設(shè)計(jì)了一種基于PIC16C71單片機(jī)的數(shù)字水溫配制閥。該配制閥采用NTC熱敏電阻作溫度傳感器,與固定電阻組成簡單分壓電路作為水溫測(cè)量電路,利用PIC16C71單片機(jī)內(nèi)置的8位A/D轉(zhuǎn)換器把熱敏電阻上的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,PIC16C71單片機(jī)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)混水閥調(diào)節(jié)冷熱水的混合比例實(shí)現(xiàn)水溫調(diào)節(jié)。給出了控制電路圖,對(duì)水溫測(cè)量電路的參數(shù)選擇和測(cè)溫精度作了詳細(xì)討論。實(shí)驗(yàn)和分析表明,選用阻值較大的NTC熱敏電阻和分壓電阻可較好地解決熱敏電阻因功耗較大造成的熱擊穿問題。

隨著社會(huì)的發(fā)展，各種熱水器及管道熱水進(jìn)入千家萬戶，人們?cè)诓煌瑘?chǎng)合對(duì)水溫的要求是多種多樣的，經(jīng)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(zhǔn)確地調(diào)制出所需溫度的熱水，可用于淋浴、洗漱及其他需要恒溫?zé)崴畧?chǎng)所的水溫智能配制閥，是一個(gè)有應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)。本設(shè)計(jì)正是順應(yīng)這種需要，以PIC16C71芯片為核心，控制機(jī)械部分自動(dòng)調(diào)整冷水和熱水的混合比例，實(shí)現(xiàn)出水水溫的自動(dòng)控制，解決了由于水壓波動(dòng)、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(dòng)調(diào)節(jié)用水溫度方式有明顯的節(jié)水效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

熱水和自來水作為控制閥的2個(gè)輸入，利用混水閥控制冷、熱水輸入量和比例，混合后的水經(jīng)出水口流出，供用戶使用。安裝在出水口的溫度傳感器感測(cè)出水口處的溫度并通過測(cè)溫電路傳送給單片機(jī)。該調(diào)溫水閥的組成如圖1所示。當(dāng)出水開關(guān)打開時(shí)，單片機(jī)把溫度傳感器測(cè)量的出水口處的溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，需要時(shí)由PIC16C71來控制直流電機(jī)帶動(dòng)混水閥，來調(diào)整進(jìn)入水閥的冷、熱水的比例，從而控制出水的溫度，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到頭時(shí)，單片機(jī)得到相應(yīng)的信號(hào)，終止電機(jī)繼續(xù)同向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過溫升或溫降按鍵在25～50℃范圍內(nèi)對(duì)用水溫度進(jìn)行設(shè)置，LED數(shù)碼管顯示設(shè)定的用水溫度值。若設(shè)定溫度與傳感器檢測(cè)的溫度不符，根據(jù)二者溫差的大小，單片機(jī)輸出不同寬度的脈沖電壓信號(hào)控制直流電動(dòng)機(jī)按不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)冷熱水混合閥，改變冷水和熱水的流入比例。當(dāng)外界條件再次發(fā)生變化時(shí)，如水壓減小或增大等，出水管水溫與設(shè)定溫度出現(xiàn)溫差，此時(shí)單片機(jī)再一次控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)水溫進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使出水口水溫自動(dòng)與設(shè)定用水溫度保持一致。

2 控制面板和電路

設(shè)計(jì)控制面板按鈕應(yīng)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(shè)置的溫度。控制面板如圖2所示，面板左側(cè)的2位LED數(shù)碼管用來顯示預(yù)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(yù)置出來水溫的溫度。面板右下方為手動(dòng)開關(guān)，決定水閥的開關(guān)和出水量大小，當(dāng)其置于“關(guān)”時(shí)，為關(guān)閉出水非工作狀態(tài)。

圖3是控制閥的電路圖。系統(tǒng)使用低壓直流電源，用PIC16C71單片機(jī)做控制，通過程序控制實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

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