【導(dǎo)讀】感器、水位傳感器等構(gòu)成的多功能太陽能熱水器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠測量并顯。具備自動上水和手動上水的功能，能夠根水箱內(nèi)。實(shí)時水位決定是否上水，水滿自動關(guān)閥并報警?？刂葡到y(tǒng)變換器部分的傳感器制作簡單，安裝方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。光電耦合器進(jìn)行光電隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾功能，保證系統(tǒng)安穩(wěn)準(zhǔn)確運(yùn)行。明書詳細(xì)地闡述了系統(tǒng)設(shè)計原理，以及給出整體系統(tǒng)的原理框圖和電路圖。

　　

【正文】 根據(jù)計算公式可以知道電路輸出電壓為 0；當(dāng)水滿，有水從溢出管流出時，溢出管上的電容值就會改變，根據(jù)計算公式可以得出輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比，因此，根據(jù)電壓的改變可以 判斷出是否有水溢出，進(jìn)而得到太陽能熱水器上水已滿的結(jié)論。 但是由于制作的電容容量太小，振蕩頻率較高，所選用的比較器 LM324N 達(dá)不到要求，而且電路調(diào)試的時候干擾信號比較大，達(dá)不到畢業(yè)設(shè)計的要求，因此此方案放棄。 電阻式水位傳感器 電阻式水位傳感器原理 目前很多太陽能熱水器中所采用的水位傳感器，一般都是如圖 所示的排阻式水位傳感器。這樣的傳感器實(shí)際上是利用類似于鍵盤的工作原理，將 4 個電阻分別接上一定長度的探針，探針的頂端將水箱的深度分為 4 等分，然后將 4 個電阻的另一端并聯(lián)接至 5V 電源，在 水箱中有水注入時，探針 分別 接觸到 不同深度的 水 ，將探針用引線引出接到 CD4069，利用電子開關(guān) CD4069 反向輸出，當(dāng)有水的時候輸出高電平，無水輸出低電平， 將 4 個輸出端 接到 AT89C52 單片機(jī)上，單片機(jī)分別對這些引腳進(jìn)行判斷，將水位顯示出來，顯示共分為 4 檔，每檔為 25%。 在反向器后面接入 4 個發(fā)光二極管顯示電路，當(dāng)有水沒過水位電阻的時候，經(jīng)CD4069 反向輸出高電平驅(qū)動發(fā)光二極管點(diǎn)亮，就可以顯示所到水位。利用 這種 排阻式水位傳感器 方法可以省去 A/D 轉(zhuǎn)換器，費(fèi)用很低 。 但是 這種水位檢測方案 測量精度 不夠高，所以 我們 要根據(jù)這種方法去積極 研究 和探索 ，進(jìn)而研究出新的水位檢 測方法和控制電路。 第 22 頁 共 32 頁 圖 排阻式水位傳感器水位檢測原理 由排阻式水位傳感器可知，基于設(shè)計任務(wù)書的要求， 我們可以制作一個簡易的上水控制器， 只需要 判斷水滿，電磁閥能夠自動關(guān)閉即可，因此研究出了圖 所示的傳感器： 圖 自制電阻式傳感器 如圖 所示，左邊的是制作的傳感器，右邊為自制電極的俯視圖，其是用一段第 23 頁 共 32 頁 10cm 左右 管子的外徑等于太陽能熱水器溢出管內(nèi)徑 的 PVC 管子，在管子中部左右對稱的位置分別開一個 2mm 直徑的小孔，并按圖所示插入兩根 近似于 小孔直徑的 銅絲，銅絲插入后 不要接觸，盡量保持在同一平面上。用膠將其固定好，然后將管外銅絲用導(dǎo)線焊接，接到右邊的電路中。 在太陽能熱水器的溢出管上 截開一段，將自制的管子插到中間，用膠封好。在 給傳感器接入 12V 電源， A、 B 在沒有水流過時， 電阻為無窮大， 其中 R1 取 R1=22MΩ ， 因此 RAB R1,所以 U1 和 UAB 比較輸出 高電平 ；當(dāng)有水流過管子， A、 B 被水淹沒，其電阻在幾百千歐，相當(dāng)于和 R1 串聯(lián)分壓，由于R1RAB，則 U1 UAB，輸出 低 電平。因此可以通過判斷電平間接地得出管內(nèi)是否有水，從而判斷是否水滿。 測量電路 圖 水位傳感器測量電路 如圖 所示為自制式電阻式水位傳感器測量電路， R2 和 LED 構(gòu)成電源上水指示，在通電電磁閥打開上水的時候指示燈亮，表示電源接通，電磁閥打開正在上水；指示燈滅，表示水滿，電磁閥關(guān)閉，電路失電，上水結(jié)束。 該電路中利用 CD4011 構(gòu)成了 RS 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 ， RS 觸發(fā)器 如圖 所示， 當(dāng)接通電源 由 RS 觸發(fā)器 給 三極管 8050 的基極 輸 入 高電平 ，三極管導(dǎo)通， 驅(qū)動電磁閥打開 。 R3 與 C1 構(gòu)成一個延遲 1ms， 電平從 0→ 1 變化 的信號輸入，與傳感器 電平 輸入構(gòu)成 RS 雙穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器的兩個輸入 。 如圖 所示為 雙穩(wěn)態(tài) RS 觸發(fā)器的真值表 ： 第 24 頁 共 32 頁 圖 雙穩(wěn)態(tài) RS 觸發(fā)器 R S Q Q 狀態(tài) 1 0 0 1 置位 1 1 0 1 保持 0 1 1 0 復(fù)位 圖 RS 觸發(fā)器真值表 設(shè)計中使用了 CMOS 與非門 CD4011 芯片，圖 為 CD4011 的引腳和封裝 ,CD4011 是 CMOS 與非門，內(nèi)置 4 個與非門， 7 腳接地， 14 腳接電源， CD4011 的電壓范圍為 5V～ 18V，雙列普通封裝的功耗為 700mW，小型封裝為 500mW，工作 溫度范圍在 55℃ ～ +125℃ 之間。由于電路所用電壓為 12V 左右，所以選擇了電壓范圍較寬的 CMOS 系列 CD4011，而不選用 74LS00。 圖 CD4011內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳 如圖 真值表所示，當(dāng)電源接通時， R 端 輸 入 高 電平， RS 觸發(fā)器給驅(qū)動電路的 三極管 基極 輸出 一個高電平 ， 使得 8050 三極管導(dǎo)通 ， 驅(qū)動 電磁閥 打開上水；當(dāng)電極有水淹沒時， R 端輸入 低電平， 驅(qū)動電路中的 三極管 由導(dǎo)通變?yōu)?截止，繼電器線圈失電， 電磁閥和電源自鎖開關(guān)所接的兩組 觸點(diǎn)斷開，上水結(jié)束。 方案比較 電容傳感器中調(diào)頻電路的頻 率受溫度和電纜電容影響較大，需采取穩(wěn)頻措施，電第 25 頁 共 32 頁 路較為復(fù)雜，頻率穩(wěn)定度也不可能很高，因此實(shí)現(xiàn)比較困難；雙 T 型充放電網(wǎng)絡(luò)中電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定，因此相對實(shí)際電路制作會比較麻煩；交流電橋電路比較復(fù)雜，能力有限；所以選擇了差動脈沖調(diào)寬電路，但是在電路調(diào)試的時候，電路不能起振，究其原因，所制作的電容傳感器電容值太小，加上LM324N 的最高比較頻率小于 1MHz，如果換用高速比較器，成本就比較大了，所以考慮使用電阻傳感器電路。 經(jīng)過對排阻式水位傳感器的研究，制作出了更為簡單的水位傳感器，制作起來 相對比較簡單，滿足設(shè)計要求。最后 ，我和指導(dǎo) 老師研究決定使用自己制作電阻式傳感器做成上水控制電路 的方案 。 電磁閥驅(qū)動電路 圖 電磁閥驅(qū)動電路 圖 為電磁閥驅(qū)動電路， J1 為電磁的線圈，將電磁閥 接 繼電器的一組常開觸點(diǎn) J11， 手動接通電源， 8050 三極管獲得 高電平的時候， 導(dǎo)通， J1 得電 ， J11 吸合，電磁閥打開上水，水滿后 ， 8050 三極管 基極 失電 截止， J1 失電， J11 斷開，電磁閥關(guān)閉。 4 控制器電源設(shè)計 直流電源設(shè)計 本設(shè)計中所使用的電源是 12V 和 5V 直流電源，因此使用 220VAC 變 12VAC 的第 26 頁 共 32 頁 變壓器和 781 7805 穩(wěn)壓管設(shè)計供電電源電路，如圖 所示： 圖 12V 和 5V 直流輸出 轉(zhuǎn)換 電路 轉(zhuǎn)換電路中 變壓器經(jīng)過由 4 個 IN4007 組成的整流電橋輸出給 7812 進(jìn)行穩(wěn)壓，AB 兩端輸出 12V 直流電壓， C1 和 C2 是兩個 1000uF/25V 的電解電容， 不僅僅可以作為濾波使用，還可以在 電路斷電之后 給 電路持續(xù)一小段時間供電 。 K1 接測量電路中 12V 繼電器的另外一組常開觸點(diǎn)， J12 上安裝一個不帶自鎖的電氣按鈕開關(guān)，此時與繼電器形成自鎖開關(guān)，當(dāng)按鈕按下之后電路供電，繼電器線圈得電吸合， 電磁閥打開供水，同時 J12 自鎖電路繼續(xù)供電，水滿之后，三極管基極失電，繼電器斷開，電磁閥與電源同時失電。 我們 在 7812 后面接 上一個 7805 進(jìn)行 5V 直流電壓的穩(wěn)壓輸出 ， 為單片機(jī)AT89C5 數(shù)字時鐘 DS1302 和報警電路 進(jìn)行供電。 5 變換器部分 電路調(diào)試 圖 為 變換器部分 電路圖設(shè)計，圖中 J1 為 12V 繼電器線圈， J11 是繼電器的一 組常開觸點(diǎn)，這樣就能同時控制電磁閥和主電源的開閉。 第 27 頁 共 32 頁 圖 變換器部分電路 變換器部分 整體電路的調(diào)試： 分別對電源電壓輸出電路，傳感器輸出電路，控制電路進(jìn)行調(diào)試 。 電 源電壓輸出電路的調(diào)試，用萬用表分別對各級輸出進(jìn)行調(diào)試測量，確保輸出無誤，調(diào)試過程中需注意用電安全。 按圖 接好電路， 打開電源， 觀察電源指示燈是否點(diǎn)亮， 用示波器接至傳感器測量電路的輸出端，觀察有水和無水狀態(tài)下電平輸出是否正確。在驅(qū)動電路的輸入端接入一個模擬開關(guān)，通過開關(guān)電平觀察電磁閥是否動作。然后將傳感器測量電路輸出端接至單片機(jī)的 口，輸出 口接電磁閥驅(qū)動，通過單片機(jī)軟件控制系統(tǒng)的工作。 設(shè)計中所選用的電磁閥工作電流在 200mA 左右，因此我們需要用三極管進(jìn)行電流放大，根據(jù)參數(shù)要求，選擇了 8050 三極管。這樣就能夠保證電磁閥的正常打開，系統(tǒng)穩(wěn)定正常的工作。 第 28 頁 共 32 頁 6 軟件設(shè)計 流程圖 N Y N Y 系 統(tǒng) 初 始化 掃描鍵盤 有按鍵？ 鍵盤功能子程序 讀水量值 顯示溫度、水量和時間 讀溫度 手 動加水？ 手動加水子程序 時鐘電路 啟動自動加水 水量 100%？ 結(jié)束 Y N 啟動報警電路 開始 第 29 頁 共 32 頁 結(jié)論 本次變換器部分的設(shè)計解決了水滿自動關(guān)閥并報警的問題 。設(shè)計中，變換器采用自制的電阻式傳感器，其制作簡單，安裝方便，利用率高。 電源電路能夠穩(wěn)定地給系統(tǒng) 提供 12V 和 5V 直流電壓 。經(jīng)過調(diào)試，變換器部分的電路工作穩(wěn)定，達(dá)到了任務(wù)書規(guī)定的要求。 總之，這次的畢業(yè)設(shè)計讓自己獲益良多。完成一個設(shè)計并不僅僅是追求一個結(jié)果，更多的是在這樣的一個過程中去學(xué)習(xí)怎么設(shè)計，從選題到方案的研究，從方案的研究到?jīng)Q定，從決定方案到具 體電路制作，包含了太多的失敗與成功。 第 30 頁 共 32 頁 參考文獻(xiàn) 1 王仙娟 ,孫平 . 基于單片機(jī)的太陽能熱水器智能儀 [J]. 儀表技術(shù) , 2021,(01) 2 孫漢忠 . 實(shí)用太陽能熱水器貯水箱水位水溫測量變送器 [J]. 傳感器技術(shù) , 2021,(03) 3 方建淳 . 8098 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù) [M].天津 :天津科學(xué)技術(shù)出版社 , 1990. 4 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