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)總體結構設計 排氣管 不銹鋼保溫水箱圖2-1系統(tǒng)結構圖圖2-1為系統(tǒng)設計的結構圖，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點之間對水箱進行電加熱，具體控制過程如下：首先，關閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當水箱的溫度小于30攝氏度時，電熱器D接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的溫度進行采集。當溫度加熱到大于30攝氏度時電熱器斷開，如此反復循環(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），設定當日的水箱溫度N（由兩位BCD次齒輪開關設定），輸入微機，再利用微機控制系統(tǒng)，通過太陽光能對熱水箱加熱以達到理想溫度N。具體控制過程如下：打開循環(huán)閥門F1，關閉冷水進水閥門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)水集熱過程結束，進入冷水集熱控制過程。3. 冷水集熱控制此時熱水箱溫度已達到了N，冷水要進入太陽能集熱器，這時溫度為T3，和當日的設定溫度值相比較，若T3>N則將已加熱的水送入熱水箱，每天的控制時段大概為9點20點。具體控制過程如下：關閉循環(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并將保持一段時間，若T3<N，關閉F3繼續(xù)給太陽能集熱器加熱，知道溫度答應N，當打開F3時此時比較水管水溫T2與N的值，若T2>N閥門F3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關閉F3。可見，次過程充分利用太

4、陽光能轉化為熱能，方便快捷。4. 水箱加熱控制此時，也許你會問如果沒有日照或者日照較弱時，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從系統(tǒng)，這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為T1，將它和設定值N相比較，從而控制是否打開電加熱，控制時段為下午，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20點中的每個小時有下表的關系：表一 時間（時） 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。補給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。 當集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，便經上升水管進入循環(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，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，將太陽能輻射轉換為熱能的裝置，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，而平板行集熱器時直接將太陽輻射傳給液體

7、或氣體，是一個復雜的傳熱過程。平板型集熱器結構形式很多，世界上已實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單片機的智能控制器結構框圖如圖1所示。由于本系統(tǒng)運算量不是很大， 沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存，因此不再外擴數(shù)據(jù)存儲器。僅使用80C51 內部RAM已完全能夠滿足要求。系統(tǒng)的硬件接口電路包括：控制器實時時鐘接口電路，蓄水箱溫度和水位檢測接口電路、設定鍵和串行顯示接口電路、看門狗和復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構圖3.2. 控制器實時時鐘接口電路為實現(xiàn)熱水器24小時供應熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來

8、為系統(tǒng)提供準確的基準時間；在軟件設計上則要實時地讀出當前時間，同設定時間比較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國DALLA S半導體公司最新推出的時鐘芯片DS12887，該芯片采用CMOS 技術，把時鐘芯片所需的晶振和電池以及相關的電路集成到芯片內部，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。它與80C51單片機的接口電路見下圖3-2。 8 +5V 5.1K +5V 1K C 圖3-2 DS12887與單片機接口電路模式選擇腳MOT接地， 選擇IN TEL時序。DS12887 的高位地址用80C51 的P2.4 選擇，則時鐘芯片的

9、高8位地址為EFH，而其低8 位地址則由芯片內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，為單片機提供中斷信號。SQW端口編程為2Hz方波輸出，經二分頻后，驅動兩個LED發(fā)光二極管作為時鐘的秒閃爍顯示。蓄水箱水位和溫度檢測部分是實現(xiàn)溫度智能控制的重要環(huán)節(jié)，只有準確地檢測出水位和溫度，才能通過軟件計算提前開始輔助加熱的預加熱時間。要實現(xiàn)輔助加熱提前時間的精確計算，最好是采用連續(xù)液位傳感器，但考慮系統(tǒng)成本，本設計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：當水箱中無水時，8個非門均由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。當水位高于“非”門1 的輸入探針時，由于水的導電作用，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依次點亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小，因為水的電阻在100k8 左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時，無法把“非”門輸入端拉成低電平。實驗表明， 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 隨時能夠讀出當前的水位情況，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 看門狗和復位接口電路的設計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)器的定時脈沖發(fā)生端，當P1.7 口線超過一定時間不對74L S123發(fā)正脈沖時，系統(tǒng)將自動復位（附錄）。3.5 鍵盤和顯示接口電路的設計鍵盤電路 下圖為80C51單片機P1口構成的中斷方式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個鍵號Ki（I=0-15）次序如圖中標注。 時 鐘 INT1 74HC2110K*4VCC P1.0 A B C D P1.1 P1.2 P1.3復 位、 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 80C51圖3-4 80C51 P1口構成的4*4中斷方式鍵盤 行列式鍵盤處理程序較為復雜，當有鍵按下時74HC21輸出端出現(xiàn)低電平請求中斷；在中斷服務程序中要再次確認是否真有鍵按下，真有鍵按下時，再查出是哪個鍵按下，把該鍵的鍵號送入堆棧保護，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。設計中斷程

13、序時，先在主程序中將中斷系統(tǒng)初始化，并開中斷。在試驗演示中通常開中斷都設置循環(huán)等待。鍵盤和顯示電路是人機交互的重要手段?？刂奇I是用戶干預系統(tǒng)運行的唯一接口，也是用戶比較關心的問題。為了實現(xiàn)控制器對時間與溫度的設定及顯示功能，串行顯示電路采用串入并出芯片74LS164驅動4位數(shù)碼管實現(xiàn)時間與溫度的靜態(tài)顯示。該電路只使用80C51的3個端口，配接4片串入并出移位寄存器74LS164 與1片三端可調穩(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為時鐘脈沖輸入端，在CLK 脈沖的上升沿作用下實現(xiàn)移位，在CLK = 0 、清除端MR =1時

14、，74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài);MR =0 時，74LS164圖3-5 串行口擴展的4位LED顯示電路其工作過程如下:80C51的串行口設定在方式0移位寄存器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由P3.0發(fā)送，移位時鐘由P3.1 送出。在移位時鐘的作用下，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 串級擴展為4個8 位并行輸出口，分別連接到4個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)時其輸出端的變化不反映到LED上，待串行輸入結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。 本設計電路的獨特之處在于僅采用了1片三端可調穩(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NPN 三極管，它的基極受P1.7 口線控制，串行輸入時P1.7 口線為高電平，三極管飽和導通使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，故此時串行輸入的影響不會反映到LED上；串行輸入結束后，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)點是通過可調電位器P1可在線調整腳2的輸出電壓，使LED的顯示亮度均勻可調，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計 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計。當室外光強不足（陰天、下雨）時，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：當單片機80C51P2.1口

17、輸出高電平時，三極管T1導通，致使發(fā)光二極管發(fā)光，同時光敏三極管T2導通，繼電器閉合，電阻絲R1R4發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務，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計4.1 主程序設計熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠在設定的時間向用戶提供設定溫度的熱水，從而給用戶帶來便利。當控制器在設定的時間使水溫達到設定溫度時，將通過聲光報警提醒用戶。根據(jù)這一要求，控制器軟件設計采用模塊化結構，包括主程序、鍵盤中斷子程序、DS12887更新周期結束中斷子程序、LED顯示子程序和提前加熱時間計算子程序等。系統(tǒng)主程序主要完成溫度和水位的檢測以及進行輔助加熱時間預算和一些初始化功能。在

18、主程序中采用了查表方法進行輔助加熱提前量預算。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間設定， 每次設定結束后， 就將設定值存入DS12887 的非易失性RAM中，下次開機時進行讀取。這樣作至少有兩個優(yōu)點：一是系統(tǒng)在不進行設定時，就認定該設定值和先前一次一樣，解決了每次開機總要從頭設定的問題，另一個是若系統(tǒng)在運行中間停電而再次來電時，可以不用重新設定， 就能按原設定值對溫度進行控制，增強了控制器適應外界變化的能力。對提前加熱時間的計算，則是系統(tǒng)能否實現(xiàn)預定功能的重要一環(huán)。因為系統(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間進行預算，也同樣得不到精確的結果。為了避開繁瑣的計算過程，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 加熱時間長IF 水位適中AND 溫度差適中THEN 加熱時間適中IF 水位低AND 溫度差低THEN 加熱時間少采用這種思想后，可以用實驗方法獲得各種情況下需要加熱的時間， 編制成表格。使用時，只要查表獲得提前加熱時間就行了。顯然，表格分得越細，控制就越準確。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)測處理示意圖實驗中，用水位達到