【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 M393 的輸出為集電極開路，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)量電結(jié) 論 11 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： T RC? (31) T 即位電容電壓上升時(shí)間。編程使 口輸出周期性的方波，給電容充放電，方波半周期（充電或放電時(shí)間）為 39。T ，應(yīng)使方波半周期大于電容電壓上升時(shí)間，即： 39。TT? (32) 如果使用單片機(jī)主程序一直循環(huán)給 口輸出方波，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。這樣用定時(shí)器就可以用定時(shí)中斷使結(jié) 論 12 口輸出方波，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： ( 1 2TN? ? ? ?計(jì) 數(shù) 初 值 ) 晶 振 周 期 （ 33） 采用 12M 的晶振，晶振周期為 61/12 10?? S，因?yàn)椴扇《〞r(shí)器終端方式，所以 N=0XFFFF=65536。所以： ( 655 36 ) usT ?? 計(jì) 數(shù) 初 值 （ 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 結(jié) 論 13 } } 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 TH0 TL0 TH0 TL0 TH0 TL0 TH0 TL0 2uF A0~B4 —— 85~98 —— 70~83 —— 60~65 —— 1uF 64~70 —— 49~50 —— 38~40 —— 32~34 —— 2 —— 1 80~A3 1 72~80 1 64~72 由表格數(shù)據(jù)可見當(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)；而當(dāng)取 電容式計(jì)數(shù)寄存器 TH0的值僅為 1 或 2，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： 39。 25T T RC ms? ? ? (35) 又由式 38 得： 160 u s T 2 (6 5 5 3 6 )u s?? (36) 這樣由公式 3 36 得到 T T 65536us? ? 。 結(jié) 論 14 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 { 結(jié) 論 15 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]到性價(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熱敏電阻LM 324LM 324R 2 1 0 KR1 20KR3 10KR 4 2 0 KR 5 1 0 KAD C 0809D 2D 6D 3D 5D 1D 7D 0D 4+ 5 V++結(jié) 論 16 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。 + 5 VR 1 R 23 K 2 KNTC熱電阻C 1 uF89 C 52LM 358P 1 . 0INT 0LM 393+ 12 V + 5 V++跟隨器 比較器結(jié) 論 17 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 : 0 011e x pTRR TT??????????????? (37) 式中 R0 為溫度為 T0 時(shí)的電阻值， T0 為基準(zhǔn)溫度 ， 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 : 00111ln TT RRT??? (38) 由 式 33 和 式 34 可得； 00TTRN? (39) 經(jīng)測(cè)試 T0=25℃的計(jì)數(shù)器寄存器中的值 0N =16384。 將 T0 、 0N 、 ? 值代入上式并用攝氏溫度表示時(shí)水膽溫度 為； 1 11ln405 0 163 84 298 .15T N??? (310) 因?yàn)?89C52 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。 結(jié) 論 18 0 1 2 3 4 5 6x 1 04 1 00102030405060708090X : 5 . 6 4 5 e + 0 0 4Y : 0 . 1 1 5 9 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=20210， T3=20(℃ )； N4=56450， T4=0(℃ )； 分段 線性化后溫度 T 的近似計(jì)算公式： 1000 N7549? ， ( 9 0 4 3 ) ( 1 0 0 0 )9 0 9 7 . 2 0 . 0 0 7 26549 NTN??? ? ? ?(℃ ) (311) 75 49 N 20 00 0? ， ( 4 3 2 0 ) ( 7 5 4 9 )4 3 5 0 . 5 4 9 0 . 0 0 112451 N??? ? ? ?(℃ ) (312) 20 00 0 N56 45 0? ， ( 2 0 0 ) ( 2 0 0 0 0 )2 0 3 0 . 0 9 7 0 . 0 0 0 5 4 836450N??? ? ? ?(℃ ) (313) 結(jié) 論 19 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), 1000 N7549? (314) T=50int(N/1000), 75 49 N 20 00 0? (315) T=30int(N*5/10000), 20 00 0 N56 45 0? (316) 式 31 315 和 316 的計(jì)算過(guò)程僅需通過(guò)簡(jiǎn)單的幾步移位與加減法操作即可實(shí)現(xiàn)，與通過(guò)式 310 計(jì)算并進(jìn)行四舍五入圓整的結(jié)果相比較單片機(jī)通過(guò)式31 315 和 316 計(jì)算出的溫度值在 0~20 范圍內(nèi)誤差不超過(guò) 2℃ ,在 20~ 90 范圍內(nèi)誤差不超過(guò) 1℃ ,并且計(jì)算出的溫度值與 A/D 轉(zhuǎn)結(jié)果之間保持良好的單調(diào)遞增關(guān)系。 3． 程序?qū)崿F(xiàn) 測(cè)量水溫程