摘要：為滿足落水式太陽能熱水器自動(dòng)控制的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PIC16C72單片機(jī)的水溫水位控制器。以NTC熱敏電阻作為測溫傳感器，用PIC16C72內(nèi)置的多路8位A/D轉(zhuǎn)換器把NTC熱敏電阻上的壓降轉(zhuǎn)換為數(shù)字量實(shí)現(xiàn)測溫。通過非對稱多諧振蕩器電路把水位傳感器的等效電阻轉(zhuǎn)換為振蕩信號(hào)的頻率，然后用PIC16C72內(nèi)置的計(jì)數(shù)器測量頻率的高低，實(shí)現(xiàn)對水位的測量。介紹了控制器的工作原理、完整的硬件電路和功能。該設(shè)計(jì)省去了溫度測量信號(hào)調(diào)理電路、專用A/D轉(zhuǎn)換和輸出譯碼驅(qū)動(dòng)芯片，具有硬件系統(tǒng)組成簡單、可靠性好的特點(diǎn)。

太陽能熱水器因具有節(jié)能環(huán)保、使用費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)正快速進(jìn)入千家萬戶，與太陽能熱水器配套的水溫水位控制器十分方便用戶的使用，產(chǎn)品市場前景好，被受到廣泛重視和研究。但當(dāng)前使用的水溫水位控制器仍存在著許多缺餡，如按鍵功能設(shè)計(jì)不合理，需要復(fù)用按鍵，用戶操作離不開說明書，操作儀表復(fù)雜，給用戶帶來了許多麻煩；選用的水溫傳感器參數(shù)和測量電路不合理，容易因熱擊穿損壞；水位傳感

器容易結(jié)水垢或開裂故障多，使用壽命短，維修成本高。迄今為止，國內(nèi)外還沒有質(zhì)量過關(guān)的水溫水位控制儀。針對上述問題，為使控制器的功能更全面實(shí)用，操作更簡便、直觀，提高傳感器的可靠性，降低維修成本，筆者結(jié)合PIC單片機(jī)和NTC熱敏傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于落水式太陽能熱水器的控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

該控制器主要是用于測量、顯示落水式太陽能熱水器水箱中的水位和水溫，上下水管道溫度，控制電磁閥上水、控制輔助電加熱及管道防凍電伴熱帶等。它主要由單片機(jī)PIC16C72、水箱溫度和管道溫度傳感器、水位傳感器及測量電路、輸入按健、用水水流開關(guān)、電磁閥控制、電加熱控制和電伴熱帶控制等部分組成。控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)PIC16C72作為控制的核心，通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)各部分的控制。水位測量模塊實(shí)現(xiàn)水箱水位的測量，溫度測量模塊實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水箱水溫、上下水管道溫度的溫度測量。三路控制輸出通過繼電器分別控制上水電磁閥、電加熱器和防凍電伴熱帶工作。LED部分顯示水箱水位，水箱水溫及顯示相關(guān)參數(shù)，按健部分用于選擇工作模式、設(shè)置相關(guān)參數(shù)、手動(dòng)控制上水或電加熱。水流開關(guān)用于測量用水狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制器以單片機(jī)PIC16C72為控制核心，控制器的電路如圖2所示。單片機(jī)PIC16C72內(nèi)有2個(gè)計(jì)數(shù)器，內(nèi)置一個(gè)五通道8位A/D轉(zhuǎn)換模塊，帶有2K的OTP程序存儲(chǔ)器。這里測量水位的方法是用非對稱式多諧振蕩器電路把水位傳感器的等效電阻大小轉(zhuǎn)換為振蕩信號(hào)頻率的高低，由單片機(jī)內(nèi)置的計(jì)數(shù)器對頻率計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)水位的測量。儲(chǔ)水箱水溫、上下水管道溫度的測量方法均是利用熱敏電阻與固定電阻串聯(lián)分壓，把溫度的變化轉(zhuǎn)換為熱敏電阻上壓降的變化，利用單片機(jī)內(nèi)的多通道8位A/D轉(zhuǎn)換模塊對這二路溫度電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，由程序讀取和處理。程序控制PORTB口分時(shí)作鍵盤輸入口和顯示輸出口。

圖2 控制器硬件電路

2.1 水位測量

水位傳感器的長期可靠性是水位測量的關(guān)鍵。早期曾采用半導(dǎo)體壓力傳感器來測水位，由于水垢堵塞水壓傳導(dǎo)管，在應(yīng)用一段時(shí)間后因不適用測量水位環(huán)境要求而放棄。這里采用非對稱式多諧振蕩器電路把水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)作為水位測量方法。在圖2中，非對稱式多諧振蕩器由74HC04和電容C5,電阻R3,R19,R22和水位傳感器的等效電阻Rw組成。該電路的振蕩頻率為1/[2.2（R19+R22+Rw）C5].這里是把若干個(gè)電阻相串聯(lián)，在電阻間的引線處引出水位探測電極，作為水位測量傳感器。由于水有導(dǎo)電性，水位的變化可引起水位探測電極間的短路，這會(huì)改變水位傳感器的等效電阻Rw的大小，從而使振蕩器頻率變化。該信號(hào)經(jīng)非門隔離后由74HC04的引腳6輸出到單片機(jī)的引腳T1CKI,由PIC16C72片內(nèi)計(jì)數(shù)器T1對振蕩信號(hào)的頻率計(jì)數(shù)。水位傳感器的串聯(lián)電阻參數(shù)的選擇是有效測量水位的關(guān)鍵因素。通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上述多諧振蕩器電路中，當(dāng)選用電容C5為0.1μF,水位傳感器由30,10,10,10kΩ的4個(gè)電阻相串聯(lián)組成水位傳感器時(shí)，測量水位時(shí)傳感器的等效電阻值在60~0 kΩ之間變化，多諧振蕩器的振蕩信號(hào)的頻率在60~415 Hz之間，測量水位效果較好。水位傳感器的結(jié)構(gòu)形式、電極材料類型是影響水位傳感器使用壽命的重要因素。用導(dǎo)電硅膠材料做水位傳感器的導(dǎo)電電極并采用雙電極備份結(jié)構(gòu)，較好地解決了因水位傳感器故障經(jīng)常出現(xiàn)的跑水問題。

2.2 溫度測量