太陽能電熱水器設(shè)計(jì)方案

1、天陽能電熱水器設(shè)計(jì)方案一、 引言隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)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(rèn)識(shí)，“低碳經(jīng)濟(jì)”這一概念開始進(jìn)入人們的視野。人們?cè)诖罅Φ陌l(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。能源問題將更為突出：從長遠(yuǎn)來看，全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有：儲(chǔ)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(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.89210的

2、13次方千億t。太陽能對(duì)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(shí)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?xì)鉄崴魇袌觥?000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(shí)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(shí)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(diǎn)：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(shí)間太長； 4、在熱水流出前都必須浪費(fèi)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(dá)10-25升/次。 而快熱式電熱水器 克服了上述缺點(diǎn)。它有很多優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(shí)間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費(fèi)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(chǔ)水罐，熱水隨開隨用，無須預(yù)熱，減少了電能浪費(fèi)。另外，它還具有體積小，使用安全，安裝方便等特點(diǎn)。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(jì)出較好的快熱式電熱水器必須要以較強(qiáng)的單片機(jī)作為基礎(chǔ)，而單片機(jī)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(jì)的快熱式家用電熱水器系統(tǒng)采用電源電路、單片機(jī)控制器、溫度檢測(cè)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(hào)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(jì)內(nèi)容太陽能電熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式很多。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)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(jì)的基于單片機(jī)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(shí)時(shí)顯示功能，并能完成溫度設(shè)定等功能，具體實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)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(dòng)控制電輔助設(shè)備加熱；三、 設(shè)計(jì)方案1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：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系統(tǒng)開始工作開始上水水位傳感器測(cè)水位判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)Yes判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)判斷水位是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)判斷水位

6、是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器測(cè)溫判斷溫度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)Yes系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)保溫水位傳感器測(cè)水位熱水器使用時(shí)加熱NoNo水位采集模塊 電容式液位傳感器系統(tǒng)1設(shè)計(jì)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(cè)液體液位的變化而變化，從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測(cè)量，所以要通過放大電路進(jìn)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(jī)，把信號(hào)送入單片機(jī)。顯示電路連接于單片機(jī)用于顯示水位的高度。2系統(tǒng)框圖被測(cè)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

7、成相應(yīng)的電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號(hào)一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進(jìn)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(shí)現(xiàn)將模擬量轉(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(jī)：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(jī)。3 傳感器原理電容式液位傳感器系統(tǒng); 它利用被測(cè)體的導(dǎo)電率, 通過傳感器測(cè)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(jī)進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進(jìn)行顯示,該系統(tǒng)對(duì)液位深度具有測(cè)量、顯示與

8、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(diǎn)。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(xì)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(cè)液體共同構(gòu)成的金屬圓柱形電容器構(gòu)成。該傳感器主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測(cè)液體液位的變化而變化, 從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。圖3-1-2傳感器原理圖3.2 測(cè)量原理由圖1 可知, 當(dāng)可測(cè)量液位H = 0 時(shí), 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(xiàn)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;

9、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(dāng)可測(cè)量液位）為H 時(shí), 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(dāng)傳感器內(nèi)液位由零增加到H 時(shí), 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?yàn)閰?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

10、入液體的深度H 成線性關(guān)系。由此, 只要測(cè)出電容值便能計(jì)算出水位。3.3將電容轉(zhuǎn)化成電信號(hào)部分采用運(yùn)算法測(cè)量電路來轉(zhuǎn)化。該電路由傳感器和固定的標(biāo)準(zhǔn)電容以及運(yùn)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，集成溫度傳感器實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： 式中，K波爾茲常數(shù)；q電子電荷絕對(duì)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(diǎn)，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

11、0時(shí)輸出為0，溫度25時(shí)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(cè)量水箱內(nèi)攝氏度如圖2所示，電位器R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0時(shí)調(diào)整R2，使輸出VO=0，然后在100時(shí)調(diào)整R4使VO=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時(shí)，VO=0mV，100時(shí)VO=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。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(shí)現(xiàn)。另外，測(cè)量華氏溫度（符號(hào)為）時(shí)，因華氏溫度等于熱力學(xué)

12、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(shí)， VO=17.8mV；溫度為100時(shí)，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。電加熱模塊加熱模塊主要靠熱電阻加熱溫度傳感器被檢測(cè)信息傳感器檢測(cè)電路輸出單元本方案使用電阻式傳感器，由于檢測(cè)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(gè)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(hào)一般比較微弱，常常將電橋輸出信號(hào)加以放大，所以在測(cè)量電路中一般還帶有放大器銅熱電阻采用銅熱電阻進(jìn)行溫度的測(cè)量，測(cè)量范圍一般為50度150度。在此溫度范圍內(nèi)線

13、性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純加工，價(jià)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(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)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(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)輸入量（如電壓、電流、溫度等）達(dá)到規(guī)定值時(shí)，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(diǎn)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(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的