太陽能熱水器監(jiān)控儀研發(fā)設計與制作

1、金華職業(yè)技術學院JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY畢業(yè)教學環(huán)節(jié)成果（2010 屆）題 目學 院專 業(yè)班 級通信071學 號 200731010180137姓 名指導教師 張嵚、黃孝祥2010年6月10日金華職業(yè)技術學院畢業(yè)教學成果目錄摘要 1英文摘要 2引言 31 基本設計框圖 32 溫度傳感器的設計 43 水位傳感器的設計 44 溫度、水位報警控制電路設計 54.1 溫度控制電路 54.2 水位報警控制電路 75 電源設計 10結(jié)論與謝辭 12參考文獻 13附件 141 總原理圖 142 PCB 圖 153 元件清單 17太陽能熱水器監(jiān)控儀

2、的設計與制作 信息工程學院 通信網(wǎng)絡與設備專業(yè) 陳麗娜 摘要 : 本系統(tǒng)是為太陽能熱水器水溫水位的檢測和控制而設計的。在整個控制系統(tǒng)中， 運算放大器為控制核心部件，由傳感器分別檢測水溫和水位，實現(xiàn)對水溫和水位、上水 測量、顯示、報警等功能，并以電磁閥、繼電器為閥門開關實現(xiàn)全自動加熱、上水。整 個系統(tǒng)精度高，耐高溫性強，易于調(diào)整，測試方便，達到設計要求。關鍵詞 : 運算放大器 水溫傳感器 檢測與控制- 1 -Design of Solar Water Heater 's MonitorInformation Engineering College Communications Netwo

3、rkand Equipment of Professional Chen LinaAbstract:. This system is for the solar water heater temperature detection and control of water level design. In the whole control system, the op-amp for the control of the core components, from sensors to detect water temperature and water level, water tempe

4、rature and water level to realize, Sheung Shui, display, alarm and other functions, and to solenoid valve, relay valve switch for the realization of full Auto heating, Sheung Shui. The whole system of high precision, high temperature and strong, easy to adjust, test convenient, meet the design requi

5、rements.Keyword: operational amplifier temperature sensors detection and control引言當前能源緊缺，用電緊張，太陽能是綠色能源，得到廣大用戶的喜愛。使用太陽能 熱水器時存在的問題：不可缺水，空曬情況下上水會爆炸；春、秋天，水溫升高蒸發(fā)， 造成熱能損失；冬天水溫不夠，須用電等等。采用太陽能熱水器智能儀（也稱太陽能熱 水器水溫水位監(jiān)控儀） ，能解決上述問題。使用戶省心，使用方便，智能運行，用戶不 必作任何操作。太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，與常規(guī)能源有很大的區(qū) 別，這就對太陽能的收集和利用提出了較高

6、的要求。在太陽能熱利用中，為了得到中高 溫熱能，必須使集熱器從日出到日落跟蹤太陽，而在太陽能光電中，相同條件下，自動 跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高 35%，成本下降 25%。因此在太陽能利用 中，進行跟蹤裝置的控制方式進行研究是一項很有意義的工作。太陽能熱水器是一種利用太陽輻射能通過溫室效應把水加熱的裝置。 利用聚積的高 溫來加熱水。太陽能熱水器不僅可以為家庭提供低溫用熱水 （40 C60C），還可以為暖 房、溫室、干燥、蒸餾、制冷等熱動力系統(tǒng)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供較高溫度的熱水。但使用 時常常將水放溢，所以設計一套與之配套的監(jiān)控儀是重要的，許多企業(yè)也將其作為一項 重要的工作進行研究 。

7、太陽能熱水器由于具有綠色環(huán)保特色而在人民生活和生產(chǎn)中得到 了很多應用。是太陽能成果應用中的一大產(chǎn)業(yè)，它為百姓提供環(huán)保、安全節(jié)能、衛(wèi) 生的新型熱水器產(chǎn)品，太陽能熱水器就是吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給 人們在生活、生產(chǎn)中使用的節(jié)能設備。進步源于競爭，在我國太陽能擁有廣闊的市場，當然也有更大的競爭，各大商家為 了使自己的產(chǎn)品在市場上立足并長遠發(fā)展，不斷提高太陽能熱水器的性能，其中太陽能 熱水器控制器以其靈活、貼近客戶成為商家競爭的熱點。目前，各大商家紛紛提高太陽 能熱水器的智能化程度來滿足消費者的需求。許多太陽能熱水器的功能有：開機自檢、 溫控上水、強制上水、水位預置、水質(zhì)設置、水溫指示、低水

8、壓上水、水位顯示、防高 溫空曬、缺水報警、自動防溢流、缺水上水、手動上水、故障提示等許多貼近客戶需求 的功能。1基本設計框圖本系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。主要是溫度和水位控制系統(tǒng)，由溫度傳感器，水位 傳感器，音樂報警電路，喇叭，電加熱器，注水控制組成。圖1電路設計框圖電路主要是以三塊集成電路為核心構(gòu)成的，他們分別是LM339 CD4069音樂電路。其中，LM339是一塊四運算電壓比較器，屬專用運算放大器，該電路構(gòu)成了溫度調(diào)節(jié)， 缺水保護及自控信號輸出電路；CD4069B是 一塊六運算反相器，在電路中組成了水位檢 測指示電路；最后是音樂報警電路，可根據(jù)實際需要選用合適的語音或音樂集成電路。 2溫度

9、傳感器的設計設計采用四比較器的恒溫控制器，使用一個Rt的熱敏電阻，電路可以用最少的元件、成本和復雜性將溫度控制到 1C或更好的精度。該電路含有保護以防止溫度傳感器 短路或開路，且所有的元器件都是常用件。溫度傳感器是一種熱敏電阻傳感器。它是最靈敏的溫度傳感器。熱敏電阻具有高精度和可替換性，溫度量程較寬。這個設計是基于一個LM339（四比較器），并包含了溫度補償。由于比較器的溫漂會 產(chǎn)生的Vos的變化，并導致了振蕩器輸出改變。然而，在產(chǎn)生工作周期的比較器上，也 發(fā)生了同樣的變化，兩者相抵消從而消除了控制器的溫漂。 該控制器的核心是由IC1-1、 IC1-2、IC1-3、IC1-4和相關元件組成的振

10、蕩器。振蕩器輸出的電壓峰值和最小電壓值 是決定控制器精度的主要因素。3水位傳感器的設計熱水器的水位傳感器其實是壓力傳感器，水位越高則壓力越大。壓力傳感器由傳 導管，硅油和半導體壓敏元件組成水壓經(jīng)硅油傳遞給壓敏元件。壓敏元件將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換水位檢測傳感器由六只導電片構(gòu)成。間歇振蕩器由六非門集成電路 IC（CD4069）內(nèi)部的非門電路。和有關外圍元器件組 成。當水箱內(nèi)無水或送水未到位時，水位傳感器的六個導電片處于開路狀態(tài)。當水箱加 水到位時，水位檢測傳感器的六個導電片坷水接觸 （ 通過水接通 ）。4 溫度、水位報警控制電路設計電路接通電源后，VD仁VD4整流，C1濾波，

11、R1限流，VDW穩(wěn)壓后的10V電壓通過 R3對C3進行充電，由于C3上的電壓不會突變，使IC1-4腳為低電平，而腳2V,故 14腳為高電平，LED2（綠）點亮，以示電源已接通。4.1溫度控制電路電路采用芯片LM339來實現(xiàn)熱水器水溫的控制。LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。 兩個輸入端一個稱為同相輸入端， 用“+”表示，另一個稱為反相輸入端， 用“-”表示。 用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平， 它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“ -”端時，輸出管截止，

12、相當于輸出端開路。當“ -”端電壓高于“ +”端 時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10m V就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端 到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響 輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉 電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。溫控電路 IC1-1 為核心構(gòu)成。 Rt 為水溫傳感器，用來檢測水的溫度。溫控電路在水箱

13、注水量超過 2/6水位后有效，此時IC1-2腳輸出高電平。RP3電 位器用于設定水溫（通過改變IC1-1腳上的電位），IC1-1電位會隨Rt電阻值的變化 而改變，當水溫箱內(nèi)水溫升高時，Rt電阻值減小，腳電位下降。當腳電壓小于腳 時，腳輸出低電平，該信號經(jīng) Rt使VT1截止，KA繼電器線圈斷電，電熱管因此也斷 電停止加熱。經(jīng)過一段時間后，下降的水溫使Rt電阻值上升，一旦IC1-1腳電壓比腳高，腳又輸出高電平，使 KA吸合，電加熱管又會通電加熱由此就可使水溫保持在設定的溫 度值上。RP1與RP2為輔助刻度調(diào)整電位器，為將RP3的刻度值設定好以后，調(diào)整RP1與RP2 的電阻值，可使RP3旋轉(zhuǎn)角度與刻

14、度值相符。圖2水溫控制原理圖- 5 -圖3水溫控制電路 PCB圖4.2水位報警控制電路電路采用CD4069數(shù)字集成電路制作的水位自動控制器， 它能自動檢測和控制水池 中的水位，在水位低于某一位置時，自動接通水泵電動機的電源進行注水；當水位升至一 定高度時，又能自動切斷水泵電動機的電源。CD4069是六反相器集成電路（IC），采用雙列式塑封裝（14引腳），該IC內(nèi)含 六個獨立的反相器，每個反相器均可執(zhí)行邏輯的反相操作。用它還可構(gòu)成振蕩器、脈沖 整形和小信號的電壓放大等。振蕩器的工作是基于電平通過每個反相器時，需要一定的傳輸時間T，即每個反相器均存在電平傳輸?shù)难舆t而形成的方波輸出。例如，當電路加電

15、時，其輸出端設定為“0”電平（也可設定為“ 1”電平），按圖的環(huán)形連接法，A點也為“0”電平。根據(jù)反 相器求反邏輯，反相器I的輸出為“ 1”電平，從I的輸入到I的輸出電平的傳輸延時 為t。同理電平通過反相器U和川時，共需傳輸 2t的時間?！?”電平從A的輸入到川 的輸出端需傳輸3 t的時間。按反相器求反的功能，從I的 A點“0”電平經(jīng)3t后，川 的輸出端從原來的“ 0”電平轉(zhuǎn)為“ 1”電平。該“ 1”電平又到A點，再經(jīng)3t又到川的 輸出端使輸出又從“ 1”電平轉(zhuǎn)到“ 0”電平（1）注水過程當水箱注水時，隨水位的提高水電阻1/6和2/6處的導電片接通，IC2-1腳和IC1-2腳變?yōu)榈碗娖?，叫和腳

16、輸出高電平，LED3 LED4點亮顯示水位，腳的高電平同 時送到IC1-2腳輸出高電平，經(jīng)R7使VT1導通，KA繼電器線圈得電吸合，常開觸點 KA1 KA2閉合后電熱管通電加熱。由于IC1-2腳電位較高，IC3的腳為高電平，LED1 點亮，以示加熱器工作。此時，IC1-4的14腳為低電平，LED2熄滅，（LED1與LED2可 采用變色管）。（ 2）缺水保護缺水保護電路主要由 IC1-2 為核心構(gòu)成。 水箱在無水狀態(tài)下 IC1-2 的腳始終為低 電平，VT1截止，KA繼電器不會工作。只有當水位上升到2/6水位時，水彩淹沒加熱器， 使IV1-2腳出現(xiàn)高電平，VT1導通，電熱管才工作，以保證電熱管不

17、會空燒。（ 3）水滿溢出報警水滿溢出報警電路如圖右邊上部IC3及幾只二極管所示，主要由IC3音樂集成塊為 核心構(gòu)成，它是利用水位上升到 6/6水位，LED8亮時的正向脈沖前沿出發(fā)IC3工作的， 使BL蜂鳴器喇叭發(fā)聲，以示水滿，應及時斷水，避免浪費。圖中的R1曠R15是6只水位風壓電阻器，6只導電片用于檢測水位，LED3-LED8 的 6 只發(fā)光二極管用于指示相應的水位。F172圖4水位報警控制原理圖圖5水位報警控制電路 PCB圖- 9 -5電源設計電源電路由電源變壓器 T,四個二極管組成。交流220v電壓經(jīng)變壓器T降壓降至 12v,在通過四個二極管整流。變壓器的工作原理是用電磁感應原理工作的。

18、變壓器有兩組線圈。初級線圈和次級 線圈。次級線圈在初級線圈外邊。當初級線圈通上交流電時，變壓器鐵芯產(chǎn)生交變磁場， 次級線圈就產(chǎn)生感應電動勢。變壓器的線圈的匝數(shù)比等于電壓比。D24001D44001圖7電源電路PCB圖- 17 -結(jié)論與謝辭本次畢業(yè)設計是設計一電路，實現(xiàn)對太陽能熱水器的監(jiān)控功能，包括水位、溫度及 報警。經(jīng)過這次畢業(yè)設計，使我更加鞏固了 2 年多的專業(yè)知識，包括數(shù)字電路、電路基 礎、模擬電路，通信原理等。更加熟練運用了畫圖軟件 Protel 99se, 繪制原理圖及 PCB 圖，以及能熟練使用 word、powerpoint 等計算機辦公軟件。還使用雕刻機刻板，鉆孔 機打孔。經(jīng)過幾

19、個月的查資料、整理材料、寫作論文，今天終于可以順利的完成論文的最后 的謝辭了，想了很久，要寫下這一段謝詞，表示可以進行畢業(yè)答辯了，自己想想求學期 間的點點滴歷歷涌上心頭，時光匆匆飛逝，四年多的努力與付出，隨著論文的完成，終 于讓學生在大學的生活，得以劃下了完美的句點。論文得以完成，要感謝的人實在太多了，首先要感張嵚老師，因為論文是在張老師 的悉心指導下完成的。 張老師淵博的專業(yè)知識， 嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度， 精益求精的工作作風， 誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅 力對我影響深遠。本論文從選題到完成，每一步都是在張老師的指導下完成的，傾注了 張老師大量的心血。同時，論文的順利完成，離不開其它各位老師、同學和朋友的關心和幫助。在整個 的論文寫作中，各位老師、同學和朋友積極的幫助我查資料和提供有利于論文寫作的建 議和意見， 在他們的幫