太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理-最新年文檔

1、太陽(yáng)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(jì)2-2 :水熱F1T1D0 太陽(yáng)光注釋:自來(lái)水T1T2T3F1F2F31圖2-2系統(tǒng)控制原理圖 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(mén) 冷水閥門(mén) 熱水閥門(mén)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)水箱進(jìn)行電加熱，具體控制過(guò) 程如下：首先，關(guān)閉冷水閥門(mén)F2和循環(huán)水閥門(mén)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

2、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(mén)F1,關(guān)閉冷水進(jìn)水閥門(mén)F2,熱水閥門(mén)F3處于空控狀態(tài)。然后 開(kāi)始比較溫度，若（T3-T1>5攝氏度，T2>T1）為止。如若T仁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

3、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T(mén)3,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(mén)F2,打開(kāi)冷水閥門(mén)F2,熱水閥門(mén)F3處于可控狀態(tài)。若T3>N 打開(kāi)熱水閥門(mén)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，若T2>N閥 門(mén)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

4、 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<N4017T1<45<N4518T1<50<N5019T1<55<N5520T1<60<N60最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值 No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

5、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 。2.2太陽(yáng)能熱水器組成及原理3熱水器裝置簡(jiǎn)圖2-31-集熱器2-下降水管-4-補(bǔ)給水箱5-上升水管6-自來(lái)水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-循環(huán)水管 管7-熱水出水管0的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另端與集熱器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

6、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，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。3.1.太陽(yáng)能控制器硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求

7、，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 串行顯示接口電路、看門(mén)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32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

8、新推出的時(shí)鐘 芯片DS12887該芯片采用CMO戰(zhàn)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3-2。5.1KALE 圖3-2+5V 1KDS12887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 P2.4選擇，貝U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

9、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。3.3.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，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。圖3-3水位監(jiān)測(cè)及顯示接口電路檢測(cè)原理如下：當(dāng)水箱中無(wú)水時(shí)，8個(gè)非門(mén)均由1M歐姆電阻上拉成高電平，所以圖中各“非

10、”門(mén)（CD4069）輸出均為低電平，LEDL LED8均不亮。當(dāng)水位高 于“非”門(mén)1的輸入探針時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，使“非”門(mén) 1的輸入變?yōu)榈?電平，所以其輸出變?yōu)楦唠娖?，LED點(diǎn)亮，依此類(lèi)推。隨著水位的上升，各“非” 門(mén)輸出相繼為高電平，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?00k8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(mén)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

11、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)。3.4看門(mén)狗和復(fù)位接口電路的設(shè)計(jì)控制器的看門(mén)狗電路由兩級(jí) 74LS123芯片組成。用P1.7作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 的定時(shí)脈沖發(fā)生端，當(dāng)P1.7 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）。3.5鍵盤(pán)和顯示接口電路的設(shè)計(jì)3.5.1 鍵盤(pán)電路下圖為80C51單片機(jī)P1 口構(gòu)成的中斷方式4*4鍵盤(pán)電路。P1.0-P1.3為行線, P1.4-P1.7為列線，行線與4輸入與門(mén)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

12、 （I=0-15 ）次序如圖中標(biāo)注。INT1P1.0P1.1P±2P1.3復(fù)4位P1.5、P1.6| P1.710K*4VCCD丿J/1B CyD/J/JJ-NA80C51圖3-4 80C51 P1 口構(gòu)成的4*4中斷方式鍵盤(pán)行列式鍵盤(pán)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(pán)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。3

13、.5.3顯示接口電路的設(shè)計(jì)鍵盤(pán)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74LS16均區(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(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)， 74

14、LS164輸出清零，其顯示電路如3.5.3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 P3.0發(fā)送，移位時(shí)鐘由P3.1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。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(mén)，使移位寄存器串

15、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(mén)，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，它的基極受P1.7 口線控制， 串行輸入時(shí)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(yáng)極LE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P1.7 口線為低電平，三極管截止，腳2輸出

16、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(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(jì)上圖為太陽(yáng)能熱水器光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)80C51P2.1 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

17、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?？刂破鞯能浖O(shè)計(jì)4.1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(pán)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(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)

18、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