基于PIC16C71的數(shù)字水溫配制閥的設(shè)計(jì)
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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電阻R17接AN0輸入到PIC16C71的內(nèi)置的8位A／D轉(zhuǎn)換器，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)，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C408503(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)溫電阻的非線性問題。下面討論測(cè)溫精度和電路參數(shù)的選擇問題。
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，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(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20 kΩ。當(dāng)選用標(biāo)稱為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±l℃，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)，防止過壓輸入造成芯片損壞或出現(xiàn)硬件死鎖的問題，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1k-Ω。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20kΩ± 0．5％。
2．2 鍵盤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的特點(diǎn)。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(tài)。RB4～RB6腳作為輸入端時(shí)分別與按鍵S1、S2和S3相連，S1為溫增設(shè)置按鈕，S2為溫降設(shè)置按鈕，S3為手柄開關(guān)關(guān)聯(lián)鍵。RB6、開關(guān)S3和R12組成用水狀態(tài)查詢輸入電路，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)。取樣直流電機(jī)M的壓降值送給PIC-16C71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，仍不見改善。因此推斷該干擾可能來自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。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
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。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/172684.htm
評(píng)論