【正文】 儀”把“缺水”定義為水箱無(wú)水。當(dāng)水用完時(shí)出于不能空曬的考慮而立即補(bǔ)水, 似乎合情合理,但若進(jìn)一步分析:如果當(dāng)天晚上仍有少量余水就不能立即補(bǔ)水。那么,經(jīng)過(guò)第二天一天的日曬,到了晚上即會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎無(wú)水可用。如果設(shè)計(jì)成低于設(shè)定水位就立即補(bǔ)水,這種情況下,人們只要一打開用水閥,熱水流出來(lái),冷水便會(huì)自動(dòng)流入補(bǔ)充造成冷熱水互混,既便滿水箱的熱水用戶也用不上。同時(shí)當(dāng)前的控制儀主要是采用分段電阻作為水位檢測(cè)的傳感器，這使得水位檢測(cè)的精度不高，顯示不能給消費(fèi)者直觀的感受。溫度控制部分的過(guò)程為這樣的控制要求,看上去就是“恒溫”控制,有許多成熟的恒溫電路設(shè)計(jì)方案可以解決。但是在實(shí)際操作中卻遇到問(wèn)題,如：（1）晚上水箱里加滿了冷水,恒溫控制下的電加熱器將立即啟動(dòng)并持續(xù)工作一夜,以保證水溫,造成了能源的巨大浪費(fèi)。(2) 人工啟動(dòng)電加熱至有熱水可用,往往需要相當(dāng)長(zhǎng)的加熱時(shí)間(一般需要23 小時(shí))[4]。使“一開就有熱水”成為一句空談。(3)很多熱水器沒(méi)有低溫保護(hù)裝置，這在極端天氣條件下會(huì)使太陽(yáng)能熱水器發(fā)生致命性損壞。 研究?jī)?nèi)容針對(duì)目前市場(chǎng)上的家用太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)存在的缺陷 ，本文利用AT89S52單片機(jī)為核心，以DS18B電容水位檢測(cè)電路，按鍵接口電路為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)了水位的連續(xù)顯示；（2）上水控制全自動(dòng)化，用戶可以自行設(shè)置上水的最低水位值，確保隨時(shí)有水可用；；（3）輔助加熱采用即熱式熱水器（開水和電之后馬上就有熱水出來(lái)），節(jié)能環(huán)保、性能穩(wěn)定又能快速給用戶提供熱水；（4）系統(tǒng)增加防凍加熱自我保護(hù)功能，當(dāng)水溫低于2℃時(shí)對(duì)儲(chǔ)水箱的水進(jìn)行加熱，防止熱水器結(jié)冰，對(duì)太陽(yáng)能熱水器實(shí)行低溫保護(hù)。本文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展?fàn)顩r，以及目前太陽(yáng)能控制儀存在的問(wèn)題。第二部分包括第二、三章，給出太陽(yáng)能熱水器水位溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。第三部分包括第四章,得出本設(shè)計(jì)的結(jié)論并對(duì)設(shè)計(jì)的下一步工作做出展望。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 整體設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)要求,由于系統(tǒng)運(yùn)算量不是很大,沒(méi)有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存,使用AT89S52已完全能夠滿足要求。系統(tǒng)的硬件包括:采用DS18B20作為溫度傳感器的蓄水箱溫度檢測(cè)電路，采用電容式液位計(jì)作為傳感器的水位檢測(cè)電路，對(duì)水箱進(jìn)行防凍加熱的電加熱電路，即熱式輔助加熱電路以及顯示、按鍵接口電路等。單片 機(jī)水位檢測(cè)電路溫度檢測(cè)電路輔助加熱裝置水位溫度顯示上水繼電器防凍加熱裝置　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 水位測(cè)量 目前市場(chǎng)上太陽(yáng)能熱水器的水位傳感器主要有：水電接觸的電極式傳感器、霍爾效應(yīng)的浮子式傳感器和壓力式傳感器[3]，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，最突出和普遍的問(wèn)題是電極式和浮子式傳感器的缺陷是所顯示的水位很粗糙，一般顯示水箱水位只有45點(diǎn)，壓力式傳感器雖然可以連續(xù)顯示水箱水位的狀態(tài)，但成本很高。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展方向是傳感器與水必須非電接觸測(cè)量以及測(cè)量控制系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化。目前使用最廣泛的電極式傳感器由于水電接觸，有回路電流會(huì)影響水質(zhì)要面臨淘汰，浮子式傳感器雖然是水和電非接觸測(cè)量，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差。結(jié)合市場(chǎng)的要求，成本和技術(shù)的可行性，本文電容式液位計(jì)作為水位檢測(cè)的傳感器。電容傳感器是利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從而使電容量發(fā)生變化的原理制成的。主要用于壓力、位移、液位、厚度、水分含量等參數(shù)的測(cè)量。其中，電容式液位傳感器是利用液位的變化使電容值改變的原理進(jìn)行測(cè)量。本設(shè)計(jì)的電容式傳感器是分別涂上絕緣漆的兩金屬同心圓柱，它們作為電容的內(nèi)、外兩電極, ,其中: D、d 分別為外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑。ε0、ε分別為空氣和被測(cè)水的介電常數(shù)，其中ε0=1012F/m[6],蒸餾水的介電常數(shù)ε=80ε0[6]。 L為兩極板相互重疊部分的長(zhǎng)度,H 為液位高度。根據(jù)圓柱體的電容公式可得，液體部分電容量 為: （）液體以上部分電容的電容值C2 為: ()總電容量C 為:C = C1 + C2 = () 在液位為零時(shí),初始電容量C0 為: （）因此,在液位為H 時(shí),相對(duì)于無(wú)水時(shí)的電容變化量CX 為:CX = C C 0 = （）由式() 可知,傳感器的電容變化量與水位高度H 成正比，因此，可以通過(guò)測(cè)量電容值的大小來(lái)計(jì)算熱水器內(nèi)水箱的水位高度。dH 空氣Lε0ε 水 圓柱形電容傳感器結(jié)構(gòu)圖D要測(cè)量傳感器電容值的變化值需要進(jìn)一步把電容值轉(zhuǎn)換成與之相關(guān)的電壓、電流、頻率等電量參數(shù)。目前這樣的轉(zhuǎn)換電路種類很多，電容電壓裝換電路（CV）和電容電流(CI)裝換電路然技術(shù)比較成熟，但是其要經(jīng)過(guò)檢波、濾波、信號(hào)放大、AD轉(zhuǎn)化等步驟，轉(zhuǎn)換電路比較復(fù)雜，在這些過(guò)程中容易產(chǎn)生誤差，而電容頻率裝換電路比較容易實(shí)現(xiàn)，在傳輸中信號(hào)不發(fā)生變化，更能真實(shí)反映水位的變化。由此可見，采用電容頻率裝換電路更簡(jiǎn)單可靠。正式基于這樣的考慮，NE555的8腳、4腳外接+5V電源，4腳與Ra，Rb，電容傳感器CX串聯(lián)后接地，7腳接至Ra，Rb之間，6腳與2腳連接后接至Rb和電容傳感器CX之間，這樣就組成了一個(gè)多諧振蕩器。其測(cè)量原理為：接入電源啟動(dòng)NE555，使NE555的7腳斷開，同時(shí)單片機(jī)開始記數(shù)；電源經(jīng)過(guò)Ra，Rb向電容傳感器C充電，待到電容上（NE555上7腳）的電壓達(dá)到電源電壓的2/3時(shí)，NE555的7腳又接通參考點(diǎn)，使電容通過(guò)7腳放電，同時(shí)NE555的3腳發(fā)出一個(gè)脈沖到單片機(jī)上，使單片機(jī)停止記數(shù)。在這一過(guò)程中，Ra，Rb上是總有電流的。 電容—頻率轉(zhuǎn)換電路在這個(gè)電路中,定時(shí)元件由傳感器電容C、串連電阻Ra和Rb 組成，形成的方波信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)測(cè)量方波的周期來(lái)獲得傳器電容的C值。充電時(shí)間為；放電時(shí)間為。輸出方波周期T 為: ()從式(6) 可以看出,555 電路的輸出頻率的周期與電容量成正比。對(duì)應(yīng)水位為0時(shí)的電容量為C0 ,則輸出頻率的周期T0 為: () 那么相對(duì)于無(wú)水時(shí)的電容變化值CX 為: