太阳能热水器的组成及工作原理Word格式.docx

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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4-7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（7～9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处于空控状态。

然后开始比较温度，若（T3-T1>

5摄氏度，T2>

T1）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T3>

N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。

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T3>

N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3<

N，关闭F3继续给太阳能集热器加热，知道温度答应N，当打开F3时此时比较水管水温T2与N的值，若T2>

N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T1<

N，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：

表一

时间（时）温度比较加热值（度）

15T1<

35<

N35

16T1<

40<

N40

17T1<

45<

N45

18T1<

50<

N50

19T1<

55<

N55

20T1<

60<

N60

最终热水箱的温度加热到设定值N。

由此可见，即使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

6

5

4

7

2

1

3

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。

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的电路集成到芯片内部，并与MC146818管脚完全兼容。

DS12887芯片具有微功耗、外围接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点。

它与80C51单片机的接口电路见下图3-2。

8

+5V

+5V

1K

C

图3-2DS12887与单片机接口电路

模式选择脚MOT接地，选择INTEL时序。

DS12887的高位地址用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（00H～80H），DS12887的中断输出端IRQ接上拉电阻，同80C51中断线INTO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100k8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500k～1M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74LS244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74LS123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。

INT174HC21

10K*4VCC

ABCD

80C51

图3-480C51P1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Q0～Q7为8位并行输出端;

引脚A、B为串行输入端;

引脚CLK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

VCCVCC

R5

K

R1R2R3R4

LEDT2

GND

R6

图3-6辅助加热电路图

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