【文章內容簡介】 器的選擇方案和論證方案一：投入式液位傳感器．把傳感器探頭投入液體中間，利用探頭檢測到的液體壓力來測量出液體的深度．這種方案的缺點是長時間使用時探頭會被腐蝕，不適合長期在水箱中使用．方案二：干簧管水位傳感器．如圖22所示在一段密封塑料管內分上、中上、中下、下四處放置四個干簧管作為四個檢測點．在塑料管外套一個內部有環(huán)形磁鐵的浮子，當水位變化時浮子也上下滑動，當浮子經過干簧管檢測點時會觸發(fā)其閉合，形成通路，使對應的水位輸出級輸出低電平，這樣便可知道水箱內水位了．本方案干簧管的接觸點與大氣隔絕，江南大學學士學位論文8管內有稀有氣體，可有效防止水蒸氣和塵埃等對其的腐蝕．圖22 干簧管水位傳感器示意圖由于方案一的探頭易被腐蝕，所以本設計采用方案二． 太陽能熱水器的組成及工作原理簡介在進行太陽能熱水器控制器硬件設計之前，先來補充一下太陽能熱水器的組成和工作原理，熟悉其基本結構和工作過程．圖 23 太陽能熱水器工作原理如圖23 所示太陽能熱水器主要由集熱管，循環(huán)水箱和補給水箱三大部分組成．其中集熱管主要用來吸收太陽能熱量，加熱過的水通過上升水管進入循環(huán)水箱．循環(huán)水箱中的冷水通過下降水管進入集熱管中進行加熱．自來水管用來往補給水箱中注水，補給水箱是用來給循環(huán)水箱提供冷水的．最終的熱水通過熱水輸出管輸出．本科生畢業(yè)論文（設計）題目9太陽能熱水器的最主要器件是集熱管 [5]，在熱水器的集熱管表面有一特殊涂層，它在太陽發(fā)出的可見光波長范圍對光有極大的吸收率，吸收的光能轉化為熱能．而在集熱器散熱輻射的波長范圍下，該涂層對長波的發(fā)射率很低，這樣又可以保留吸收的太陽能熱量，從而逐漸將冷水加熱成熱水．此外，集熱管的結構也十分講究．它像一根被拉長的熱水壺內膽，是由兩只玻璃管套合而成，外層是透明的，內層才是涂有光譜選擇性的吸收涂層，內外管之間是真空的，可以防止散熱．套管下邊還有一塊反射光板，這樣使得玻璃管背光部分也會被照射到．通過這么多精心的設計，使得集熱管可以能夠最大限度的吸收光能而且最小限度的散失熱量，所以即使在高寒地區(qū)，太陽能熱水器也可以一年四季都正常使用．集熱管內的水通過吸收太陽能的熱量溫度上升，由于熱水的密度要小于冷水，所以循環(huán)水箱中的冷水會通過下降水管進入集熱管，而熱水會通過上升水管進入循環(huán)水箱．循環(huán)水箱中的熱水通過熱水出水管輸出時，循環(huán)水箱的水位會下降，這時補給水箱中的來自自來水管中的冷水會進入循環(huán)水箱，這樣保證了冷水也是一直可以提供的．太陽能熱水器就是通過這樣的水循環(huán)原理實現(xiàn)不斷將冷水加熱成熱水的．這種熱水器利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱循環(huán)熱水器．江南大學學士學位論文10第 3 章 硬件電路設計 總述該控制器以單片機核心，結合其他模塊來實現(xiàn)溫度、水位的控制和顯示等功能．系統(tǒng)上電后，會首先初始化和掃描按鍵，當檢測到來自鍵盤的信號時，單片機會通過控制相應的引腳電平來驅動相應的控制電路．溫度傳感器 DS18B20 和干簧管水位傳感器用來檢測實時的溫度和當前的水位．當溫度過高或水位高出或低于設定值時，單片機也會做出的反饋如：停止加熱、控制上水等，并會在一定條件下做出相應的警報．LCD 液晶顯示模塊用來顯示當前的溫度和水位狀況． 硬件系統(tǒng)原理圖如圖 31 所示，單片機的 口與溫度傳感器 DS18B20 的數(shù)據(jù)線DQ 相連． 和 均連接繼電器驅動電路， 連的繼電器用來驅動一個電磁閥，以實現(xiàn)水位控制功能． 的繼電器驅動一個加熱裝置用來實現(xiàn)溫度控制． 引腳連接警報裝置，當水位低于中下且還在加熱或者當水溫高于 70 攝氏度還在加熱的時候，警報裝置啟動，以防止出現(xiàn)干燒和過燒的情況．~ 四個引腳分別連接水位傳感器的下、中下、中上、上四個水位探針的輸出極．~ 與 1602 顯示器的數(shù)據(jù)線相連，1602 顯示器的使能端接在單片機的 口，讀寫控制端分別接 和 ．單片機的~ 分別接停止上水開關、上水開關、停止加熱開關和加熱開關，當按下相應的按鍵時，單片機對應 I/O 口接收到信號再通過程序控制來做出相應的反饋．圖 31 硬件系統(tǒng)原理框圖太陽能熱水器控制器的軟硬件設計11 溫度傳感器模塊設計 DS18B20 簡介溫度傳感器是最常用的傳感器之一．早期的溫度傳感器都是模擬傳感器，如熱敏電阻，隨著環(huán)境溫度的變化，它的阻值也發(fā)生線性變化，用處理器采集電阻兩端的電壓，然后根據(jù)特定的公式就可計算當前環(huán)境溫度．隨著科技的進步，現(xiàn)代的溫度傳感器已經走向數(shù)字化，并廣泛的應用到生產實踐的各個領域，為我們生活提供了很大的便利條件．隨著現(xiàn)代儀器的發(fā)展，微型化、集成化、數(shù)字化正在成為傳感器的一個重要方向．美國DALLAS半導體公司推出的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20 [4]采用單總線協(xié)議，即與單片機接口僅需占用一個I/O端口，無須任何外部元件，直接將環(huán)境溫度轉化為數(shù)字信號，以數(shù)字碼方式串行輸出，從而大大的簡化了傳感器與單片機的接口聯(lián)系．DS18B20 只有電源、數(shù)據(jù)和地線三個引腳，使用起來非常方便．電路連接如 32 所示．GND 接地線，VCC 接電源．信號輸入輸出端 DQ 與單片機 引腳相連，并且連有10K 歐的上拉電阻，確?？偩€空閑時一直處于高電平．圖 32 DS18B20 電路連接 DS18B20 工作原理硬件電路連接好以后，接下來的問題就是單片機如何將 DS18B20 中的溫度數(shù)據(jù)讀取出來．本設計只需要一個溫度傳感器，就不需要讀取 ROM 編碼以及匹配 ROM 編碼了，只要用跳過 ROM（CCH ）命令，就可以開始進行溫度轉換和讀取的操作 [6]．DS18B20 在出廠時默認配置為 12 位，其中最高位為符號位，即溫度值共 11 位，單片機在讀取數(shù)據(jù)時，一次會讀 2 字節(jié)共 16 位，讀完后將低 11 位的二進制數(shù)轉化為十進制數(shù)后再乘以 邊為所測的實際溫度值．另外，還需要判斷溫度的正負．由于溫度值只占用了 11 位，所以前五位均為符號位，這五位同時變化．前五位位 1 時，讀取的溫度為負值，此時測量的數(shù)值需要取反加 1 再乘以 才可得得到實際溫度值．前五位為 0 時，讀取的溫度為正值，此時僅需要將測量的數(shù)值直接乘以 即為實際溫度江南大學學士學位論文12值．表 32 所示為常用的 DS18B20 指令表 32 常用 DS18B20 指令讀 ROM 33H 讀 DS18B20 中的編碼 (即 64 位地址)符合 ROM 55H發(fā)出此命令后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的 DS18B20,使之作出響應，為下一步對該 DS18B20 的讀寫作準備搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64位 ROM 地址，為操作各器件作好準備跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20V 溫度轉換命令，適用于單個 DS18B20 工作告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后，只有溫度超過預設值上限或下限的片子才做出響應溫度轉換 44H 啟動 DS18B20 進行溫度轉換，轉換時間最長為500ms(典型為 200ms),結果豐入內部 9 字節(jié) RAM 中讀暫存器 BEH 讀內部 RAM 中 9 字節(jié)的內容寫暫存器 4EH 發(fā)出向內部 RAM 的第 4 字節(jié)寫上、下溫度數(shù)據(jù)命令，緊該溫度命令之后，傳達兩字節(jié)的數(shù)據(jù)復制暫存器 48H 將 RAM 中第 4 字內容復制到 E2PROM 中重調 E2PROM 0B8H 將 E2PROM 中內容恢復到 RAM 中的第 4 字節(jié)讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時 DS18B20 發(fā)送“0”，外部供電時 DS18B20 發(fā)送“1” 水位傳感器模塊設計本設計采用干簧管水位傳感器．圖33所示為干簧管 [7]，也稱舌簧管，是一種特殊的開關．它內部觸點通常由兩個軟磁性金屬簧片構成，兩個金屬簧片平行放置，并且中間有一部分重疊，如圖34所示．在正常的情況下，它們的是斷開的，當外部有磁場作用時，兩個簧片會被磁化，然后吸合，形成通路，當磁場撤去時，簧片斷開，形成斷路．干簧管內部充有惰性氣體以保障其簧片的性能．干簧管比一般機械開關結構簡單、體積小、速度高、工作壽命長、可靠性高，基于上述優(yōu)點，干簧管也被廣泛的應用到人們的生產生活中．圖 33 圖 34太陽能熱水器控制器的軟硬件設計13水位傳感器是在一端封閉的一段 PVC 管內，在上、中上、中下、下四個位置分別垂直安裝四個干簧管，干簧管的公共端接+5V 電源，另外四個端分別為水位高、中上、中下、低的信號輸出端．PVC 管外套一個環(huán)形磁鐵浮漂，當熱水器內水位變化時，浮漂會隨著液面變化而上下浮動，當帶有環(huán)形磁鐵的浮漂經過管內的干簧管時會吸合相應的干簧管，隨即輸出相應的水位信號．水位輸出極的外部連接四個公共端接+5V 電源的上拉電阻并分別與單片機的 、 、 四個引腳相連．當沒有水的狀態(tài)下，單片機四個引腳在上拉電阻的作用下為高電平．水位經過時，干簧管被磁化吸和形成通路，此時單片機對應的引腳為低電平，單片機通過讀取對應引腳的邏輯電平來判斷水位的高低．此外，水位的高低會最終顯示在 1602 液晶顯示器上．水位檢測部分的原理圖如 35所示：圖 35 水位傳感器電路連接與示意圖 LCD 顯示模塊設計 1602 液晶顯示器工作原理液晶是一種高分子材料，因為其特殊的物理、化學、光學特性，20 世紀中葉開始廣泛應用在了顯示器上．液晶顯示器的主要原理是用電流車技液晶分子產生點、線、面并配合背部燈光構成畫面．各種型號的液晶通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點陣的行、列數(shù)來命名．本設計中使用的 1602 就是每行顯示 16 個字符，一共可以顯示兩行．常用的 1602 顯示器有 16 個引腳，各引腳的功能如表 33[9]所示：江南大學學士學位論文14表 33 1602 液晶顯示器引腳介紹編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù)2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù)3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù)4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù)5 R/W 讀/寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù)6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù)7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負極對應各個引腳，有一些常用的指令如表 34[4]所示：表 34 1602 常用指令序號 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 光標返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S4 顯示開/關控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B5 光標或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *7 置字符發(fā)生存貯器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址8 置數(shù)據(jù)存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9 讀忙標志或地址 0 1 BF 計數(shù)器地址10 寫數(shù)到 CGRAM 或DDRAM） 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內容11 從 CGRAM 或 DDRAM 讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內容1602 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的．（說明：1 為高電平、0 為低電平）指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標復位到地址 00H 位置．指令 2：光標復位，光標返回到地址 00H．指令 3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移．高電平表示有效，低電平則無效．指令 4：顯示開關控制． D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍．指令 5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標．太陽能熱水器控制器的軟硬件設計15指令 6：功能設置命令 DL：高電平時為 4 位總線，低電平時為 8 位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示 5x7 的點陣字符，高電平時顯示5x10 的點陣字符．指令 7：字符發(fā)生器 RAM 地址設置．指令 8：DDRAM 地址設置．指令 9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙．指令 10：寫數(shù)據(jù)．指令 11：讀數(shù)據(jù)．液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效．要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖 36 是 1602 的內部顯示地址．圖 36例如第二行第一個字符的地址是 40H，那么是否直接寫入 40H 就可以將光標定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位 D7 恒定為高電平 1 所以實際寫入的數(shù)據(jù)應該是 01000000B（40H ）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)．在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預．每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)．1602 液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英