如今，太阳能热水器已经成了生活中的必需品。对于太阳能热水器，控制系统是十分重要的，而传感器作为控制系统的核心部分，是制约太阳能热水器控制系统的短板。传感器的准确度和稳定性都反映着一个系统的好坏，而在高温、高湿、高工作温度范围、水中离子含量等等这些都会影响传感器的性能，从而也会造成客户端的显示不能反映实际的状况。现在应用在太阳能热水器上的传感器大多是测量水温和管温分离的杆式4刻度水位，且信号输出的为模拟电压量，不仅精度差而且在布线时多布两条管道温度传感器线又增加了很大成本。

在热水器中水位的变化属于渐变的，而生活用水都有离子存在，因而具有一定的导电性。根据这个特性，我们采用电容的方式测量水位的高低，即两极板间的水作为电容的电介质，当水位升高时电容随之增加；反之，电容减小。在使用的过程中电容的大小也会随着使用的年限有所变化，如水垢、材料的参数的变化等都会影响使用效果。为了克服长期使用之后对水位的影响，我们设计增加一个最高水位监测点和一个最低水位监测点，使之更加稳定和精准。利用LM35温度传感器来测量温度信号。这样我们需要选择一款集成电容测量和AD转换功能的单片机，优先考虑可在线编程和多次可擦写以及集成EEPROM型芯片，不仅可以随时升级传感器的功能还可以在使用过程中记录用户使用数据。

系统的总体结构图见图1：

总体结构图说明：1、温度传感器；2、低水位修正点；3、水位测量线；4、温度信号线及低水位修正线；5、高水位修正点；6、不锈钢管；7、控制器；8、外壳；9、通讯线。

测量结构简图见图2：

图中：1、高水位修正点；2、电容测量电极；3、电容测量电极；4、温度传感器；5、低水位修正点；6、电容接地电极。

根据电容的基本原理：

其中： C为电容值；S为极板间的相对面积；d为极板间距；ε₀ 为真空介电常数；ε为相对介电常数。

总体测量的电容值应为：

由此看出电容C与浸入水下极板的面积成正比例关系，方便单片机的检测。

    同时设有高水位修正点和低水位修正点，且均为电极检测。当无水时低水位修正点会记录下此时的电容值，当水满时高水位修正点会记录下此时的电容值，当水量变化时通过水位测量线可以更精确的检测水位变化情况。

本方案是基于PIC单片机16f系列设计的。PIC16F1823是14引脚的8位单片机具有3个内部定时器，且其内部集成10位AD转换和电容测量模块。电容测量是根据电容充放电周期来计算电容值的，这样最大的好处就是可以测量宽范围的电容值，通过电容检测模块测量水位电容值，并经过比例算法计算出现在的水位高度，与经过AD转换后得出的水温值一起通过自定义协议转化为数字信号输送到客户端。

本次设计的传感器主要针对目前太阳能热水器传感器易结垢、寿命短、工作不稳定的缺点，进行了新的创新和突破，采取了电容和电极两种测量方式来确保传感器感测的精准度，新传感器在信号接收电路上还采用了脉冲电压扫描方式，有效减轻了传感器电极结垢的问题，适合于工程控制产品向智能化、人性化方面发展的需要。

来源：皇明太阳能股份有限公司 王冬梅 贺胜民