太阳能热水器集热排管自动清洗系统设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究目的 1
1.3 课题研究意义 2
1.4 课题研究现状 3
1.5 工作安排 3
2 系统方案设计和相关部件选择 4
2.1设计原理 4
2.2 系统总体设计框图 4
2.3系统控制器AT89C51的选择 5
2.3.1单片机概述 5
2.3.2 引脚介绍 5
2.4步进电机及其驱动电路 7
2.4.1步进电机概述 7
2.4.2 步进电机的转向控制 8
2.4.3步进电机的主要参数 8
2.5位移传感器的选择 9
2.6 系统机械机构设计和系统运行原理 10
2.7 系统机械结构尺寸设计 11
2.8丝杠及其配套使用螺母副选择 12
2.9 系统驱动电机与丝杠之间的联轴器选择 13
2.10 系统定位轴承的选用 13
3 基于Proteus的单片机控制步进电机系统仿真分析 13
3.1 仿真软件介绍 13
3.2 基于单片机的智能温度步进电机控制系统仿真模型 14
3.3系统仿真结果和分析 15
4 太阳能热水器集热排管自动清洗控制系统设计 16
4.1系统拖动电机控制系统设计 16
4.2 系统拖动电机驱动电路设计 17
4.3 位移检测信号调理电路 18
4.4 系统控制软件设计 20
4.4.1 系统控制程序流程图 20
4.4.2 系统控制程序 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
21
5 系统软硬件联合调试 24
总结与展望 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
1 绪论
1.1 课题研究背景
随着人类步入21世纪，社会处于飞速发展之中，能源与环境成了制约社会发展的两大要素，于是寻找清洁能源和可再生能源成了当务之急。太阳能是目前最被看好的清洁能源，由于其有着取之不尽，用之不竭的特点，使得太阳能有着其他能源无法比拟的优越性。一直以来，人类对于太阳能的利用率还很低，如何解决太阳能转化效率低下的问题是现阶段一直探究与研发的重要课题。在普通家庭中对于太阳能的利用主要应用在太阳能热水器上，这也是目前对太阳能最普遍，最实用的利用方法之一。[1~3]
目前，中国每年太阳能热水器的产量高居世界首位，年产量甚至已经抵得上其他国家每年的产量总和。市面上的太阳能热水器种类繁多，产品也多有创新，不断完善各项功能。例如加入各类传感器来监控温度、液面或光照强度等重要参数，并利用控制器实现对一些参数的显示与控制功能。[1, 3, 4]不过现阶段，这方面的尝试都处于研究与开发阶段，尚未能够真正实现对水温的控制，当遇到天气原因导致光强不足时，会对太阳能热水器的效果产生决定性影响，产品性能受自然因素的制约。由于太阳能热水器集热排管常年放置于室外，因此空气中的杂质容易沉降到太阳能热水器集热排管上。太阳能热水器集热排管上的杂质主要有空气中的灰尘、粉末、鸟粪等长年累积在太阳能热水器集热排管表面形成的积尘，工厂排放的粉尘、油污等杂质飘落在太阳能热水器集热排管上，日积月累形成的油泥层。积尘和油泥层的存在大大影响了太阳能热水器集热排管吸收太阳能的效率。[5, 6, 7]
1.2 课题研究目的
当消费者购买一台太阳能热水器时，最关心的是热水器的性能与使用寿命，不良的产品护理或恶劣的使用环境会导致使用寿命的缩短，而影响热水器效能的因素主要有以下几点：（1）水箱发泡技术，保温层的密制度以及聚氨酯的原料质量。（2）太阳能集热排管的真空镀膜技术，包括真空程度以及膜层的原材料使用。此外，集热排管表面的灰尘、油泥层，真空管内壁的水垢等，都会不同程度的影响太阳能热水器的吸热效率。
本课题设计的太阳能热水器集热排管自动清洗系统便是为了解决集热排管上的污染物影响太阳能热水器效能的问题。相关文献从光热反应以及化学反应三个角度研究了积尘和油泥层对太阳能热水器集热排管吸热效率的影响，并评估了积尘和油泥层对太阳能热水器集热排管光学与热学性能影响的参数——积尘、油泥层遮挡系数与太阳能热水器集热排管吸热效率下降率。数据显示，当太阳能热水器集热排管表面的积尘量达到3.12 g/m2、5.55 g/m2、7.17 g/m2、15.02 g/m2及22.40 g/m2时，积尘遮挡系数为0.90、0.87、0.70、0.58与0.56，积尘遮挡系数与积尘量成反比。对应的太阳能热水器集热排管吸热效率分别下降2%、5%、14%与17%，太阳能热水器集热排管吸热效率下降率与积尘量成正比。[8~12]而油泥层对太阳能热水器集热排管吸热效率影响更大，本课题设计的太阳能热水器集热排管自动清洗系统可根据积尘多少来预先设定清洗时间，避免集热排管表面的灰尘沉积导致热水器的效果下降，同时也延长了太阳能热水器的使用寿命。[13, 14, 15]由此可见，无论从工作性能还是使用寿命来看，太阳能热水器集热排管自动清洗系统都是非常必要的，有着很强的实用价值。
1.3 课题研究意义
现如今，太阳能技术不断发展，可应用领域广泛。而太阳能技术在日常生活中最普遍的应用便是家用太阳能热水器的使用。自太阳能热水器出现以来，因其节能环保，便捷高效的特点，慢慢被普通家庭所认可，走进百姓的家中，深受广大消费者的青睐。调查显示，太阳能热水器的预计销售额保持着稳定增长，逐步从电、燃气热水器等传统热水器的竞争中脱颖而出，是现在消费者所接受的热水器品种。2005年2月，我国太阳能相关产业也由此进入快速发展阶段。2009年5月，太阳能热水器加入到家电下乡政策中，也由于此政策的推动，仅一年太阳能热水器产业规模的增幅就达到了前3年的增长总和，行业总产值冲击500亿大关。预计到2015年底，全国家用太阳能热水器使用率最高可达到30%，到2020年底，全国太阳能热水器使用覆盖率最高可达到3.2亿平方米，年平均增长率保持在17%左右。[16~21]
太阳能热水器正逐步替代传统热水器成为家用热水器的第一选择。在这样的形式下，围绕太阳能热水器相关功能的开发也成了必要之举。本课题主要解决的是集热排管表面灰尘与油泥层的清洁，从而提高集热排管的吸热效率。据调查，一个新买的太阳能热水器由于其热水器集热排管表面清洁，所以吸热效果好，太阳能利用率高，在光照充足的情况下，热水可满足一家5口的洗浴热水供给，即便是阳光不足或遇上多云阴天天气，也能满足2~3人的洗浴热水供给。而对于购买了3年以上的太阳能热水器，由于其集热排管表面已累积了大量积尘和油泥层，在光照充足的情况下只能供给3~4人的洗浴热水，多云天更是只能供给1人的洗浴热水；这种问题在购买5年以上的太阳能热水器上体现的更加明显，阳光充足的时候也只能提供2~3人的洗浴热水，当遇到天气不佳时则干脆不出热水。这样的问题是我们此次课题急需要解决的。
图7 电涡流位移传感原理示意图 图8 QH8500位移传感器电压与位移关系
Proteus可以实现原理图和PCB图的相互转化，原理图设计完成之后，随时可以点击进入PCB的设计环境，成功将设计理念和预想转变成实际产品。支持器件的自动人工布局等等。[13, 14, 17]
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究目的 1
1.3 课题研究意义 2
1.4 课题研究现状 3
1.5 工作安排 3
2 系统方案设计和相关部件选择 4
2.1设计原理 4
2.2 系统总体设计框图 4
2.3系统控制器AT89C51的选择 5
2.3.1单片机概述 5
2.3.2 引脚介绍 5
2.4步进电机及其驱动电路 7
2.4.1步进电机概述 7
2.4.2 步进电机的转向控制 8
2.4.3步进电机的主要参数 8
2.5位移传感器的选择 9
2.6 系统机械机构设计和系统运行原理 10
2.7 系统机械结构尺寸设计 11
2.8丝杠及其配套使用螺母副选择 12
2.9 系统驱动电机与丝杠之间的联轴器选择 13
2.10 系统定位轴承的选用 13
3 基于Proteus的单片机控制步进电机系统仿真分析 13
3.1 仿真软件介绍 13
3.2 基于单片机的智能温度步进电机控制系统仿真模型 14
3.3系统仿真结果和分析 15
4 太阳能热水器集热排管自动清洗控制系统设计 16
4.1系统拖动电机控制系统设计 16
4.2 系统拖动电机驱动电路设计 17
4.3 位移检测信号调理电路 18
4.4 系统控制软件设计 20
4.4.1 系统控制程序流程图 20
4.4.2 系统控制程序 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
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5 系统软硬件联合调试 24
总结与展望 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
1 绪论
1.1 课题研究背景
随着人类步入21世纪，社会处于飞速发展之中，能源与环境成了制约社会发展的两大要素，于是寻找清洁能源和可再生能源成了当务之急。太阳能是目前最被看好的清洁能源，由于其有着取之不尽，用之不竭的特点，使得太阳能有着其他能源无法比拟的优越性。一直以来，人类对于太阳能的利用率还很低，如何解决太阳能转化效率低下的问题是现阶段一直探究与研发的重要课题。在普通家庭中对于太阳能的利用主要应用在太阳能热水器上，这也是目前对太阳能最普遍，最实用的利用方法之一。[1~3]
目前，中国每年太阳能热水器的产量高居世界首位，年产量甚至已经抵得上其他国家每年的产量总和。市面上的太阳能热水器种类繁多，产品也多有创新，不断完善各项功能。例如加入各类传感器来监控温度、液面或光照强度等重要参数，并利用控制器实现对一些参数的显示与控制功能。[1, 3, 4]不过现阶段，这方面的尝试都处于研究与开发阶段，尚未能够真正实现对水温的控制，当遇到天气原因导致光强不足时，会对太阳能热水器的效果产生决定性影响，产品性能受自然因素的制约。由于太阳能热水器集热排管常年放置于室外，因此空气中的杂质容易沉降到太阳能热水器集热排管上。太阳能热水器集热排管上的杂质主要有空气中的灰尘、粉末、鸟粪等长年累积在太阳能热水器集热排管表面形成的积尘，工厂排放的粉尘、油污等杂质飘落在太阳能热水器集热排管上，日积月累形成的油泥层。积尘和油泥层的存在大大影响了太阳能热水器集热排管吸收太阳能的效率。[5, 6, 7]
1.2 课题研究目的
当消费者购买一台太阳能热水器时，最关心的是热水器的性能与使用寿命，不良的产品护理或恶劣的使用环境会导致使用寿命的缩短，而影响热水器效能的因素主要有以下几点：（1）水箱发泡技术，保温层的密制度以及聚氨酯的原料质量。（2）太阳能集热排管的真空镀膜技术，包括真空程度以及膜层的原材料使用。此外，集热排管表面的灰尘、油泥层，真空管内壁的水垢等，都会不同程度的影响太阳能热水器的吸热效率。
本课题设计的太阳能热水器集热排管自动清洗系统便是为了解决集热排管上的污染物影响太阳能热水器效能的问题。相关文献从光热反应以及化学反应三个角度研究了积尘和油泥层对太阳能热水器集热排管吸热效率的影响，并评估了积尘和油泥层对太阳能热水器集热排管光学与热学性能影响的参数——积尘、油泥层遮挡系数与太阳能热水器集热排管吸热效率下降率。数据显示，当太阳能热水器集热排管表面的积尘量达到3.12 g/m2、5.55 g/m2、7.17 g/m2、15.02 g/m2及22.40 g/m2时，积尘遮挡系数为0.90、0.87、0.70、0.58与0.56，积尘遮挡系数与积尘量成反比。对应的太阳能热水器集热排管吸热效率分别下降2%、5%、14%与17%，太阳能热水器集热排管吸热效率下降率与积尘量成正比。[8~12]而油泥层对太阳能热水器集热排管吸热效率影响更大，本课题设计的太阳能热水器集热排管自动清洗系统可根据积尘多少来预先设定清洗时间，避免集热排管表面的灰尘沉积导致热水器的效果下降，同时也延长了太阳能热水器的使用寿命。[13, 14, 15]由此可见，无论从工作性能还是使用寿命来看，太阳能热水器集热排管自动清洗系统都是非常必要的，有着很强的实用价值。
1.3 课题研究意义
现如今，太阳能技术不断发展，可应用领域广泛。而太阳能技术在日常生活中最普遍的应用便是家用太阳能热水器的使用。自太阳能热水器出现以来，因其节能环保，便捷高效的特点，慢慢被普通家庭所认可，走进百姓的家中，深受广大消费者的青睐。调查显示，太阳能热水器的预计销售额保持着稳定增长，逐步从电、燃气热水器等传统热水器的竞争中脱颖而出，是现在消费者所接受的热水器品种。2005年2月，我国太阳能相关产业也由此进入快速发展阶段。2009年5月，太阳能热水器加入到家电下乡政策中，也由于此政策的推动，仅一年太阳能热水器产业规模的增幅就达到了前3年的增长总和，行业总产值冲击500亿大关。预计到2015年底，全国家用太阳能热水器使用率最高可达到30%，到2020年底，全国太阳能热水器使用覆盖率最高可达到3.2亿平方米，年平均增长率保持在17%左右。[16~21]
太阳能热水器正逐步替代传统热水器成为家用热水器的第一选择。在这样的形式下，围绕太阳能热水器相关功能的开发也成了必要之举。本课题主要解决的是集热排管表面灰尘与油泥层的清洁，从而提高集热排管的吸热效率。据调查，一个新买的太阳能热水器由于其热水器集热排管表面清洁，所以吸热效果好，太阳能利用率高，在光照充足的情况下，热水可满足一家5口的洗浴热水供给，即便是阳光不足或遇上多云阴天天气，也能满足2~3人的洗浴热水供给。而对于购买了3年以上的太阳能热水器，由于其集热排管表面已累积了大量积尘和油泥层，在光照充足的情况下只能供给3~4人的洗浴热水，多云天更是只能供给1人的洗浴热水；这种问题在购买5年以上的太阳能热水器上体现的更加明显，阳光充足的时候也只能提供2~3人的洗浴热水，当遇到天气不佳时则干脆不出热水。这样的问题是我们此次课题急需要解决的。
图7 电涡流位移传感原理示意图 图8 QH8500位移传感器电压与位移关系
Proteus可以实现原理图和PCB图的相互转化，原理图设计完成之后，随时可以点击进入PCB的设计环境，成功将设计理念和预想转变成实际产品。支持器件的自动人工布局等等。[13, 14, 17]
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