1、太陽能熱水器的組成及工作原理 2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計排氣管不銹鋼保溫水箱圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-1為系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖，該圖的系統(tǒng)控制原理圖如下圖2-2 :T3T2F 3熱集太陽光F1I箱器T1D自來水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F2:冷水閥門F3:熱水閥門此款熱水器利用微機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光較弱，所以太陽能熱水器從系統(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點之間對水箱進行電

2、加熱，具體控制過程如 下：首先，關(guān)閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機開始進行水箱的溫度采集， 同時進行溫度的比較，當(dāng)水箱的溫度小于30攝氏度時，電熱器D接通進行加熱， 同時微機繼續(xù)對熱水箱的溫度進行采集。當(dāng)溫度加熱到大于30攝氏度時電熱器斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。2.循環(huán)水集熱過程早晨水溫控制之后（79點），設(shè)定當(dāng)日的水箱溫度N （由兩位BCD次齒輪開關(guān) 設(shè)定），輸入微機，再利用微機控制系統(tǒng)，通過太陽光能對熱水箱加熱以達(dá)到理 想溫度具體控制過程如下：打開循環(huán)閥門F1,關(guān)閉冷水進水閥門F2,熱水閥門F3處于空控狀態(tài)。然后開始 比較溫度，若（T3-T1>5攝氏度，T2>

3、T1）為止。如若T仁N那么循環(huán)水集熱過 程結(jié)束，進入冷水集熱控制過程。冷水集熱控制3.和T3,此時熱水箱溫度已達(dá)到了 N,冷水要進入太陽能集熱器，這時溫度為則將 已加熱的水送入熱水箱，每天的控制時當(dāng)日的設(shè)定溫度值相比較，若T3>N 20點。具體控制過程如下：段大概為 9點，T3>N熱水閥門F3處于可控狀態(tài)。 若關(guān)閉循環(huán)水閥門F2,打開冷水閥門F2繼續(xù)給太陽能集熱器加F3打開熱水閥 門F3并將保持一段時間，若T3<N關(guān)閉閥與N的值，若T2>N熱，知道溫度答應(yīng)N,當(dāng)打開F3時此時比較水管水溫T2?？梢?，次過程充分利 用太陽光能轉(zhuǎn)化為F3F3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關(guān)閉門 熱能

4、，方便快捷。水箱加熱控制4.到了晚上我們是否還能洗也許你會問如果沒有日照或者日照較弱時， 此時，這時 它就要不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)， 上熱水澡嗎？答案是肯定的，相比 較，從而控制是否打開電，將它和設(shè)定值 N發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為T1加 熱，控制時段為下午，具體過程如下：點中的每個小點 20若T1<N電加熱接通；否則，電加熱斷開，而且，15時有下表的關(guān)系：表一時間（時）溫度比較加熱值（度）15T1<35<N3516T1<40<N4017T1<45<N4518T1<50<N5019T1<55<N5520T1<60&

5、lt;N60。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值 N 熱水澡了。不論綜上所述，太陽能供熱控制系統(tǒng)不僅節(jié)約而且高度只能化， 方便 省事，日常家居，還是對賓館、學(xué)校等都是最佳選擇 。2.2太陽能熱水器組成及原理65721 32-3熱水器裝置簡圖1-集熱器2-下降水管3-循環(huán)水管4-補給水箱5-上升水管6-自來水管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 所 需的冷水。3供給循環(huán)水箱4

6、的上集管相接。補給水箱1熱器.當(dāng)集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高 而循環(huán)水箱下部的冷水比便經(jīng)上升水管進入循環(huán)水箱上部。后，水的比重減輕， 這樣不斷對流在集熱器內(nèi)受熱后又上升。重較大，就由水箱下流到集熱器下方， 水溫不再直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，循環(huán)，水溫逐漸提高， 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。該裝置與一將太陽 能輻射轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，集熱器是一種利用溫室效應(yīng)，或是液體到氣體的熱交 換熱交換器通常只是液體到液體，般熱水交換器不一樣，是一個復(fù)雜的傳熱過而 平板行集熱器時直接將太陽輻射傳給液體或氣體，過程，程。平板型集熱器結(jié)構(gòu)

7、 形式很多，世界上已實用的集熱器就有直管式、瓦楞式、扁管式、鋁翼式等二十多種。太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)3.1.由于所示80C51單片機的智能控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1根據(jù)控制要求，采用沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存， 因此不再外擴 本系統(tǒng)運算量不是很大，已完全能夠滿足要求。系統(tǒng)的硬件接口 電RAM據(jù)存儲器。僅使用80C51內(nèi)部設(shè)定鍵和蓄水箱溫度和水位檢測接口電串行顯示接口電路、太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖路、路包括：控制器實時時鐘接口電路，看門狗和復(fù)位接口電路以及繼電器輸出接口電路等。圖3-1控制器實時時鐘接口電路32小時供應(yīng)熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來為系24為實現(xiàn)熱水器同設(shè)定時間比在軟件設(shè)計上

8、則要實時地讀出當(dāng)前時間，統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時間；半導(dǎo)體公司最新推出的時鐘S較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國DALLA技術(shù)，把時鐘芯片所需的晶振和電池以及相關(guān)CMOS芯片DS12887該芯片采用一芯片具有微功管腳完全兼容。DS12887的電路集成到芯片內(nèi)部，并與 MC146818 單片機的接口電耗、外圍接口簡單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。它與80C513-2。路見下圖 8+5V5.1K+5V1KC圖3-2 DS12887與單片機接口電路模式選擇腳MOT接地，選擇IN TEL時序。DS12887的高位地址用80C51的P2.4 選擇，則時鐘芯片的高8位地址為EFH而其低8位地址則由芯片內(nèi)部各

9、單元的 地址來決定（00H80H），DS12887的中斷輸出端IRQ接上拉電阻，同80C51中 斷線IN TO相連，為單片機提供中斷信號。SQV端口編程為2Hz方波輸 發(fā)光二極管作為時鐘的秒閃爍顯示。出，經(jīng)二分頻后，驅(qū)動兩個LED3.3.水位檢測和溫度檢測接口電路蓄水箱水位和溫度檢測部分是實現(xiàn)溫度智能控制的重要環(huán)節(jié)， 只有準(zhǔn)確地檢測出 水位和溫度，才能通過軟件計算提前開始輔助加熱的預(yù)加熱時間。 要實現(xiàn)輔本但 考慮系統(tǒng)成本，最好是采用連續(xù)液位傳感器，助加熱提前時間的精確計算，I設(shè)計仍采用分段式液位傳感器（通過軟件來提高精度），在水位顯示上也仍采用分段顯示。水位檢測部分的硬件連接如圖3所示。圖3-

10、3水位監(jiān)測及顯示接口電路檢測原理如下：當(dāng)水箱中無水時，8個非門均由1M歐姆電阻上拉成高電平，所以圖中各“非”門（CD4069）輸出均為低電平，LED仁LED8均不亮。當(dāng)水位高 于“非”門1的輸入探針時，由于水的導(dǎo)電作用，使“非”門1的輸入變?yōu)榈碗娖?，所以其輸出變?yōu)楦唠娖剑琇ED點亮，依此類推。隨著水位的上升，各“非” 門輸出相繼為高電平，LED依次點亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小， 因為水的電阻在100k8左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時， 無法把“非”門輸入端拉成低電平。實驗表明，上拉電阻選擇在500k1M歐姆左右能很好地滿足電路的工作要求。為了使 80C51隨時能夠讀

11、出當(dāng)前的水位情 況，這里選用74L S244作為狀態(tài)輸入緩沖器。蓄水箱溫度檢測電路采用 DS18B20 芯片使其換成脈沖信號，送到80C51的I/O 口 （編程為計數(shù)器工作模式），通過 測量輸出脈沖頻率的大小來換算成水溫高低信號。3.4看門狗和復(fù)位接口電路的設(shè)計控制器的看門狗電路由兩級74LS123芯片組成。用P1.7作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定 時脈沖發(fā)生端，當(dāng)P1.7 口線超過一定時間不對74L S123發(fā)正脈沖時，系統(tǒng)將 自動復(fù)位（附錄）。3.5 鍵盤和顯示接口電路的設(shè)計3.5.1 鍵盤電路下圖為80C51單片機P1 口構(gòu)成的中斷方式4*4鍵盤電路。為行線, 為列線，行線與4輸入與門74HC21

12、的一組輸入端相連，輸出端與外 部中斷INT1相連。16個鍵號Ki （1=0-15 ）次序如圖中標(biāo)注。74HC21A B C DINT110K*4 VCC 時P1.0鐘P1.1P1.2P1.3P1.4復(fù)P1.5位、P1.6IzhulongxomlP1.780C514*4中斷方式鍵盤3-4 80C51 P1圖口構(gòu)成的輸出端出現(xiàn)低電平請74HC21行列 式鍵盤處理程序較為復(fù)雜，當(dāng)有鍵按下時再查出求中斷；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，中。A是哪個鍵按下，把該鍵的鍵號送入堆棧保護，等待鍵釋放后再將鍵號彈出先在主程序中設(shè)計中斷程序時，A該鍵盤輸入處理程序的出口狀態(tài)是鍵號在中。將

13、中斷系統(tǒng)初始化，并開中斷。在試驗演示中通常開中斷都設(shè)置循環(huán)等待。顯示接口電路的設(shè)計控制鍵是用戶干預(yù)系統(tǒng)運行的唯一鍵盤和顯示電路是人機交互的重要手段。為了實現(xiàn)控制器對時間與溫度的設(shè)定及顯示功接口，也是用戶比較關(guān)心的問題。位數(shù)碼管實現(xiàn)時間與溫度的靜驅(qū)動4能，串行顯示電路采用串入并出芯片 74LS164態(tài) 顯示。片13該電路只使用80C51的個端口，配接4片串入并出移位寄存器74LS164 與B、Q7為8位并行輸出端；引腳A三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T其中74LS164的 引腳Q0脈沖的上升沿作用下實現(xiàn)移 CLK為串行輸入端；引腳CL K為時鐘脈沖輸 入端，在 74LS164時，74LS164保持原來

14、數(shù)據(jù)狀態(tài)；MR時，位，在CLK= 0、清除端MR=0 =1顯 示電路圖3-5串行口擴展的4位LED移位寄存器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由 0其工作 過程如下:80C51的串行口設(shè)定在方式送出。在移位時鐘的作用下，串行口發(fā)送 緩沖器的P3.0發(fā)送，移位時鐘由P3.1位并行輸出口，4片74LS164串級擴展為4個8數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164 中。無4個LED顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于 74LS164分 別連接到造成不并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不 斷變化，的應(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片鎖存器或三態(tài)門，使移位寄存

15、器串行輸入數(shù)據(jù)時其輸出端的變化輸出端加接4不反映到LED上，待串行輸入結(jié)束后再打開鎖存器或三態(tài)門，將穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)送給 LED本設(shè)計電路的獨特之處在于僅采用了 1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T317T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NPN三極管，它的基極受P1.7 口線 控制，串行輸入時P1.7 口線為高電平，三極管飽和導(dǎo)通使317T的腳1約為0.3 V,腳2輸出電壓隨之下降到1.5 V ,不足以使共陽極LED發(fā)光，故此時串行輸 入的影響不會反映到LED上 ;串行輸入結(jié)束后，使P1.7 口線為低電平，三極管

16、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顯示不會閃爍。本電路的另一優(yōu)點是通過可調(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 限流電阻。LED了大量的3.6光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計攏電審VCCVCCVCCR5P2.1KT1R1 R2 R3 R4LEDT2IGNDR6圖3-6輔助加熱電路圖上圖為太陽能熱水器光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計。 當(dāng)室外光強不足（陰天、下 雨）時，對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80C51P2.1 口

17、輸出高電平時，三極管T1導(dǎo)通，致使發(fā)光二極：發(fā) 熱，這樣就完R1R4導(dǎo)通，繼電器閉合，電阻絲 T2管發(fā)光，同時光敏三極管.成了加熱任務(wù)，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必不可少的?？刂破鞯能浖O(shè)計 4.1主程序設(shè)計都能夠在設(shè)定的時間向用戶提供設(shè)定溫度的熱水器不論在什么樣的天氣里， 將從而給用戶帶來便利。當(dāng)控制器在 設(shè)定的時間使水溫達(dá)到設(shè)定溫度時，熱水，通過聲光報警提醒用戶。鍵盤中斷子包括主程序、控制器軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)， 根據(jù)這一要求，顯示子程序和提前加熱時間計算DS1288更新周期結(jié)束中斷子程序LED程序系統(tǒng)主程序 主要完成溫度和水位的檢測以及進行輔助加熱時間預(yù)算和子程序等。 系統(tǒng)主

18、在主 程序中采用了查表方法進行輔助加熱提前量預(yù)算。一些初始化功能。所示。程序流程圖如圖44-1系統(tǒng)程序流程圖圖對于溫度和時間設(shè)定，每次設(shè)定結(jié)束后， 就將設(shè)定值存入DS12887的非易失性RAM中，下次開機時進行讀取。這樣作至少有兩個優(yōu)點：一是系統(tǒng)在不進行設(shè) 定時，就認(rèn)定該設(shè)定值和先前一次一樣，解決了每次開機總要從頭設(shè)定的問題， 另一個是若系統(tǒng)在運行中間停電而再次來電時，可以不用重新設(shè)定，就能按原設(shè)定值對溫度進行控制，增強了控制器適應(yīng)外界變化的能力。對提前加熱時間的 計算，則是系統(tǒng)能否實現(xiàn)預(yù)定功能的重要一環(huán)。因為系統(tǒng)采用分段式水位檢測， 若采用能量守恒的方法對提前加熱時間進行預(yù)算，也同樣得不到精確的結(jié)果。為I ''丨丨了避開繁瑣的計算過程，本系統(tǒng)中采用了模糊控制思想，使用了如下一些控制語句：IF水位高AND溫度差大THEN加熱時間長IF水位適中AND溫度差適中THEN加熱時間適中IF水位低AND溫度差低THEN加熱時間少采用這種思想后，可以用實驗方法獲得各種情況下需要加熱的時間，編制成表格。使用時，只要查表獲得提前加熱時間就行了。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，試驗表明，可以采用如圖5的方法。圖4-2水位監(jiān)測處理示意圖實驗中，用水位達(dá)到B1時的結(jié)果代替水位達(dá)到 A1時的結(jié)果，