全天分段热水智能控制器的设计与实现

摘要：针对传统的温控热水器资源利用率低、功能单一等缺点，设计了一种基于I2C和单总线通信的全天分段热水智能控制器。该控制器不仅可以根据用户的需要智能恒温，而且能实时显示实际温度，日历时钟以及循环泵的工作状态。并有实时快速加热、掉电保护等功能。本文详细介绍了系统构成以及软硬件实现过程。实践表明，该系统可靠性好、适应性强、性价比高，达到了预先的设计目标，具有很好的推广价值。
关键词：PIC16F72；单总线；I2C总线；DS18B20；PCF8563；LCD

传统的温控热水器大多把温度作为唯一的控制参数，系统利用温度传感器对环境温度进行实时监测并将温度设定值与测量值进行比较，只要测量值小于设定值就启动循环泵加热以达到满足用户需要的目的。这类热水器功能单一且浪费了大量的水、电资源。
一般情况下，家庭使用热水的时间点比较固定，基本可以分为早、中、晚3个时间段。针对这一情况，本设计采用Microchip的PIC16F72单片机为主控制器，根据DS18B20所采集的温度数据以及用户设置的时间段(3段)上下限数值和温度设定值对循环泵的启动和停止进行控制，实现对热水器水箱温度的有效控制。这样循环泵在其它时段便不会工作，节省了大量的电能。当用户需要在非设置时间段内使用热水时，可以按下加热键进行快速加热，从而保证了用户也能及时用到热水。显然这种控制器在满足用户需求的前提下显著增强了温控系统智能化程度，大大提高了资源利用率，给用户带来了真正的实惠。

1 总体设计及工作原理
全天分段热水智能控制器主要由单片机控制模块，温度采集模块，日历时钟模块、液晶显示模块、时间段上下限及预加热温度设置模块、电机驱动模块和外部存储模块等部分组成。其系统框图如图1所示。

单片机PIC16F72作为控制器的核心，快速响应各种给定信号和反馈信号，并发出相应的指令控制各个部分，保证整个系统有序工作。温度传感器检测热水器水箱温度并通过单总线送入到单片机中进行处理，时钟芯片及外部存储器通过I2C总线与单片机间进行通信。温度显示实时温度和设置温度。时间显示设置时段及系统时钟。在实际温度小于设置温度3度时，如果时间在设置的3段范围内，水泵启动，当实际温度大于设置温度时，水泵停止工作。加热键根据用户需要实现快速加热。

2 系统硬件设计
单片机选用微芯公司的PIC16F72，完全可以满足本系统中要求的采集、外部中断、控制、数据处理及存储空间的需要，在用PIC16F72设计系统时，首先要构成一个最小系统，单片机才能正常工作，即电源、晶振、复位缺一不可。本系统采用的是+5 V电源，晶振采用的是4 MHz和两个30 pF电容构成的无缘晶振，复位电路采用的是改进型RC复位电路，即在经典的RC复位电路基础上增加了一个二极管构成放电回路，这样不但可以避免电源毛刺造成系统不稳定，而且电源缓慢下降也能可靠复位。