二极管。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据

9、数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态驱动也称直流驱动，是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动。动态显示驱动是数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp ”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制；在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms ，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效

10、果和静态显示是一样的，能够给单片机节省大量的I/O端口，而且功耗更低。本论述采用8位8段数码管显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应地并联在一起，由PIC16F877的一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。8个数码管的位选端由PIC16F87的另外一个8位I/O口控制，顺序循环地点亮每位数码管，这样就实现了8个数码管的“动态扫描”。在这种方式中，虽然每一时刻只选通一位数码管，但由于人眼具有一定的“视觉残留”，只要延时时间设置恰当，便会感觉到8位数码管同时被点亮了。8个8位数码管动态扫描电路（见图4）。图4数码管动态扫描电路图工业科技64甘肃科技纵横2010年（第40卷）第6期

11、3软件设计方案根据设计任务要求，可将软件分为以下几个模块： 1-wire 总线通信模块、红外命令接收模块、数码管动态扫描模块、报警模块，限于篇幅，着重介绍第一个模块的编程思路及实现步骤。1-Wire 总线是美国的达拉斯半导体公司（DALLAS SEM ICONDUCTOR ）近年来推出了一项特有的单总线技术。该总线采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成，分别为初始化1-wire 器件、识别1-wire 器件和交换数据。由于它们是主从结构，只有主机呼叫

12、从机时，从机才能应答，因此主机访问1-wire 器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM 、命令功能命令。如果出现序列混乱，1-wire 器件将不响应主机。DS18B20高速暂存器共9个存储单元如表1所示，命令如表2所示表1DS18B20内部寄存器表2DS18B20命令表DS18B20器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲，应答脉冲时隙；写0，写1时隙；读0，读1时隙。与DS18B20的通信，是通过操作时隙完成单总线上的数据传输。发送所有的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后。读出温度子程序的主要功能是读出RAM 中的9字节，在读出时

13、需要进行CRC 校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图5所示。图5DS18B20温度读取程序流程图4实验结果系统设计完成后组装了一台样机进行实验，实验测得室内水温为23.43度，同时用电子温度计进行对比测试，测试结果一致。5结束语本论述设计了并实现了一种智能型电热水器温度监测控制系统，该系统具有温度测量精确、通过红外通信设定水温，单片机自动控制加热时间，该仪器能够提升电热水器温控系统的精确度，使电热水器具有一定的智能性。参考文献：1武峰，陈新建.PIC 单片机C 语言开发入门M . 北京：北京航空航天大学出版社，2005.2.2何立民.M CS -51系列单片机应用系统设计M . 北京：北京航空航天大学出版社，2006.1.3叶春帆.Z8单片机及其在电热水器中的应用J . 电子世界，1998（03）.序号寄存器名称作用序号寄存器名称作用0温度低字节以16位补码形式存放4配置寄存器1温度高字节5、6、7保留2TH/用户字节1存放温度上限