太阳能热水器的组成及工作原理2.1 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
水热太阳光
F1
箱器
T1
D
自来水
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。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T3>N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3
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 表一 时间（时）温度比较加热值（度） 15 T1<35 16 T1<40 17 T1<45 18 T1<50 19 T1<55 20 T1<60 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。 2.2太阳能热水器组成及原理 太阳能热水器的组成及工作原理 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。 3.1.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 3.2. 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DALLA S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 5.1K +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 的高位地址用80C51 的P2.4 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。 3.3.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。 太阳能热水器的组成及工作原理 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。 3.4 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P1.7作为单稳态触发器的定时脉冲发生端，当P1.7 口线超过一定时间不对74L S123发正脉冲时，系统将自动复位（附录）。 3.5 键盘和显示接口电路的设计 3.5.1 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。P1.0-P1.3为行线，P1.4-P1.7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。
相关主题
文本预览