摘要：為滿(mǎn)足落水式太陽(yáng)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(cè)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(cè)溫。通過(guò)非對(duì)稱(chēng)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(cè)量頻率的高低，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的測(cè)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(cè)量信號(hào)調(diào)理電路、專(zhuān)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(jiǎn)單、可靠性好的特點(diǎn)。

太陽(yáng)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(wàn)戶(hù)，與太陽(yáng)能熱水器配套的水溫水位控制器十分方便用戶(hù)的使用，產(chǎn)品市場(chǎng)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(hù)操作離不開(kāi)說(shuō)明書(shū)，操作儀表復(fù)雜，給用戶(hù)帶來(lái)了許多麻煩；選用的水溫傳感器參數(shù)和測(cè)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(kāi)裂故障多，使用壽命短，維修成本高。迄今為止，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有質(zhì)量過(guò)關(guān)的水溫水位控制儀。針對(duì)上述問(wèn)題，為使控制器的功能更全面實(shí)用，操作更簡(jiǎn)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(yáng)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(cè)量、顯示落水式太陽(yáng)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(cè)量電路、輸入按健、用水水流開(kāi)關(guān)、電磁閥控制、電加熱控制和電伴熱帶控制等部分組成?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)PIC16C72作為控制的核心，通過(guò)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各部分的控制。水位測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)水箱水位的測(cè)量，溫度測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水箱水溫、上下水管道溫度的溫度測(cè)量。三路控制輸出通過(guò)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(kāi)關(guān)用于測(cè)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(cè)量水位的方法是用非對(duì)稱(chēng)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(duì)頻率計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)水位的測(cè)量。儲(chǔ)水箱水溫、上下水管道溫度的測(cè)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(duì)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(pán)輸入口和顯示輸出口。

圖2 控制器硬件電路

2.1 水位測(cè)量

水位傳感器的長(zhǎng)期可靠性是水位測(cè)量的關(guān)鍵。早期曾采用半導(dǎo)體壓力傳感器來(lái)測(cè)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(cè)量水位環(huán)境要求而放棄。這里采用非對(duì)稱(chēng)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(cè)量方法。在圖2中，非對(duì)稱(chēng)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(xiàn)處引出水位探測(cè)電極，作為水位測(cè)量傳感器。由于水有導(dǎo)電性，水位的變化可引起水位探測(cè)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(mén)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(duì)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(cè)量水位的關(guān)鍵因素。通過(guò)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(cè)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(cè)量水位效果較好。水位傳感器的結(jié)構(gòu)形式、電極材料類(lèi)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(wèn)題。

2.2 溫度測(cè)量