現(xiàn)代家庭新型全自動太陽能熱水中心研究

摘 要:本課題針對當(dāng)前太陽能熱水器不能即開即熱、熱效率低、浪費水資源等問題，通過對管路系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的研究設(shè)計一個即開即熱、節(jié)水、節(jié)電、高效的現(xiàn)代家庭全自動太陽能熱水中心。

關(guān)鍵詞:太陽能管路控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)即開即熱;

中圖分類號:TK51文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0019-02

1 引言

人類社會的發(fā)展和各種活動對地球產(chǎn)生了很大影響，出現(xiàn)了諸如能源短缺、厄爾尼諾現(xiàn)象和溫室效應(yīng)等問題，最終波及人類自身。隨著人類的不斷自省，人們開始注意自身活動對地球的影響。因此，對環(huán)保、節(jié)能、減排等提出了更高的要求。隨著太陽能產(chǎn)品的普及，太陽能熱水器行業(yè)蓬勃發(fā)展，前景廣闊。先進合理的太陽能熱水器具有舒適、高效、安全、環(huán)保、節(jié)能的特點，而現(xiàn)代家庭新型全自動太陽能熱水中心與普通太陽能熱水器相比具有功能多樣、即開即熱、節(jié)水等特點，與電熱水器相比具有節(jié)能、高效的特點。

2 現(xiàn)代家庭新型全自動太陽能熱水中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計包括管路系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)在的太陽能熱水器均放置在樓頂，初次用水前需放掉管中的冷水，由于水管的保溫效果差，管中的熱水經(jīng)過幾分鐘就會變涼，用戶再次使用時必須先放掉管中的冷水，才能用到熱水，不能即開即熱。太陽能熱水器管道越長要放掉的水就越多，造成水資源浪費。對常規(guī)太陽能熱水器的管路系統(tǒng)進行改進，管路上端增設(shè)排空閥，在每次使用完太陽能熱水器時都自動排空管路，將管中的水放入室內(nèi)懸掛的保溫箱中進行保溫，這樣既可以節(jié)約水資源又可以防止水管凍裂，同時每次從太陽能熱水器中流出的都是熱水，這就是所謂的即開即熱。

2.1.1 排空閥的工作原理

排空閥是通過閥門1關(guān)閉閥門2打開，這樣管路一端與儲水箱的連接處關(guān)閉止水，另一端與大氣相通，使水在自重力的作用下流入保溫箱中，保證管路處于無水狀態(tài)，待用戶用水時，無需再放冷水，噴頭中流出來的是室內(nèi)保溫箱中儲存的熱水。如圖1所示。

2.1.2 保溫箱的工作原理

保溫箱是由特殊的保溫材料制成，它能夠?qū)⒐苤械臒崴畠Υ嫫饋恚瑫r其內(nèi)部裝有溫度傳感器、水位傳感器和加熱裝置，這樣將箱內(nèi)溫度、水位始終保持在一定的范圍內(nèi)。如設(shè)定溫度范圍為35～40℃當(dāng)溫度低于35℃時，加熱裝置會自動加熱使水溫保持在35～40℃之間。當(dāng)溫度高于40℃時，加熱裝置關(guān)閉，閥門4打開，同樣使水溫保持在35～40℃之間。當(dāng)水位高于A時，閥門1和4關(guān)閉。當(dāng)水位低于B時，閥門1和4同時打開，按一定比例加水，使水位始終保持在A-B的范圍內(nèi)。

2.1.3 傳感器的選擇

保溫箱中的溫度傳感器用鉑電阻溫度傳感器，以實時檢測水溫，為控制系統(tǒng)提供溫度數(shù)據(jù)。同時保溫箱中采用電容式傳感器，來測量箱中水位，為控制系統(tǒng)提供水位信息。傳感器將信號經(jīng)過放大與隔離、調(diào)制與解調(diào)、濾波電路、信號變換電路、線性化和補償技術(shù)送入到單片機中進行處理。監(jiān)測系統(tǒng)中信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理如圖2所示。

2.1.4 顯示電路設(shè)計

本設(shè)計采用LED顯示水溫，顯示電路用四個數(shù)碼管顯示，采用靜態(tài)顯示方式，當(dāng)顯示某一字符時相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截至，并且四個數(shù)碼管可同時顯示。四個數(shù)碼管共陽極連接，LED可顯示溫度設(shè)定值、實際溫度測量值。通過串入并出移位寄存器74LS164作LED顯示器的接口，移位寄存器74LS164的使用主要是為了整個系統(tǒng)設(shè)計節(jié)省I/O口。

2.1.5 控制芯片選擇

控制芯片采用AT89C51來控制整個電路，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。

當(dāng)溫度、水位等傳感器測得的信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機進行處理，單片機將其與預(yù)先設(shè)置的期望值對比運算后，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出相應(yīng)控制指令，再經(jīng)過各種轉(zhuǎn)化與處理最后完成所需控制，來控制電磁閥的開關(guān)和加熱器的開關(guān)以保持水溫和水位恒定。

2.1.6 控制器的系統(tǒng)原理

本設(shè)計的控制系統(tǒng)采用以太陽能加熱為主，電加熱為輔，引入單片機實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制。選用AT89C51單片機作為太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)的控制核心。它的硬件系統(tǒng)主要包括AT89C51單片機基本電路、DS12887時鐘芯片、溫度檢測、水位檢測、溫度顯示、電磁閥控制和溫度設(shè)定等組成。硬件系統(tǒng)的組成框圖如圖3。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要功能是完成對硬件的控制，水位和溫度的控制以及對采樣信號的處理。這里水位始終保持在A-B，而溫度信息可以人為設(shè)定同時也都存入DS12887的非易失性RAM中，下次開機時進行讀取。這樣，系統(tǒng)在不進行設(shè)定時，就認(rèn)為該設(shè)定值與前一次設(shè)定值一樣，為用戶解決了每次開機總要重新設(shè)定的問題。若系統(tǒng)在運行過程中停電，再次來電后不用重新設(shè)定，就能按原設(shè)定值對溫度進行控制，增強了微控制器適應(yīng)外部變化的能力。

主程序首先完成對并行口、串行口和中斷源的初始化、設(shè)置初始運行參數(shù)，開中斷、顯示水溫、水位，然后掃描水位和水溫，并且時刻響應(yīng)鍵盤電路和時鐘電路的中斷。在系統(tǒng)開著的過程中，LED顯示器將顯示水溫。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)在普通太陽能的基礎(chǔ)上對管路系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)進行了改進，使單一的太陽能熱水器更人性化并且操作簡單方便，價格便宜，解決了太陽能熱水器的熱等待問題，能達(dá)到即開即熱，節(jié)水、節(jié)能，熱效率高的要求。

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