全天分段熱水智能控制器的設計與實現

摘要：針對傳統的溫控熱水器資源利用率低、功能單一等缺點，設計了一種基于I2C和單總線通信的全天分段熱水智能控制器。該控制器不僅可以根據用戶的需要智能恒溫，而且能實時顯示實際溫度，日歷時鐘以及循環泵的工作狀態。并有實時快速加熱、掉電保護等功能。本文詳細介紹了系統構成以及軟硬件實現過程。實踐表明，該系統可靠性好、適應性強、性價比高，達到了預先的設計目標，具有很好的推廣價值。
關鍵詞：PIC16F72；單總線；I2C總線；DS18B20；PCF8563；LCD

傳統的溫控熱水器大多把溫度作為唯一的控制參數，系統利用溫度傳感器對環境溫度進行實時監測并將溫度設定值與測量值進行比較，只要測量值小于設定值就啟動循環泵加熱以達到滿足用戶需要的目的。這類熱水器功能單一且浪費了大量的水、電資源。
一般情況下，家庭使用熱水的時間點比較固定，基本可以分為早、中、晚3個時間段。針對這一情況，本設計采用Microchip的PIC16F72單片機為主控制器，根據DS18B20所采集的溫度數據以及用戶設置的時間段(3段)上下限數值和溫度設定值對循環泵的啟動和停止進行控制，實現對熱水器水箱溫度的有效控制。這樣循環泵在其它時段便不會工作，節省了大量的電能。當用戶需要在非設置時間段內使用熱水時，可以按下加熱鍵進行快速加熱，從而保證了用戶也能及時用到熱水。顯然這種控制器在滿足用戶需求的前提下顯著增強了溫控系統智能化程度，大大提高了資源利用率，給用戶帶來了真正的實惠。

1 總體設計及工作原理
全天分段熱水智能控制器主要由單片機控制模塊，溫度采集模塊，日歷時鐘模塊、液晶顯示模塊、時間段上下限及預加熱溫度設置模塊、電機驅動模塊和外部存儲模塊等部分組成。其系統框圖如圖1所示。

單片機PIC16F72作為控制器的核心，快速響應各種給定信號和反饋信號，并發出相應的指令控制各個部分，保證整個系統有序工作。溫度傳感器檢測熱水器水箱溫度并通過單總線送入到單片機中進行處理，時鐘芯片及外部存儲器通過I2C總線與單片機間進行通信。溫度顯示實時溫度和設置溫度。時間顯示設置時段及系統時鐘。在實際溫度小于設置溫度3度時，如果時間在設置的3段范圍內，水泵啟動，當實際溫度大于設置溫度時，水泵停止工作。加熱鍵根據用戶需要實現快速加熱。

2 系統硬件設計
單片機選用微芯公司的PIC16F72，完全可以滿足本系統中要求的采集、外部中斷、控制、數據處理及存儲空間的需要，在用PIC16F72設計系統時，首先要構成一個最小系統，單片機才能正常工作，即電源、晶振、復位缺一不可。本系統采用的是+5 V電源，晶振采用的是4 MHz和兩個30 pF電容構成的無緣晶振，復位電路采用的是改進型RC復位電路，即在經典的RC復位電路基礎上增加了一個二極管構成放電回路，這樣不但可以避免電源毛刺造成系統不穩定，而且電源緩慢下降也能可靠復位。