家用太阳能热水器智能控制系统工程

1、PAGE 19 -家用太阳能热水水器智能控制制系统工程课程：系统工程程导论学院：物流工程程学院班级：自动化0061 学号：062442000118 姓名：谢 连 斌 得分： 【摘要】：针对对目前家用太太阳能热水器器功能单一、操操作复杂、控控制不方便等等特点，如现现在的家用太太阳能热水器器只具有温度度和液位显示示功能，不具具有温度控制制功能，当由由于天气原因因而光线不足足时，就会给给热水器用户户带来不便，所所以通过自己己的一番学习习与查看资料料，了解了家家用太阳能热热水器的工作作原理、开发发前景，并提提出了一种新新型的太阳能能热水器控制制系统设计方方案。根据太太阳能热水器器对控制系统统的要求，以

2、以MCS-51单片机为为中心控制单单元，采用DDS12C8877实时时钟，设设计了一种太太阳能热水器器智能控制系系统，给出了了系统硬件设设计及软件实实现方法。该该系统具有时时间、温度、水水位设定与控控制功能，且且具有良好的的抗干扰性能能，控制器还还可以根据天天气情况利用用辅助加热装装置使蓄水箱箱内的水温达达到预先设定定的温度，从从而达到244小时供应热热水的目的，实实现自动化操操作，给日常常生活中的用用户们带来便便捷。目录一、问题定义1.1 问题名名称1.2 情况评评估1.2.1 描描述性情景报报告1.2.1.11 太阳能热水水器的发展史史1.2.1.22 太阳能热水水器的系统组组成1.2.1

3、.33 太阳能热水水器的工作原原理1.2.1.44 目前太阳能能热水器存在在的不足之处处1.2.2 规规范性情景报报告1.3 处理问问题所需学科科 1.4 范范围的评估 1.5 所所涉及的社会会部门的决定定 1.6 辨辨识涉及问题题求解情况的的利益持有者者1.7 需求辨辨识1.8 用户条条件1.9 主要约约束的辨识1.10 问题题划分成相关关单元1.11 问题题单元间的相相互作用2、系统价值设设计2.1 目标表表的制定2.2 目标递递阶3、系统综合3.1 系统运运行方式的选选择3.2 具体设设计和开发3.2.1硬件件设计3.2.2软件件设计二、方案的分析析2.1 方案可可行性分析2.1.1 市

4、市场预测分析析2.1.2 技技术发展、投资分析2.1.3 效效益分析三、方案决策3.1系统的运运行、测试3.2系统接收收家用太阳能热水水器智能控制制系统工程一、问题定义1.1 问题名名称家用太阳能热水水器智能控制制问题 1.2 情情况评估1.2.1 描描述性情景报报告1.2.1.11 太阳能热水水器发展史（1）1970019800闷晒式太阳阳能热水器20世纪770-80年年代，由于国国家经济发展展落后，人民民生活水平较较低，居民多多用闷晒式热热水器。由于于存在效率低低，散热快，储储水量少，冬冬季无法使用用等缺点。（2）1980019899平板式太阳阳能热水器20世纪8090年代，在在国家相关部

5、部门支持和领领导下，北京京太阳能研究究所开始从事事太阳能热利利用的研究，早早期开发以平平板式太阳能能热水器为主主。通过众多多科研人员的的努力，逐步步发展了真空空管型太阳能能热水器，并并逐渐成为市市场主导产品品。（3）20000年后，太阳阳能行业进入入高速发展时时期。2000年，分分体式太阳能能热水器逐渐渐开始面世，太太阳能与建筑筑一体化也成成为了行业的的热点；太阳阳能不再局限限在提供家庭庭生活热水，还还将为现有的的采暖、制冷冷设备提供中中高温辅助能能源。通过技技术上的开发发研究，太阳阳能热水器功功能日趋完善善，整机实现现自动防冻、自自动上水、电电辅助加热、水水温水位显示示、安全自检检等全套功能

6、能，引领太阳阳能热水器全全面进入数字字化时代。1.2.1.22 太阳能热水水器的系统组组成（1）集热器系统中的集热元元件。其功能能相当于电热热水器中的电电热管。和其其它热水器不不同的是，太太阳能集热器器是利用太阳阳的辐射热能能加热冷水，故故而加热时间间只能在有太太阳光照射的的白天。（2）保温水箱箱和其它保温水箱箱一样，是储储存热水的容容器。 因为太阳能能热水器只能能白天工作，而而人们一般在在晚上才使用用热水，为了了使白天生产产的热水在到到晚上或隔天天使用时保持持一定的温度度，所以必须须通过保温水水箱把热水储储存起来。水水箱内胆水箱箱内是储存热热水的重要部部分，其用材材料强度和耐耐腐蚀性至关关重

7、要；保温温材料的好坏坏直接关系着着热效率和晚晚间清晨的使使用，在寒冷冷的东北尤其其重要。产品品质量直接关关系消费者的的利益。 （3）连接管道道将冷水输送到符符水箱进入集集热器，再从从保温水箱内内把热水输送送到人们使用用热水的通道道。叫做连接接管道，为使使整套系统形形成一个闭合合的环路，必必须设计合理理、连接正确确，循环管道道对太阳能系系统是否能达达到最佳工作作状态至关重重要。热水管管道必须做保保温处理。管管道必须有很很高的质量，保保证15年以上的的使用寿命。（4）智能控制制环节智能控制就是通通过传感器对对于水箱中水水位、温度的的测量进行反反馈并于所设设定的要求进进行比较，通通过控制器对对于偏差

8、进行行调节，实现现自动化操作作。1.2.1.33太阳能热水水器的工作原原理太阳能热水器不不用煤、气、电电，直接利用用太阳光使水水加热。它是是利用高效吸吸热装置吸收收太阳辐射能能，将冷水加加热并储存于于带有保温的的水箱中，向向用户提供热热水。其工作作原理主要包包括以下几点点： （1）循环原理理：利用冷水水比热水密度度大，冷水下下沉，热水上上升，形成自自然对流循环环、使水箱中中的水逐渐变变热，达到顾顾客满意的水水温为止。当当太阳强度不不足以满足循循环需要的时时候，可以在在水循环闭路路加一水泵，实实现强制循环环。（2）集热器吸吸热原理：太太阳能热水器器的集热器表面，有有一特殊的涂涂层，此涂层层对太阳

9、能可可见光范围具具有很大的吸吸收率，吸收收为热以后，集集热器的散热热热辐射波长长在长波范围围，该涂层对对长波的发射射率很低，这这样就有效的的“滞留”了了太阳能的热热量。水循环的具体过过程是：水在在集热器表面面受热膨胀，密密度变小，而而循环回路中中的“冷水”密密度较大，热热水上升至保保温水槽，冷冷水下降进入入集热器受热热，如此循环环。1.2.1.44 目前太阳能能热水器存在在的不足之处处（1）太阳能热热水器智能化化操作有待于于改善。随着着科学技术的的发展，把先先进技术运用用于太阳能热热水器，使其其变得更加智智能化，给用用户提供更大大的便捷。（2）太阳能热热水器与建筑筑一体化存在在不协调的问问题。

10、一直以以来，太阳能能等可再生能能源在建筑技技术上的完美美应用都是企企业梦寐以来来的追求，太太阳能与建筑筑结合创造的的低能耗高舒舒适度的健康康居住环境，不不仅让住户家家庭生活得更更自然更环保保，而且能节节能减污，对对实现社会可可持续发展具具有重大意义义。1.2.2 规规范的情景报报告针对目前家用太太阳能热水器器存在的不足足之处，如果果像空调那样样给太阳能热热水器配备控控制器，使其其能够自行的的完成热水器器的温度控制制，让控制器器可以根据天天气情况利用用辅助加热使使蓄水箱内的的水温在预定定时间达到设设定温度，从从而达到244小时供应热热水的目的，实实现自动调节节和控制的功功能，给用户户提供便捷。1

11、.3 处理问问题所需学科科要解决太阳能热热水器智能控控制问题，实实现自动化控控制，需要电电路、模电、数数电、单片机机、自动控制制理论、检测测与传感技术术等方面为知识识背景，进行行综合设计从从而设计出一一运行稳定、可可靠、便捷的的控制系统，给给用户生活提提供便捷。1.4 范围的的评估由于地理环境的的不同，每一一地区的要求求和数据参数数不尽相同，本本问题的解决需要考考虑区域条件件、经费预算算、环境影响响等方面，才才能很好快速速使问题得以以解决。（1）区域条件件上海位于北纬331度14分分，东经1221度29分分，属亚热带季季风气候，四四季分明，日日照充分，雨雨量充沛，夏天时天气气酷热，每年年有多个

12、日子子最高气温超超过摄氏355度，全年日日光充足，适适宜太阳能的的运用。（2）经费预算算随着经济的增长长，人们生活活水平日益提提高，人们的的收入也随着着增长，对于于售价在2000030000左右的的太阳能热水水器，用户还还是有能力购购买。1.5 所涉及及的社会部门门的决定家用太阳能热水水器产业的迅迅猛发展得益益于政府部门门采取了强有力的措措施，引导该行业健康的的发展。2005年年2月28日日，全国人大大常委会正式式通过中华华人民共和国国可再生能源源法，接着着，全国上下下开始大力提提倡建设节约约型社会；2007年年9月上旬，国国家环保总局局颁布了环境境保护行业标标准环境标标志产品技术术要求家用太

13、太阳能热水系系统和环环境标志产品品技术要求太太阳能集热器器两项标准准，分别从热热性能、健康康安全和光污污染三个方面面对产品提出出了技术要求求及其检验方方法。这不仅仅注重使用环环保，而是要要在设计、生生产、使用、废废弃全过程都都注重环境行行为，使之成成为真正的“绿绿色产品”。同同时明确的能能量供给和环环保健康标准准数据，便于于对照实施，使使不合格的小小作坊没有蒙蒙混过关的机机会。依次标标准生产的产产品具有热效效率高、对环环境和人体健健康无害的两两大特点。 1.6 辨识涉涉及问题求解解情况的利益益持有者对于实现太阳能能热水器智能能控制，无疑疑会给制造厂厂商带来额外外的研究开发发支出，需要要投入诸多

14、的的人力、物力力及时间，然然而如果设计计成功，他们们不仅促进了了太阳能热水水器行业的发发展，也会促促进市场的销销售，获得更更大的利益。1.7 需求辨辨识经过20年的发发展，太阳能能热水器已经经发展成为覆覆盖面最广的的太阳能产业业，全球拥有有量已超过11亿平方米，在在提供生活用用热水和工业业用低温热水水方面发挥着着越来越大的的作用，目前前日本有200%的家庭使使用太阳能热热水器；以色色列使用太阳阳能热水器的的家庭超过了了80%；欧欧美发达国家家正在建设采采光面积高达达数千平方米米的太阳能热热水系统，以以用作住宅群群的地区供热热，随着可持持续发展概念念为广大人们们所接受。在在日常生活中中，家用太阳

15、能热热水器的需求求将会越来越越大，其主要要因素有以下下几点：（1）自然环境境因素我国属太阳能资资源丰富的国国家之一，陆地面积每每年接受的太太阳辐射能相相当于2.44104亿吨标标准煤约等于于数万个三峡峡工程发电量量的总和。随着人们文文化素质的提提高，太阳能能资源的重要要性越来越受受到广大人民民群众的认识识与了解，从从而推动了太太阳能热水器器制造商们的的重视、开发发、投资；推推动了用户对对于太阳能热热水器的需求求。（2）社会因素素随着社会的发展展，对能源的的需求在快速速增长，使不不可再生能源源的贮量不断断减少，同时时燃用不可再再生能源而带带来的全球性性污染和生态态环境的破坏坏日益严重，开开发利用

16、新型型清洁能源的的问题越来越越受到世界各各国的重视。太太阳能作为一一种取之不尽尽的清洁能源源，经过了几几起几落的开开发研究之后后，现在又进进入了一个新新的开发利用用阶段，促进进了人们对于于太阳能热水水器的需求。（3）人民生活活水平的提高高及环保意识识的加强随着我国经济迅迅猛发展，人人民生活水平平得到提高，广广大居民对无无污染、卫生生、节能、安安全、一次投投资十余年受受益的太阳能能热水器这种种绿色产品十十分青睐。特别是随着着农村基础设设施建设步伐伐的加快、农农民负担的减减轻、农民可可支配购买力力的提高，从从而大大促进进了家用太阳阳能热水器潜潜在的市场需需求。1.8 用户条条件要设计好家用太太阳能

17、热水器器，首先一定定要了解用户户条件。通常常为了满足用用户的要求，通通常要考虑以以下几个因素素：（1）价格对于普通家庭来来说，在购买买太阳能热水水器时首先关关注的就是价价格问题，一一般价格颇高高的商品，人人们往往会望望而却步，所所以价格适中中的商品，易易于受到用户户们的青睐。（2）质量保证证因为家用太阳能能热水器终年年处于室外状状态，从而用用户对于太阳阳能热水器的的质量就格外外重视且提出出了更高的要要求，而用户户往往还希望望所购商品有有很好的质量量保证及售后后维修服务。（3）操作方式式通常用户希望对对于家用太阳阳能热水器有有便捷的操作作方法，甚至至希望能够实实现自动操作作，随时随地地能够使用到

18、到热水，在生生活中带来方方便。（4）水量的确确定水量的确定必须须慎重，因为为它是影响到到集热面积即即系统成本。一般根据用户提供的用水方式及用水人数数确定水量，每每人每次用水水水温为40050，用水量为400 kg880 kg。水量量也可根据用用户具体情况况来定。（5）屋面情况况在安装时一定要要考虑树荫及及周围遮挡物物的影响，水水箱沉放的位位置，要尽可可能放在北面面并且利于集集热器布蹬和和系统管道的的连接。满足用用户的需求，给给他们带来方方便。同时先先要保证该位位置所能承受受的重量不低低于储水箱及及其外围等所所附加的总重重量，以免对对用户住房的的屋面造成损损坏及储水箱箱安装存在安安全隐患。1.9

19、 主要约约束的辨识对于生产制造商商来说，他们们面临的约束束就是开发研研究所需的费费用成本、产产品质量保证证、满足用户户需求、以及及如何能很好好的与建筑实实现一体化，从从而拓宽市场场。以下几点点因素也影响响着太阳能热热水器的发展展：（1）太阳能热热水器未与建建筑结合好（2）使用环境境不利（3）电、燃气气热水器的竞竞争1.10 问题题划分成相关关单元 家用太太阳能热水器器智能控制系系统的实现需需要各个单元元的合理搭配配与连接，可可分为控制器器实时时钟接接口电路、蓄蓄水箱水位和和温度检测接接口电路、控控制键和串行行显示接口电电路、继电器器输出电路、看看门狗和复位位接口电路、软软件调试运行行。1.11

20、 问题题单元间的相相互作用为了实现家用太太阳能热水器器的智能控制制系统，各个个单元的设计计都是重要的的。控制器实实时时钟接口口电路是给智智能控制器提提供一个基准准时间；蓄水水箱水位和温温度检测接口口电路的作用用为检测水位位和温度，已已决定是否进进行辅助加热热；控制键和和串行显示接接口电路的作作为是为了给给用户提供方方便的操作界界面及显示功功能；继电器器输出电路的的作用是为了了实现辅助加加热功能；看看门狗和复位位接口电路的的作用提供单单片机复位功功能。2 价值系统设设计2.1 目标表表的制定（利利益持有者）利润目标希望新系统短期期内获得利润润市场目标扩大市场份额成本目标考虑初始费用、年年花费质量

21、目标质量合格，满足足用户需求性能目标提高生产率、效效果、效率等等性能可靠性目标系统在各环境中中能可靠运行行竞争性目标争取占领市场份份额兼容性目标能与原系统很好好的兼容运行行适应性目标系统能自行根据据环境调整灵活性目标系统适应性强性能目标避免技术过时简单性目标系统设计直接易易懂安全性目标系统能可靠运行行时间目标开发新系统能在在一定时间内内完成2.2 目标递递阶利 润 目 标性 能 目目 标 质量目标标 市场目标标简单性目标 成成本目标 时间目标 安全性目标标3 系统综合3.1 系统运运行方式的选选择（1）自然循环环系统该系统的运行原原理就是在光光照下集热器器内的水被加加热，沿水管管上升至水箱箱上

22、部。水箱箱内的水由于于温度低、密密度大而自动动流进集热器器内，如此不不断循环。该该系统适用于于采光面积较较小的系统。（2）强制循环环系统该系统的运行原原理就是借助助水泵动力，在在热水箱底部部吸水，通过过集热器把水水送到水箱上上部，该系统统适用于任何何大面积的循循环系统。控控制系统可采采用光控或时时控，全自动动运行。（3）定温放水水循环系统该系统的运行原原理就是在集集热器内加一一温感探头并并与温控器相相联，在光照照条件下当集集热器内的水水温达到设定定值时，温控控器使水泵运运行(从热水箱底底部抽水)，并将集热热器内的热水水送到热水箱箱上部。当集集热器内的水水温达不到设设定值时水泵泵即自动停止止。该

23、系统适适用于任何大大面积采光系系统。（4）智能控制制系统 该系统统是运用控制制器、传感器器等器件，使使其能够自行行的完成热水水器的温度控控制，让控制制器可以根据据天气情况利利用辅助加热热使蓄水箱内内的水温在预预定时间达到到设定温度，从从而达到244小时供应热热水的目的。3.2 具体设设计和开发3.2.1硬件件设计硬件系统结构主主要包括ATT89S51单片机机系统，控制制器实时时钟钟、蓄水箱水水位和温度检检测接口、控控制键及串行行显示、看门门狗和复位接接口电路以及及继电器输出出接口电路等等。3.3.2.11.1 控制制器实时时钟钟接口电路为了实现热水器器24小时供应应热水的目的的，控制系统统必须

24、有一个个实时时钟来来为系统提供供准确的基准准时间。在软软件设计上则则要实时地读读出当前时间间，同设定时时间比较，以以决定系统工工作状态。本本系统采用时时钟芯片DSS12C8877，该芯片采采用CMOSS技术，把时时钟芯片所需需的晶振和电电池以及相关关的电路集成成到芯片内部部，同时还具具有微功耗、外外围接口简单单、精度高、工工作稳定可靠靠等优点。3.2.1.22 蓄水箱水水位和温度检检测接口电路路蓄水箱水位和温温度检测部分分是实现温度度智能控制的的重要环节，只只有准确地检检测出水位和和温度，才能能通过软件计计算提前开始始辅助加热的的预加热时间间。要实现辅辅助加热提前前时间的精确确计算，最好好是采

25、用连续续液位传感器器，在水位显示示上也仍采用用分段显示。为为了使单片机机随时能够读读出当前的水水位情况，这这里选用744LS2444作为状态输输入缓冲器。蓄蓄水箱温度检检测电路采用用热敏电阻，经经555压控谐谐振电路转换换成脉冲信号号，送到单片片机端口。3.2.1.33 控制键和和串行显示接接口电路键盘和显示电路路是人机交互互的重要手段段。控制键是是用户干预系系统运行的唯唯一接口，也也是用户比较较关心的问题题。为了实现现控制系统对对时间与温度度的设定及显显示功能，采采用74LS508与74LS2244实现8键中断输入入。串行显示示电路采用串串入并出芯片片74LS1164驱动6位数码管实实现时间

26、与温温度的静态显显示。3.2.1.44 继电器输输出电路在太阳能热水器器控制系统的的设计中，继继电器输出是是实现蓄水箱箱辅助加热的的手段。对继继电器控制的的安全有效是是能安全地对对蓄水箱进行行辅助加热的的保证。3.2.1.55 看门狗和和复位接口电电路控制系统的看门门狗电路由两两级74LSS123芯片片组成。用PP1.7作为为单稳态触发发器的定时脉脉冲发生端，当当P1.7口线线超过一定时时间不对744LS1233发正脉冲时时，系统将自自动复位。3.2.2 软软件设计系统软件设计时时，必须明确确热水器对控控制器所提出出的控制要求求。当阳光充充足时，热水水器会利用太太阳能将蓄水水箱内的水加加热到一

27、定的的温度(可能会高于于设定温度)，控制器将将不启动辅助助加热装置；当阳光不足足(阴雨天)时，为了使使用户同样能能够使用到热热水，控制器器能够自动启启动辅助加热热器，借助电电能将水箱内内的水加热到到设定温度。这这样，热水器器不论在什么么样的天气里里，都能够向向用户提供设设定温度的热热水，从而给给用户带来便便利。根据上上面的要求，控控制器软件设设计采用模块块化结构，包包括主程序、键键盘中断子程程序、显示子子程序等。系系统主程序主主要完成温度度、水位检测测及进行当前前温度值与设设定温度值的的比较和一些些初始化功能能。在主程序序中采用了查查表法进行频频率到温度的的转化，并且且在读取温度度时，采用读读

28、5次，取排序序后的中间值值为读取到的的温度，以此此来对温度进进行数字滤波波处理。主程序的功能及及流程图：二、方案的分析析2.1方案的可可行性分析2.1.1 市市场预测分析析能源短缺和环境境污染是当今今人类面临的的两大难题，随随着城镇居民民生活水平的的不断提高以以及市场经济济和社会化大大生产的进一一步发展，能能源紧缺和生生态环境恶化化将日益成为为人民不得不不予以高度重重视和解决的的两大矛盾。鉴鉴于人们对燃燃气、电热水水器缺点的认认识，太阳能能热水器这种种环保节能产产品产生了激激动人心的市市场机会。并并且我国政府府一直重视新新能源和可再再生资源的开开发利用，提提出了“因地地制宜，多能能互补，综合合利用，讲求求效益”的总总体方针。另另外，将新能能源的使用和和发展纳入绿绿色，作作为对地方政政府政绩考核核的重要指标标之一。国家