【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 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(lèi)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d H 空氣 L ε 0 ε 水 圖 圓柱形電容傳感器 結(jié)構(gòu)圖 D 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 化。 由此可見(jiàn)， 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， 本文采用如圖 電路， 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(kāi)，同時(shí) 單片機(jī) 開(kāi)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。 圖 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2ln)(1 CRR ba ??? ； 放電時(shí)間為 2ln2 CRb?? 。 輸 出方波周期 T 為 : 2ln)2( CRbRaT ?? () 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 : 2ln)2( 00 CRRaT b?? () 那么相對(duì)于無(wú)水時(shí)的 電容 變化 值 CX 為 : 2ln)( 00 RbRa TTCCC X ? ???? () 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 從式 () 可以看出 ,由于 T0 、 Rb 都是不變的 ,輸 出信號(hào) Fout的周期與被測(cè)電容 CX 為線(xiàn)性關(guān)系。 根據(jù) 公 式（ ）和 （ ） 可知 水位的高度 H與輸出的方波周期 T的關(guān)系為： 2ln))((2 )/ln ()( 0 0 RbRa dDTTH ???? ??? （ ） 本設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)的方式對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行處理， 采用 12MHz的晶振與單片機(jī)構(gòu)成 的 系統(tǒng)，其 定時(shí)器一次測(cè)量時(shí)間 范圍 大約在 1us到 65ms之間 ， 因此振蕩器 產(chǎn)生的方波信號(hào) 周期必需在此范圍。為了提高周期測(cè)量精度，我們測(cè)量 10個(gè)方波周期的時(shí)間，來(lái)計(jì)算水位高度。因此，我們選擇如下參數(shù)：電容傳感器的 外徑（ D）是內(nèi)徑（ d） 的 2倍，即 (D/d)=2； 長(zhǎng)度 L=40cm；電路電阻 Ra=1M? ,Rb=? ，其選擇為使方波的占空比約為 1。 由此 當(dāng)水位為 0時(shí)， 其 電容 傳感器 為 32PF,則周期為 ；而水箱水滿(mǎn)時(shí)， 電容 C=2567PF,T=。 溫度測(cè)量 溫度測(cè)量 目前主要 采用熱敏電阻 ， 可滿(mǎn)足 40 攝氏度至 90 攝氏度測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，對(duì)于檢測(cè) 精度要求 1 攝氏度的信號(hào)是不適用的 ， 而且在溫度測(cè)量系統(tǒng)中 通常 采用 的 AD590,LM35 等芯片輸出的都是模擬信號(hào) ,必須經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后才能送給計(jì)算機(jī) ,這樣就使得測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 ，如果要 獲得較高的測(cè)溫精度，就必須采用措施解決長(zhǎng)線(xiàn)傳輸，放大電路零點(diǎn)漂移等造成的誤差 比較大 。 比較新型的 測(cè)溫元件 數(shù)字溫度芯片 DS18B20， 實(shí)現(xiàn) 輸出信號(hào)全數(shù)字化 ， 便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫元件，此元件線(xiàn)形較好 ， 在 0— 100 攝氏度時(shí)，最大線(xiàn)形偏差 為 ℃左右 [6]。 DS18B20 的最大特點(diǎn)之一采用了單總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸 ，由數(shù)字溫度計(jì) DS18B20 和微控制器 AT89S52 構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置 ,它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào) ,測(cè)溫 電路 比較簡(jiǎn)單。 基于線(xiàn)路簡(jiǎn)單，測(cè)量精確，操作方便的考慮，本論文采用 DS18B20 數(shù)字傳感器作為測(cè)溫元件 ， 其 與單片機(jī)的連接電路圖如下： 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 溫度采集電路 顯示 電路 在單片機(jī)構(gòu)成的小系統(tǒng) ,一般均采用 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示 [8]， 因?yàn)?LED 數(shù)碼管數(shù)碼管采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。數(shù)碼管具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低損耗、壽命長(zhǎng)、耐老化、成本低、對(duì)外界要求低、易于維護(hù)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。 所以本 文 也采用 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 在單片機(jī)系統(tǒng)中， LED 顯示接口一般采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)掃描兩種驅(qū)動(dòng)方式。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式工作原理是每一個(gè) LED 顯示器用一個(gè) I/O 端口驅(qū)動(dòng)，耗電也大，占用 I/O 端口多，顯示位數(shù)多時(shí)很少擦用；動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)方式的工作原理是將多個(gè)顯示器的段碼同名端連在一起，位碼分別控制，利用眼睛的余輝暫留效應(yīng)，別進(jìn)行顯示。只要保證一定的顯示頻率，看起來(lái)的效果和一直顯示時(shí)一樣的。在電路上用一個(gè) I/O 端口驅(qū)動(dòng)段碼，用另一個(gè) I/O 端口實(shí)現(xiàn)位控，占用 I/O 端口少，耗電也小，簡(jiǎn)化了電路，降低了成本，顯示位數(shù)多時(shí)多采用這種方式 [8]。 本設(shè)計(jì)的 LED顯示接口采用動(dòng)態(tài)掃描的驅(qū)動(dòng)方式， 采用四位一體的 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示， ArkSP410561K 數(shù)碼管共陽(yáng)極，用 PNP 三極管 S8550 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。段碼由 P0 口控制，位碼由 P2 口的低四位控制。 LED 數(shù)碼管從左到右分別顯示百位、十位、個(gè)位。 系統(tǒng)要不停顯示水位和溫度，所以要外接切換顯示按鈕。 顯示模塊電路原理圖如圖 。 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 顯示電路 加熱電路設(shè)計(jì) 圖 防凍 加熱 控制 電路 在氣溫低于冰點(diǎn)的時(shí)候，太陽(yáng)能熱水器的水箱會(huì)結(jié)冰導(dǎo)致熱水器的損壞，而目前防凍保護(hù)裝置在太陽(yáng)能的生產(chǎn)使用中沒(méi)有受到應(yīng)有的重視， 08 年冰凍雪災(zāi)中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 致使南方很多熱水器發(fā)生故障正式證明了這一點(diǎn)，所以在太陽(yáng)能熱水器水箱中安裝防凍加熱裝置時(shí)很有必要的。 防凍 加熱 的 電路 如圖 所示， 當(dāng)水溫低于 2℃時(shí) 單片機(jī) ，三極管 T1 導(dǎo)通，致使發(fā)光二極管發(fā)光，同 時(shí)光敏三極管 T2 導(dǎo)通，再經(jīng) T3放大信號(hào)后使得繼電器閉合，電阻絲 R1R4 發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務(wù) ， 使得水溫升至 2℃以上，防止儲(chǔ)水箱結(jié)冰導(dǎo)致熱水器的損壞。 太陽(yáng)能熱水器 在是 利用太陽(yáng)能 來(lái)對(duì)水 進(jìn)行加熱 的，但是當(dāng)天氣情況不好時(shí) ，太陽(yáng)能就不能將水箱中的水加熱到設(shè)定的溫度， 此時(shí)，就需要輔助加熱系統(tǒng)對(duì)水進(jìn)行加熱。目前太陽(yáng)能熱水器的輔助加熱系統(tǒng)一般都是設(shè)計(jì)在儲(chǔ)水箱中，當(dāng) 需要使用熱水而水箱中水溫過(guò)低時(shí) 時(shí)， 對(duì) 整個(gè)水箱 中的水 進(jìn)行加熱， 直至水溫達(dá)到 設(shè)定 的溫度。 這樣 方式雖然電路極為簡(jiǎn)單，但由于太陽(yáng)能水箱中的水很多 ， 特別是水箱容量大 的太陽(yáng)能 熱水器 會(huì)造成使用后仍留大量熱水的情形，這樣造成電能浪費(fèi)， 環(huán)保效益 很 低 ； 所以本文采用在出水管處加即熱式電熱水裝置實(shí)行輔助加熱 ，使用多少水加熱多少水。這樣不僅 環(huán)保節(jié)能 ，而且節(jié)省大量加熱時(shí)間 。 圖 為太陽(yáng)能熱水器中的輔助加熱電路圖，其 工作原理為： 當(dāng)用戶(hù)正在使用熱水器時(shí) （通過(guò)按鍵 2 判斷） ， 如果水溫低于用戶(hù)設(shè)定值， 單片機(jī) 管腳給出高電平，此時(shí) T1 導(dǎo)通， LED 發(fā)光，光敏三極管 T2 導(dǎo)通，經(jīng) T3 將信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)繼電器 KT 閉合，即熱系統(tǒng)開(kāi)始工作。 當(dāng)用戶(hù)未在使用或水溫高于用戶(hù)設(shè)定值時(shí)， 一直給出低電平， 即熱系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。 圖 熱水器輔助加熱電路圖 中國(guó)計(jì)量學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 上 水 控制 電路 自動(dòng)上水對(duì)于太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制具有重要的作用 。 本設(shè)計(jì)根據(jù)檢測(cè)到的水位 高度 和用戶(hù)設(shè)定的上水最低水位值，由單片機(jī)對(duì)水位實(shí)行實(shí)時(shí)控制 ， 實(shí)現(xiàn)水位控制的全自動(dòng)化 。