設(shè)計了一種基于PIC16C71單片機的數(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量電路,利用PIC16C71單片機內(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單片機控制直流電機驅(qū)動混水閥調(diào)節(jié)冷熱水的混合比例實現(xiàn)水溫調(diào)節(jié)。給出了控制電路圖,對水溫測量電路的參數(shù)選擇和測溫精度作了詳細討論。實驗和分析表明,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。

隨著社會的發(fā)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(jīng)常需要把熱水和冷水混合到需要的溫度?？梢钥刂聘鞣N熱水器及管道熱水的出水溫度，能快速準確地調(diào)制出所需溫度的熱水，可用于淋浴、洗漱及其他需要恒溫熱水場所的水溫智能配制閥，是一個有應用價值的技術(shù)。本設(shè)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(diào)整冷水和熱水的混合比例，實現(xiàn)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(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出水口處的溫度并通過測溫電路傳送給單片機。該調(diào)溫水閥的組成如圖1所示。當出水開關(guān)打開時，單片機把溫度傳感器測量的出水口處的溫度與設(shè)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(diào)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(zhuǎn)到頭時，單片機得到相應的信號，終止電機繼續(xù)同向轉(zhuǎn)動。通過溫升或溫降按鍵在25～50℃范圍內(nèi)對用水溫度進行設(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的溫度不符，根據(jù)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(zhuǎn)動，通過傳動機構(gòu)驅(qū)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(fā)生變化時，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，此時單片機再一次控制電機轉(zhuǎn)動，對水溫進行自動調(diào)節(jié)，使出水口水溫自動與設(shè)定用水溫度保持一致。

2 控制面板和電路

設(shè)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(shè)置的溫度?？刂泼姘迦鐖D2所示，面板左側(cè)的2位LED數(shù)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(guān)，決定水閥的開關(guān)和出水量大小，當其置于“關(guān)”時，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單片機做控制，通過程序控制實現(xiàn)各項功能。

2.1 測溫原理和參數(shù)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(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，把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由程序讀取實現(xiàn)測溫。測溫的關(guān)鍵是要選擇合適的測溫元件和合理的電路參數(shù)。這里選用的是一種負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC），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(yōu)點是電阻溫度系數(shù)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(xiàn)象嚴重。如使用C408503（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(nèi)，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(shù)，在有效的測溫范圍內(nèi)，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(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，由程序讀取使用。在RT上并接一個0.1 μF的電容C3實現(xiàn)濾波，用于消除干擾和噪聲。在試用中發(fā)現(xiàn)，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，要保證A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的正確，就要求損耗在信號源內(nèi)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(nèi)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(qū)（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(nèi)阻是熱敏電阻和分壓電阻并聯(lián)后的阻值，阻