太陽能熱水器的組成及工作原理xyline

1、詳圖介紹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 調(diào)節(jié)閥 圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2-1為系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖，該圖的系統(tǒng)控制原理圖如下圖2-2： T3 T2仃 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 此款太陽能熱水器利用微機控制主要有以下兒種控制功能: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 山于清晨太陽光較弱，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，熱水器在清晨4-7點之間對水箱進(jìn)行電

2、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,然后微機開始進(jìn)行水箱的溫度采 集，同時進(jìn)行溫度的比較，當(dāng)水箱的溫度小于30攝氏度時，電熱器D接通進(jìn)行 加熱，同時微機繼續(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 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 早晨水盤冠制之后（79點），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，再利用微機控制系統(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-T15攝氏度，T2

3、T1）為止。如若T1二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 此時熱水箱溫度已達(dá)到了山冷水要進(jìn)入太陽能集熱器，這時溫度為T3,和 當(dāng)日的設(shè)定溫度值相比較，若T3N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(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T3N, 打開熱水閥門F3并將保持一段時間,若T3N閥 門F3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關(guān)閉F3。可見，次過程充分利用太陽光能轉(zhuǎn)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

4、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(shè)定値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TKN,電加熱接通；否則，電加熱斷開，而且，15點20點中的侮個小 時有下表的關(guān)系： 表一 時間（時） 溫度比較 加熱值（度） 15 T135N 35 16 Tl40N 40 17 T145N 45 18 Tl50N 50 19 T155N 55 20 Tl60N 60 最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值N。山此可見，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

5、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 吊行顯示接口電路、看門狗和復(fù)位接口電路以及繼電器輸岀接口電路等。 80c51 圖31太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)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(yīng)熱水的U的，控制器必須有一個實時時鐘來為系 統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時間；在軟件設(shè)訃上則要實時地讀出當(dāng)前時間，同設(shè)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(dǎo)體公司最新推出的時鐘 芯片DS12887,該芯片采用CMOS技術(shù)，把時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

6、、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3-2o 80C51 DS12887 圖32 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LED發(fā)光二極管作為時鐘的秒閃爍顯示。 3. 3.水位檢測和溫度檢測接口電路 蓄水箱水位和溫度檢測部分

7、是實現(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，才能通過軟件計算提前開始輔助加熱的預(yù)加熱時間。要實現(xiàn)輔 助加熱提前時間的精確訃算，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。 PO (8031) 74LS32 圖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，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,LEDLED8均不亮。當(dāng)水位高 于“非”門1的輸入探針時，由于水的導(dǎo)電作用，使“非”門1的輸入變?yōu)榈?電平，

8、所以其輸出變?yōu)楦唠娖剑琇ED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100R8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80C51隨時能夠讀出當(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

9、電路的設(shè)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(dāng)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(fù)位（附錄）。 3.5鍵盤和顯示接口電路的設(shè)計 3. 5. 1鍵盤電路 下圖為80C51單片機P1 口構(gòu)成的中斷方式4*4鍵盤電路。Pl. 0-P1. 3為行線, P1.4-P1. 7為列線，行線與4輸入與門74HC21的一組輸入端相連，輸出端與外 部中斷IVT1相連。16個鍵號Ki （1=0-15）次序如圖中標(biāo)注。 80C51 圖3-4 80C51 Pl 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)

10、有鍵按下時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，再查出 是哪個鍵按下，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岀口狀態(tài)是鍵號在A中。設(shè)計中斷程序時，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(shè)置循環(huán)等待。 3. 5.3顯示接口電路的設(shè)計 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(yù)系統(tǒng)運行的唯一 接口，也是用戶比較關(guān)心的問題。為了實現(xiàn)控制器對時間與溫度的設(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)碼管實現(xiàn)時間與溫度的靜 態(tài)顯示。 該電路只使用

11、80C51的3個端口，配接4片吊入并出移位寄存器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為時鐘脈沖輸入端，在CLK脈沖的上升沿作用下實現(xiàn)移 位，在CLK二0、清除端MR二1時,74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài);MR二0時,74LS164 輸出清零，其顯示電路如3. 5.3圖。 MS 圖35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74LS1

12、64中。4片74LS164串級擴(kuò)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，山于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殼度，影響了顯示的效果。以往的做法是在74LS164的 輸岀端加接4片鎖存器或三態(tài)門，使移位寄存器吊行輸入數(shù)據(jù)時其輸岀端的變化 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)定的廠一 送給LED 本設(shè)計電路的獨特之處在于僅采用了 1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T, 31 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I . 電壓而變

13、化。腳1與接地電阻之間并一個NPN三極管，它的基極受Pl7 口線控制, 串行輸入時Pl7 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 輸岀電壓隨之下降到1.5V,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(jié)束后，使Pl7口線為低電平，三極管截止，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)點是通過 可調(diào)電位器P1可在線調(diào)整腳2的輸岀電壓，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

14、路設(shè)計 圖36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)訃。當(dāng)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(dāng)單片機80C51P2口輸出高電平時，三極管T1導(dǎo)通，致使發(fā)光二極 管發(fā)光，同時光敬三極管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。 控制器的軟件設(shè)計 4.1主程序設(shè)計 熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠在設(shè)定的時間向用戶提供設(shè)定溫度的 熱水，從而給用戶帶來便利。當(dāng)控制器在設(shè)定的時間使水溫達(dá)到設(shè)定溫度時，將 通過聲光報警提醒用戶。 根據(jù)這一要求，

15、控制器軟件設(shè)計釆用模塊化結(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(jìn)行輔助加熱時間預(yù)算和 一些初始化功能。在主程序中釆用了查表方法進(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，下次開機時進(jìn)行讀取。這樣作至少有兩個優(yōu)點：一是系統(tǒng)在不進(jìn)行設(shè) 定時，就認(rèn)定該設(shè)定值和先前一次一樣，解決了每次開機總要從頭設(shè)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

16、設(shè)定，就能按原 設(shè)定值對溫度進(jìn)行控制，增強了控制器適應(yīng)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(yù)定功能的重要一環(huán)。因為系統(tǒng)釆用分段式水位檢測， 若采用能量守恒的方法對提前加熱時間進(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AD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(xì)，控 制就越準(zhǔn)確。本控

17、制器采用溫差每等于5C為一格，就能滿 足控制要求了。為了減小誤差，試驗表明，可以釆用如圖5的方法。 水位探針 圖4-2水位監(jiān)測處理示意圖 實驗中，用水位達(dá)到B1時的結(jié)果代替水位達(dá)到A1時的結(jié)果，B2代替A2, B3代 替A3, B4代替A4。這樣，CPU讀入的Al水位查表后得到的預(yù)加熱時間是實驗 中水位在B1處的時間。經(jīng)過這種處理，會把山于分段檢測而產(chǎn)生的計算誤差減 小一半，由原來的h變成了 h/2（h為分段水位檢測間隙）o如果水箱水深為40cm, 分8段檢測，此種處理方法的計算將使水位誤差山原來的5cm變成了 25cm。這 種誤差對于民用的熱水器來說，已完全能夠滿足要求了。 4. 2顯示子程序 分析表明，移位寄存器74LS164僅有串入并出作用沒有譯碼功能。因此，在 編寫顯示驅(qū)動程序之前，首先需要計算列寫出與本電路對應(yīng)的LED段選碼,然后 III80C51的P3.0口送入74LS164的串行輸入端，再并行輸出到LED的段選端。需要 抬岀的是，上面顯示電路采用T0S28106BHK型號的共陽極LED顯示器，根據(jù)PCB印