新型太阳能热水器的设计
新型太阳能热水器的设计
随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，新能源的开发利用的课题已提到人类的面前。太阳能作为一种新型能源，它取之不尽用之不竭，是一种绿色无污染的能源，而且它使用方便、成本低，所以太阳能热水器被人们广泛应用于生活中。目前，太阳能热水器的控制器还一直处于研究和开发阶段，市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能，不具备温度和水位控制功能。本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、传感器、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬件设计及软件实现方法。
关键词 太阳能热水器，温控系统，单片机
1 引言 1
2 设计思路及要求 1
2.1 本设计的目的和意义 1
2.2 设计要求和目的 1
2.3 本设计实现思路及方法 2
3 硬件设计 2
3.1 控制系统组成及工作原理 2
3.2 主要原器件介绍 5
4 太阳能热水器硬件设计 12
4.1 太阳能控制器硬件结构 12
4.2 ADC0832转换器 13
4.3 继电器的工作原理和特性 14
4.4 电磁阀与晶闸管 15
4.5 水位检测和温度检测接口电路 17
4.6 键盘电路的设计 19
4.7 显示接口电路的设计 20
4.8 光电隔离与辅助加热电路设计 22
5 控制器的软件设计 22
5.1 主程序设计 23
5.2 显示子程序 25
6 系统功能 26
6.1 系统能实现的功能 26
6.2 系统功能测试 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录1： 30
附录2： 39
1 引言
目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。这种控制器只具有温度和液位显示功能， 而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。[1]这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。温度控制采用模糊控制， 控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。[1]
2 设计思路及要求
2.1本设计的目的和意义
本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置电路简单、实用性强、性价比高、水温控制灵活，水位显示直观醒目。可广泛应用于家庭生活对太阳能热水器的水位显示与水温控制。具有良好的市场前景。
2.2设计要求和目的
（1）掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法；
（2）太阳能热水器水位的检测和显示；
（3）太阳能热水器温度的检测和显示；
（4）太阳能热水器水温的设定和电加热器的控制；
（5）太阳能热水器上水水位的设定和控制；
（6）编写控制流程图及单片机控制程序
2.3本设计实现思路及方法
水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线）检测；并由四个红色LED发光二极管显示：若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯；通过观察红灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取5段显示，也可根据需要进行增减。
水温由四个LED数码管显示，前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号C，水温有效值最多可显示为99.9℃。
3 硬件设计
3.1控制系统组成及工作原理
系统组成：如图3-1所示，本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成 。
控制器：主要通过里面的电磁阀控制YV1和YV2的通断，控制水温检测传感器检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制电阻加热丝加热。
自动控制阀：主要通过控制器控制，当水箱中的水的实际温度大于所设置的温度时，自动阀就自动打开往水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。
手动控制阀：当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。
水位检测电极：主要用来检测水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五个电极，接地的电极放在最水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，比如当水箱中的水在 第一等分和第二等分之间，则显示水箱中有四分之一的水，当超过第二等分，则 显示二分之一的水。
水温检测传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。
电阻加热丝：主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。 太阳能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。
图3-1系统组成示意图
3.1.1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。
3.1.2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。
3.1.3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<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。[7]
3.1.4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：
随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，新能源的开发利用的课题已提到人类的面前。太阳能作为一种新型能源，它取之不尽用之不竭，是一种绿色无污染的能源，而且它使用方便、成本低，所以太阳能热水器被人们广泛应用于生活中。目前，太阳能热水器的控制器还一直处于研究和开发阶段，市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能，不具备温度和水位控制功能。本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、传感器、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬件设计及软件实现方法。
关键词 太阳能热水器，温控系统，单片机
1 引言 1
2 设计思路及要求 1
2.1 本设计的目的和意义 1
2.2 设计要求和目的 1
2.3 本设计实现思路及方法 2
3 硬件设计 2
3.1 控制系统组成及工作原理 2
3.2 主要原器件介绍 5
4 太阳能热水器硬件设计 12
4.1 太阳能控制器硬件结构 12
4.2 ADC0832转换器 13
4.3 继电器的工作原理和特性 14
4.4 电磁阀与晶闸管 15
4.5 水位检测和温度检测接口电路 17
4.6 键盘电路的设计 19
4.7 显示接口电路的设计 20
4.8 光电隔离与辅助加热电路设计 22
5 控制器的软件设计 22
5.1 主程序设计 23
5.2 显示子程序 25
6 系统功能 26
6.1 系统能实现的功能 26
6.2 系统功能测试 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录1： 30
附录2： 39
1 引言
目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。这种控制器只具有温度和液位显示功能， 而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。[1]这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。温度控制采用模糊控制， 控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。[1]
2 设计思路及要求
2.1本设计的目的和意义
本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置电路简单、实用性强、性价比高、水温控制灵活，水位显示直观醒目。可广泛应用于家庭生活对太阳能热水器的水位显示与水温控制。具有良好的市场前景。
2.2设计要求和目的
（1）掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法；
（2）太阳能热水器水位的检测和显示；
（3）太阳能热水器温度的检测和显示；
（4）太阳能热水器水温的设定和电加热器的控制；
（5）太阳能热水器上水水位的设定和控制；
（6）编写控制流程图及单片机控制程序
2.3本设计实现思路及方法
水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线）检测；并由四个红色LED发光二极管显示：若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯；通过观察红灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取5段显示，也可根据需要进行增减。
水温由四个LED数码管显示，前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号C，水温有效值最多可显示为99.9℃。
3 硬件设计
3.1控制系统组成及工作原理
系统组成：如图3-1所示，本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成 。
控制器：主要通过里面的电磁阀控制YV1和YV2的通断，控制水温检测传感器检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制电阻加热丝加热。
自动控制阀：主要通过控制器控制，当水箱中的水的实际温度大于所设置的温度时，自动阀就自动打开往水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。
手动控制阀：当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。
水位检测电极：主要用来检测水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五个电极，接地的电极放在最水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，比如当水箱中的水在 第一等分和第二等分之间，则显示水箱中有四分之一的水，当超过第二等分，则 显示二分之一的水。
水温检测传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。
电阻加热丝：主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。 太阳能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。
图3-1系统组成示意图
3.1.1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。
3.1.2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。
3.1.3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<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。[7]
3.1.4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：
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