分析關(guān)于太陽能熱水器控制系統(tǒng)部分硬件電路的設(shè)計(jì)

　　太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)主要是由AT89C51單片機(jī)控制、DS18B20溫度傳感器、獨(dú)立鍵盤、LED數(shù)碼管和報(bào)警系統(tǒng)等五大部分組成。該系統(tǒng)能測量并顯示水溫、設(shè)置水溫的范圍，如果水溫不處于所設(shè)置水溫的范圍則報(bào)警。以下主要對控制系統(tǒng)部分硬件電路的測溫電路和水位監(jiān)測電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　一、測溫電路設(shè)計(jì)

　　1.DS18B20的引腳圖及方框

　　DS18B20的外形及管腳排列。

　?、貵ND：地信號。②DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。用在寄生電源下，可向器件提供電源。③VDD：可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。

　　2.DS18B20主要性能和功能特性描述

　?。?）DS18B20主要性能

　　①獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。②測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。③支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。④工作電源：3-5V/DC。⑤在使用中不需要任何外圍元件。⑥測量結(jié)果以9-12位數(shù)字量方式串行傳送。⑦不銹鋼保護(hù)管直徑Φ6。⑧用于DN15-25，DN40-DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道、小空間設(shè)備測溫。⑨標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。⑩PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它設(shè)備連接。

　?。?）DS18B20功能特性描述

　　DS18B20溫度傳感器內(nèi)部存儲器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性可電擦除的EERAM。高速暫存RAM結(jié)構(gòu)為9字節(jié)存儲器，結(jié)構(gòu)如表3.1所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測得溫度信息，第3、4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)CRC碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。第5字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如表3.2所示。低5位都為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶可改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。如表1所示。

　　由表2、3可見，DS18B20分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，溫度值就以16位帶符號的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃/LSB形式表示。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例。其中S為符號位。

　?。?）DS18B20供電方式

　?、貲S18B20寄生電源供電方式電路

　　DS18B20寄生電源供電電路，如圖3所示，要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個(gè)DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測溫時(shí)，靠上拉電阻是無法提供足夠的能量，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。

　?、贒S18B20的外部電源供電方式

　　DS18B20外部供電有單點(diǎn)測溫電路和多點(diǎn)測溫電路，單點(diǎn)測溫電路如圖4所示。此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉電壓，同時(shí)在總線上可以掛接多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。但要注意在外部供電的方式下DS18B20的GND引腳不能懸空，否則讀取的溫度總是85℃。

　　比較上述兩種供電方式后認(rèn)為外部電源供電方式對電源要求比電源供電方式優(yōu)越些且穩(wěn)定性好，由于是家用，溫度精度不需太過精準(zhǔn)，故在此設(shè)計(jì)中采用外部電源供電方式供電單點(diǎn)測溫電路。

　　3.測溫電路的總成

　　DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數(shù)字量，以單總線技術(shù)，接收主機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)按照通信協(xié)議用一個(gè)IO口模擬DS18B20的時(shí)序，發(fā)送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）給DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理，用圖形液晶模塊顯示各點(diǎn)的溫度。當(dāng)某點(diǎn)溫度超過設(shè)置值時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)了對各點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　二、水位監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

　　水位控制器是指通過機(jī)械式或電子式的方法來進(jìn)行高低水位的控制，可以控制電磁閥、水泵等，成為水位自動控制器或水位報(bào)警器，從而來實(shí)現(xiàn)半自動化或者全自動化，方法有多種，根據(jù)選用不同的產(chǎn)品而不同。

　　下面對電子式水位開關(guān)和浮球開關(guān)加以介紹。

　　電子式水位開關(guān)原理是通過電子探頭對水位檢測，再由水位檢測專用芯片對檢測到信號進(jìn)行處理，當(dāng)被測液體到達(dá)動作點(diǎn)時(shí)，芯片輸出高或低電平信號，再配合水位控制器，實(shí)現(xiàn)對液位控制。不需浮球和干簧管，外部無機(jī)械動作，耐污耐用，不怕漂浮物影響，任意角度安裝，豎向安裝有一定防波浪功能，適宜長時(shí)間浸在水中，工作電壓是直流5-24V，很安全。這種方式較實(shí)用，耐污，壽命長，安全。

　　浮球控制開關(guān)基本上有兩種方式：一種是浮球開關(guān)帶著一個(gè)大的金屬球，浸在水中時(shí)浮力大，可以控制兩個(gè)水位，比如水滿了，浮球因?yàn)楦×Χ仙瑤忧蜷y運(yùn)動，使閥門關(guān)閉，停止進(jìn)水，當(dāng)水少了，浮球下降，閥門打開，又再進(jìn)水，如此循環(huán)。這種方式較多應(yīng)用在煮開水器和衛(wèi)生間的沖水器上。還有一種是帶干簧管的微型浮球開關(guān)，由外面帶有磁性小浮球使桿里面的干簧管閉合，從而控制水位，多數(shù)應(yīng)用在清水的水位控制，一般十幾塊錢就有交易了，但易受污物影響，不適用在污水上。

　　第二種是電纜式浮球開關(guān)，該裝置通過一彈性電線與水泵連接，可用于水塔、水池水位高低的自動控制和缺水保護(hù)，允許接的用電器是220V，10A左右，平衡錘或彈性電線的某一固定點(diǎn)到浮筒間的電線長度，決定水位的高低。這種水位開關(guān)價(jià)格便宜，對于一些要求不太嚴(yán)格的場合適用，有一定耐污能力。但存在這樣的問題：浮球易受外界雜物影響其穩(wěn)定性，特別是纖維狀的雜物纏繞而有失誤，同一小水箱里不宜使用多個(gè)，否則會相纏繞。使用壽命相對短些，而且多數(shù)直接接220V，存在一定的安全隱患，終有一天因?yàn)殡娋€破損而漏電電人。所以電纜式浮球開關(guān)一般有這樣的警告：電源線是本裝置的完整部分，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)電線受損，本裝置應(yīng)被替換，不準(zhǔn)對電線進(jìn)行修理。

　　綜上所述，由于是簡易熱水器，對水位控制不要求非常精確，因此可以采用浮球控制開關(guān)。在此設(shè)計(jì)中有兩個(gè)水位段，分別是低水位、高水位。其中水位的檢測是通過兩個(gè)單刀單擲開關(guān)的閉合得知的并且同時(shí)用兩個(gè)數(shù)碼管表示出來，其結(jié)構(gòu)簡單明了。