【正文】 場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的桑樂(lè)太陽(yáng)能的水位和水溫傳感器就是基于這種原理，其基本形狀如圖32所示。圖32 桑樂(lè)太陽(yáng)能水位水溫傳感器外形圖從圖32中我們可以清楚的地看到傳感器外形非常簡(jiǎn)單，一共只有4個(gè)端口，其中一個(gè)是防凍接口，沒(méi)有使用，使用的只有3個(gè)端口，在可用的三個(gè)端口上分別標(biāo)有公共、水位、水溫標(biāo)志，由此可知測(cè)量水位、水溫都只用了一個(gè)端口。觀察傳感器可知水位傳感器有5個(gè)與水接觸點(diǎn)，我們從上到下依次命名它們?yōu)?—5觸點(diǎn)。我們分別測(cè)量了觸點(diǎn)不同接法時(shí)公共和水位兩端口之間的電阻，數(shù)據(jù)如表31所示。由上述測(cè)試結(jié)果的電阻值得出這樣的規(guī)律，那就是電阻的并聯(lián)短接，其原理如圖33所示。表31 輸出電阻值表短接方式無(wú)短接2345輸出電阻值（kΩ）極大25圖33 桑樂(lè)太陽(yáng)能水位傳感器原理它的工作原理是，水面每接觸一個(gè)鋼針就會(huì)多并聯(lián)一個(gè)電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機(jī)的一個(gè)口周期性的給電容電路充放電，然后用圖34 RC充放電式水位傳感器測(cè)量電路原理圖單片機(jī)監(jiān)測(cè)電容兩端電壓的變化，因?yàn)殡娙蓦妷旱纳仙蛳陆禃r(shí)間t=RC，所以用單片機(jī)記錄這個(gè)時(shí)間就能判別電阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水位的變化進(jìn)行顯示及其他動(dòng)作。3．傳感器選擇RC充放電式水位傳感器測(cè)量電路，明顯優(yōu)于排阻分檔鍵盤(pán)式水位傳感器的地方有：（1）接線簡(jiǎn)單，排阻分檔鍵盤(pán)式水位傳感器需要四根導(dǎo)線傳輸水位信號(hào)，而RC充放電式水位傳感器僅需要兩根就能完成，這對(duì)于線路較長(zhǎng)的太陽(yáng)能熱水器傳輸信號(hào)電路來(lái)說(shuō)能節(jié)省相當(dāng)多的導(dǎo)線資源。（2）給水溫測(cè)量電路設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，RC充放電式水位傳感器的原理可以同樣運(yùn)用到熱電阻溫度測(cè)量電路中。（3）占用較少的I/O口，僅需兩個(gè)I/O口就能完成水位檢測(cè)任務(wù)，極大地節(jié)約了單片機(jī)的I/O 口資源。綜上比較可見(jiàn)選用第二種方案較為優(yōu)越。 水位測(cè)量電路的具體設(shè)計(jì)及優(yōu)化1．直接接單片機(jī)I/O口檢測(cè)單片機(jī)中的定時(shí)器可以提供電壓變化時(shí)間的紀(jì)錄，接下來(lái)就是如何將電壓的變化傳遞給單片機(jī)。一種簡(jiǎn)單的方案是：，完成計(jì)時(shí)，這種方案看上去簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖35。，即電容電壓一直保持高點(diǎn)平。這與單片機(jī)內(nèi)部電路有關(guān)，單片機(jī)的內(nèi)部電路如圖36所示。圖35 直接用I/O檢測(cè)電容電壓測(cè)量水位電路原理圖圖36 P1口的位結(jié)構(gòu)[5]從圖中可見(jiàn)，P1口只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，，VCC會(huì)通過(guò)內(nèi)部上拉電阻持續(xù)給電容充電，所以監(jiān)測(cè)電容電壓一直為高電平。而當(dāng)將其置低電平時(shí)，P1口相當(dāng)于接地，將會(huì)出現(xiàn)相反的情況，其通過(guò)地一直給電容放電，電容電壓一直低電平。2．采取與I/O隔離并用中斷監(jiān)測(cè)電容電壓的電路這樣需要將電容電壓與單片機(jī)監(jiān)測(cè)端口隔離，采取如圖37所示電路。 圖37 水位測(cè)量電路1． LM358的應(yīng)用LM358的正向輸入端接電容電壓正端，反向輸入端與輸出端相連，構(gòu)成電壓跟隨器。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低，也就是說(shuō)電壓跟隨器有較好的隔離作用，使輸出對(duì)輸入影像較小，正好滿(mǎn)足我們的要求[6]。LM358的輸出電壓幅度為0 ,而要跟隨的電壓范圍為0—5V，所以應(yīng)選用大于+，這里選用+12V單電源供電2．LM393的作用給比較器設(shè)置+3V的參考電壓，將電容電壓的指數(shù)曲線變成矩形波，波形圖如圖38所示。將參考電壓接同相輸入端，比較電壓接反相輸入端，從而實(shí)現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時(shí)比較器產(chǎn)生下降沿信號(hào)，作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。如圖38所示。根據(jù)LM393的特性本設(shè)計(jì)電源電路提供的電壓，選用+5v給其供電。由LM393的內(nèi)部原理圖可知LM393的輸出為集電極開(kāi)路，它的輸出高電平與LM393的電源無(wú)關(guān)，但須接外部電源和上拉電阻。在圖37所示的水位測(cè)量電路中并未有這樣的上拉電壓電路，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部INT0、INT1口已經(jīng)具備了這樣的電路。INT0、INT1的內(nèi)部電路類(lèi)似于P1口如圖36所示。另外LM393的同相輸入端輸入和反相輸入端輸入之間有相互嵌位作用，+5V電源和分壓電阻提供的+3v參考帶電平對(duì)反相輸入端輸入有嵌位作用，如果不接LM358 電源跟隨器而與電容直接相連，顯然會(huì)影響電容電壓的變化，這就是要加電壓跟隨器進(jìn)行隔離的原因。圖38 電容電壓與比較器輸出信號(hào)(仿真和實(shí)測(cè))3．充電時(shí)間的設(shè)定和電容的選擇電容充電時(shí)間的計(jì)算公式為： (31)T即位電容電壓上升時(shí)間。，給電容充放電，方波半周期（充電或放電時(shí)間）為，應(yīng)使方波半周期大于電容電壓上升時(shí)間，即： (32)，方波的周期可以很大，超過(guò)幾秒甚至幾十秒，但是這樣主程序就只能干這一項(xiàng)工作，影響單片機(jī)的其他工作。所以要用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)方波輸出。，又不影響單片機(jī)的其他工作。這樣方波的周期就受定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的限制。89C52單片機(jī)定時(shí)器共有4種定時(shí)方式，其中定時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)的為定時(shí)方式1。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在方式1下做定時(shí)器用時(shí)，其定時(shí)時(shí)間計(jì)算公式為： （33）采用12M的晶振，晶振周期為S，因?yàn)椴扇《〞r(shí)器終端方式，所以N=0XFFFF=65536。所以： （34）那么當(dāng)T=30ms,計(jì)數(shù)初值為0X8AD0=35536。定時(shí)輸出30ms其程序如下：void main(){ initial()。 while(1) display()。}void timer_t1() interrupt 3{ TH1=0X8A。 //重新給定時(shí)器1賦值 TL1=0XD0。 P1_4=!P1_4。 //充放電變換 if(P1_4) //充電開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0 { TL0=TH0=0X00。 //定時(shí)器0賦初值0 TR0=1。 //啟動(dòng)定時(shí)器0 }}如圖36，這里用INT0 中斷來(lái)監(jiān)視記錄電容變化，內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器對(duì)電容電壓上升時(shí)間的記錄，所以可以通過(guò)將計(jì)時(shí)器寄存器里的值顯示出來(lái)的方式直觀顯示電容電壓結(jié)果，來(lái)確定合適的電容。以下是編程實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的結(jié)果。表32 不同電容大小時(shí)計(jì)數(shù)器寄存器中的值一水位二水位三水位四水位TH0TL0TH0TL0TH0TL0TH0TL02uFA0~B4——85~98——70~83——60~65——1uF64~70——49~50——38~40——32~34——2——180~A3172~80164~72由表格數(shù)據(jù)可見(jiàn)當(dāng)選用2uF電容時(shí)，應(yīng)需較大的充放電時(shí)間，充放電不夠充分，所以計(jì)數(shù)器寄存器中的值大而不準(zhǔn)；，非常不利用區(qū)分；當(dāng)取1uF電容時(shí)，數(shù)據(jù)大小合適，分段明顯，所以應(yīng)選用1uF電容。另外，電容兩端的最高電壓為+5V，最低電壓為0V，所以所選電容的耐壓留有一定裕量為最大電壓的3倍，所以應(yīng)選取耐壓為15V以上的電容。由表32知R最大值為25KΩ，所以： (35)又由式38得： (36)這樣由公式336得到。因此取充電和放電時(shí)間為30ms。編程實(shí)現(xiàn)水位處理由于水電阻的波動(dòng)性和電容的不穩(wěn)定性等原因，計(jì)數(shù)器中的數(shù)值會(huì)有一定的波動(dòng)，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理顯示水位。其中buf[1]為計(jì)數(shù)器0寄存器中的值。void LvRead(){ if(buf[1]60) { WTLV=1。 //顯示1水位 L3=0。L2=1。L1=1。L0=1。 } else if(buf[1]45) { WTLV=2。 //顯示2水位 L3=1。L2=。L1=1。L0=1。 } else if(buf[1]36) { WTLV=3。// 顯示3水位 L3=1。L2=1。L1=0。L0=1。 } else { WTLV=4。// 顯示4水位 L3=1。L2=1。L1=1。L0=0。 }} 水溫測(cè)量電路水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)包括傳感器的選擇和測(cè)量電路的選擇?？紤]到性?xún)r(jià)比等原因，市場(chǎng)上大部分太陽(yáng)能熱水器的溫度傳感器都選用NTC負(fù)溫度系數(shù)熱電阻，本系統(tǒng)也選用這種。下面主要論述測(cè)量電路。 方案比較選擇溫度測(cè)量方案很多，下面通過(guò)比較選擇合適的測(cè)量方法。1． 熱電阻A/D轉(zhuǎn)換式水溫傳感器圖39 熱電阻A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖A/D轉(zhuǎn)換式水溫傳感器的原理是，利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，將隨溫度變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)，然后將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)放放大處理成0—5V的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)。這種電路測(cè)量比較精確，但需用A/D轉(zhuǎn)換器，而A/D轉(zhuǎn)換的價(jià)格較貴，會(huì)加大成本，另外A/D轉(zhuǎn)換需占用8個(gè)數(shù)據(jù)口和兩個(gè)片選口及兩個(gè)控制口共12個(gè)I/O口。2．RC充放電式熱電阻水溫傳感器測(cè)量電路RC充放電式熱電阻水溫傳感器測(cè)量電路的原理與前面提到的RC充放電式水位傳感器測(cè)量電路原理完全相同，只要把水位電阻換成熱電阻就可以了。其缺點(diǎn)是不夠精確，但成本很低，對(duì)于對(duì)溫度要求不算精確的太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)，完全可以滿(mǎn)足我們的需要。另外與A/D轉(zhuǎn)換式溫度傳感器相比，其優(yōu)勢(shì)還是十分突出的：（1）僅需2個(gè)I/O口就能完成對(duì)溫度的檢測(cè)，節(jié)約了單片機(jī)的I/O，有利于降低成本。 （2）實(shí)現(xiàn)起來(lái)也十分簡(jiǎn)單。 水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及溫度計(jì)算方法1．水溫測(cè)量電路圖310 水溫測(cè)量電路原理圖對(duì)太陽(yáng)能熱水器中水的溫度進(jìn)行控制及顯示，需對(duì)熱水器水溫與出水溫度進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于熱水器來(lái)說(shuō)溫度控制與顯示的精度要求并不高，因此本設(shè)計(jì)采用負(fù)溫度系數(shù)NTC 熱敏電阻作為測(cè)溫元件，利用NTC 熱敏電阻阻值隨溫度變化而改變的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。2．水溫計(jì)算方法NTC 熱敏電阻的阻值與溫度的準(zhǔn)確關(guān)系為: (37)式中R0 為溫度為T(mén)0 時(shí)的電阻值，T0 ， 即25 ℃。為材料系數(shù)。R0 與由熱敏電阻生產(chǎn)廠家給出[7]。由式37可得: (38)由式33和式34可得； (39)經(jīng)測(cè)試T0=25℃的計(jì)數(shù)器寄存器中的值=16384。將T0 、值代入上式并用攝氏溫度表示時(shí)水膽溫度為； (310)因?yàn)?9C52單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行直接的對(duì)數(shù)運(yùn)算，按上述公式計(jì)算溫度值將是十分困難的。在這里查表法是一種經(jīng)常采用的解決辦法，即事先計(jì)算出所有可能的計(jì)時(shí)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的溫度值以表格形式寫(xiě)入控制程序，每次轉(zhuǎn)換完畢后查表得出所對(duì)應(yīng)的溫度值。但此種方法需占用較多的程序儲(chǔ)存空間本設(shè)計(jì)采用一次線性插值法對(duì)溫度與A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行分段線性化，以少量單片機(jī)能直接進(jìn)行的運(yùn)算的組合去逼近目標(biāo)函數(shù)。圖311為溫度T 與計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)果N之間的關(guān)系曲線。圖311 計(jì)時(shí)寄存器值N與溫度T的關(guān)系曲線其中圓滑曲線為實(shí)際的TN關(guān)系曲線設(shè)計(jì)中根據(jù)使用要求將曲線在0 90 范圍內(nèi)分3 段采用圖中的3 段直線斷代替實(shí)際曲線。曲線按式310 計(jì)算出圖中各線段端點(diǎn)坐標(biāo)值為：N1=1000，T1=90(℃)； N2=7549，T2=43(℃)； N3=20000，T3=20(℃)； N4=56450，T4=0(℃)；分段線性化后溫度T 的近似計(jì)算公式： ，(℃) (311)，(℃) (312)，(℃) (313)為了能在單片機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，將以上三式進(jìn)一步變換成如下形式（其中int為取整函數(shù)）： T=97int(N*8/1000), (314) T=50int(N/1000), (315) T=30int(N*5/10000),