【文章內(nèi)容簡介】 的測量誤差． 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，測量范圍廣等優(yōu)點． 從電路簡化和系統(tǒng)穩(wěn)定性角度考慮，本設(shè)計采用 DS18B20傳感器．由于是測熱水器水箱內(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(nèi)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(nèi)部有環(huán)形磁鐵的浮子，當(dāng)水位變化時浮子也上下滑動，當(dāng)浮子經(jīng)過干簧管檢測點時會觸發(fā)其閉合，形成通路，使對應(yīng)的水位輸出級輸出低電平，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其的腐蝕． 太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計 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)計采用方案 二． 太陽能熱水器的組成及工作原理簡介 在進(jìn)行太陽能熱水器控制器硬件設(shè)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(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． 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)出的可見光波長范圍對光有極大的吸收率，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(jié)構(gòu)也十分講究．它像一根被拉長的熱水壺內(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被照射到．通過這么多精心的設(shè)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(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)水箱中的冷水會通過下降水管進(jìn)入集熱管，而熱水會通過上升水管進(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，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(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 9 第 3 章 硬件電路設(shè)計 總述 該控制器以單片機核心，結(jié)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(dāng)檢測到來自鍵盤的信號時，單片機會通過控制相應(yīng)的引腳電平來驅(qū)動相應(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實時的溫度和當(dāng)前的水位．當(dāng)溫度過高或水位高出或低于設(shè)定值時， 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(yīng)的警報． 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)動電路， 連的繼電器用來驅(qū)動一個電磁閥，以實現(xiàn)水位控制功能． 的繼電器驅(qū)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(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(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，單片機對應(yīng)I/O 口接收到信號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 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(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)實踐的各個領(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重要方向．美國 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(zhuǎn)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(shè)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(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和讀取的操作 [6]． DS18B20 在出廠時默認(rèn)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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)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(fù)．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(fù)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 即為實際溫度值．表 32 所示為太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計 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應(yīng)的 DS18B20,使之作出響應(yīng)，為下一步對該 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 的個數(shù)和識別 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 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 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間最長為 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 DS18B20 發(fā)送“ 0”，外部供電時 DS18B20 發(fā)送“ 1” 水位傳感器模塊設(shè)計 本設(shè)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(guān)．它內(nèi)部觸點通常由兩個軟磁性金屬簧片構(gòu)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(dāng)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(dāng)磁場撤去時，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．干簧管比一般機械開關(guān)結(jié)構(gòu)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(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、江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 低的信號輸出端． PVC 管外套一個環(huán)形磁鐵浮漂，當(dāng)熱水器內(nèi)水位變化時，浮漂會隨著液面變化而上下浮動，當(dāng)帶有環(huán)形磁鐵的浮漂經(jīng)過管內(nèi)的干簧管時會吸合相應(yīng)的干簧管，隨即輸出相應(yīng)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(dāng)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(jīng)過時，干簧管被磁化吸和形成通路，此時單片機對應(yīng)的引腳為低電平，單片機通過讀取對應(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(shè)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(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、線、面并配合背部燈光構(gòu)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(shè)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： 太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計 13 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(fù)極 對應(yīng)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 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：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)． 指令 6：功能設(shè)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