太陽能熱水器的組成及工作原理

1、太陽能熱水器的組成及工作原理2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 排氣管 不銹鋼保溫水箱圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，該圖的系統(tǒng)控制原理圖如下圖2-2： T3 T2 F 3 熱 集 水 熱 太陽光 F1 箱 器 T1 D 自來水 F2圖2-2 系統(tǒng)控制原理圖注釋：T1：熱水箱的溫度傳感器T2：循環(huán)水管中的溫度傳感器T3：集熱器中的溫度傳感器F1：循環(huán)水閥門F2：冷水閥門F3：熱水閥門此款熱水器利用微機(jī)控制主要有以下幾種控制功能：晨水加熱控制、溫水循環(huán)控制、冷水集熱控制、水箱加熱控制。1. 早晨水溫控制由于清晨太陽光較弱，所以太陽能熱水器從系統(tǒng)發(fā)揮作用。為了提供溫度不低于30攝氏度的水，熱水

2、器在清晨4-7點(diǎn)之間對水箱進(jìn)行電加熱，具體控制過程如下：首先，關(guān)閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機(jī)開始進(jìn)行水箱的溫度采集，同時(shí)進(jìn)行溫度的比較，當(dāng)水箱的溫度小于30攝氏度時(shí)，電熱器D接通進(jìn)行加熱，同時(shí)微機(jī)繼續(xù)對熱水箱的溫度進(jìn)行采集。當(dāng)溫度加熱到大于30攝氏度時(shí)電熱器斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。2. 循環(huán)水集熱過程早晨水溫控制之后（79點(diǎn)），設(shè)定當(dāng)日的水箱溫度N（由兩位BCD次齒輪開關(guān)設(shè)定），輸入微機(jī)，再利用微機(jī)控制系統(tǒng)，通過太陽光能對熱水箱加熱以達(dá)到理想溫度N。具體控制過程如下：打開循環(huán)閥門F1，關(guān)閉冷水進(jìn)水閥門F2，熱水閥門F3處于空控狀態(tài)。然后開始比較溫度，若（T3-T1>

3、;5攝氏度，T2>T1）為止。如若T1=N，那么循環(huán)水集熱過程結(jié)束，進(jìn)入冷水集熱控制過程。3. 冷水集熱控制此時(shí)熱水箱溫度已達(dá)到了N，冷水要進(jìn)入太陽能集熱器，這時(shí)溫度為T3，和當(dāng)日的設(shè)定溫度值相比較，若T3>N則將已加熱的水送入熱水箱，每天的控制時(shí)段大概為9點(diǎn)20點(diǎn)。具體控制過程如下：關(guān)閉循環(huán)水閥門F2，打開冷水閥門F2，熱水閥門F3處于可控狀態(tài)。若T3>N，打開熱水閥門F3并將保持一段時(shí)間，若T3<N，關(guān)閉F3繼續(xù)給太陽能集熱器加熱，知道溫度答應(yīng)N，當(dāng)打開F3時(shí)此時(shí)比較水管水溫T2與N的值，若T2>N閥門F3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關(guān)閉F3?？梢?，次過程充分利用太

4、陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，方便快捷。4. 水箱加熱控制此時(shí)，也許你會問如果沒有日照或者日照較弱時(shí)，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡嗎？答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個(gè)從系統(tǒng)，這時(shí)它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為T1，將它和設(shè)定值N相比較，從而控制是否打開電加熱，控制時(shí)段為下午，具體過程如下： 若T1<N，電加熱接通；否則，電加熱斷開，而且，15點(diǎn)20點(diǎn)中的每個(gè)小時(shí)有下表的關(guān)系：表一 時(shí)間（時(shí)） 溫度比較 加熱值（度） 15 T1<35<N 35 16 T1<40<N 40 17 T1<45<N 45 18 T1<50<N 50 19 T1<

5、;55<N 55 20 T1<60<N 60最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值N。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。綜上所述，太陽能供熱控制系統(tǒng)不僅節(jié)約而且高度只能化，方便省事，不論日常家居，還是對賓館、學(xué)校等都是最佳選擇。2.2太陽能熱水器組成及原理 6 5 4 7 2 1 3 2-3 熱水器裝置簡圖1-集熱器 2-下降水管 3-循環(huán)水管4-補(bǔ)給水箱 5-上升水管 6-自來水管 7-熱水出水管熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成，圖中為典型的熱水器裝置圖。圖中集熱器1按最佳傾角放置，下降水管2的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器1的下集管接通。上升水管5

6、與循環(huán)水箱3上部相連，另一端與集熱器1的上集管相接。補(bǔ)給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。 當(dāng)集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，便經(jīng)上升水管進(jìn)入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水比重較大，就由水箱下流到集熱器下方，在集熱器內(nèi)受熱后又上升。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時(shí)，水溫不再升高。這種熱水利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱循環(huán)熱水器。集熱器是一種利用溫室效應(yīng)，將太陽能輻射轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，該裝置與一般熱水交換器不一樣，熱交換器通常只是液體到液體，或是液體到氣體的熱交換過程，而平板行集熱器時(shí)直接將太陽輻射傳給液體

7、或氣體，是一個(gè)復(fù)雜的傳熱過程。平板型集熱器結(jié)構(gòu)形式很多，世界上已實(shí)用的集熱器就有直管式、瓦楞式、扁管式、鋁翼式等二十多種。根據(jù)控制要求，采用80C51單片機(jī)的智能控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于本系統(tǒng)運(yùn)算量不是很大， 沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存，因此不再外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器。僅使用80C51 內(nèi)部RAM已完全能夠滿足要求。系統(tǒng)的硬件接口電路包括：控制器實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路，蓄水箱溫度和水位檢測接口電路、設(shè)定鍵和串行顯示接口電路、看門狗和復(fù)位接口電路以及繼電器輸出接口電路等。 圖3-1 太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖3.2. 控制器實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路為實(shí)現(xiàn)熱水器24小時(shí)供應(yīng)熱水的目的，控制器必須有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來

8、為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時(shí)間；在軟件設(shè)計(jì)上則要實(shí)時(shí)地讀出當(dāng)前時(shí)間，同設(shè)定時(shí)間比較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國DALLA S半導(dǎo)體公司最新推出的時(shí)鐘芯片DS12887，該芯片采用CMOS 技術(shù)，把時(shí)鐘芯片所需的晶振和電池以及相關(guān)的電路集成到芯片內(nèi)部，并與MC146818管腳完全兼容。DS12887芯片具有微功耗、外圍接口簡單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。它與80C51單片機(jī)的接口電路見下圖3-2。 8 +5V 5.1K +5V 1K C 圖3-2 DS12887與單片機(jī)接口電路模式選擇腳MOT接地， 選擇IN TEL時(shí)序。DS12887 的高位地址用80C51 的P2.4 選擇，則時(shí)鐘芯片的

9、高8位地址為EFH，而其低8 位地址則由芯片內(nèi)部各單元的地址來決定(00H80H)，DS12887 的中斷輸出端IRQ 接上拉電阻，同80C51中斷線IN TO相連，為單片機(jī)提供中斷信號。SQW端口編程為2Hz方波輸出，經(jīng)二分頻后，驅(qū)動兩個(gè)LED發(fā)光二極管作為時(shí)鐘的秒閃爍顯示。蓄水箱水位和溫度檢測部分是實(shí)現(xiàn)溫度智能控制的重要環(huán)節(jié)，只有準(zhǔn)確地檢測出水位和溫度，才能通過軟件計(jì)算提前開始輔助加熱的預(yù)加熱時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)輔助加熱提前時(shí)間的精確計(jì)算，最好是采用連續(xù)液位傳感器，但考慮系統(tǒng)成本，本設(shè)計(jì)仍采用分段式液位傳感器(通過軟件來提高精度)，在水位顯示上也仍采用分段顯示。水位檢測部分的硬件連接如圖3所示。圖

10、3-3 水位監(jiān)測及顯示接口電路檢測原理如下：當(dāng)水箱中無水時(shí)，8個(gè)非門均由1M歐姆電阻上拉成高電平， 所以圖中各“非”門(CD4069) 輸出均為低電平，LED1 LED8 均不亮。當(dāng)水位高于“非”門1 的輸入探針時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，使“非”門1 的輸入變?yōu)榈碗娖剑云漭敵鲎優(yōu)楦唠娖?，LED點(diǎn)亮，依此類推。隨著水位的上升，各“非”門輸出相繼為高電平，LED依次點(diǎn)亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小，因?yàn)樗碾娮柙?00k8 左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時(shí)，無法把“非”門輸入端拉成低電平。實(shí)驗(yàn)表明， 上拉電阻選擇在500k1M歐姆左右能很好地滿足電路的工作要求。為了使80C5

11、1 隨時(shí)能夠讀出當(dāng)前的水位情況，這里選用74L S244 作為狀態(tài)輸入緩沖器。蓄水箱溫度檢測電路采用DS18B20芯片使其換成脈沖信號，送到80C51的I/O 口(編程為計(jì)數(shù)器工作模式)，通過測量輸出脈沖頻率的大小來換算成水溫高低信號。3.4 看門狗和復(fù)位接口電路的設(shè)計(jì)控制器的看門狗電路由兩級74LS123芯片組成。用P1.7作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)脈沖發(fā)生端，當(dāng)P1.7 口線超過一定時(shí)間不對74L S123發(fā)正脈沖時(shí)，系統(tǒng)將自動復(fù)位（附錄）。3.5 鍵盤和顯示接口電路的設(shè)計(jì)鍵盤電路 下圖為80C51單片機(jī)P1口構(gòu)成的中斷方式4*4鍵盤電路。P1.0-P1.3為行線，P1.4-P1.7為列線，行

12、線與4輸入與門74HC21的一組輸入端相連，輸出端與外部中斷INT1相連。16個(gè)鍵號Ki（I=0-15）次序如圖中標(biāo)注。 時(shí) 鐘 INT1 74HC2110K*4VCC P1.0 A B C D P1.1 P1.2 P1.3復(fù) 位、 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 80C51圖3-4 80C51 P1口構(gòu)成的4*4中斷方式鍵盤 行列式鍵盤處理程序較為復(fù)雜，當(dāng)有鍵按下時(shí)74HC21輸出端出現(xiàn)低電平請求中斷；在中斷服務(wù)程序中要再次確認(rèn)是否真有鍵按下，真有鍵按下時(shí)，再查出是哪個(gè)鍵按下，把該鍵的鍵號送入堆棧保護(hù)，等待鍵釋放后再將鍵號彈出A中。該鍵盤輸入處理程序的出口狀態(tài)是鍵號在A中。設(shè)計(jì)中斷程

13、序時(shí)，先在主程序中將中斷系統(tǒng)初始化，并開中斷。在試驗(yàn)演示中通常開中斷都設(shè)置循環(huán)等待。鍵盤和顯示電路是人機(jī)交互的重要手段?？刂奇I是用戶干預(yù)系統(tǒng)運(yùn)行的唯一接口，也是用戶比較關(guān)心的問題。為了實(shí)現(xiàn)控制器對時(shí)間與溫度的設(shè)定及顯示功能，串行顯示電路采用串入并出芯片74LS164驅(qū)動4位數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)時(shí)間與溫度的靜態(tài)顯示。該電路只使用80C51的3個(gè)端口，配接4片串入并出移位寄存器74LS164 與1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T。其中74LS164 的引腳Q0Q7為8位并行輸出端;引腳A、B 為串行輸入端;引腳CL K為時(shí)鐘脈沖輸入端，在CLK 脈沖的上升沿作用下實(shí)現(xiàn)移位，在CLK = 0 、清除端MR =1時(shí)

14、，74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài);MR =0 時(shí)，74LS164圖3-5 串行口擴(kuò)展的4位LED顯示電路其工作過程如下:80C51的串行口設(shè)定在方式0移位寄存器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由P3.0發(fā)送，移位時(shí)鐘由P3.1 送出。在移位時(shí)鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。4片74LS164 串級擴(kuò)展為4個(gè)8 位并行輸出口，分別連接到4個(gè)LED顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于74LS164 無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，造成不應(yīng)顯示的字段仍有較暗的亮度，影響了顯示的效果。以往的做法是在74LS164 的輸出端加接4片鎖存器或三態(tài)

15、門，使移位寄存器串行輸入數(shù)據(jù)時(shí)其輸出端的變化不反映到LED上，待串行輸入結(jié)束后再打開鎖存器或三態(tài)門，將穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)送給LED。 本設(shè)計(jì)電路的獨(dú)特之處在于僅采用了1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T，317T 的3、2 腳分別是電壓輸入、輸出端，317T 的1腳是電壓調(diào)整端，腳2輸出電壓隨腳1電壓而變化。腳1與接地電阻之間并一個(gè)NPN 三極管，它的基極受P1.7 口線控制，串行輸入時(shí)P1.7 口線為高電平，三極管飽和導(dǎo)通使317T 的腳1約為0.3 V，腳2輸出電壓隨之下降到1.5 V，不足以使共陽極LED發(fā)光，故此時(shí)串行輸入的影響不會反映到LED上；串行輸入結(jié)束后，使P1.7口線為低電平，三極管截

16、止，腳2輸出電壓因腳1電壓增高便上升到2.0V使LED正常發(fā)光。因此，1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T起到了4片鎖存器的作用使LED 顯示不會閃爍。本電路的另一優(yōu)點(diǎn)是通過可調(diào)電位器P1可在線調(diào)整腳2的輸出電壓，使LED的顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉了大量的LED限流電阻。3.6 光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計(jì) VCC VCC VCC R5P2.1 K T1 R1 R2 R3 R4 LED T2 GND R6圖3-6 輔助加熱電路圖上圖為太陽能熱水器光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計(jì)。當(dāng)室外光強(qiáng)不足（陰天、下雨）時(shí)，對水箱的水提前加熱是很必要的，這一電路恰好能完成這一功能。工作原理：當(dāng)單片機(jī)80C51P2.1口

17、輸出高電平時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，致使發(fā)光二極管發(fā)光，同時(shí)光敏三極管T2導(dǎo)通，繼電器閉合，電阻絲R1R4發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務(wù)，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必不可少的?？刂破鞯能浖O(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠在設(shè)定的時(shí)間向用戶提供設(shè)定溫度的熱水，從而給用戶帶來便利。當(dāng)控制器在設(shè)定的時(shí)間使水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，將通過聲光報(bào)警提醒用戶。根據(jù)這一要求，控制器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、鍵盤中斷子程序、DS12887更新周期結(jié)束中斷子程序、LED顯示子程序和提前加熱時(shí)間計(jì)算子程序等。系統(tǒng)主程序主要完成溫度和水位的檢測以及進(jìn)行輔助加熱時(shí)間預(yù)算和一些初始化功能。在

18、主程序中采用了查表方法進(jìn)行輔助加熱提前量預(yù)算。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。圖4-1 系統(tǒng)程序流程圖對于溫度和時(shí)間設(shè)定， 每次設(shè)定結(jié)束后， 就將設(shè)定值存入DS12887 的非易失性RAM中，下次開機(jī)時(shí)進(jìn)行讀取。這樣作至少有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是系統(tǒng)在不進(jìn)行設(shè)定時(shí)，就認(rèn)定該設(shè)定值和先前一次一樣，解決了每次開機(jī)總要從頭設(shè)定的問題，另一個(gè)是若系統(tǒng)在運(yùn)行中間停電而再次來電時(shí)，可以不用重新設(shè)定， 就能按原設(shè)定值對溫度進(jìn)行控制，增強(qiáng)了控制器適應(yīng)外界變化的能力。對提前加熱時(shí)間的計(jì)算，則是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的重要一環(huán)。因?yàn)橄到y(tǒng)采用分段式水位檢測，若采用能量守恒的方法對提前加熱時(shí)間進(jìn)行預(yù)算，也同樣得不到精確的結(jié)果。為了避開繁瑣的計(jì)算過程，本系統(tǒng)中采用了模糊控制思想，使用了如下一些控制語句：IF 水位高AND 溫度差大THEN 加熱時(shí)間長IF 水位適中AND 溫度差適中THEN 加熱時(shí)間適中IF 水位低AND 溫度差低THEN 加熱時(shí)間少采用這種思想后，可以用實(shí)驗(yàn)方法獲得各種情況下需要加熱的時(shí)間， 編制成表格。使用時(shí)，只要查表獲得提前加熱時(shí)間就行了。顯然，表格分得越細(xì)，控制就越準(zhǔn)確。本控制器采用溫差每等于5為一格， 就能滿足控制要求了。為了減小誤差，試驗(yàn)表明，可以采用如圖5 的方法。 圖4-2 水位監(jiān)測處理示意圖實(shí)驗(yàn)中，用水位達(dá)到