太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理

太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理2o1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，該圖的系統(tǒng)控制原理圖如下圖2—2:T3T21自來(lái)水F2

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(mén)F2:冷水閥門(mén)F3: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（7~9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T1=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。冷水集熱控制此時(shí)熱水箱溫度已達(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.可見(jiàn)，次過(guò)程充分利用太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為熱能，方便快捷。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T(mén)1,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〈N501920T1<55〈NT1〈60<N5560最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值N。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

2—3熱水器裝置簡(jiǎn)圖1—集熱器 2-下降水管 3—循環(huán)水管4—補(bǔ)給水箱5—上升水管6—自來(lái)水管7—熱水出水管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的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器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(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，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。80c51圖3-1太陽(yáng)能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖3.2。 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)體公司最新推出的時(shí)鐘芯片DS12887，該芯片采用CMOS技術(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。80C51DS1288780C51+5VP0-Z8+5VP0-Z8 ?AD0-AB7+5V方浪■出■/1[1K—IRQINTO4 ?ALERDffiIMd4 ■ ? ?ASUSkTFpF1 4 ■ > □JKJTfIK圖3—2 DSI2887與單片機(jī)接口電路模式選擇腳MOT接地，選擇INTEL時(shí)序°DS12887的高位地址用80C51的P2。4選擇，則時(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(00H~80H),DS12887的中斷輸出端IRQ接上拉電阻，同80C51中斷線INTO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。

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"門(mén)(CD4069)輸出均為低電平,LED1~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)榈碗娖?，所以其輸出變?yōu)楦唠娖?LED點(diǎn)亮，依此類推。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500k?1M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74LS244作為狀態(tài)輸入緩沖器。蓄水箱溫度檢測(cè)電路采用DS18B20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)74LS123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)3O5.1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。P1o0—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(1=0—15)次序如圖中標(biāo)注。

--時(shí)鐘P.復(fù)P位、NT180C511.4P葉--時(shí)鐘P.復(fù)P位、NT180C511.4P葉5P1^6P^74HC2110K^4Cr^Dvcc圖3—480C51P1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。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?？刂奇I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74LS164驅(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；弓|腳A、B為串行輸入端；引腳CLK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二0、清除端MR=1時(shí)，74LS164保持原來(lái)數(shù)據(jù)狀態(tài)；MR=0時(shí)，74LS164輸出清零，其顯示電路如3.5。3圖.3i?Tz74LSU4?74LSI6474LSI64?74LSU4QAW+汕d- _AOHNH?U>?baatfoaiSKIBurn榊詒卜odaaoaao23i?Tz74LSU4?74LSI6474LSI64?74LSU4QAW+汕d- _AOHNH?U>?baatfoaiSKIBurn榊詒卜odaaoaao2USd 人aaoaaoaao*ct林曾id冷滬aaoooaao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，分別連接至【」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。3V，腳2輸出電壓隨之下降到1.5V,不足以使共陽(yáng)極LED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的顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉了大量的LED限流電阻。3.6光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計(jì)

vccvcvccvccR1R2R3R42圖3—6輔助加熱電路圖上圖為太陽(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R1~R4發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務(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.逮溫度時(shí)間聶定值讀溫度水位關(guān)閉加熱小于設(shè)定2CN預(yù)算提前加熱時(shí)間開(kāi)啟桓溫溫度<設(shè)定讀溫度水位關(guān)閉加熱小于設(shè)定2CN預(yù)算提前加熱時(shí)間開(kāi)啟桓溫溫度<設(shè)定力口熱過(guò)疋,系統(tǒng)程序流程 設(shè)定結(jié)束后， 就將設(shè)定值存入DS12887疋,系統(tǒng)程序流程 設(shè)定結(jié)束后， 就將設(shè)定值存入DS12887的非寸進(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)溫度和時(shí)性RAM中,下次定時(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)對(duì)于易失行設(shè). ?一. 一— 一..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)溫度講行控制,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(yàn)表明,可以采用如圖5的方法。

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