關于太陽能熱水器控制系統(tǒng)部分硬件電路的設計

【摘要】該太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)主要是由AT89C51單片機控制、DS18B20溫度傳感器、獨立鍵盤、LED數(shù)碼管和報警系統(tǒng)等五大部分組成。該系統(tǒng)能測量并顯示水溫、設置水溫的范圍，如果水溫不處于所設置水溫的范圍則報警。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)測電路分別進行設計。

【關鍵詞】測溫電路；水位監(jiān)測電路

一、測溫電路設計

1.DS18B20的引腳圖及方框圖

DS18B20的外形及管腳排列圖如圖1所示。

①GND：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。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。

2.DS18B20主要性能和功能特性描述

（1）DS18B20主要性能

①獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(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支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，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，實現(xiàn)多點測溫。④工作電源：3-5V/DC。⑤在使用中不需要任何外圍元件。⑥測量結果以9-12位數(shù)字量方式串行傳送。⑦不銹鋼保護管直徑Φ6。⑧用于DN15-25，DN40-DN250各種介質工業(yè)管道、小空間設備測溫。⑨標準安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。⑩PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它設備連接。

（2）DS18B20功能特性描述

DS18B20溫度傳感器內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性可電擦除的EERAM。高速暫存RAM結構為9字節(jié)存儲器，結構如表3.1所示。頭2個字節(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，每次上電復位時被刷新。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)字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數(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，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶可改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數(shù)，來設置分辨率。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)轉換時間越長。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換后，溫度值就以16位帶符號的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，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位轉化為例。其中S為符號位。

（3）DS18B20供電方式

①DS18B20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進行精確的溫度轉換，I/O線必須保證在溫度轉換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉換期間工作電流達到1mA，當幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，靠上拉電阻是無法提供足夠的能量，會造成無法轉換溫度或溫度誤差極大。

②DS18B20的外部電源供電方式

DS18B20外部供電有單點測溫電路和多點測溫電路，單點測溫電路如圖4所示。此時I/O線不需要強上拉電壓，同時在總線上可以掛接多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(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，故在此設計中采用外部電源供電方式供電單點測溫電路。

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，接收主機發(fā)送的命令，根據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進行相應的處理，將轉換的溫度以串口發(fā)送給主機。主機按照通信協(xié)議用一個IO口模擬DS18B20的時序，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)部進行相應的數(shù)值處理，用圖形液晶模塊顯示各點的溫度。當某點溫度超過設置值時，報警器開始報警，從而實現(xiàn)了對各點溫度的實時監(jiān)控。

二、水位監(jiān)測電路設計

水位控制器是指通過機械式或電子式的方法來進行高低水位的控制，可以控制電磁閥、水泵等，成為水位自動控制器或水位報警器，從而來實現(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和浮球開關加以介紹。

電子式水位開關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行處理，當被測液體到達動作點時，芯片輸出高或低電平信號，再配合水位控制器，實現(xiàn)對液位控制。不需浮球和干簧管，外部無機械動作，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，適宜長時間浸在水中，工作電壓是直流5-24V，很安全。這種方式較實用，耐污，壽命長，安全。

浮球控制開關基本上有兩種方式：一種是浮球開關帶著一個大的金屬球，浸在水中時浮力大，可以控制兩個水位，比如水滿了，浮球因為浮力而上升，帶動球閥運動，使閥門關閉，停止進水，當水少了，浮球下降，閥門打開，又再進水，如此循環(huán)。這種方式較多應用在煮開水器和衛(wèi)生間的沖水器上。還有一種是帶干簧管的微型浮球開關，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，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，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到浮筒間的電線長度，決定水位的高低。這種水位開關價格便宜，對于一些要求不太嚴格的場合適用，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，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，終有一天因為電線破損而漏電電人。所以電纜式浮球開關一般有這樣的警告：電源線是本裝置的完整部分，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)電線受損，本裝置應被替換，不準對電線進行修理。

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。在此設計中有兩個水位段，分別是低水位、高水位。其中水位的檢測是通過兩個單刀單擲開關的閉合得知的并且同時用兩個數(shù)碼管表示出來，其結構簡單明了，如圖5所示。

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作者簡介：高潔（1988—），女，山東臨沂人，大學本科，工學學士，管理學學士，廣播電視工程助理工程師，山東大學信息工程學院工程碩士研究生在讀，現(xiàn)供職于山東省廣播電影電視局蒙山轉播臺。