太阳能热水器的组成及工作原理

1、系统总体结构设计 图2-1系统结构图 图2-1 为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图 2-2 ： T3 T2 F 3 热 集 水 热 F1 箱 器 太阳光 T1 自来水 F2 图 2-2 系统控制原理图 注释： T1：热水箱的温度传感器 T2：循环水管中的温度传感器 T3：集热器中的温度传感器 F1：循环水阀门 F2：冷水阀门 F3：热水阀门 此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能： 晨水加热控制、 温水循环控 制、冷水集热控制、水箱加热控制。 1. 早晨水温控制 由于清晨太阳光较弱， 所以太阳能热水器从系统发挥作用。 为了提供温度不 低于 30 摄氏度的水，热水器在清晨 4-

2、7 点之间对水箱进行电加热，具体控制过 程如下： 首先，关闭冷水阀门 F2 和循环水阀门 F1，然后微机开始进行水箱的温度采 集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于 30 摄氏度时，电热器 D接通进行 加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于 30 摄氏度时 电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。 2. 循环水集热过程 早晨水温控制之后（ 79 点），设定当日的水箱温度 N（由两位 BCD次齿轮 开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达 到理想温度 N。具体控制过程如下： 打开循环阀门 F1，关闭冷水进水阀门 F2，热水阀门 F3处于空控状

3、态。 然后 开始比较温度，若（ T3-T15摄氏度， T2T1）为止。如若 T1=N，那么循环水集 热过程结束，进入冷水集热控制过程。 3. 冷水集热控制 此时热水箱温度已达到了 N，冷水要进入太阳能集热器， 这时温度为 T3，和 当日的设定温度值相比较，若 T3N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时 段大概为 9 点 20 点。具体控制过程如下： 关闭循环水阀门 F2，打开冷水阀门 F2，热水阀门 F3处于可控状态。若 T3N， 打开热水阀门 F3 并将保持一段时间，若 T3N阀 门 F3 继续保持打开状态，否则关闭 F3。可见，次过程充分利用太阳光能转化为 热能，方便快捷。 4. 水箱加

4、热控制 此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时， 到了晚上我们是否还能洗 上热水澡吗？答案是肯定的， 不要忘了这款热水器还有一个从系统， 这时它就要 发挥作用了。热水箱温度为 T1，将它和设定值 N 相比较，从而控制是否打开电 加热，控制时段为下午，具体过程如下： 若 T1N，电加热接通；否则，电加热断开，而且， 15 点20 点中的每个小 时有下表的关系： 表 时间 （时） 温度比较 加热值（度） 15 T135N 35 16 T140N 40 17 T145N 45 18 T150N 50 19 T155N 55 20 T160N 60 最终热水箱的温度加热到设定值 N。由此可见，即使

5、没有日照我们照样可以洗上 热水澡了。 综上所述，太阳能供热控制系统不仅节约而且高度只能化， 方便省事， 不论 日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择 。 太阳能热水器组成及原理 5 2-3 热水器装置简图 1- 集热器 2- 下降水管 3- 循环水管 4- 补给水箱 5- 上升水管 6- 自来水管 7- 热水出水管 热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成， 图中为典型的热水器装置图。 图中集热器 1按最佳倾角放置， 下降水管 2的一端与循环水箱 3的下部相连，另 一端与集热器 1 的下集管接通。上升水管 5 与循环水箱 3上部相连，另一端与集 热器 1 的上集管相接。补给水箱 4供给循环水

6、箱 3 所需的冷水。 当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高 后，水的比重减轻， 便经上升水管进入循环水箱上部。 而循环水箱下部的冷水比 重较大，就由水箱下流到集热器下方， 在集热器内受热后又上升。 这样不断对流 循环，水温逐渐提高， 直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时， 水温不再 升高。这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。 集热器是一种利用温室效应， 将太阳能辐射转换为热能的装置， 该装置与一 般热水交换器不一样， 热交换器通常只是液体到液体， 或是液体到气体的热交换 过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体， 是一个复杂的传热过 程。

7、平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、 扁管式、铝翼式等二十多种。 . 太阳能控制器硬件结构 根据控制要求，采用 80C51单片机的智能控制器结构框图如图 1所示。由于 本系统运算量不是很大， 没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不再外扩 数据存储器。仅使用 80C51 内部 RAM已完全能够满足要求。系统的硬件接口电 路包括：控制器实时时钟接口电路， 蓄水箱温度和水位检测接口电路、 设定键和 串行显示接口电路、看门狗和复位接口电路以及继电器输出接口电路等。 图 3-1 太阳能控制器硬件结构图 . 控制器实时时钟接口电路 为实现热水器 24 小时供应热水的目的，控

8、制器必须有一个实时时钟来为系 统提供准确的基准时间； 在软件设计上则要实时地读出当前时间， 同设定时间比 较，以决定系统工作状态。本系统采用美国 DALLAS 半导体公司最新推出的时钟 芯片 DS12887，该芯片采用 CMOS技 术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关 DS12887芯片具有微功 80C51单片机的接口电 的电路集成到芯片内部，并与 MC146818管脚完全兼容 耗、外围接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点。它与 路见下图 3-2 。 +5V +5V 1K C 图 3-2 DS12887 与单片机接口电路 模式选择脚 MOT接地， 选择 IN TEL时序。DS12887 的高

9、位地址用 80C51 的 选择，则时钟芯片的高 8 位地址为 EFH，而其低 8 位地址则由芯片内部各单元的 地址来决定 （00H80H）， DS12887 的中断输出端 IRQ 接上拉电阻，同 80C51中 断线 IN TO相连，为单片机提供中断信号。 SQW端口编程为 2Hz 方波输出，经二 分频后，驱动两个 LED发光二极管作为时钟的秒闪烁显示。 . 水位检测和温度检测接口电路 蓄水箱水位和温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节， 只有准确地检 测出水位和温度， 才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。 要实现辅 助加热提前时间的精确计算， 最好是采用连续液位传感器， 但考虑系统

10、成本， 本 设计仍采用分段式液位传感器 （ 通过软件来提高精度 ） ，在水位显示上也仍采用分 段显示。水位检测部分的硬件连接如图 3 所示。 图 3-3 水位监测及显示接口电路 检测原理如下：当水箱中无水时， 8 个非门均由 1M欧姆电阻上拉成高电平， 所 以图中各“非”门 （CD4069） 输出均为低电平， LED1 LED8 均不亮。当水位高 于“非”门 1 的输入探针时，由于水的导电作用，使“非”门 1 的输入变为低 电平，所以其输出变为高电平， LED点亮，依此类推。随着水位的上升，各“非” 门输出相继为高电平， LED依次点亮。这里要注意的是上拉电阻不能选择太小， 因为水的电阻在 1

11、00k8 左右，所以上拉电阻选择太小的话，将在水位升高时， 无法把“非”门输入端拉成低电平。实验表明， 上拉电阻选择在 500k1M欧姆 左右能很好地满足电路的工作要求。为了使 80C51 随时能够读出当前的水位情 况，这里选用 74L S244 作为状态输入缓冲器。 蓄水箱温度检测电路采用 DS18B20 芯片使其换成脉冲信号，送到 80C51的 I/O 口（ 编程为计数器工作模式 ） ，通过 测量输出脉冲频率的大小来换算成水温高低信号。 看门狗和复位接口电路的设计 控制器的看门狗电路由两级 74LS123芯片组成。用作为单稳态触发器的定时 脉冲发生端，当 口线超过一定时间不对 74L S1

12、23发正脉冲时，系统将自动复位 （附录）。 键盘和显示接口电路的设计 键盘电路 下图为 80C51单片机 P1 口构成的中断方式 4*4 键盘电路。为行线，为列线， 行线与 4输入与门 74HC21的一组输入端相连， 输出端与外部中断 INT1相连。16 个键号 Ki （I=0-15 ）次序如图中标注。 VCC 位 80C51 图 3-4 80C51 P1 口构成的 4*4 中断方式键盘 行列式键盘处理程序较为复杂，当有键按下时 74HC21输出端出现低电平请 求中断； 在中断服务程序中要再次确认是否真有键按下， 真有键按下时， 再查出 是哪个键按下，把该键的键号送入堆栈保护，等待键释放后再将

13、键号弹出 A 中。 该键盘输入处理程序的出口状态是键号在 A中。设计中断程序时， 先在主程序中 将中断系统初始化，并开中断。在试验演示中通常开中断都设置循环等待。 显示接口电路的设计 键盘和显示电路是人机交互的重要手段。 控制键是用户干预系统运行的唯一 接口，也是用户比较关心的问题。 为了实现控制器对时间与温度的设定及显示功 能，串行显示电路采用串入并出芯片 74LS164驱动 4位数码管实现时间与温度的静 态显示。 该电路只使用 80C51的3个端口，配接 4片串入并出移位寄存器 74LS164 与1片 三端可调稳压器 LM317T。其中74LS164 的引脚Q0Q7为8位并行输出端 ;引脚

14、A、B 为串行输入端 ; 引脚CL K为时钟脉冲输入端，在 CLK 脉冲的上升沿作用下实现移 位，在CLK= 0 、清除端MR= 1时，74LS164保持原来数据状态 ; MR= 0 时，74LS164 输出清零，其显示电路如图。 图3-5 串行口扩展的 4位 LED显示电路 其工作过程如下 :80C51的串行口设定在方式 0移位寄存器状态下，串行数据由发 送，移位时钟由 送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一 位地移入 74LS164中。4片74LS164 串级扩展为 4个8 位并行输出口，分别连接到 4 个 LED显示器的段选端作静态显示。需要指出的是，由于 74LS164

15、 无并行输出控 制端，因而在串行输入过程中， 其输出端的状态会不断变化， 造成不应显示的字 段仍有较暗的亮度， 影响了显示的效果。 以往的做法是在 74LS164 的输出端加接 4片锁存器或三态门， 使移位寄存器串行输入数据时其输出端的变化不反映到 LED 上，待串行输入结束后再打开锁存器或三态门，将稳定的显示数据送给LED。 本设计电路的独特之处在于仅采用了 1片三端可调稳压器 LM317T， 317T 的3、 2 脚分别是电压输入、输出端， 317T 的 1脚是电压调整端，脚 2输出电压随脚 1 电压而变化。 脚1与接地电阻之间并一个 NPN 三极管，它的基极受 口线控制， 串 行输入时

16、口线为高电平，三极管饱和导通使 317T 的脚1约为 V，脚2输出电压随 之下降到 V ，不足以使共阳极 LED发光，故此时串行输入的影响不会反映到 LED 上；串行输入结束后，使口线为低电平，三极管截止，脚 2输出电压因脚 1电压增 高便上升到使 LED正常发光。因此， 1片三端可调稳压器 LM317T起到了 4片锁存器 的作用使 LED 显示不会闪烁。本电路的另一优点是通过可调电位器 P1可在线调整 脚 2的输出电压，使 LED的显示亮度均匀可调，而且省掉了大量的 LED限流电阻。 光电隔离与辅助加热电路设计 VCC T1 R1 R2 R3 R4 LED T2 GND R6 图 3-6 辅

17、助加热电路图 上图为太阳能热水器光电隔离与辅助加热电路设计。 当室外光强不足（阴天、 下雨）时，对水箱的水提前加热是很必要的，这一电路恰好能完成这一功能 。 工 作原理：当单片机口输出高电平时，三极管 T1 导通，致使发光二极管发光，同 时光敏三极管 T2 导通，继电器闭合，电阻丝 R1R4发热，这样就完成了加热任 务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的。 控制器的软件设计 主程序设计 热水器不论在什么样的天气里， 都能够在设定的时间向用户提供设定温度的 热水，从而给用户带来便利。 当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时， 将 通过声光报警提醒用户。 根据这一要求， 控制器软件设

18、计采用模块化结构， 包括主程序、 键盘中断子 程序、 DS12887更新周期结束中断子程序、 LED显示子程序和提前加热时间计算 子程序等。系统主程序主要完成温度和水位的检测以及进行辅助加热时间预算和 一些初始化功能。 在主程序中采用了查表方法进行辅助加热提前量预算。 系统主 程序流程图如图 4 所示。 图 4-1 系统程序流程图 对于温度和时间设定， 每次设定结束后， 就将设定值存入 DS12887 的非易失 性 RAM中，下次开机时进行读取。 这样作至少有两个优点： 一是系统在不进行设 定时，就认定该设定值和先前一次一样，解决了每次开机总要从头设定的问题， 另一个是若系统在运行中间停电而再

19、次来电时，可以不用重新设定， 就能按原 设定值对温度进行控制， 增强了控制器适应外界变化的能力。 对提前加热时间的 计算，则是系统能否实现预定功能的重要一环。因为系统采用分段式水位检测， 若采用能量守恒的方法对提前加热时间进行预算， 也同样得不到精确的结果。 为 了避开繁琐的计算过程， 本系统中采用了模糊控制思想， 使用了如下一些控制语 句： IF 水位高 AND 温度差大 THEN 加热时间长 IF 水位适中 AND 温度差适中 THEN加 热时间适中 IF 水位低 AND 温度差低 THEN 加热时间少 采用这种思想后，可以用实验方法获得各种情况下需要加热的时间， 编制 成表格。使用时，只要查表获得提前加热时间就行了。显然，表格分得越细，控 制就越准确。本控制器采用温差每等于 5为一格， 就能满 足控制要求了。为了减小误差，试验表明，可以采用如图 5 的方法。 图 4-2 水位监测处理示意图 实验中，用水位达到 B1时的结果代替水位达到 A1时的结果，B2代替