【正文】 場上購買的桑樂太陽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 桑樂太陽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單，一共只有4個端口，其中一個是防凍接口，沒有使用，使用的只有3個端口，在可用的三個端口上分別標(biāo)有公共、水位、水溫標(biāo)志，由此可知測量水位、水溫都只用了一個端口。觀察傳感器可知水位傳感器有5個與水接觸點，我們從上到下依次命名它們?yōu)?—5觸點。我們分別測量了觸點不同接法時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短接2345輸出電阻值（kΩ）極大25圖33 桑樂太陽能水位傳感器原理它的工作原理是，水面每接觸一個鋼針就會多并聯(lián)一個電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機的一個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量電路原理圖單片機監(jiān)測電容兩端電壓的變化，因為電容電壓的上升或下降時間t=RC，所以用單片機記錄這個時間就能判別電阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水位的變化進(jìn)行顯示及其他動作。3．傳感器選擇RC充放電式水位傳感器測量電路，明顯優(yōu)于排阻分檔鍵盤式水位傳感器的地方有：（1）接線簡單，排阻分檔鍵盤式水位傳感器需要四根導(dǎo)線傳輸水位信號，而RC充放電式水位傳感器僅需要兩根就能完成，這對于線路較長的太陽能熱水器傳輸信號電路來說能節(jié)省相當(dāng)多的導(dǎo)線資源。（2）給水溫測量電路設(shè)計帶來方便，RC充放電式水位傳感器的原理可以同樣運用到熱電阻溫度測量電路中。（3）占用較少的I/O口，僅需兩個I/O口就能完成水位檢測任務(wù)，極大地節(jié)約了單片機的I/O 口資源。綜上比較可見選用第二種方案較為優(yōu)越。 水位測量電路的具體設(shè)計及優(yōu)化1．直接接單片機I/O口檢測單片機中的定時器可以提供電壓變化時間的紀(jì)錄，接下來就是如何將電壓的變化傳遞給單片機。一種簡單的方案是：，完成計時，這種方案看上去簡單易實現(xiàn)，但實際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖35。，即電容電壓一直保持高點平。這與單片機內(nèi)部電路有關(guān)，單片機的內(nèi)部電路如圖36所示。圖35 直接用I/O檢測電容電壓測量水位電路原理圖圖36 P1口的位結(jié)構(gòu)[5]從圖中可見，P1口只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，，VCC會通過內(nèi)部上拉電阻持續(xù)給電容充電，所以監(jiān)測電容電壓一直為高電平。而當(dāng)將其置低電平時，P1口相當(dāng)于接地，將會出現(xiàn)相反的情況，其通過地一直給電容放電，電容電壓一直低電平。2．采取與I/O隔離并用中斷監(jiān)測電容電壓的電路這樣需要將電容電壓與單片機監(jiān)測端口隔離，采取如圖37所示電路。 圖37 水位測量電路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就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，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，也就是說電壓跟隨器有較好的隔離作用，使輸出對輸入影像較小，正好滿足我們的要求[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，從而實現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時比較器產(chǎn)生下降沿信號，作為單片機的外部中斷信號。如圖38所示。根據(jù)LM393的特性本設(shè)計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的輸出為集電極開路，它的輸出高電平與LM393的電源無關(guān)，但須接外部電源和上拉電阻。在圖37所示的水位測量電路中并未有這樣的上拉電壓電路，是因為單片機內(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(仿真和實測)3．充電時間的設(shè)定和電容的選擇電容充電時間的計算公式為： (31)T即位電容電壓上升時間。，給電容充放電，方波半周期（充電或放電時間）為，應(yīng)使方波半周期大于電容電壓上升時間，即： (32)，方波的周期可以很大，超過幾秒甚至幾十秒，但是這樣主程序就只能干這一項工作，影響單片機的其他工作。所以要用定時器來實現(xiàn)方波輸出。，又不影響單片機的其他工作。這樣方波的周期就受定時器定時時間的限制。89C52單片機定時器共有4種定時方式，其中定時時間最長的為定時方式1。當(dāng)定時器/計數(shù)器在方式1下做定時器用時，其定時時間計算公式為： （33）采用12M的晶振，晶振周期為S，因為采取定時器終端方式，所以N=0XFFFF=65536。所以： （34）那么當(dāng)T=30ms,計數(shù)初值為0X8AD0=35536。定時輸出30ms其程序如下：void main(){ initial()。 while(1) display()。}void timer_t1() interrupt 3{ TH1=0X8A。 //重新給定時器1賦值 TL1=0XD0。 P1_4=!P1_4。 //充放電變換 if(P1_4) //充電開始時啟動定時器0 { TL0=TH0=0X00。 //定時器0賦初值0 TR0=1。 //啟動定時器0 }}如圖36，這里用INT0 中斷來監(jiān)視記錄電容變化，內(nèi)部編程實現(xiàn)計時器對電容電壓上升時間的記錄，所以可以通過將計時器寄存器里的值顯示出來的方式直觀顯示電容電壓結(jié)果，來確定合適的電容。以下是編程實現(xiàn)這一過程的結(jié)果。表32 不同電容大小時計數(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)可見當(dāng)選用2uF電容時，應(yīng)需較大的充放電時間，充放電不夠充分，所以計數(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，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間為30ms。編程實現(xiàn)水位處理由于水電阻的波動性和電容的不穩(wěn)定性等原因，計數(shù)器中的數(shù)值會有一定的波動，所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理顯示水位。其中buf[1]為計數(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。 }} 水溫測量電路水溫測量電路的設(shè)計包括傳感器的選擇和測量電路的選擇?？紤]到性價比等原因，市場上大部分太陽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。下面主要論述測量電路。 方案比較選擇溫度測量方案很多，下面通過比較選擇合適的測量方法。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轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號，然后將這個電壓信號經(jīng)運放放大處理成0—5V的電壓信號，電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號送給單片機。這種電路測量比較精確，但需用A/D轉(zhuǎn)換器，而A/D轉(zhuǎn)換的價格較貴，會加大成本，另外A/D轉(zhuǎn)換需占用8個數(shù)據(jù)口和兩個片選口及兩個控制口共12個I/O口。2．RC充放電式熱電阻水溫傳感器測量電路RC充放電式熱電阻水溫傳感器測量電路的原理與前面提到的RC充放電式水位傳感器測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。其缺點是不夠精確，但成本很低，對于對溫度要求不算精確的太陽能熱水器系統(tǒng)，完全可以滿足我們的需要。另外與A/D轉(zhuǎn)換式溫度傳感器相比，其優(yōu)勢還是十分突出的：（1）僅需2個I/O口就能完成對溫度的檢測，節(jié)約了單片機的I/O，有利于降低成本。 （2）實現(xiàn)起來也十分簡單。 水溫測量電路的設(shè)計及溫度計算方法1．水溫測量電路圖310 水溫測量電路原理圖對太陽能熱水器中水的溫度進(jìn)行控制及顯示，需對熱水器水溫與出水溫度進(jìn)行檢測。對于熱水器來說溫度控制與顯示的精度要求并不高，因此本設(shè)計采用負(fù)溫度系數(shù)NTC 熱敏電阻作為測溫元件，利用NTC 熱敏電阻阻值隨溫度變化而改變的特性實現(xiàn)測溫。2．水溫計算方法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T0 時的電阻值，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)測試T0=25℃的計數(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水膽溫度為； (310)因為89C52單片機無法進(jìn)行直接的對數(shù)運算，按上述公式計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，即事先計算出所有可能的計時結(jié)果所對應(yīng)的溫度值以表格形式寫入控制程序，每次轉(zhuǎn)換完畢后查表得出所對應(yīng)的溫度值。但此種方法需占用較多的程序儲存空間本設(shè)計采用一次線性插值法對溫度與A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行分段線性化，以少量單片機能直接進(jìn)行的運算的組合去逼近目標(biāo)函數(shù)。圖311為溫度T 與計時器計時結(jié)果N之間的關(guān)系曲線。圖311 計時寄存器值N與溫度T的關(guān)系曲線其中圓滑曲線為實際的TN關(guān)系曲線設(shè)計中根據(jù)使用要求將曲線在0 90 范圍內(nèi)分3 段采用圖中的3 段直線斷代替實際曲線。曲線按式310 計算出圖中各線段端點坐標(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 的近似計算公式： ，(℃) (311)，(℃) (312)，(℃) (313)為了能在單片機上進(jìn)行計算，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),