基于PIC16C71的數字水溫配制閥的設計

王公堂

（山東師范大學 物理與電子科學學院，山東 濟南 250014）

隨著社會的發展，各種熱水器及管道熱水進入千家萬戶，人們在不同場合對水溫的要求是多種多樣的，經常需要把熱水和冷水混合到需要的溫度。可以控制各種熱水器及管道熱水的出水溫度，能快速準確地調制出所需溫度的熱水，可用于淋浴、洗漱及其他需要恒溫熱水場所的水溫智能配制閥，是一個有應用價值的技術。本設計正是順應這種需要，以PIC16C71芯片為核心，控制機械部分自動調整冷水和熱水的混合比例，實現出水水溫的自動控制，解決了由于水壓波動、水溫變化或出水量改變引起的水溫忽冷忽燙的難題，比手動調節用水溫度方式有明顯的節水效果。

1 系統結構和工作原理

熱水和自來水作為控制閥的2個輸入，利用混水閥控制冷、熱水輸入量和比例，混合后的水經出水口流出，供用戶使用。安裝在出水口的溫度傳感器感測出水口處的溫度并通過測溫電路傳送給單片機。該調溫水閥的組成如圖1所示。當出水開關打開時，單片機把溫度傳感器測量的出水口處的溫度與設定溫度進行比較，需要時由PIC16C71來控制直流電機帶動混水閥，來調整進入水閥的冷、熱水的比例，從而控制出水的溫度，當電機轉到頭時，單片機得到相應的信號，終止電機繼續同向轉動。通過溫升或溫降按鍵在25～50℃范圍內對用水溫度進行設置，LED數碼管顯示設定的用水溫度值。若設定溫度與傳感器檢測的溫度不符，根據二者溫差的大小，單片機輸出不同寬度的脈沖電壓信號控制直流電動機按不同的速度轉動，通過傳動機構驅動冷熱水混合閥，改變冷水和熱水的流入比例。當外界條件再次發生變化時，如水壓減小或增大等，出水管水溫與設定溫度出現溫差，此時單片機再一次控制電機轉動，對水溫進行自動調節，使出水口水溫自動與設定用水溫度保持一致。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 控制面板和電路

設計控制面板按鈕應最少化，并且使用方便，功能合理，控制操作簡便，儀表能顯示出設置的溫度。控制面板如圖2所示，面板左側的2位LED數碼管用來顯示預置的用水溫度。面板右上方的溫升按鍵、溫降按鍵分別用來增加和減少預置出來水溫的溫度。面板右下方為手動開關，決定水閥的開關和出水量大小，當其置于“關”時，為關閉出水非工作狀態。

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

圖3是控制閥的電路圖。系統使用低壓直流電源，用PIC16C71單片機做控制，通過程序控制實現各項功能。

圖3 電路圖Fig.3 Schematic circuit of system

2.1 測溫原理和參數選擇

在圖3中，熱敏電阻RT為測溫元件，用于測量出水口處的水溫。一個固定電阻R16與熱敏RT相串聯組成分壓電路，RT上的壓降接到引腳通過電阻R17接AN0輸入到PIC16C71的內置的8位A/D轉換器[1]，把模擬電壓信號轉換成數字信號，由程序讀取實現測溫。測溫的關鍵是要選擇合適的測溫元件和合理的電路參數。這里選用的是一種負溫度系數熱敏電阻器（NTC）[2-3]，它采用玻殼封裝、體積小、價格低，安裝方便。NTC測溫熱敏電阻的主要優點是電阻溫度系數大、靈敏度高、響應速度快，能進行精密溫度測量，主要缺點是熱電特性非線性現象嚴重。如使用TG40B503（25℃時，阻值50 kΩ，B值4 050 K，玻璃封裝）NTC熱敏電阻，在0～99℃范圍內，電阻的靈敏度約為8 500～100 Ω/℃，非線性嚴重，使用時一般要進行線性補償。這里通過計算，選擇合理的測溫電路參數，在有效的測溫范圍內，沒有進行線性補償，僅使用溫度查表的方式就有效地解決了NTC測溫電阻的非線性問題。下面討論測溫精度和電路參數的選擇問題。

電阻R16與熱敏電阻RT串聯組成分壓電路，對電源電壓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A/D的輸入引腳AN0送入PIC16C71內部的A/D轉換器，轉換為數字信號，由程序讀取使用。在RT上并接一個0.1 μF的電容C3實現濾波，用于消除干擾和噪聲。在試用中發現，當選用的NTC熱敏電阻（如標稱值為10 kΩ）和分壓電阻（如5.1 kΩ）的阻值較小時，熱敏電阻在工作一段時間后易被擊穿，而在選用阻值較大的NTC熱敏電阻和分壓電阻后，問題就較好地解決了。分析原因，應該是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，盡量減小流過熱敏電阻的電流。另一方面，考慮到PIC單片機的A/D輸入信號引腳的輸入漏電流最大為±500 nA[4]，要保證A/D轉換結果的正確，就要求損耗在信號源內阻上的電壓不能超過10 mV（A/D基準電壓為5 V時的1/2個LSB），這要求信號源內阻最大不要超過20 kΩ。當選用標稱為50 kΩ，B25/50為4 050 K的NTC熱敏電阻，其在溫區（0～99℃）的阻值變化在168.3～3.217 kΩ之間。當選擇固定分壓電阻為20 kΩ時，A/D輸入信號源的等效內阻是熱敏電阻和分壓電阻并聯后的阻值，阻值范圍是17.9～2.77 kΩ，這可以滿足A/D轉換時，對信號源內阻最大不能超過20 kΩ的要求，對應的輸入給A/D的信號電壓Vi的范圍在4.469～0.693 V之間，覆蓋了有效的A/D輸入電壓值區間（0～5 V）的大部分，經8位A/D轉換后對應的數字量在0xE5～0x23之間。在0～97℃溫區，當溫度變化1℃時，對應輸入電壓變化量在55.5～19.7 mV之間，均大于1 LSB對應的模擬電壓值19.6 mV，因此8位A/D轉換后測溫的精度達到±1℃是有保證的；在97～99℃間，當溫度變化1℃時對應的模擬輸入電壓變化量在18.8～18.5 mV之間，8位A/D轉換測溫精度達不到±1℃，但正常測溫一般不會高于95℃，并且出水口溫度控制在25～50℃也比較低。

以上分析說明不用加入輸入信號的調理電路，也能滿足測溫精度±1℃的要求。A/D模擬輸入引腳AN0串接R17用于限流保護，防止過壓輸入造成芯片損壞或出現硬件死鎖的問題，因為它將直接影響到A/D模擬輸入信號源的內阻和采樣時間，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選用熱穩定性好的金屬膜電阻，精度為20 kΩ±0.5%。

2.2 鍵盤輸入和輸出顯示電路

設計輸入電路時利用了PIC16C71的PORTB口具有軟件控制弱上拉電路[5]的特點。鍵盤查詢電路由電阻R6、R7、R8，按鍵 S1、S2、S3及電阻 R12組成，通過引腳 RB6、RB5、RB4查詢按鍵的狀態。RB4～RB6腳作為輸入端時分別與按鍵S1、S2和 S3相連，S1為溫増設置按鈕，S2為溫降設置按鈕，S3為手柄開關關聯鍵。RB6、開關S3和R12組成用水狀態查詢輸入電路，由RB6引腳輸入用水狀態。設定的用水溫度由RB1～RB8通過限流電阻 R5～R11后由二位LED數碼管輸出，RA1和RA2輸出控制VQ1和VQ2作為LED數碼管的位控。

2.3 直流電機驅動電路

三極管VQ3～VQ6的導通和截止由引腳RA3和RB0的輸出電平控制，用于控制直流電機M的電源極性翻轉[5]。取樣直流電機M的壓降值送給PIC16C71芯片的A/D轉換器的另一輸入通道，電機兩端的電壓降由R14、R15分壓取樣后由RA4引腳輸入A/D轉換器轉換后由程序讀取，用于判斷電機位置和控制。

3 A/D數據的處理

測試中發現，若把PIC16C71的A/D轉換后的溫度數據不作處理就直接用于溫度控制，會使電機不時出現誤動作。即使在測溫電路中加入了各種濾波電路，仍不見改善。因此推斷該干擾可能來自A/D轉換模塊內部。考慮到該系統中現場溫度的變化較緩慢，適合采用滑動窗口平均法進行數字濾波[6]。在采用數字濾波方法對A/D轉換后得到的連續16個溫度數據進行平均后，有效消除了對A/D轉換后的噪聲。

4 結束語

該數字水溫配制閥選用低壓直流電源供電，以確保安全。出水開關和流量的大小用單手柄控制，用按鍵預置用水溫度并由數碼管顯示，操作簡單，可以在25～50℃之間對出水溫度進行設置，分辨率是1℃。如果出水口水溫和設定的水溫不一致，則LED數碼管閃爍顯示以提醒注意，同時單片機根據兩者之間的高低和差值的大小，產生脈沖控制電機的轉速和正反轉，通過傳動機構帶動混水閥，調整冷熱水的進水比例。該水閥與家庭熱水器配套使用，可自動快速調節出需要的水溫，可以防止冷熱水刺激，洗浴舒適，節水效果明顯。

[1]竇振中.PIC系列單片機原理和程序設計[M].北京：航空航天大學出版社，1998：166-174.

[2]劉愛華.夜用電子體溫警示計的設計[J].傳感器與微系統，2006，25（2）：53-54.LIU Ai-hua.Desgin of body temperature alarm for night[J].Transducer and Microsystem Technologies，2006，25（2）：53-54.

[3]任國興，王曉影，杜立彬.基于AD7799的熱敏電阻高精度測溫系統[J].電子設計工程，2010，18（11）：82-84.REN Guo-xing，WANG Xiao-ying，DU Li-bin.Design of high precision thermistor temperature measurement system based on AD7799[J].Electronic Design Engineering，2010，18（11）：82-84.

[4]劉和平.PIC16F87X數據手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001：116.

[5]何希才.新型實用電子電路400例[M].北京：電子工業出版社，1998：144-154.

[6]張明峰.PIC單片機入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004：253-257.