太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理

1、太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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 ：T3T2F 3 熱水箱T1D自來(lái)水F1F1太陽(yáng)光F2圖 2-2 系統(tǒng)控制原理圖注釋： T1T2T3F1F2F3：熱水箱的溫度傳感器 ：循環(huán)水管中的溫度傳感器 ：集熱器中的溫度傳感器 ：循環(huán)水閥門：冷水閥門：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(yáng)光較弱， 所以太陽(yáng)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(diǎn)之間對(duì)水箱

2、進(jìn)行電加熱，具體控制過(guò) 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(kāi)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(duì)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(kāi)，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(guò)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(kāi)關(guān)設(shè)定），輸入微機(jī)，再利用微機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)太陽(yáng)光能對(duì)熱水箱加熱以達(dá) 到理想溫度 N。具體控制過(guò)程如下：打開(kāi)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(kāi)始比較溫度

3、，若（ T3-T1>5攝氏度， T2>T1）為止。如若 T1=N，那么循環(huán)水集 熱過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入冷水集熱控制過(guò)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(yáng)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(guò)程如下：關(guān)閉循環(huán)水閥門 F2，打開(kāi)冷水閥門 F2，熱水閥門 F3處于可控狀態(tài)。若 T3>N， 打開(kāi)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(yáng)能集熱器加 熱，知道溫度答應(yīng) N，當(dāng)打開(kāi) F3時(shí)此時(shí)比較水管水溫 T2與 N的值，

4、若 T2>N閥 門 F3 繼續(xù)保持打開(kāi)狀態(tài)，否則關(guān)閉 F3?？梢?jiàn)，次過(guò)程充分利用太陽(yáng)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(huì)問(wèn)如果沒(méi)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(kāi)電 加熱，控制時(shí)段為下午，具體過(guò)程如下：若 T1<N，電加熱接通；否則，電加熱斷開(kāi)，而且， 15 點(diǎn)20 點(diǎn)中的每個(gè)小 時(shí)有下表的關(guān)系：表時(shí)間（時(shí)）溫度比較加熱值（度）15T1<35<N3516T1<40<N401

5、7T1<45<N4518T1<50<N5019T1<55<N5520T1<60<N60最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值N。由此可見(jiàn)，即使沒(méi)有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。 綜上所述，太陽(yáng)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(duì)賓館、學(xué)校等都是最佳選擇 。太陽(yáng)能熱水器組成及原理612-3 熱水器裝置簡(jiǎn)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(lái)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

6、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 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(yáng)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(duì)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(yáng)能輻射轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，

7、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(guò)程，而平板行集熱器時(shí)直接將太陽(yáng)輻射傳給液體或氣體， 是一個(gè)復(fù)雜的傳熱過(guò) 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。. 太陽(yáng)能控制器硬件結(jié)構(gòu)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(méi)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(chǔ)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(cè)接口電路、 設(shè)定鍵和串行顯示接口

8、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(yáng)能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖. 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(lái)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(guó) DALLAS 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(jiǎn)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(jiàn)下圖

9、 3-2 。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 選擇，則時(shí)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(lái)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(hào)。 SQW端口編程為 2Hz 方波輸出，經(jīng)二 分頻后，驅(qū)動(dòng)兩個(gè) LED發(fā)光二極管作為時(shí)鐘的秒閃爍顯示。. 水位檢測(cè)和溫度檢測(cè)接口電路 蓄水箱水位和溫度檢測(cè)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(cè)出水位和溫度，

10、才能通過(guò)軟件計(jì)算提前開(kāi)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(guò)軟件來(lái)提高精度 ） ，在水位顯示上也仍采用分 段顯示。水位檢測(cè)部分的硬件連接如圖 3 所示。檢測(cè)原理如下：當(dāng)水箱中無(wú)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?電平，所以其輸出變?yōu)楦唠娖剑?LED點(diǎn)亮，依此類推。隨著水位的上升，各“非” 門輸出相

11、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?100k8 左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時(shí)， 無(wú)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 80C51 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(cè)電路采用 DS18B20 芯片使其換成脈沖信號(hào)，送到 80C51的 I/O 口（ 編程為計(jì)數(shù)器工作模式 ） ，通過(guò) 測(cè)量輸出脈沖頻率的大小來(lái)?yè)Q算成水溫高低信號(hào)?？撮T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(jí) 74LS123芯片

12、組成。用作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí) 脈沖發(fā)生端，當(dāng) 口線超過(guò)一定時(shí)間不對(duì) 74L S123發(fā)正脈沖時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)復(fù)位 （附錄）。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。為行線，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 INT1相連。16 個(gè)鍵號(hào) Ki （I=0-15 ）次序如圖中標(biāo)注。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(qǐng) 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

13、按下，把該鍵的鍵號(hào)送入堆棧保護(hù)，等待鍵釋放后再將鍵號(hào)彈出 A 中。 該鍵盤輸入處理程序的出口狀態(tài)是鍵號(hào)在 A中。設(shè)計(jì)中斷程序時(shí)， 先在主程序中 將中斷系統(tǒng)初始化，并開(kāi)中斷。在試驗(yàn)演示中通常開(kāi)中斷都設(shè)置循環(huán)等待。顯示接口電路的設(shè)計(jì)鍵盤和顯示電路是人機(jī)交互的重要手段。 控制鍵是用戶干預(yù)系統(tǒng)運(yùn)行的唯一 接口，也是用戶比較關(guān)心的問(wèn)題。 為了實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)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(dòng) 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74LS16

14、4 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)，74LS164保持原來(lái)數(shù)據(jù)狀態(tài) ; MR= 0 時(shí)，74LS164 輸出清零，其顯示電路如圖。圖3-5 串行口擴(kuò)展的 4位 LED顯示電路其工作過(guò)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)由發(fā) 送，移位時(shí)鐘由 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(jí)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。

15、需要指出的是，由于 74LS164 無(wú)并行輸出控 制端，因而在串行輸入過(guò)程中， 其輸出端的狀態(tài)會(huì)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)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(kāi)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

16、極受 口線控制， 串 行輸入時(shí) 口線為高電平，三極管飽和導(dǎo)通使 317T 的腳1約為 V，腳2輸出電壓隨 之下降到 V ，不足以使共陽(yáng)極 LED發(fā)光，故此時(shí)串行輸入的影響不會(huì)反映到 LED 上；串行輸入結(jié)束后，使口線為低電平，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(huì)閃爍。本電路的另一優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)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。光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計(jì)VCC圖 3-6 輔助加熱電路圖上圖為太陽(yáng)能熱水器光

17、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(duì)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)口輸出高電平時(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(jiǎn)單，但在太陽(yáng)能熱水器中是必不可少的。控制器的軟件設(shè)計(jì)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(lái)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(guò)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

18、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(cè)以及進(jìn)行輔助加熱時(shí)間預(yù)算和 一些初始化功能。 在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(duì)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(kāi)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(kāi)機(jī)總要從頭設(shè)定的問(wèn)題， 另一個(gè)是若系統(tǒng)在運(yùn)行中間停電而再次來(lái)電時(shí)，可以不用重新設(shè)定， 就能按原 設(shè)定

19、值對(duì)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(duì)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(cè)， 若采用能量守恒的方法對(duì)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(kāi)繁瑣的計(jì)算過(guò)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(yǔ) 句：IF 水位高 AND 溫度差大 THEN 加熱時(shí)間長(zhǎng)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(cè)處理示意圖實(shí)驗(yàn)中，用水位達(dá)到 B1時(shí)的結(jié)果代替水位達(dá)到 A1時(shí)的結(jié)果，B2代替 A2，B3 代 替 A3，