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)計不銹鋼保溫水箱排氣管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 :T2T3T1D自來水F10太陽光圖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，熱水器在清晨4-7點之間對水箱進行電加熱，具體控制過

2、 程如下：首先，關(guān)閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機開始進行水箱的溫度采 集，同時進行溫度的比較，當(dāng)水箱的溫度小于 30攝氏度時，電熱器D接通進行 加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的溫度進行采集。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)水集熱過程早晨水溫控制之后（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 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>5攝氏度，T2>T1）

3、為止。如若T仁N那么循環(huán)水集 熱過程結(jié)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(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 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T3>N 打開熱水閥門F3并將保持一段時間，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(guān)閉F3?？梢?，次過程充分利用太陽光能轉(zhuǎn)化為 熱能，

4、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(shè)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(guān)系：表時間（時）溫度比較加熱值（度）15T1<35<N3516T1<40<N4017T1<45<N4518T1<50<N5019T1<55<N5520T1<60&l

5、t;N60最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值 No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 。3熱水器裝置簡圖2.2太陽能熱水器組成及原理-循環(huán)水管 管7-熱水出水管2-3下降水管34-補給水箱5-上升水管6-自來水0的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另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 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。補給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。當(dāng)集

6、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， 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，而平板行集熱器時直接將太陽輻射傳給液體或氣體，是一個復(fù)雜的傳熱過 程。平板型集熱器結(jié)構(gòu)形式很多，世界上已實用的集熱器

7、就有直管式、瓦楞式、 扁管式、鋁翼式等二十多種。3.1.太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求，采用80C51單片機的智能控制器結(jié)構(gòu)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(nèi)部RAM已完全能夠滿足要求。系統(tǒng)的硬件接口電 路包括：控制器實時時鐘接口電路，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32控制器實時時鐘接口電路為實現(xiàn)熱水器24小時供應(yīng)熱水的目的，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)計上則要實時地讀

8、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 DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的時鐘 芯片DS12887該芯片采用CMO戰(zhàn)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、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。5.1K+5VALE 圖3-21KDS12887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，貝U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（00

9、H80H），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(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。圖3-3水位監(jiān)測及顯示接口電

10、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，LEDL LED8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，所以其輸出變?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80C51隨時能夠讀出當(dāng)前的水位情況，

11、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。P1.0-P1.3為行線， P1.4-P1.7為列線，行線與4

12、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(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 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，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。

13、 控制鍵是用戶干預(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74LS16均區(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(diào)穩(wěn)壓器LM317T其中74LS164的引腳Q0-Q7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，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:80

14、C51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(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

15、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 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(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LE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P1.7 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

16、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的輸出電壓，使LED勺顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉 了大量的LED艮流電阻。3.6光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計P2.VCCGNDR6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。 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80C51P2.1 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。

17、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，控制器軟件設(shè)計采用模塊化結(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(yù)算和 一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法進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

18、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(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，可以不用重新設(shè)定，就能按原設(shè)定值對溫度進行控制，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)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(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(zhǔn)確。本控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B1時的結(jié)果代替水位達到 A1時的結(jié)果，B2代替A