[摘要]傳統(tǒng)的大容量電熱水器的加熱時間一般都比較長，而且加熱完成后會自動轉(zhuǎn)入保溫狀態(tài)，則要消耗多余的電能。本文根據(jù)這樣的需求，開發(fā)了基于單片機的電熱水器定時控制的實驗裝置，該裝置可以根據(jù)用戶時間加熱，省去了保溫消耗的能量，節(jié)省了電費，此裝置還可以推廣到實際應(yīng)用中。

[關(guān)鍵詞]電熱水器 定時開關(guān)控制器 單片機

一、前言

傳統(tǒng)的大容量電熱水器的加熱時間一般都比較長，加滿涼水后再開始加熱往往要等待很長的時間才能加熱完畢。另外，加熱完畢后如果不立刻使用，則需要熱水器處于保溫狀態(tài)，這樣則會一直耗能耗電，付出不必要的經(jīng)濟代價。本文介紹一種以MSP430F149單片機為核心的定時開關(guān)控制器的實驗裝置則可有效解決這個問題，使熱水器使用起來更加舒適省電，另外，對于上班族來說，每天上班前確定熱水器的開機時間，到下班回到家熱水器剛好加熱完畢，則可以到家就洗熱水澡或使用熱水，而省去回家等待的時間，也能避免提前加熱完保溫所消耗的電能。

二、功能簡介

定時器上帶有數(shù)碼管用于顯示年、月、日、小時和分鐘，用戶可以通過鍵盤設(shè)定熱水器開始加熱的具體時間。開始時間設(shè)定完成后，單片機開始計時，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的時刻后單片機控制可控硅電力電子器件導(dǎo)通熱水器開始加熱，加熱結(jié)束后自動轉(zhuǎn)入保溫狀態(tài)。

三、電路原理

系統(tǒng)主要由單片機MSP430F149、實時時鐘芯片DS1287、鍵盤電路、光偶隔離和可控硅驅(qū)動電路組成。上電時，單片機從DS1287中讀取現(xiàn)在的時間，由于有內(nèi)置電池，DS1287一直在運行，保持時間和當(dāng)前時間一致，當(dāng)停電以后重新來電，可保持當(dāng)前時間不發(fā)生改變。DS1287是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，如圖1所示。它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補償功能。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1287內(nèi)部有一個128字節(jié)的RAM，用于設(shè)置寄存器和當(dāng)前時間的實時更新。同時，當(dāng)外部電源電壓低于3V時可自動切斷外部電源改由內(nèi)部自帶的鋰離子電池供電。在內(nèi)部鋰離子電池供電的情況下，時鐘仍然正常工作，并保證內(nèi)部128字節(jié)RAM的內(nèi)容在10年內(nèi)不會丟失。

當(dāng)DS1287設(shè)置好當(dāng)前時間后就開始自動計時，通過設(shè)置DS1287的工作寄存器B的AIE位為1，從而使DS1287工作在警報中斷狀態(tài)。工作警報工作狀態(tài)時，當(dāng)目前時間與設(shè)置的時間相同時，實時時鐘芯片的IQR引腳就會變?yōu)榈碗娖?，從而產(chǎn)生一個中斷，單片機接收到這個中斷后可以控制可控硅元件導(dǎo)通開始加熱。預(yù)置時間由用戶通過鍵盤設(shè)置，單片機接收到用戶設(shè)置的時間后，通過與DS1287相連的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線傳給DS1287。單片機20管腳與DS1287的DS相連，21管腳與AS相連，22管腳與R/WR相連，通過這三條控制線可以完成單片機和DS1287之間的數(shù)據(jù)傳送。具體方法是通過20管腳向外輸出一個正脈沖，20腳與DS1287的DS相連，正脈沖表示此時DS1287接收的是RAM地址，同時，將單片機21管腳輸出低電平，表示此時處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。當(dāng)AS的下降沿時，DS1287自動將數(shù)據(jù)總線上的地址鎖存，從而DS1287內(nèi)部相應(yīng)的地址被選通。下一步再向DS1287傳送的數(shù)據(jù)就被寫入到相應(yīng)的地址中了。當(dāng)用戶通過鍵盤設(shè)置好開機時間后，單片機將時間讀入并傳送給DS1287，具體做法是先通過上面的方法選通地址，地址01H對應(yīng)秒警報，03H對應(yīng)分警報，05H對應(yīng)時警報。每次選通一個地址，然后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送進(jìn)去。傳送時首先讓22引腳輸出低電平，表示DS1287處于寫數(shù)據(jù)周期，當(dāng)21管腳出現(xiàn)下降沿時就可將數(shù)據(jù)寫入DS1287。當(dāng)分別將三個數(shù)據(jù)都寫入之后，若DS1287計數(shù)到設(shè)定的時間就會產(chǎn)生一個中斷，此時單片機接收到這個中斷并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷相應(yīng)處理函數(shù)將可控硅導(dǎo)通開始加熱就可完成定時開機。

利用單片機的I/O中斷功能，單片機接收到DS1287的中斷信號后就自動轉(zhuǎn)入中斷處理函數(shù)，在中斷處理函數(shù)中，單片機主要完成輸出一個導(dǎo)通信號給可控硅驅(qū)動電路，由可控硅驅(qū)動電路驅(qū)動電力電子器件導(dǎo)通，從而開始加熱。

顯示部分由單片機和4個數(shù)碼管以及一片MAX7219組成。MAX7219是八位串行共陰LED數(shù)碼管動態(tài)掃描驅(qū)動電路，如圖2所示。它可以在單片機三個I/O口的控制下完成對八位LED數(shù)碼管的顯示控制和驅(qū)動，線路連接簡單、控制方便，外圍電路僅需一個電阻設(shè)定峰值段電流。MAX7219有很強的驅(qū)動能力，驅(qū)動峰值電流可達(dá)40mA。此外，還可以通過軟件的方式改變其顯示亮度。更值得一提的是，該芯片還支持低功耗狀態(tài)，在關(guān)閉狀態(tài)下仍然可以在單片機的控制下接收數(shù)據(jù)或者更改控制方式，此時芯片耗電僅為150uA。本電路中單片機使用P3．7、P3．6、P3．5三個引腳控制MAX7219．MAX7219外接四個共陰LED數(shù)碼管用于顯示時間。

關(guān)于鍵盤要設(shè)計一個時間選擇按鈕，用來選擇要調(diào)節(jié)的是小時還是分鐘；一個加數(shù)按鈕和一個減數(shù)按鈕，當(dāng)時間選擇按鈕選好要調(diào)節(jié)的項目后，按一次加按鈕就相應(yīng)的加一分鐘或加以小時，當(dāng)按減按鈕時就相應(yīng)的減一分鐘或減一小時。一個確定按鈕，當(dāng)時間設(shè)置完成后按一下這個按鈕，則設(shè)定的時間被讀入單片機，再由單片機傳到DS1287中，從而開始計時工作。一個復(fù)位按鈕，當(dāng)按下此按鈕后會刪除原來的定時信息，使定時器停止定時。

四、軟件編程

軟件編程主要有兩個任務(wù)，一個是完成DS1287的控制寄存器初始化，另一個是對單片機完成初始化并實現(xiàn)要求的工作目標(biāo)。

DS1287一共有四個寄存器，分別是控制寄存器A、控制寄存器B、狀態(tài)寄存器C和內(nèi)部鋰電池狀態(tài)寄存器D。其中，寄存器A和寄存器B需要用戶出示化，另外兩個是只讀寄存器，用于查看DS1287的工作狀態(tài)。初始化時，將控制寄存器A的第四位、第五位、第六位設(shè)置為010。DS1287在出廠時內(nèi)部晶振是關(guān)閉的，當(dāng)上面三位被設(shè)置為010后晶振被啟動開始計時工作。控制寄存器B的第五位設(shè)置成1，這個位是警報中斷允許控制位。當(dāng)它被設(shè)置成1后，DS1287可以產(chǎn)生警報中斷，把需要產(chǎn)生中斷的時間按照上面說明的方法寫入相應(yīng)的RAM地址后，當(dāng)DS1287計數(shù)到設(shè)置好的時間后就會將引腳IRQ由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而產(chǎn)生一個中斷。由于IRQ引腳是與單片機的23引腳相連的，從而單片機接收到一個I/O中斷，我們在這個被觸發(fā)的中斷中發(fā)出可控硅導(dǎo)通信號，就能開始加熱。

單片機的軟件設(shè)計首先要完成各個模塊的初始化，首先要完成各個I/O端口的初始化，當(dāng)向DS1287中寫數(shù)據(jù)時，將端口寄存器P0DIR設(shè)置成全1，使端口用于輸出數(shù)據(jù)。將P2使端口的中斷使能寄存器P2IE的第三位設(shè)置成1，從而使單片機可以接收DS1287的警告中斷；將P2IE的第0位、第一位、第二位設(shè)置成輸出狀態(tài)，從而發(fā)出控制信號，控制單片機和DS1287的通訊。

完成了初始化后就要編寫相應(yīng)的控制程序?？刂瞥绦虻墓ぷ髁鞒讨饕缦拢簡纹瑱C的與鍵盤相連的I/O端口當(dāng)收到鍵盤按下的信息后，根據(jù)用戶的設(shè)定讀出預(yù)定的開機時刻，把這個時刻傳送給DS1287，DS1287接收完預(yù)設(shè)的時間后就開始計時，當(dāng)計時到設(shè)定的時間后就由IRQ引腳產(chǎn)生一個中斷，單片機接收到這個中斷后自動轉(zhuǎn)入I/O中斷處理程序，在I/O中斷處理程序中，程序利用一個端口向可控硅器件驅(qū)動電路發(fā)送一個導(dǎo)通信號，從而主電路導(dǎo)通，開始加熱。

五、軟件抗干擾設(shè)計

定時器所使用的單片機一旦受到外界干擾導(dǎo)致程序跑飛將會出現(xiàn)各種不良后果。比如，程序跑飛后導(dǎo)致定時失敗，熱水器沒有按時開始加熱，用戶不能及時用到熱水，或者提前加熱，然后，長時間工作在保溫狀態(tài)，浪費了不必要的能源。所以，單片機要有良好的抗干擾能力，并且要有很好的穩(wěn)定性。硬件系統(tǒng)是單片機系統(tǒng)穩(wěn)定工作的根本，經(jīng)常采用的方法有：改善系統(tǒng)的布局、布線，采用光電耦合器以提高強電與弱電的隔離度；在電源變壓器的初級增加濾波器；增加“硬件看門狗”，等等。硬件抗干擾設(shè)計的缺點是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了硬件成本，而軟件抗干擾設(shè)計在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性，不提高硬件成本的前提下，同樣可以在很大程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本程序的軟件結(jié)構(gòu)是由一個上電復(fù)位初始化程序、一個主循環(huán)程序、兩個中斷服務(wù)程序組成，在單片機的RAM區(qū)中設(shè)立幾一個位尋址區(qū)，在位尋址區(qū)中設(shè)立一些標(biāo)志位，這些標(biāo)志位分別代表不同的程序模塊，一個字節(jié)可以對應(yīng)8個程序模塊。當(dāng)某個程序模塊正在執(zhí)行時，對應(yīng)的標(biāo)志位置1，不執(zhí)行時對應(yīng)的標(biāo)志位置0，就可以知道當(dāng)前正在執(zhí)行的程序是哪一個模塊，當(dāng)標(biāo)志位的值與正在執(zhí)行的程序模塊不一致時，我們可以肯定程序出現(xiàn)了“跑飛”，需要盡快進(jìn)行錯誤處理，通過進(jìn)一步的檢查還可以知道程序是從哪個模塊“飛”過來的。當(dāng)檢測到程序跑飛后系統(tǒng)自動產(chǎn)生復(fù)位中斷，程序回到初始化狀態(tài)從新開始執(zhí)行。用此種辦法可大大提高系統(tǒng)的可靠性。

六、結(jié)語

本文開發(fā)的以單片機為核心的熱水器定時器，來控制熱水器的開通時間可以大大提高使用的靈活性，方便用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行使用。同時，又能節(jié)約能源節(jié)省經(jīng)濟支出。通過該裝置，學(xué)生可以加深用單片機開發(fā)系統(tǒng)的認(rèn)識。

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（作者單位：浙江理工大學(xué)信息與電子學(xué)院）