【正文】 當(dāng)水沒(méi)過(guò)一個(gè)位置時(shí)，由于水的導(dǎo)電性，就會(huì)使底部的探針和水位處的探針連通，引起電路導(dǎo)通。我們可以根據(jù)不同的電路導(dǎo)通推測(cè)水的位置，從而得到了水位的信息。利用電阻式水位傳感器測(cè)水位節(jié)約了成本，降低了復(fù)雜度，也便于及時(shí)更換。需要注意的是電阻探針在水里應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)有大量的水垢，為了防止這個(gè)現(xiàn)象，我們考慮到石墨也是導(dǎo)電的，在水里不會(huì)生銹的特點(diǎn)，用石墨將探針包裝起來(lái)就起到了防護(hù)防腐的作用。 水位檢測(cè)電路 考慮系統(tǒng)成本，設(shè)計(jì)中采用分段式液位檢測(cè)方法。水箱內(nèi)安裝了 4 個(gè) 傳感器探針，以感知水位變化情況，水位檢測(cè)電路如圖 所示。微控制器根據(jù)水位檢測(cè)電路檢測(cè)的結(jié)果，自動(dòng)加水至水位設(shè)定的檔位。當(dāng)水位低于 10%時(shí)，自動(dòng)報(bào)警并停止電加熱，以防空燒空曬 。當(dāng)水位高于 90%時(shí)，自動(dòng)停止加水，如圖 所示太陽(yáng)能熱水器溫度控制系統(tǒng) 水位檢測(cè)電路。 接口電路設(shè)計(jì) 當(dāng)需要上水 ， 單片機(jī) 發(fā)出 低水 電 平 經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)和放大處理， 使繼電器 處于通路狀態(tài)，點(diǎn)亮 LED 二極管 ， 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通 ， 接近 220 v 電壓電磁閥。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上水的功能。當(dāng) 繼電器為 高電平時(shí) ， 電磁閥不工作 停 止 上 水。所以自動(dòng) 加水 控制電路包括兩個(gè)方面 ： 繼電器、繼電器驅(qū)動(dòng)程序 ， 控制電路如圖 所示。 太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì) 18 圖 水位檢測(cè)電路 驅(qū)動(dòng) 芯片 ULN2021 介紹 驅(qū)動(dòng)芯 片 很多，本次設(shè)計(jì)用的是 ULN2021 驅(qū)動(dòng)芯片， ULN2021 具有很好的帶負(fù)載的能力，能承受很高的電壓和應(yīng)許通過(guò)的電流也很大。它的內(nèi)部是有 7 個(gè) NPN 三極管組成的晶體管陣列。驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2021 的每一個(gè)達(dá)林頓管都是在三極管的基極串聯(lián)一個(gè) 的電阻，在工作的時(shí)候，給芯片提供 5V電壓，它能與 TTL 門電路和 COMS 電路組合，能很好的處理單片機(jī)送來(lái)緩存的數(shù)據(jù)。 ULN2021 驅(qū)動(dòng)芯片可以在高電壓強(qiáng)電流的情況下工作，可以承受 500mA 的電流和 50V 的電壓。它具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。 ULN2021 芯片引腳介紹 ，如圖 所示 圖 ULN2021 引腳圖 ULN2021 一共有十六個(gè)引腳每一個(gè)引腳的功能有表 所示。 表 ULN2021 的引腳功能 引腳標(biāo)號(hào) 引腳功能 1~7 驅(qū)動(dòng)芯片的輸出。 10~16 驅(qū)動(dòng)芯片的輸出，與輸出對(duì)應(yīng) 19 8 接地。 9 該腳是內(nèi)部 7 個(gè)續(xù)流二極 管負(fù)極的公共端，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。用于感性負(fù)載時(shí)，該腳接負(fù)載電源正極，實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用。如果該腳接地 ,實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對(duì)地接通。 方案一：采用直流電機(jī)控制 給直流電動(dòng)機(jī)通電驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以降低室內(nèi)的燃?xì)鉂舛?，直流電機(jī)的控制簡(jiǎn)單，帶負(fù)載的能力強(qiáng)，利用 PWM 可以直接調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的速度。但直流電動(dòng)機(jī)的控制需要整流、速度調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)電路較為復(fù)雜，成本高，運(yùn)行出現(xiàn)麻煩維修麻煩。 方案二：采用繼電器控制 常用的繼電器被用來(lái)控制的中量，它是一種通電后就能自動(dòng)閉合的開(kāi)關(guān)，在 自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常常有很好的利用，在遠(yuǎn)程控制中也發(fā)揮著重要的作用。繼電器具有反應(yīng)快、工作穩(wěn)定、利用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。它的工作原理是當(dāng)給它通了直流電時(shí)，內(nèi)部的線圈得電產(chǎn)生磁力，銜鐵的狀態(tài)改變，常閉變?yōu)槌ｉ_(kāi)，常開(kāi)變?yōu)槌ｉ]。繼電器有小電流弱電壓控制大電流高電壓的能力。電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格也便宜，在家庭中的運(yùn)用非常普遍。 繼電器驅(qū)動(dòng) 因?yàn)?單片機(jī)輸出電壓不 夠 驅(qū)動(dòng)繼電器工作 ，達(dá)林頓管 ULN2803 是 高電壓大電流晶體管顯示器 ， 特別適用于低數(shù)字邏輯電路和高電流 /電壓要求 ， ULN2803 開(kāi)車時(shí)接收感應(yīng)設(shè)備的負(fù)載 ， 可以消 除反向感應(yīng)電壓脈沖電壓是負(fù)的 ，可以將 內(nèi)部電壓 進(jìn)行 保護(hù)。 圖 控制電路設(shè)計(jì)圖 使用單片機(jī)時(shí) 會(huì)發(fā) 現(xiàn) ， I / O 接口提供的單片機(jī) ,它不能滿足設(shè)計(jì)的要求 ， 所以我們須 要擴(kuò)展 I / O 接口 ， 使用 8255 芯片擴(kuò)展 I / O 接口。 8255 是英特爾公司生產(chǎn)的可編程并行 I / O 接口芯片 ， 有三個(gè) 8 位并行 I / O 端口。具 三個(gè)通道的 3 種可編程并行接口芯片 (40 引腳 )的作品。它的各種性能可以選擇的軟件接口 ， 使用靈活 、 通用性強(qiáng)。這是一個(gè)單片機(jī) 8255 和各種外部設(shè)備連接的接口電路。 太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì) 20 8255 鏈接作為主機(jī)和外圍芯片 ， 需要 提供 3 總線接口連接到主機(jī)、數(shù)據(jù)線 、 地址線 、控制總線接口。同時(shí)必須連接到外圍接口 A,B, C 口 因?yàn)樗?8255 可編程 ， 所以必須有邏輯控制部分功能 ， 所以 8255 內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為三部分 ： 一部分連接到 CPU、連接到外圍部分和控制部分。 8255 芯片的特點(diǎn)是 : (1) 規(guī)模集成電路芯片的并行輸入 /輸出 ， 多功能 I / O 設(shè)備 ， 可以作為 CPU總線接口和外圍電路。 (2) 具有 24 個(gè)可編程 I / O 端口設(shè)置三組 8 I / O 端口 ， PA、 PB 和 PC 口， 他們分別是 可以分為兩組 12 I / O 端口 ： 包括端口 A 組和 C(高四 ， PC4 ~ PC7)， 包括端口 B， B組和 C 組 (低 4 位 PC0 ~ PC3)。一組可以設(shè)置為基本的 I / O 端口 ， 閃點(diǎn) (STROBE)的 I / O控制類型 ， 雙向 I / O 三種模式 ， B 組只能設(shè)置為基本的 I / O 或閃點(diǎn)類型 I / O 兩種模式 ，和操作模式完全取決于控制字的控制寄存器。 引腳如圖 所示： 圖 8255芯片引腳圖 顯示電路設(shè)計(jì) 方案一： LED 數(shù)碼管 顯示 LED 顯示屏是利用發(fā)光二級(jí)管排列組成的顯示器件，它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有：耗電少、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，可顯 示各種文字、數(shù)字、彩色圖像及動(dòng)畫信息，顯示的內(nèi)容豐富多彩。 方案二： LCD 液晶顯示 1602 液晶顯示屏（ LCD）是利用點(diǎn)陣來(lái)實(shí)現(xiàn)字母、數(shù)字、符號(hào)等的顯示，它的特點(diǎn)：其畫面分辨率高，顯示清晰，顯示內(nèi)容相對(duì)豐富，而且使用壽命長(zhǎng)，輕巧超薄，不產(chǎn)生電磁輻射污染，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 21 LED 顯示器與 LCD 顯示器相比，雖然 LED 在亮度、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢(shì)。不僅可以顯示氣體濃度值，顯示的內(nèi)容簡(jiǎn)單，而且 LED 顯示器價(jià)格更便宜。 方案選擇：根據(jù)以上論述，采用方案一。如下圖 是數(shù)碼管顯示電路。 數(shù)碼管顯示電路 液晶是一種高分子材料，由于其材料的特殊性， 20 世紀(jì)開(kāi)始應(yīng)用于波形顯示器上，液晶顯示屏的原理主要是通過(guò)電流促發(fā)液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面，并配合燈管使用。液晶的型號(hào)通常是按顯示的字符的行數(shù)和列數(shù)來(lái)命名的， 12864 液晶是一種統(tǒng)稱，只說(shuō)明類屏的一個(gè)特征，就是 128*64 個(gè)點(diǎn)構(gòu)成 ， 帶中文字庫(kù)的 128X64 是一種具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體 中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè)16*8 點(diǎn) ASCII 字符 集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示 84 行 1616 點(diǎn) 陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶 顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。 顯示模塊選用六個(gè)共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管，顯示范圍為 10～ 2021mm，本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)顯示方法，可有效減少管腳并、增強(qiáng)實(shí)用性。 LED 數(shù)碼 管 LED 數(shù)碼管是由七段發(fā)光二極管 (LED)， 它根據(jù)內(nèi)部連接方法分為共陰極和陽(yáng)極在兩個(gè)方面。使用共陽(yáng)極連接 ， 如果一段發(fā)光二極管 (LED 輸入是低電平時(shí) LED 燈。相反太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì) 22 的不是光明的 ， 而共陰極和陽(yáng)極恰恰相反。有兩種類型的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)程序 ， 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。動(dòng)態(tài)類型通常驅(qū)動(dòng)應(yīng)用更廣泛 ， 數(shù)碼管會(huì)結(jié)束時(shí)相同的名稱和其他數(shù)碼管為每個(gè)公眾極其 COM 添加門控制電路 ， 一個(gè)門是由一個(gè)單獨(dú)的 I / O 端口線。單片機(jī)帕拉閘門 COM端電路控制決定將顯示數(shù)碼管字形 ， 從而實(shí)現(xiàn)控制顯示。靜態(tài)每個(gè)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)代碼的每個(gè)部分需要單片機(jī) I / O 端口驅(qū)動(dòng)。 也可以由 BCD 2 十進(jìn)制譯碼器。相比靜態(tài)驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)程序編程簡(jiǎn)單 ,高亮度 ， 但占用更多的 I / O 端口。如果增加解碼驅(qū)動(dòng)器將增加硬件電路的復(fù)雜性。 74HC573 芯片 74 HC573 為 八進(jìn)制 的 3 狀態(tài) 門， 輸入和輸出與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 芯片兼容。如果門閂啟用為高電平時(shí) ,數(shù)據(jù)鎖存器的組件是透明的 ， 如果鎖可以使低電平時(shí) ， 符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖定。它的功能如表 所示。 這個(gè)選擇在 LED 數(shù)碼管的設(shè)計(jì) ， 因?yàn)?LED 具備 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、快速響應(yīng) ， 容易匹配 ， 壽命長(zhǎng) ， 可靠性高 等優(yōu)點(diǎn) 。由于液晶也 具 有這些優(yōu)勢(shì) ， 為方便用戶使用 ， 減少使用 I / O 端口 ， 選取 液晶屏幕顯示 ,并確定 128 * 128 的規(guī)模 。 點(diǎn)陣大小的液晶屏幕顯示。 表 74HC573功能 輸入 輸出 輸出使能 鎖存使能 D Q L H H H L H L L L L X 不變 H X X(不用關(guān)心 ) Z（高阻抗） 報(bào)警電路 電路采用一個(gè)蜂鳴器 ， 蜂鳴器報(bào)警電路是一個(gè)重要組成部分的顯示電路 ， 當(dāng)我們 經(jīng)過(guò)欠水 時(shí)的動(dòng)作， 反饋到蜂鳴器 ， 讓鬧鐘報(bào)警狀態(tài)判斷 是否 上水。蜂鳴器的兩端施加電壓時(shí) ， 它 會(huì)發(fā)出報(bào)警聲 ， 我們通過(guò)三極管開(kāi)關(guān)的壓降 特性 ， 讓單片機(jī)控制 ， 可使蜂鳴器基于單片機(jī)輸出端口的高和低水平的變化和發(fā)送警報(bào) ， 電路如圖 所示 。 鍵盤模塊的選擇 方案一：獨(dú)立式按鍵 23 獨(dú)立式按鍵是各按鍵相互獨(dú)立的與 I/O 口線直接相連，其特點(diǎn)是一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O 口，各個(gè)按鍵各施其職不影響其他 I/O 口的狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件上采用查詢的方式。缺點(diǎn)是每個(gè)按鍵需要占用一個(gè) I/O 口，當(dāng)按鍵過(guò)多時(shí)，就不宜采用。 圖 報(bào)警電路原理圖 方案二：矩陣式按鍵 矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點(diǎn)上。能大大減少了 I/O口線 的占用，但是矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜，識(shí)別也要復(fù)雜一些。適用于按鍵多的電路中。 由于本設(shè)計(jì)所需要的按鍵不多，只需要四個(gè)，所以選擇方案一比較適合。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，因?yàn)榘存I比較少，所以按鍵鍵盤的形式是非編碼鍵盤中的獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)鍵盤工作方式采用定時(shí)掃描方式。使用定時(shí)器 T0 來(lái)定時(shí)。 CPU每隔一定的時(shí)間就會(huì)進(jìn)行鍵盤按鍵掃描，即通采集按鍵得高電平或者低電平來(lái)識(shí)別是不是有按鍵按下。 按鈕開(kāi)關(guān)一般采用觸點(diǎn) 式， 當(dāng)按下 按 鍵或彈出時(shí) ， 相對(duì)應(yīng)的理論分析可以生產(chǎn)低 ,高 電 平 ， 但應(yīng)用程序并非如此。當(dāng)按鈕關(guān)閉或斷開(kāi)連接 時(shí)， 接觸 點(diǎn)的 彈性 產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。震動(dòng)將生成的關(guān)鍵處理問(wèn)題很多次 ， 一般用于消除硬件電路和軟件程序。按鈕越少 ， 可用于抖電路、按鍵太多 ， 宜采用軟件延時(shí)的方法。 關(guān)鍵過(guò)程通常包括以下階段 ： (1) 等待階段 :按鍵還沒(méi)有操作人員按下，為空閑的階段； (2) 按下抖動(dòng)階段 ： 在這一點(diǎn)上按鍵 ,但信號(hào) 處于 抖動(dòng) 的狀態(tài)， 系統(tǒng)應(yīng)該消失時(shí)震動(dòng)測(cè)試時(shí)間延遲 ； (3) 有效關(guān)閉階段 ： 這個(gè)時(shí)候抖動(dòng)已經(jīng)結(jié)束 ， 一個(gè)有效的關(guān)鍵行動(dòng)已產(chǎn)生 ， 同時(shí) ，系統(tǒng)應(yīng)該執(zhí)行的功能按鈕 ， 或 將 記錄 按 鍵編碼、關(guān)鍵 是等按鍵 反彈來(lái)執(zhí)行其功能 ； (4) 段釋放抖動(dòng) ： 很多時(shí)候同時(shí) ,程序員不 消除抖動(dòng)延遲 ， 但最好也做一個(gè)握手延遲 ，為了防止誤操作 ； 太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì) 24 (5) 有效的發(fā)布階段 ： 如果提出的設(shè)計(jì)要求按鈕時(shí)執(zhí)行函數(shù) ，則 應(yīng)該是處理按鈕的功能。 按鍵方式不同 ， 效果也是不同的 ； (1) 短行程 ，操作人員 迅速按下一個(gè)按鈕 ， 然后立即釋放 ； (2) 長(zhǎng)吉， 操作 人 員按下一個(gè)按鈕就很長(zhǎng)一段時(shí)間。防止用戶誤操作 ， 可以長(zhǎng)時(shí)間按下一些重要的功能鍵和復(fù)位按鈕等 ； (3) 組合 ， 實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作效果 ， 如連續(xù)加 1 或減 1； (4) 復(fù)合按鈕 ， 按下按鈕在兩個(gè)或兩個(gè)以上的同時(shí) ， 實(shí)現(xiàn)一些特殊功能 ； (5) 沒(méi)有按鍵 ， 在一定的時(shí)間內(nèi)操作人員不按 任何鍵 ， 用于執(zhí)行一些特殊的操作。 本設(shè)計(jì)設(shè)置了有 4 個(gè)鍵：分別是：溫度模式一、溫度模式二、確定、復(fù)位。每個(gè)按鍵一端接地，另一端接上拉電阻。當(dāng)鍵盤中有鍵按下時(shí)相對(duì)應(yīng)的在按下的那個(gè)鍵通過(guò)按鍵到導(dǎo)通到電源負(fù)極。此時(shí)相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)的輸入的管腳就是低電平，單片機(jī)采集到相應(yīng)的低電平就可以執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的操作了。如圖 所示： 圖 按鍵模塊電路 電源變壓器是將交流電網(wǎng) 220V 的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?。交流電?jīng)過(guò)二極管整流