基于二線制溫度/水位傳感器的太陽能熱水器

陳彥，張艷萍，李國棟，孫德水

(1.北京航空航天大學 物理科學與核能工程學院，北京 100191；2.山東信息職業技術學院)

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基于二線制溫度/水位傳感器的太陽能熱水器

陳彥1，張艷萍2，李國棟2，孫德水2

(1.北京航空航天大學 物理科學與核能工程學院，北京 100191；2.山東信息職業技術學院)

給出了基于二線制的太陽能熱水器的硬件電路結構和控制方法。該系統以MA86L508單片機為核心，采用二線制方式將溫度/水位傳感器與CPU之間互連，通過對電容的一次充放電循環就可以實現對溫度和水位的一輪采集，簡化了系統結構、提高了溫度/水位檢測效率、降低了成本。

MA86L508;太陽能熱水器;二線制;電容充放電

引　言

圖1　三線制檢測電路

太陽能熱水器與燃氣熱水器、電加熱熱水器相比具有無污染、節約能源、性價比高等優點，是名副其實的節能環保產品，被越來越多的消費者所青睞。市面上常見的太陽能熱水器一般采用三線制(如圖1所示)或四線制(如圖2所示)方式將溫度/水位傳感器連接到控制器上。圖1和圖2中虛線框內為傳感器內部結構，其中Rt為溫度傳感器、Rw為水位傳感器。由圖可知，在四線制連接方式中，溫度和水位傳感器分別用兩根導線連接到控制器中；而在三線制連接方式中，則使溫度和水位傳感器的其中一端共用一根導線，以達到節約導線的目的，其外部接線端子分別為A、B、C、D。

圖2　四線制檢測電路

通常置于建筑物頂層或室外水箱中的傳感器與室內控制器之間的距離一般超過10 m，因此每增加一根傳感器引線，就會增加成本約2元以上。對于大量應用的太陽能熱水器通過改進檢測方法，將傳感器與控制器之間的連線盡量減少，無疑會帶來數以百萬元的可觀經濟效益。本文以MA86L508單片機為核心，通過改進溫度/水位傳感器檢測方法，通過二線制連接方式將溫度/水位傳感器連接到室內控制器中，在對電容的一次充放電循環中就可以采集溫度和水位值，既提高了檢測效率，又降低了成本，可以取得非常可觀的經濟效益。

1　控制器硬件電路

太陽能熱水器控制系統如圖3所示，主要由溫度/水位檢測、報警電路、漏電檢測、加熱電磁閥、水泵、LED顯示器等部分組成。

圖3　控制器系統框圖

1.1MA86L508單片機

控制器以笙泉科技有限公司生產的增強型8051單片機MA86L508為核心，該單片機與傳統的8051單片機相比較，其最大的不同就是外部中斷源INT0和INT1既可以采用低電平或下降沿觸發方式，也可以采用高電平或上升沿方式觸發。此外，該單片機還集成了實時時鐘RTC、蜂鳴器,內置24 MHz與22.118 MHz兩種振蕩器，在系統設計中不必擴展外部時鐘芯片、晶振等器件，對于蜂鳴器的控制也變得簡單方便。

其低功耗省電模式提供了多達7種工作方式，即掉電模式、空閑模式、慢頻模式、副頻模式、RTC模式、Watch模式和Monitor模式，可以滿足不同應用場合的需要。

1.2溫度/水位檢測電路

二線制溫度/水位檢測電路如圖4所示，虛線框內所標識的就是改進后的傳感器內部結構。溫度傳感器Rt和水位傳感器Rw分別與二極管D1、D2相連，圖中標識的節點A、B就是改進后的傳感器的兩個外部接線端子。利用二極管的單向導電性就可以有選擇地實現對外部電容C1充電和放電分別經過溫度傳感器Rt和水位傳感器Rw，從而使得對電容的一次充放電循環就可以實現對溫度和水位的采集。

圖4　溫度/水位檢測電路

(1) 電容充電回路

由圖4可知，當P1.0置為高電平時，就可以實現對電容C1的充電過程，其充電路徑為：

P1.0→R1→傳感器接線端子A→D1→溫度傳感器Rt→傳感器接線端子B→C1→信號地

充電時間τ=(R1+Rt+RD1)×C1，其中RD1為二極管D1的正向等效電阻，式中只有Rt隨溫度而改變，因此通過記錄充電時間就可以判斷出溫度的變化值。

(2) 電容放電回路

與電容充電過程類似，當P1.0置為低電平時，電容C1將進入放電狀態，其放電路徑為：

C1→傳感器接線端子B→Rw→D2→傳感器接線端子A→R1→P1.0

放電時間τ=(R1+Rw+RD2)×C1，其中RD2為二極管D2的正向等效電阻，式中只有Rw隨水位而改變，因此通過記錄放電時間就可以檢測出水位的變化值。

通過上述分析可知，在二線制檢測電路中利用了二極管的單向導電性來控制電容充放電的路徑，從而實現對溫度和水位的檢測。在該電路中，INT1為中斷輸入引腳，僅用于檢測電容充電或放電是否完成，不參與充放電的控制。

2　控制器軟件設計

軟件可分為溫度/水位采集、顯示、報警、上水/加熱輸出控制、鍵盤處理、漏電檢測與保護、故障診斷等幾部分。

MA86L508單片機的外部中斷源與傳統51系列單片機相比，增加了高電平或上升沿觸發方式，如表1所列，因此使用起來更加方便靈活。

表1　INT1中斷觸發方式控制

2.1溫度檢測

圖5　溫度/水位檢測流程

溫度/水位檢測流程如圖5所示。在一次充放電的循環中，首先設置 INT1H位(AUXR0.1)和IT1(TCON.2)位為1，使外部中斷源1可以由上升沿觸發中斷，并通過IE1開啟外部中斷1；然后再通過TR1置1，使定時器開始計時；最后使P1.0設置為高電平，開始通過溫度采集回路對電容C1充電。隨著電容充電過程的延續，在INT1引腳就會產生一個由0到1的上升沿跳變，該上升沿跳變使程序進入中斷處理程序，在中斷處理程序中立即停止定時器1的充電計時，并將TH1、TL1寄存器中記錄的時間通過查表法轉換為溫度值。

2.2水位檢測

溫度采集結束后，程序就可以進入水位檢測流程，本系統中水位檢測是在電容放電階段實現的，首先設置 INT1H位(AUXR0.1)為0、IT1(TCON.2)為1，使外部中斷1可以由下降沿觸發中斷，并通過IE1開啟外部中斷1；然后再通過TR1置1，使定時器開始計時；最后使P1.0設置為低電平，電容C1開始通過水位采集回路進行放電。隨著電容放電過程的延續，在INT1引腳就會產生一個由1到0的下降沿跳變，該跳變使程序立即進入中斷處理程序，在中斷處理程序中停止定時器1的計時，并將TH1、TL1寄存器中記錄的時間通過查表法轉換為水位值。

由檢測流程可知，通過對電容C1的一次充放電循環，就可以實現對溫度和水位的檢測，提高了系統的響應速度。為了確保檢測數據的準確性，在程序中通過IP0H和IP0L寄存器將INT1設置為最高優先級中斷，一旦INT1進入中斷，就會立即停止定時器1的計時，這樣就可以保證所測得的數據不會因為其他函數的執行而影響其準確性。

2.3查表法

通過定時器1將電容C1充電過程中記錄的時間值轉換為對應溫度值的程序流程如圖6所示，首先判斷定時的時間長度是否在合理區間，一旦由于傳感器短路或斷路，使得定時時間超出合理區間，則轉入異常處理程序，并在LED數碼管上顯示提示信息；如果定時時間在合理區間，將當前定時時間與table表中存放的設定值進行比較，根據比較結果確定對應的溫度值。table表中的數據已通過實驗測得并固化到CPU的Flash存儲區。

圖6　查表法將充電時間轉換為溫度值

將電容C1放電時間轉換為水位值的原理與此類似，但是在太陽能熱水器的實際應用中，由于水位值一般只分為無水、1檔、2檔、3檔、4檔(滿水)共5級，因此除了用查表法之外，也可以將各檔水位對應的放電時間值用選擇語句if/else或switch語句寫到函數中。

2.4LED顯示

為了降低成本，系統采用僅有20個引腳的MA86L508，其I/O端口數量有限，因此，將溫度、水位及工作狀態指示燈的顯示控制通過P3.0和P3.1引腳通過一片75HC164芯片控制，且由于T0、T1都用于內部定時使用，因此75HC164不能通過串口的工作模式0來控制。在程序設計中采用軟件模擬方式產生74HC164所需的脈沖信號，將要顯示的數據轉為串行數據位發送到74HC164芯片，再由74HC164發送到LED數碼管，利用視覺暫留方法使系統獲得所需要的顯示效果。74HC164的控制函數如下所示：

sbit DIO=P3^0;

sbit CLK=P3^1;

void WriteTo164(unsigned charch){

unsigned char i;

unsigned char bdata dat;

dat=ch;

CLK=0;

for(i=0;i<8;i++){

if((dat>>i)&0x01) DIO=1;

else DIO=0;

CLK=1;

CLK=0;

}

CLK=0;

}

為了提高控制器的智能化程度、實現節能環保、增強系統使用的安全性，系統還具有自動保溫、自動上水、定時加熱、漏電保護、待機休眠等功能，可以滿足多種應用需要。

結　語

為了簡化太陽能熱水器的溫度/水位采集過程，減少傳感器與控制器之間的連線數量，本文通過采取以下措施對傳統的太陽能控制器進行了改進：

① 采用了增強型51單片機芯片MA86L508，其外部中斷源可以用上升沿或下降沿信號觸發，因此在對電容充放電的一次循環中就可以實現對溫度/水位采集。

② 利用二極管的單向導電性控制電容的充電和放電,分別選擇溫度檢測支路和水位檢測支路。

③ 將外部中斷和內部定時器相結合，由定時器記錄充電和放電時間，并采用查表法將時間轉換為溫度/水位值，既保證了數據的準確性,又簡化了處理邏輯。

通過上述措施，實現了溫度/水位的二線制控制，減少了控制器與傳感器之間的連線，降低了成本,簡化了控制邏輯,提高了采集溫度/水位的效率。

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72未經優化的LBP算法紅外弱小目標檢測系統與本文方法的資源占用情況。

表1　資源占用情況對比

表1表明，未經優化前，算法無法在單片EP2S60F672 FPGA上運行，依次采用本文設計的3種方法優化后，資源占用逐步降低，證明本文方法有效。

結　語

本文在分析了LBP弱小目標檢測算法的基礎上，詳細討論了一種基于FPGA的紅外弱小目標檢測系統的實現方法。試驗表明，該方法在占用較少資源的情況下，實現了LBP算法的實時處理。

參考文獻

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蔣怡亮、翟尚禮(工程師)，從事圖像處理和FPGA開發工作；孫寧(高級工程師)，從事圖像處理算法研究工作。

(責任編輯：楊迪娜收稿日期：2015-10-24)

Solar Energy Water Heater Based on Dual-wires Temperature/Water Level Sensor

Chen Yan1,Zhang Yanping2,Li Guodong2,Sun Deshui2

(1.School of Physics and Nuclear Energy Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.Shandong College of Information Technology)

The hardware circuits and control method of the solar energy water heater based on the dual-wires are designed.The system takes the MA86L508 as the core,it makes device to connect the sensors of temperature and water level to MA86L508 using the dual-wires.The CPU can realize the collection of the temperature and water level value by a charging and discharging cycle of the capacitor at the same time.It has the characteristics such as simple structure,high efficient and low cost.

MA86L508;solar energy water heater;dual-wires;capacitor charging and discharging

TP212

A

(責任編輯：楊迪娜2015-11-01)