天陽能電熱水器設(shè)計方案

1、天陽能電熱水器設(shè)計方案一、 引言隨著全球人口和經(jīng)濟規(guī)模的不斷增長，能源使用帶來的環(huán)境問題及其誘因逐漸為人們所認識，“低碳經(jīng)濟”這一概念開始進入人們的視野。人們在大力的發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。能源問題將更為突出：從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。環(huán)境污染溫室效應(yīng)引起全球氣候變化。因此，人類在解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有：儲量的“無限性”太陽每秒鐘放射的能量大約是1.610的23次方kW，一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1.89210的

2、13次方千億t。太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任，成為理想的替代能源。在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器技術(shù)已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場。2000年太陽能熱水器取代47000套家用電熱水器；2000年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國家。然而，目前市場上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等問題，很多控制器具有溫度和水位顯示功

3、能，卻不具有溫度控制功能，致使熱水器陰天的時候不能方便使用。所以太陽能熱水器必須加以輔助加熱功能，充分利用太陽能的同時方便生活所需。即使熱水器具有輔助加熱功能，普通電熱水器有如下缺點：1、熱水器長期通電，長期保持在六十度以上高溫，發(fā)熱管易結(jié)垢，內(nèi)膽易漏水，因而較易損壞； 2、管道熱水熱量損耗大； 3、等候用水時間太長； 4、在熱水流出前都必須浪費一定量的冷水，根據(jù)管道的長短，一般家庭中冷水損耗量大，基本可達10-25升/次。 而快熱式電熱水器 克服了上述缺點。它有很多優(yōu)點，如：安全，干凈環(huán)保；即開即熱，3-5秒出熱水無須等候，熱水使用時間不受限制，想用多久就用多久；用多少燒多少，省電省水，沒有

4、損耗；內(nèi)置溫控儀保證溫度在30-50度之間，解決溫度持續(xù)高溫導(dǎo)致的結(jié)垢漏水問題。也可能由于加熱時間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費電能?？鞜崾诫姛崴髋c普通電熱水器最大的區(qū)別在于它取消了儲水罐，熱水隨開隨用，無須預(yù)熱，減少了電能浪費。另外，它還具有體積小，使用安全，安裝方便等特點。熱水器的種類很多，但快熱式熱水器也有很多種。 要想設(shè)計出較好的快熱式電熱水器必須要以較強的單片機作為基礎(chǔ)，而單片機的發(fā)展正好為熱水器的開發(fā)奠定了前提條件。本設(shè)計的快熱式家用電熱水器系統(tǒng)采用電源電路、單片機控制器、溫度檢測電路、加熱控制電路還采用了熱敏電阻、放大電路以及轉(zhuǎn)換電路等。并給出了信號流程圖并介紹了快熱式家用電熱水

5、器軟件系統(tǒng)。二、設(shè)計內(nèi)容太陽能電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計方式很多。本設(shè)計采用單片機為中央處理器，液晶顯示模塊，熱電偶溫度采集模塊，水位采集模塊，電加熱模塊，控制模塊。本課題設(shè)計的基于單片機的太陽能熱水器在軟件程序的控制下完成溫度和水位的實時顯示功能，并能完成溫度設(shè)定等功能，具體實現(xiàn)的功能目標為：（1） 顯示水溫和水位，電加熱水溫可任意設(shè)定；（2） 設(shè)置溫度參數(shù)后，自動控制電輔助設(shè)備加熱；三、 設(shè)計方案1、系統(tǒng)總體設(shè)計：太陽能電熱水器整體結(jié)構(gòu)示意圖太陽能電熱水器工作流程圖水位采集模塊 電容式液位傳感器系統(tǒng)1設(shè)計原理采用筒式電容傳感器采集液位的高度。主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化

6、，從而引起對應(yīng)電容量變化的關(guān)系進行液位測量。由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進行放大。從放大電路出來的是模擬量，因此送入ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，ADC0809連接于單片機，把信號送入單片機。顯示電路連接于單片機用于顯示水位的高度。2系統(tǒng)框圖被測物理量：主要是指非電的物理量，在這里為水位。傳感器：將輸入的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出，實現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進行放大，濾波等環(huán)節(jié)的預(yù)處理來完成。A/D轉(zhuǎn)換器：實現(xiàn)將模擬

7、量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。在此用到逐次逼近式。單片機：目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機。3 傳感器原理電容式液位傳感器系統(tǒng); 它利用被測體的導(dǎo)電率, 通過傳感器測量電路將液位高度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓脈沖寬度變化, 再由單片機進行測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進行顯示,該系統(tǒng)對液位深度具有測量、顯示與設(shè)定功能, 并具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。3.1 傳感器的組成圖為傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要是由細長的不銹鋼管(半徑為R1 ) 、同軸絕緣導(dǎo)線(半徑為R0 ) 以及其被測液體共同構(gòu)成的金屬圓柱形電容器構(gòu)成。該傳感器主要利用

8、其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化, 從而引起對應(yīng)電容量變化的關(guān)系進行液位測量。圖3-1-2傳感器原理圖3.2 測量原理由圖1 可知, 當可測量液位H = 0 時, 不銹鋼管與同軸絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0 , 根據(jù)文獻得到電容量為: （1）式中, C0 為電容量, 單位為F ; 0 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù),單位為F/ m; L 為液位最大高度; R1 為不銹鋼管半徑;R0 為絕緣導(dǎo)線半徑, 單位為m。當可測量液位）為H 時, 不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH : （2）式中, 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù), 單位為F/ m。因此, 當傳感器內(nèi)液位由零增加

9、到H 時, 其電容的變化量C 可由式(1) 和式(2) 得 （3）由式可知, 參數(shù)0 , , R1 , R0 都是定值。所以電容的變化量C 與液位變化量H 呈近似線性關(guān)系。因為參數(shù)0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 變形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 為常數(shù)) (4)?？梢? 傳感器的電容量值CH 的大小與電容器浸入液體的深度H 成線性關(guān)系。由此, 只要測出電容值便能計算出水位。3.3將電容轉(zhuǎn)化成電信號部分采用運算法測量電路來轉(zhuǎn)化。該電路由傳感器和固定的標準電容以及運算放大器A組成溫度采集模塊此電熱水器中采集溫度主要利用集成溫度傳感器AD590，集

10、成溫度傳感器實質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測： 式中，K波爾茲常數(shù)；q電子電荷絕對值。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時輸出為0，溫度25時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/K。利用AD590 傳感器測量水箱內(nèi)攝氏度如圖2所示，電位器R2用于調(diào)整零點，R4用于調(diào)整運放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0時調(diào)整R2，使輸出VO=0，然后在

11、100時調(diào)整R4使VO=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時，VO=0mV，100時VO=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25，那么VO應(yīng)為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。要使圖2中的輸出為200mV/，可通過增大反饋電阻（圖中反饋電阻由R3與電位器R4串聯(lián)而成）來實現(xiàn)。另外，測量華氏溫度（符號為）時，因華氏溫度等于熱力學(xué)溫度減去255.4再乘以9/5，故若要求輸出為1mV/，則調(diào)整反饋電阻約為180kW，使得溫度為0時， VO=17.8mV；溫度為100時，VO=197.8mV。AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，輸出10V。電加熱模塊加

12、熱模塊主要靠熱電阻加熱溫度傳感器被檢測信息傳感器檢測電路輸出單元本方案使用電阻式傳感器，由于檢測電路的種類通常由傳感器類型而定，所以電阻式傳感器需用一個電橋電路把電阻值變換成電壓或電流輸出，由于電橋輸出信號一般比較微弱，常常將電橋輸出信號加以放大，所以在測量電路中一般還帶有放大器銅熱電阻采用銅熱電阻進行溫度的測量，測量范圍一般為50度150度。在此溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純加工，價格便宜，復(fù)現(xiàn)性能好。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻體積較大，且在測溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定。驅(qū)動電輔助加熱模塊通過連接繼電器來控制電輔助加熱是否工作。繼電器繼電器是一種電控制器件。它具有控制

13、系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。當輸入量（如電壓、電流、溫度等）達到規(guī)定值時，繼電器被所控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開。電磁繼電器原理電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，