本科毕业生学士学位论文 2.3 液位检测 2.3.1 液位传感器
本次设计液位传感器选用集成芯片LM1042，实现液位信号到电压信号的转换。LM1042是用于液位检测的专用集成电路，它内部集成了所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路，具有很强的功能。
LM1042使用热阻探针技术来测量非可燃性液体的液面高度，它能提供一正比于液位高度的输出，可进行单次或重复测量，所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路都集成在LM1042芯片内部。此外该芯片还可采用其它传感器信号或线性输入作为输入信号。
该器件采用16脚DIP封装。芯片的主要特点如下： ? 可以选择热阻或线性信号作为输入； ? 集成有热阻探针的控制电路； ? 可单次测量或重复测量；
? 在复位时切换，延时功能可避免瞬态信号的影响； ? 具有探针短路、开路检测功能；
? 电源或控制输入端具有50V的瞬态电压保护电路； ? 电源范围7.5～18V； ? 内部有电源调节器；
? 可在－40℃～＋80℃的工作温度范围内工作。
热阻探针工作的基本原理是基于功率在探针上耗散，探针温度的变化依赖于周围材料的热阻的大小，由于空气和其它气体相对于水和油来说是热的不良导体，利用这一点有可能测量探针等浸入液体媒介的深度。其原理如图2.3所示：
图2.3 测温原理图 在测量周期中，一固定的驱动电流I施加到探针上，在测量的起始时刻和结
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本科毕业生学士学位论文 束时刻探针两端的电压被采样，得到电压差ΔV0由于空气的热阻RTHA大于油的热阻RTHO，由它们引起的温度变化分别为ΔT1和ΔT2，相应的探针电阻也会随着改变为ΔR1和ΔR2差值，在每单位长度上产生相应的电压变化ΔV1和ΔV2。电压差ΔV由下式给出：ΔV=LAΔV1/L＋(L－LA)ΔV1/L
由于ΔV1>ΔV2，RTHA>RTHO，ΔV会随着探针在空气中长度的增加而增大。在实际应用中，为获得最佳效果，探针需要具有高的温度系数和低的热阻时间常数，为避免误触发探针短路开路检测器，探针电压必须介于0.7V和5.3V之间，对于200mA的电流容许的探针阻值范围是3.5Ω到24Ω。
在图2.4中，7脚和10脚是用于探针2的调整，由于本系统只用到探针1，故只需将7脚和10脚接地即可；1 脚是热阻探针输入端；5脚是探针故障检测端；6脚是电源端；3、4脚分别接PNP管的发射极和集电极用于给探针提供200mA的固定电流；16脚为模拟电压输出端，输出与液位成正比的模拟电压；12、13脚用来调整探针的测量周期；9、14脚外接两个电容作为探针的记忆电容，记忆探针的电压值。
图2.4 LM1042电路图
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本科毕业生学士学位论文 2.3.2 AD转换电路
由于LM1042输出的是模拟信号，须经AD转换器转换成单片机可处理的数字信号，且考虑到该装置是应用于太阳能热水器中，无需高精度，故选用8位AD转换器ADC0804进行AD转换即可。
ADC0804型8位全MOS A/D转换器是中速廉价型产品之一。片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，输入方式为单通道，转换时间约为100μs。它的非线性误差为±1LSB。电源电压为+5V。其引脚图如图2.5所示：
图2.5 ADC0804引脚图
被转换的电压信号从Vin(+)和Vin(-)输入。允许此信号是差动的或不共地的电压信号，模拟地和数字地分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。Vref/2端不必外接电源，悬空即可。/CS是片选端，/WR是控制芯片启动的输入端；/INTR是转换结束信号输入端，输出电平由高跳低则表示本次转换已经完成，可作为中断或查询信号。
ADC0804片内有时钟电路，只要在外部“CLKR”和“CLK”两端外接一对电阻和电容即可产生A/D转换所需要的时钟，其振荡频率为fclk≈1/1.1RC。本次设计选用R=10kΩ，C=150pF，此时fclk≈640kHz。其与单片机的接口电路如图2.6所示：
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2.4 温度检测
对水箱水温的测定，采用了较为先进的DS18B20集成模块温度传感器，该传感器将温度信号以数字量传给单片机，无需其他的外围电路，一条口线，电路简单，使用稳定，可以方便的实现单片机对温度参量的读取。DS18B20采用3脚PR_35封装或8脚SOSI封装，管脚排列如图2.7所示。
DS18B20内部结构如图2.8所示，主要由4部分组成：64位ROM；温度传感器；温度报警触发器TH和TL；配置寄存器。考虑到系统功能的限制，传感器的报警功能没有使用。
图2.7 DS18B20封装图
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图2.8 DS18B20的内部结构示意图
单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。其基本的通信过程如下：
? 主机通过拉低单总线至少480us产生复位脉冲。
? 然后由主机释放总线，并进入接收模式。主机释放总线时，会产生一由低电
平跳变为高电平的上升沿。
? 单总线器件检测到该上升沿后，延时15~60us。 ? 单总线器件通过拉低总线60~240us来产生应答脉冲。
? 主机接收到从机的应答脉冲后，说明有单总线器件在线，然后主机就可以开
始对从机进行ROM命令和功能命令操作。
所有的读、写时序至少需要60us，且每两个独立的时序之间至少需要1us的恢复时间。在写时序中，主机将在拉低总线15us之内释放总线，并向单总线器件写1；若主机拉低总线后能保持至少60us的低电平，则向单总线器件写0。单总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，所以，当主机向单总线发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便于单总线器件能传输数据。
DS18B20可以使用外部电源VDD，也可以使用内部的寄生电源，无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。本系统选用外部电源，即在VDD端口接5V的电压。故单片机与DS18B20的连接图如图2.9所示：
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