太阳能热水器日益普及的今天，出现了很多控制器。作为普及型低成本设计，我们采用电压/频率转换传感器信号。这样做有三点好处：第一，以交流信号传递信息的方法，增加了抗干扰能力。第二，避开了AID转换器的使用，降低了成本。第三，传感器是浸水的，加在它上面的交流信号有利于防止传感器结垢而导致的误差甚至无法测量。
1、测量原理
在下图中，把纯电阻性的热敏电阻和纯电阻Rp串联。热敏电阻Rs作为非对称式多谐振荡器的反馈电阻，C是耦合电容。门电路采用74HCO4（或CD4069）六反相器。当温度和水位变化时，振荡器的电阻发生变化，频率随之发生变化。单片机通过对频率的测量，确定水位和温度。振荡周期由Rs、C确定：T=2RsCln3≈2.2RsC
在测量温度时，Rs是热敏电阻，水位测量时Rs是一串水位电阻。
2、温度测量
由以上公式可得：
由于热敏电阻的阻值为：
公式（2）中电容C一定，f~Rs曲线与公式（3）中温度T~Rt曲线形状很相似，所以振荡频率和温度接近线性。通过调整电容C和软件的配合，可以得到小于1℃的精度。
3、水位测量
水位测量的示意图参见下图.电阻串中的电阻不断被水淹没，电阻被短路，电阻被水短路后，Rs不断跳跃式的减小，水位增加，但在未淹没下一个电阻之前，电阻串上的电阻并无变化，由公式（1），理论上频率也无变化，因此水位频率曲线为阶梯形的，适当选取电阻，可使频率随水位升高的步长等高。
但实际上由于水电容以及非纯净水的电阻作用，频率阶跃不明显且与计算值有差距。水位越高差距越大。理论计算与实测的约略曲线由图3给出。理论计算是频率跳到新值，但实际测得的频率变化曲线如下图,低水位时，接近线性，水位大于三分之一时，曲线的陡度增大。一般水位显示只有五级，所以没有必要对曲线线性化，只要找出五级水位的频率范围，取其中点就可以了。
4、电路设计技巧
为使成本最小，采用PHILIPS的单片机。除电源外，其所有的管脚都可作为I/0口。所以最多可用作I/0的管脚为18个，但这时须用内部阻容振荡器作为单片机的时钟，而这样振荡频率会有25%的误差。而我们为了精确测量传感器振荡器的频率，这样的误差是不能允许的，所以我们必须使用外部晶体振荡器，这占去了两个管脚，实际我们最多可用16个I/0口。在这个I/0口中，两个作为频率测量口，即TO（和P1,2复用）和T1（和P0.7复用）口，TO作温度频率计数时，T1定时，T1作水位频率计数时，T0定时，这样避免扩展使用多路转换器。两个给水及电加热控制口（P1.0,P1.1）。这样四个I/0口必须独立占用。为降低成本采用单片机直接驱动LED作为温度、水位等的显示，这样余下的12个I/0口线要驱动三个八段的数码管，五个水位显示和两个电加热和给水状态指示LED,还有四个用来设定水位和温度的按键。如果各占自己的I/0端口，肯定是不够用的，扩展芯片又要增加成本，我们只有采用按键和显示复用I/0端口的方法。因为小数点是固定的，由硬件电路直接设定，所以只需驱动三个七段数码管，再把七个指示发光二极管看作一个数码管，并入LED数码管的扫描显示序列，这样只需占用一个I/0端口。它的字模不再象数码管那么复杂，而变为0FFH(全灭），OFEH（最低位亮），0FDH(最低两位亮），OF8H（最低三位亮），0F0H(低四位亮）等等。在LED的扫描过程中，P1.4至P1.7只能有一个是低电平，这时PNP三极管导通，共阳极数码管可根据PO口字模发光。这样在扫描显示管时，若检测P1.3电平为低，可确定按下的按键。正好12个端口，全被占用。具体电路如下图所示。
5、软件设计
人机界面，水位、温度控制都集中在这样少的接口范围内，软件设计的合理性会直接影响开发效率。定时计数器T0和T1都被用来测量数据用，无法采用模式设计方法设计，但可以采用这一原理进行设计。因为TO和T1轮番做定时和计数，对温度和水位检测，在这期间并不需要单片机的干预。这时可以做数据处理，判断执行，扫描显示，读键盘等，键盘的执行要与下一次读数作比较，也即去抖后执行。还有七个发光二极管的显示与数码管的字模不同，所以要用单独的显示模式，即五个不同水位显示和注水加热显示的组合。这一产品现在应用在现场运行良好，有较好的抗干扰能力。
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