【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的測(cè)量誤差． 方案二： 采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，此類傳哪去為數(shù)字式傳感器，僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，易于與單片機(jī)連接，也不需要 A/D轉(zhuǎn)換模塊，降低硬件成本和系統(tǒng)的復(fù)雜度．此外，數(shù)字式溫度傳感器具有精度高，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)． 從電路簡(jiǎn)化和系統(tǒng)穩(wěn)定性角度考慮，本設(shè)計(jì)采用 DS18B20傳感器．由于是測(cè)熱水器水箱內(nèi)的水溫，所以選擇防水型 DS18B20． 水位傳感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(cè)到的液體壓力來測(cè)量出液體的深度．這種方案 的缺點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)探頭會(huì)被腐蝕，不適合長(zhǎng)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(nèi)分上、中上、中下、下四處放置四個(gè)干簧管作為四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)．在塑料管外套一個(gè)內(nèi)部有環(huán)形磁鐵的浮子，當(dāng)水位變化時(shí)浮子也上下滑動(dòng)，當(dāng)浮子經(jīng)過干簧管檢測(cè)點(diǎn)時(shí)會(huì)觸發(fā)其閉合，形成通路，使對(duì)應(yīng)的水位輸出級(jí)輸出低電平，這樣便可知道水箱內(nèi)水位了．本方案干簧管的接觸點(diǎn)與大氣隔絕，管內(nèi)有稀有氣體，可有效防止水蒸氣和塵埃等對(duì)其的腐蝕． 太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計(jì) 7 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(shè)計(jì)采用方案 二． 太陽能熱水器的組成及工作原理簡(jiǎn)介 在進(jìn)行太陽能熱水器控制器硬件設(shè)計(jì)之前，先來補(bǔ)充一下太陽能熱水器的組成和工作原理，熟悉其基本結(jié)構(gòu)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(bǔ)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(jìn)入循環(huán)水箱．循環(huán)水箱中的冷水通過下降水管進(jìn)入集熱管中進(jìn)行加熱．自來水管用來往補(bǔ)給水箱中注水，補(bǔ)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． 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 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(zhǎng)范圍對(duì)光有極大的吸收率，吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能．而在集熱器散熱輻射的波長(zhǎng)范圍下，該涂層對(duì)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)也十分講究．它像一根被拉長(zhǎng)的熱水壺內(nèi)膽，是由兩只玻璃管套合而成，外層是透明的，內(nèi)層才是涂有光譜選擇性的吸收涂層，內(nèi)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(huì)被照射到．通過這么多精心的設(shè)計(jì)，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(nèi)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(huì)通過下降水管進(jìn)入集熱管，而熱水會(huì)通過上升水管進(jìn)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(shí)，循環(huán)水箱的水位會(huì)下降，這時(shí)補(bǔ)給水箱中的來自自來水管中的冷水會(huì)進(jìn)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(shí)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 ． 太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計(jì) 9 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 總述 該控制器以單片機(jī)核心，結(jié)合其他模塊來實(shí)現(xiàn)溫度、水位的控制和顯示等功能．系統(tǒng)上電后，會(huì)首先初始化和掃描按鍵，當(dāng)檢測(cè)到來自鍵盤的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)會(huì)通過控制相應(yīng)的引腳電平來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的控制電路．溫度傳感器 DS18B20 和干簧管水位傳感器用來檢測(cè)實(shí)時(shí)的溫度和當(dāng)前的水位．當(dāng)溫度過高或水位高出或低于設(shè)定值時(shí)， 單片機(jī) 也會(huì)做出的反饋如：停止加熱、控制上水等，并會(huì)在一定條件下做出相應(yīng)的警報(bào)． LCD 液晶顯示模塊用來顯示當(dāng)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(jī)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(qū)動(dòng)電路， 連的繼電器用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)電磁閥，以實(shí)現(xiàn)水位控制功能． 的繼電器驅(qū)動(dòng)一個(gè)加熱裝置用來實(shí)現(xiàn)溫度控制． 引腳連接警報(bào)裝置，當(dāng)水位低于中下且還在加熱或者當(dāng)水溫高于 70 攝氏度還在加熱的時(shí)候，警報(bào)裝置啟動(dòng)，以防止出現(xiàn)干燒和過燒的情況． ~ 四個(gè)引腳分別連接水位傳感器的下、中下、中上、上四個(gè)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(jī)的 口，讀寫控制端分別接 和 ．單片機(jī)的 ~ 分別接停止上水開關(guān)、上水開關(guān)、停止加熱開關(guān)和加熱開關(guān)，當(dāng)按下相應(yīng)的按鍵時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)I/O 口接收到信號(hào)再通過程序控制來做出相應(yīng)的反饋． 圖 31 硬件系統(tǒng)原理框圖 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 溫度傳感器模塊設(shè)計(jì) DS18B20 簡(jiǎn)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(jì)算當(dāng)前環(huán)境溫度．隨著科技的進(jìn)步 ，現(xiàn)代的溫度傳感器已經(jīng)走向數(shù)字化，并廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)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(gè)重要方向．美國(guó) DALLAS半導(dǎo)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(jī)接口僅需占用一個(gè) I/O端口，無須任何外部元件，直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字碼方式串行輸出，從而大大的簡(jiǎn)化了傳感器與單片機(jī)的接口聯(lián)系． DS18B20 只有電源、數(shù)據(jù)和地線三個(gè)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(hào)輸入輸出端 DQ 與單片機(jī) 引腳相連，并且連有10K 歐的上拉電阻，確?？偩€空閑時(shí)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(jī)如何將 DS18B20 中的溫度數(shù)據(jù)讀取出來．本設(shè)計(jì)只需要一個(gè)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(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和讀取的操作 [6]． DS18B20 在出廠時(shí)默認(rèn)配置為 12 位，其中最高位為符號(hào)位，即溫度值共 11 位，單片機(jī)在讀取數(shù)據(jù) 時(shí)，一次會(huì)讀 2 字節(jié)共 16 位，讀完后將低 11 位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)后再乘以 邊為所測(cè)的實(shí)際溫度值．另外，還需要判斷溫度的正負(fù)．由于溫度值只占用了 11 位，所以前五位均為符號(hào)位，這五位同時(shí)變化．前五位位 1 時(shí)，讀取的溫度為負(fù)值，此時(shí)測(cè)量的數(shù)值需要取反加 1 再乘以 才可得得到實(shí)際溫度值．前五位為 0 時(shí)，讀取的溫度為正值，此時(shí)僅需要將測(cè)量的數(shù)值直接乘以 即為實(shí)際溫度值．表 32 所示為太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計(jì) 11 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(duì)應(yīng)的 DS18B20,使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該 DS18B20 的讀寫作準(zhǔn)備 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個(gè)數(shù)和識(shí)別 64位 ROM 地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備 跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20V 溫度轉(zhuǎn)換命令，適用于單個(gè) DS18B20 工作 告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后，只有溫度超過預(yù)設(shè)值上限或下限的片子才做出響應(yīng) 溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為 500ms(典型為 200ms),結(jié)果豐入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中 讀暫存器 BEH 讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)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(dá)兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM 中第 4 字內(nèi)容復(fù)制到 E2PROM 中 重調(diào) E2PROM 0B8H 將 E2PROM 中內(nèi)容恢復(fù)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(shí) DS18B20 發(fā)送“ 0”，外部供電時(shí) DS18B20 發(fā)送“ 1” 水位傳感器模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)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(guān)．它內(nèi)部觸點(diǎn)通常由兩個(gè)軟磁性金屬簧片構(gòu)成，兩個(gè)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(dāng)外部有磁場(chǎng)作用時(shí)，兩個(gè)簧片會(huì)被磁化，然后吸合，形成通路，當(dāng)磁場(chǎng)撤去時(shí)，簧片斷開，形成斷路．干簧管內(nèi)部充有惰性氣體以保障其簧片的性能．干簧管比一般機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、速度高、工作壽命長(zhǎng)、可靠性高，基于上述優(yōu)點(diǎn)，干簧管也被廣泛的應(yīng)用到人們的生 產(chǎn)生活中． 圖 33 圖 34 水位傳感器是在一端封閉的一段 PVC 管內(nèi)，在上、中上、中下、下四個(gè)位置分別垂直安裝四個(gè)干簧管，干簧管的公共端接 +5V 電源，另外四個(gè)端分別為水位高、中上、中下、江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 低的信號(hào)輸出端． PVC 管外套一個(gè)環(huán)形磁鐵浮漂，當(dāng)熱水器內(nèi)水位變化時(shí)，浮漂會(huì)隨著液面變化而上下浮動(dòng)，當(dāng)帶有環(huán)形磁鐵的浮漂經(jīng)過管內(nèi)的干簧管時(shí)會(huì)吸合相應(yīng)的干簧管，隨即輸出相應(yīng)的水位信號(hào) ．水位輸出極的外部連接四個(gè)公共端接 +5V 電源的上拉電阻并分別與單片機(jī)的 、 、 、 四個(gè)引腳相連．當(dāng)沒有水的狀態(tài)下，單片機(jī)四個(gè)引腳在上拉電阻的作用下為高電平．水位經(jīng)過時(shí)，干簧管被磁化吸和形成通路，此時(shí)單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳為低電平，單片機(jī)通過讀取對(duì)應(yīng)引腳的邏輯電平來判斷水位的高低．此外，水位的高低會(huì)最終顯示在 1602 液晶顯示器上．水位檢測(cè)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(shè)計(jì) 1602 液晶顯示器工作原理 液晶是一種高分子材料，因?yàn)槠涮厥獾奈锢怼⒒瘜W(xué)、光學(xué)特性， 20 世紀(jì)中葉開始廣泛應(yīng)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(chǎn)生點(diǎn)、線、面并配合背部燈光構(gòu)成畫面．各種型號(hào)的液晶通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點(diǎn)陣的行、列數(shù)來命名．本設(shè)計(jì)中使用的 1602 就是每行顯示 16 個(gè)字符，一共可以顯示兩行． 常用的 1602 顯示器有 16 個(gè)引腳，各引腳的功能如表 33[9]所示： 太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計(jì) 13 表 33 1602 液晶顯示器引腳介紹 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 編號(hào) 符號(hào) 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(hào) 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(fù)極 對(duì)應(yīng)各個(gè)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(hào) 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標(biāo)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 S 4 顯示開 /關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標(biāo)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(biāo)志或地址 0 1 BF 計(jì)數(shù)器地址 10 寫數(shù)到 CGRAM 或DDRAM） 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容 11 從 CGRAM或 DDRAM讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 1602 液晶模塊的讀寫 操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)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(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置． 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H． 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)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(guān)控制． D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃 爍． 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)． 指令 6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時(shí)為 4 位總線，低電平時(shí)為 8 位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示 5x7 的點(diǎn)陣字符