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太阳能热水器控制器的设计 7

可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好，与用传统的温度传感器系统相比系统得以简化。系统扩充维护十分方便。

3.3 水压传感器及A/D转换

水位传感器输出的信号为模拟信号，由于输出量微弱，要经过放大器的放大转化为0～5V的电压信号，才能送入ADC0832中进行转换，输出为串行数字数据，送入单片机89S52处理。传感器和AD转换原理图如下图3－4所示：

图3-4 模拟量输入及AD转换电路结构

3.3.1 水压传感器

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、电感式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。在水箱的最底部安装压力传感器，水位的不同，传感器检测到的压力值就不同，采集到的模拟量信号经过处理和计算，就能换算成水位的高低，经过单片机显示[3]。 3.3.2 ADC0832结构及原理

图3-5 ADC0832芯片引脚图

芯片各引脚说明：

1） CS_ 片选使能，低电平芯片使能。

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2） CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 3） CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 4） GND 芯片参考0 电位（地）。 5） DI 数据信号输入，选择通道控制。 6） DO 数据信号输出，转换数据输出。 7） CLK 芯片时钟输入。

8） Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。

ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

单片机对ADC0832 的控制原理：

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832没有工作时其CS输入端为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端为低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必为高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端输入2 位数据用于选择通道功能，当此2 位数据为“1” 、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1” 、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19个脉冲数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了[3]。

3.4 电磁开关电路及原理

要实现自动控制，就要有能自动闭合的开关，这里用到的是电磁开关（继电器），继电器上有电流时，由于电磁感应就会在铁心上产生磁性，将开关弹片吸引，使外部电

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路导通。为了在电磁继电器上有稳定的电流流过，前端就要有相应的控制元器件，我选择的是光电隔离器件，隔离掉了不稳定的因素。使光电隔离前端的发光稳定，信号的前端还需要驱动，提供稳定的信号电流。只有发光部分的稳定，后面的信号才能得到稳定输出。控制加热装置和上水装置的电路如图3－6所示[4]。

控制电路工作原理：单片机根据处理的结果，从控制端口输出低电平控制信号，通过正向驱动器，得到稳定的信号，使得光电隔离前端的发光二极发光，电路接通，后续电路工作，输出电压经分压，三极管导通，电磁继电器工作，弹片向下吸引，开关闭合，后面的电路开始工作。

图3-6 电磁开关控制电路

3.4.1 光电隔离器的原理

光电隔离器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电到光再到电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端是电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高

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信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高[5]。

电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种干扰，使通道上的信号稳定性大为提高，主要有以下几方面的原因：

（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的干扰电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。

（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。

（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。 3.4.2 电磁继电器的原理

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。电磁继电器的工作原理并不复杂，它主要是利用电磁感应原理而工作的。当线圈通以电流时，线圈便产生磁场，线圈中间的铁心被磁化产生磁力.从而使衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，此时衔铁带动支杆将板簧推开，使两个常闭的触点断开。当断开继电器线圈的电流时，铁心便失去磁性，衔铁在板簧的作用下恢复初始状态，触点则又闭合。

触点的形式一般分为三种:一种是继电器线圈未通电时处于接通状态的静触点，为常闭触点。二种是处于断开状态的静触点，称为常开触点，还有一种是一个动触点与一个静触点常闭，而同时与一个静触点常开，形成一开一闭的转换触点形式。常闭触点在线圈通电时由闭合状态断开，所以又称为动断触点，而把常开触点称为动合触点转换触点有两种情况，即先合后断的转换触点和先断后合的转换触点[6]。

先了解必要的条件：(1)控制电路的电源电压，能提供的最大电流；(2)被控制电路中的电压和电流；(3)被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。

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3.5 单片机控制系统

单片机系统有基本的时钟电路和复位电路，单片机的频率一般为11.0592M，复位电路有手动和上电自动复位电路，RST复位信号复位端，当此引脚保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。复位电路如图：

图3-7手动复位电路 图3-8自动复位电路

单片机的时钟信号是由外部接的晶振产生，晶振的连接电路如图：

图3-9单片机晶振电路

单片机芯片上集成了各种功能部件：中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口等。它们之间相互连接，构成一个完整的单片机。89S52单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体振荡的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚[7]。

AT89S52单片机是一种低功耗高性能的COMS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或通同用的非易失性存储器改写。通过把通过的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。AT89S52的主要特性有：兼容MCS51产品，8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP闪存，3级程序存储加密，256字节内部RAM，3个16位定时/计数器，8个中断源，低功耗空闲方式和掉电方式，看门狗定时器，双数据指针，灵活的在线编程。其芯片引脚如图3－10所示：