太阳能热水器水位自动控制系统毕业设计论文.docx

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太阳能热水器水位自动控制系统毕业设计论文

太阳能热水器水位自动控制系统

摘要

太阳能热水器，作为三大热水器之一，因其无污染，使用方便，长期投入成本低等特点，而越来越受到人们的青睐，其使用已相当普及。

但与之配套的控制器却还一直处于研究和开发阶段。

目前，市面上已有很多太阳能热水器的控制器具有温度和水位的显示功能，并且很多通过温度传感器以及安装电磁阀进行电辅助加热，已经能解决水温的自动控制。

然而，在水位自动控制的方面依然不是那么完美，在很多时候，消费者在使用的过程中，往往会因水箱中水量不足并且不知情的情况下洗澡时遭受到突然没水的尴尬场面，从而影响人们的心情，生活和正常的工作。

本设计通过利用温度传感器和液位传感器的结合，使我们理想中的既能自动控制温度，也能自动控制水位，温度和水位利用开关按扭转换的太阳能热水器实现，方便广大消费群众。

关键词:

太阳能热水器;水位;自动控制

TheautomaticcontrolsystemofwaterlevelforSolerWaterHeater

Abstrct

Solarwaterheaters,asoneofthethreewaterheaters,becauseofitsclean,easytouse,lowcostlong-terminvestment,moreandmorepeopleofallages,theirusehasbecomequitecommon.However,accompanyingthesupportingcontrollerstillhasbeeninresearchanddevelopmentstage.Atpresent,therearealreadymanysolarwaterheatercontrollerwithtemperatureandwaterleveldisplay,andmanythroughthetemperaturesensorandsolenoidvalveswereinstalledauxiliaryelectricheating,hasbeenabletosolvethewatertemperaturecontrol.Nevertheless,waterlevelcontroloftheareaisstillnotsoperfect,inmanycases,consumersintheuseoftheprocess,oftenduetoinadequatewatertank,andwithouttheknowledgeofthewaterbathdidnotsufferfromtheembarrassingsceneofasudden,soinfluencepeople'sfeelings,lifeandnormalwork.Thisdesignthroughtheuseoftemperaturesensorsandliquidlevelsensorcombinationofbothouridealtemperaturecontrolcanalsocontrolthewaterlevel,temperature,andwateruseswitchbuttonconversionofsolarwaterheaterstoachieve,facilitatethebroadconsumerpublic.

Keywords:

SolerWaterHeater;waterlevel;automaticcontrol

第一章绪论

1.1太阳能热水器的发展背景

1.1.1太阳能热水器发展的政治法律环境

近年来，为缓解我国能源危机及环境污染问题，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到重视。

而我国太阳能资源极为丰富，有很大的利用价值空间，太阳热水器已被国家列为重点推广的项目。

《中华人民共和国可再生能源法》已于2006年1月1日施行，其中第十七条规定：

国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。

今后，国家还将出台一些有利政策来鼓励太阳热水器的推广应用。

这些不仅为太阳热水器的生产与安装提供了一个很有利的政治法律环境，而且为太阳热水器的推广应用提供了法律保障。

1.1.2太阳能热水器发展的经济环境

在最近20年，中国经济迅速发展，人民逐渐富裕起来。

据预测，到2010年我国GDP将达到21.5万亿元左右，人均GDP将达到1900美元。

从人们的收入来看，价格为1500～2500元的太阳热水器完全可以成为大多数中国居民的家用耐用品之一，尤其是在中国广阔的农村市场，特别是先富起来的小城镇。

1.1.3太阳能热水器发展的社会文化环境

随着人们生活水平的提高，热水器已成为大部分居民家庭中的必备家用耐用品之一。

近年来，越来越多的人开始关注环境污染，绿色、环保、健康成为消费者购买商品时的重点考虑因素。

太阳热水器无污染、节能、环保、安全。

随着我国煤电气等能源的日趋紧张，价格不断调高，人们对太阳热水器的需求越来越迫切。

我国有近13亿人口，3亿多家庭，而太阳热水器的消费受年龄层次的影响很小，是大众化的家庭耐用品。

1.1.4太阳能热水器发展的技术环境

太阳热水器产品类型主要有真空管型、平板型和闷晒型三大类型技术板块。

目前比较先进的太阳热水器技术有分体式太阳热水器技术、壁挂式太阳热水器技术、承压式太阳热水器技术、太阳能热泵热水器，还有正在研究中的太阳能热水空调系统技术，夏天在不太需要热水的时候，利用热水器产的热水带动空调制冷，冬天利用热水器产的热水供暖或洗浴，这种高效率的综合利用太阳热水器的技术是今后发展的趋势。

从政治法律环境、经济环境、社会文化环境、技术环境几个方面综合分析来看，中国太阳能热水器市场目前具有良好的发展环境，处于产品生命周期的成长期，市场需求量和潜在用户迅速增长，目前没有新的替代品的威胁，又有国家政策的鼓励，市场前景十分广阔。

但是，目前国内的生产厂家很多，市场竞争十分激烈，大部分是生产质次价低的小作坊式的生产企业，许多消费者也意识到了这种质次价低的产品的危害，随着市场的成熟，这些小企业将逐步被淘汰。

而目前实力较强的企业中还没有占绝对优势的品牌，没有形成寡头垄断竞争的格局。

因此，中国太阳能热水器企业立足目前这种市场状况，注重科研技术开发，在市场竞争中采取技术领先的差异化战略，生产出高质量的满足用户需要的产品，必将有广阔的发展前景。

1.2太阳能热水器国内外发展现状

1.2.1国内发展现状

中国的太阳能热水器市场发展很快，总的保有量和年生产能力世界第一。

但主要是以真空管直插式的简易产品为主，工程也以非承压单循环为主。

中国的太阳能厂家生产的产品很多，追求全面，主要生产厂家不仅生产水箱、支架还生产真空。

中国太阳能市场运作主要是以制造商发展经销商，以专卖店形式销售产品。

制造商不仅制造产品还负责市场及品牌运作、工程安装和售后服务。

中国的太阳能产品开发主要由各个制造厂的技术部负责，各自为政，包括工程系统应用也是如此。

由于各个厂所能聘用的专业研发人员数量和质量有限，导致了中国太阳能的利用没有大的突破。

近年来，太阳能热水器在我国迅猛发展，从20世纪70年代后期就开始了开发家用太阳能热水器。

到20世纪90年，它不仅可为家庭和机关、旅社、医院等提供洗澡、洗衣、炊事等所需热水同时还可用于空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等。

随着科学技术的进步，太阳能热水器也随之不断改进，由集热和贮热合为一体逐步改进为集热和贮热部分分开，采用先进的太阳能集热器，先进的保温材料和冬季防冻技术及其他辅助装置等。

现如今生产的先进的太阳能热水器已实现了全年运行，大大提高了太阳能热水器的热效率和利用效率。

目前，太阳能热水器是可再生能源技术领域商业化程度最高，推广应用最普遍的技术之一。

太阳能热水器的技术发展:

其一、利用副水箱自动上水，无须人工操作，特别适用于供水供电不很正常的农村。

当白天出现水压不足，停电上不了水的情况时，到了深夜，它能自动上水，水满自停，可靠性高，使用寿命长。

其二、自动控制方面，大多数厂家的产品采用电脑线控方式，线控的主要目的是控制面板能与主体分离，以利于操作。

电脑控制能够实现更精确的温度控制和热水预约功能，具有自动记忆功能，能够记录使用者的用水时段、用水次数、用水量和用水温度，到时提前自动加热，充分的满足使用者用水的要求。

其三、节能方面，厂商已经开始从高效率方面来改进产品。

利用良好的保温技术，使热水保持到第二天使用。

比力奇、前锋和西门子的双内胆结构：

两个内胆上下放置，相互连通，下胆进冷水，上胆出热水，减少了热水与冷水的接触面，提高了出热水量，节能省电。

海尔的分层加热技术、西门子的接力式加热管以及阿里斯顿的“Z”型加热管都能根据用水量充分的加热特定区域。

1.2.2国外发展现状太阳能热水器是一种清洁，环保，节能的产品。

世界各国对太阳热水器的开发十分重视。

各国纷纷制定太阳热水器技术产业的发展规划，大大地加速了该行业的发展。

美国的“百万太阳能屋顶计划”实施将带动大批相关工业的发展。

欧共体提出了“太阳热水系统热能供给保证体制”，以合同的形式对用户实现供热水的承诺。

先后在法国、西班牙和德国加以实施，已取得了良好的效果。

以色列是一个化石能源资源较少而太阳能资源十分丰富的国家。

政府对太阳热水器的开发利用进行了直接干预。

韩国，东南亚各国也制定了支持开发利用太阳热水器的优惠政策，纷纷吸收外资到本国开办太阳能企业。

随着科学技术的进步，太阳能热水器也随之不断改进。

以色列农民在政府的支持下85%的住宅都村安装了太阳能热水器。

美国有130多万个游泳池都装上了太阳能集源热器，成为环保型的太阳能游泳池。

太阳能热水器在国外的应用：

其一、针对城市住宅的安装使用，集体组装、分户使用的、全天候运行的、具有自动控制的、每户装有热水表的太阳热水系统。

其二、适用不同用户需要的、满足各种建筑物结构和外观要求具有个性化的产品。

其三、满足各种行业的应用。

商业与服务业的洗车、餐饮、洗浴、洗染、美容、宾馆和饭店以及农业生产中的温室加热、畜禽养殖等都需要大量的热水；太阳热水系统与沼气池结合起来，可以提高发酵温度，大大地提高其产气率；在工业生产中也有不少使用热水的场所，如皮革加工、机械零件的清洗以及预热等。

太阳热水器和被动太阳房相结合进行采暖是一种值得推广的技术。

另外，主动太阳房利用太阳热水器和其它能源相结合，进行地板采暖也有很好的经济效益。

1.3课题研究的主要内容

本课题研究的主要内容：

（1）在FPGA上进行处理器系统的设计。

（2）进行芯片的选型及接口设计。

（3）进行其它硬件电路及软件的设计。

1.4本课题研究的目的及意义

太阳能热水器已走进千家万户，太阳能热水器行业蓬勃发展，前景广阔，但是消费者的需求越来越高，现有的太阳能热水器并不能很好的满足消费者需求。

随着社会生产的发展、科学技术的进步、生活水平的提高，人们早己不再满足于只有使用功能的产品，人们在关注产品保证一定物质功能的同时，越来越注重在使用过程中的舒适、高效、安全的操作。

对太阳能热水器的使用方便性、安全性、操作界面的人机友好性提出了更高的要求。

本文设计了太阳能水位自动控制系统。

设计这个系统的目的是实现水温自动控制哦的基础上实现水位的自动控制。

本文研究的意义也有两方面：

一方面，节省能源：

我们现在所消费的能源，主要是煤炭、石油和天然气等化石燃料，这些常规的化石燃料资源有限，不可再生。

而太阳能是人类可以利用的，最丰富的新能源。

另一方面，保护环境，减少污染：

环境问题是目前全世界都关注的一个问题。

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭的大量开采与利用，必将造成大气和其他类型环境污染及生态破坏。

这对人类的生存和发展构成了严重威胁。

而太阳能是一种绿色能源，不会排放任何污染大气和其他类型环境的有害物，是与生态环境相协调的清洁能源。

1.5本章小结

本章通过政治法律环境、经济环境、社会文化环境、技术环境几个方面综合分析，概述了中国太阳能热水器市场目前具有良好的发展环境，处于产品生命周期的成长期，市场需求量和潜在用户迅速增长，又有国家政策的鼓励，市场前景十分广阔。

同时从太阳能热水器的发展现状入手，通过国内外太阳热水器在制造产品，生产方式，市场运作方式，新产品研发方式比较，指出了我国在太阳能产业方面的不足，提出了今后努力方向：

注重科研技术开发，在市场竞争中采取技术领先的差异化战略，生产出高质量的满足用户需要的产品。

概括地介绍了研究的内容及研究方法。

阐述了研究太阳能热水器的目的及意义。

第二章太阳能热水器系统

2.1太阳能热水器的基本原理

太阳能热水器就是利用温室原理，把太阳能转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的一种装置。

所谓温室原理就是指由于对流、辐射损失减少，使热量聚积，温度逐渐升高的一种自然现象。

具体来说，太阳光透过玻璃进人密封的集热器内，大部分能量被集热器内的黑色吸收体吸收，然后将热量传给冷水，冷水加热后重量变轻，自动流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自动流入吸热体继续获得热量，周而复始，水箱内的全部冷水将被加热。

2.2太阳能热水器系统的结构

太阳能热水器系统是由太阳能热水器和控制器组成。

而太阳热水器由集热器、蓄热水箱、循环连接管道、支架及其辅助部件（加热等）组成。

而控制器是由输入，显示，检测，控制电路组成。

太阳能热水器系统结构如图2-1所示。

图2-1太阳能热水器系统结构

2.3太阳能热水器电气控制

（1）首先加水，使太阳能集热板处于满水状态，这时太阳能集热板工作。

（2）自动上冷水及蓄热水。

通过分别安装在太阳能集热板和太阳能蓄热水箱内的温度传感器实时收集两个容器内的水温信号。

通过信号转换，使温度值转换成电压值在控制电路中进行比较，当两者的温度差值达到预先给定的设定值时，控制器发出启动信号，启动循环水泵。

将热水放入太阳能蓄水箱，冷水进入太阳能集热板。

由于温度信号的检测是实时的，所以当温度差小于给定值后，控制器的启动信号消失，循环泵停止工作，太阳能集热板的水进入加热过程。

（3）单独控制蓄热水箱中的电加热器的工作。

水温也是通过安装在水箱中的温度传感器实时检测的。

温度信号通过转换以后，跟控制器内设定的可以代表相应温度的电压值进行差值比较。

如果温度差（给定值—测量值）为零值或者负值，说明水箱中的水温达到要求，不需要加热。

如果为正值，说明水温未达到要求，控制器产生的执行信号，经放大电路放大产生驱动信号驱动执行机构工作，开启电加热器。

（4）太阳能热水器的电气保护。

当太阳辐射量很大时（即在太阳能蓄热水箱中的水温过高，已经满足使用需要，不需要再经过蓄热水箱中的电加热器加热），蓄热水箱中的电加热器关闭，电蓄热水箱作为太阳能热水器的备用水箱。

相反，在冬天或者连续阴雨天辐射量很小时，控制器通过控制电路使太阳能蓄热水箱中的电加热器开启，给蓄热水箱中的水加热，通过热传递保证了水管不会在寒冷的天气中被冻坏。

（5）热水器中一些输入按键，用于热水器水位，温度的设置。

2.4本章小结

本章先介绍了太阳能热水器的基本工作原理；然后画出了太阳能热水器的系统整体结构框图，既用FPGA来构建处理器系统，来完成数据采集与控制；最后阐述了太阳能热水器电气控制过程。

第三章传感器的特点及应用

3.1传感器的特点、作用

3.1.1传感器电子学的特点

传感器就是一种能感知某一物理量的信息，并能将该信息转化为有用信号的装置。

它能代替人的五感，还能检测人的五官所不能感觉到的现象（如红外线等电磁波、能量小的超声波）。

传感器电子学是研究传感器的学科。

传感器电子学有如下特点:

一、学科的边缘性

传感器电子学是以各种材料的物理效应、化学反应和生物传感机理作为理论基础，开发新的功能材料，并使材料功能实用化而发展起来的一门新学科。

二、设计的综合性

人类社会中，光、声、热、湿度、位移、距离、角度、重量、速度等信息千变万化，所用材料名目繁多，工作环境与技术要求形形色色，传感器与计算机要相互匹配。

这一切决定了传感器设计的综合。

三、功能的潜在性

传感器是人的五官功能的扩展，其功能各种各样。

它能代替人的视觉、触觉、听觉等五官感觉的功能，它能检测人的五官不能感觉的现象。

四、应用的广泛性

传感器功能的潜在性决定了应用的广泛性。

它既可用于军事工程，又可用于工农业等国民经济各部门。

它被誉为“八十年代最具有时代性的大量生产的商品。

”

五、测试的精确性

非电量测试技术是传感器计量检测的核心，与通用性强的信息、科学技术相比，传感器技术是一门因检测对象不同而技术各异的专门技术。

各类信息的量程宽，如温度:

一273一40000k，压力:

133.322Pa/emZ一lo6kPa，加速度1~100009。

测试精度高，多数产品的精度为0.25%、0.1%，个别产品精度可优于0.001%。

动态测试技术难度大，如感应湿度的响应时间，力学量传感器的频响特性与灵敏度测试等。

六、工艺的复杂性

传感器的工艺复杂。

如微型传感器要求直径为1二的精加工技术，硅应变片传感器要求厚度小于1pm的超薄加工技术:

耐压大于106kPa的压力传感器要求密封技术;智能传感器必须解决“三维”结构的工艺技术。

七、生产的分散性

多数传感器都是多品种小批量生产，故传感器的生产是一种分散型的工业。

3.1.2传感器的重要作用

（l）信息的收集

科学研究中的计量测试，产品制造与销售中所需的计量等都要由测量而获得准确的定量数据;对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息转换位数据;判断产品是否合格，或人体各部分的异常诊断等都需要由传感器来测量。

（2）信息数据的交换。

把以文字、符号、代码、图形等各种形式记录在纸上或胶片上的信息数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出记录在各种媒介体上的信息并进行转换。

例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。

（3）控制信息的采集

检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。

3.1.3传感器技术的展望

传感器技术的应用范围非常之广。

它会随着不断满足社会性的需求而不断增加。

新传感器的开发和应用，要求传感器技术的三大支柱即“检测原理”、“生产技术”和“现场（试验）数据”协调发展。

传感器必然走向全数字化。

传感器系统将集成在一个芯片上，其中包括为传感器处理器和位执行器，它们构成一个闭环工作为系统。

有数字与更高级的计算机控制相连，通过利用专家系统中得到的算法对基本微传感器部分提供更好的校正与补偿。

传感器的功能会更多，精度和可靠性会更高，智能化的程度也将不断的提高，优点会越来越明显。

3.2传感器的特性

3.2.1传感器的静态特性

对传感器静态特性的基本要求有:

输入位0时，输出也为0;输出相对输入应保持一定的对应关系。

例如图3一1所示:

图3—1输入与输出的关系

若传感器的输入量为（x），输出量为（y），则y=f（x），最好x/y为恒定的比例关系。

l、灵敏度与信噪比（S/N）

选用传感器首先考虑的是灵敏度。

如果达不到测量时所必须的灵敏度，这种传感器不能采用。

但灵敏度高的传感器不一定是最好的传感器。

这是因为它易受噪声的影响。

除环境噪声外，还有来自传感器本身输出的噪声。

必须用信号与噪声的相互关系全面来衡量传感器。

传感器输出信号中的信号分量与噪声分量二次方的平均值之比，称为信噪比（S/N）与噪声。

S/N小，信号与噪声就难以分清，若S/N=l，就完全分辨不出信号因此，S/N至少也要大于10。

2、线性

在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程

图3—2传感器的线性度

（F.S）输出值的百分比称为线性度（见图3-2）

用

表示线性度，则

式中

——校准曲线与拟合曲线间最大偏差；

：

——传感器满量程输出；

。

由此可知，非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线其出来的。

因而，基淮直线不同，所得线性度也不同。

应当指出，对同一传感器，在相同条件下做校准试验时得出的非线性误差不会完全一样，因而不能笼统地说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。

目前国内外关于拟合直线的计算方法不尽相同，下面仅介绍两种常用的拟合基准直线方法。

（一）端基法

把传感器校准数据的零点输出平均值a。

和满量程输出平均值b。

连成的直线氏b。

作为传感器特性的拟合直线（见图3一3）。

其方程式为

Y=a0+kx（I-1）

式中Y——输出量；x——输入量；a0——y轴上截距；k——直线a0b0的斜率。

由此得到端基法拟合直线方程，按（I-1）式可算出端基线性度。

这种拟合方法简单直观，但是未考虑所有校淮点数据的分布，拟合精度较低，一般用在特性曲线非线性度较小的情况。

图3—3端基线性度拟合曲线

（二）最小二乘法

用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度最高。

其计算方法如下:

今拟合直线方程为Y=a0+kx。

假定实际校准点有n个，在n个校准数据中，任何一个校准数据Y1与拟合直线上对应的理想值a0+kx间误差为

L1=Y1-（a0+kx1）（I-2）

最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使

为最小值，亦即使

对k和a0的一阶偏导数等于零，从而求出k和a0的表达式。

联立求解以上二式，可求出k和a0，即

n为校准点数。

由此得到最佳拟合直线方程，由（I-1）式可算得最小二乘法线性度。

通常采用差动测显方法来减小传感器的非线性误差。

例如某位移传感器特性方程式为

另一个与之完全相同的位移传感器，但是它受相反方向位移，则特性方程式为

在差动输出情况下，其特性方程式可写成

可见采用此方法后，由于消除了X偶次项浓非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍，零点偏移也消除了。

因此差动式传感器已得到广泛应用。

3、时滞

输入量增加到x1，如果输出量为yl，再继续增加输入量然后减少到xl，这时其输出量为y2。

实际上输出量yl和y2不相等，有一定的差值，即为时滞（回差）。

这样，输入与输出不是一一对应的关系。

因此，要尽量选用时滞小的传感器

4、环境特性

周围环境对传感器影响最大的是温度。

目前，很多传感器材料采用灵敏度高，而信号易处理的半导体。

然而，半导体对温度最敏感，实际应用时要特别注意。

除温度之外，还有气压、湿度、振动、电源点压及频率等都影响传感器的特性。

5、稳定性

理想特性的传感器是加相同大小输入量时，输出量总是大小相同。

然而，实际上传感器特性随着时间而变化，因此，对于相同大小的输入量，其输出量是变化的。

连续工作时，即使输入量恒定，传感器输出量也会朝着一个方向偏移，这种现象称为温漂。

需要注意的是，除传感器本身的温漂外，还有安装传感器元件的机构的温漂，以及电子电路的温漂。

6、精度

精度是评价系统优良程度的。

精度分为准确度和精密度。

所谓准确度就是测量值与真值偏离的程度，为修正这种偏差需要进行校正，完全校正是很麻烦的。

因此，使用时尽可能地减少误差。

所谓精密度就是即使测量相同对象，每次测量也会得到不同测量值，即离散偏差。

3.2.2传感器的动态特性

传感器要检测的输入信号是随着时间而变化的，传感器的特性应能跟踪这输入信号的

图3—4输入与响应的关系

变化，这样可以获得准确的输出信号。

如果变化太快，就可能跟踪不上。

这就是响应特性，即动态特性。

动态特性是传感器的重要特性之一。

传感器输入与响应的关系上图所示。

3.3信