【正文】 .................................. 25 第 II 頁 共 Ⅱ 頁 5 變換器部分電路調(diào)試 .................................................................................................. 26 6 軟件設(shè)計(jì)流程圖 .......................................................................................................... 28 結(jié)論 .................................................................................................................................. 29 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 30 附錄： .............................................................................................................................. 31 第 1 頁 共 32 頁 1 引言 太陽能熱水器 的 國內(nèi)外發(fā)展 現(xiàn)狀 目前，太陽能供暖技術(shù)和供熱水已經(jīng)相對(duì)比較成熟，太陽能制冷技術(shù)尚處于研發(fā)階段。太陽能熱水器是太陽能利用技術(shù)的主要應(yīng)用產(chǎn)品，可供應(yīng)熱水和為建筑供暖。 從全球的產(chǎn)品類型來看，太陽能熱水器包括平板型太陽能熱水器、真空管太陽能熱水器 、無蓋板太陽能熱水器 。各種產(chǎn)品的地域性分布非常明顯，真空管太陽能熱水器主要分布在我國（占全球總量的 97%），主要用于提供生活洗浴用熱水；無蓋板太陽能熱水器主要分布在美國和澳大利亞（占全球總量的 90%），主要用于游泳池用水的加熱；平板型太陽能熱水器 廣泛地分布在歐洲、亞洲、美洲和大洋洲。 據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)， 2021 年，全球新增太陽能熱水器安裝量為 1918 萬平方米，包括 513 萬平方米平板型太陽能熱水器 、 90 萬平方米無蓋板集熱器 ， 1213萬平方米 真空管太陽能集熱器。 2021 年全球太陽能熱水器提供的熱量相當(dāng)于 581 億千瓦時(shí)電力（ ），年減排 CO22540 萬噸。 從 1999 年至 2021 年， 平板 型太陽能熱水器和 真空管太陽能熱水器市場(chǎng)在中國、新西蘭 、澳大利亞 以及歐洲都增長迅速。中國年均增長率為 25%，澳大利亞和新西蘭為 19%，歐洲為 13%。用于游泳池加熱的無蓋板太陽能熱水器年安裝量在 1999 至 2021年保持了增長的態(tài)勢(shì)， 2021 年稍有回落， 2021 年又恢復(fù)增長的態(tài)勢(shì)。 中國太陽能熱水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于上世紀(jì) 80 年代，當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)定位是農(nóng)村或中小城鎮(zhèn)的低收入家庭，其主導(dǎo)產(chǎn)品以技術(shù)簡單、造價(jià)便宜的悶曬式太陽能熱水器為主。進(jìn)入 90 年代，隨著技術(shù)進(jìn)步和企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，技術(shù)和企業(yè)都逐步成熟，太陽能熱水器逐步形成了真 空管、平板和悶曬三種技術(shù)系列，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化和規(guī)?；a(chǎn)，這一時(shí)期的真空管太陽能熱水器和平板太陽能熱水器主要定位于中小城市的中高收入居民。 90 年代后期，住宅商品化的發(fā)展以及家庭對(duì)熱水需求的大幅度增長，為太陽能熱水器的發(fā)展提供了市場(chǎng)空間，太陽能熱水器的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了一些有一定知名度的產(chǎn)品和品牌。 2021 年以來，為了滿足高端用戶的需求和城市景觀的要求，太陽能熱水器產(chǎn)品的升級(jí)換代和與建筑結(jié)合成為新的熱點(diǎn)和發(fā)展方向，一些大型企業(yè)與房地產(chǎn)開發(fā)商一起建設(shè)完成了一批太陽能熱水器與建筑結(jié)合項(xiàng)目，太陽能熱水器 與房地產(chǎn)項(xiàng)目同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收的理念逐步被建筑行業(yè)所接受。一批太陽能熱水器與建筑結(jié)合的試點(diǎn)項(xiàng)目，取得了良好的推廣效果。 第 2 頁 共 32 頁 2021 年以來，建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村活動(dòng)的開展，為太陽能熱水器在農(nóng)村地區(qū)的推廣應(yīng)用提供一個(gè)良好的契機(jī)，越來越多的農(nóng)村新村改造項(xiàng)目使用太陽能熱水器為農(nóng)戶提供熱水供應(yīng)，北京等一些地區(qū)還開始使用太陽能熱水器為農(nóng)戶供暖。太陽能熱水器已成為各地農(nóng)村新村改造、改善農(nóng)民生活水平的有力工具。 自上世紀(jì) 90 年代以來，我國太陽能熱水器行業(yè)保持了 10 多年的快速增長。 2021年，太陽能熱水器年生產(chǎn)量為 1500 萬平方米，是 2021 年 640 萬平方米的 2 倍多。到2021 年底，我國太陽能熱水器保有量超過 7500 萬平方米，是 2021 年 2600 萬平方米的近 3 倍。目前，我國既是世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，同時(shí)也擁有世界上最大的太陽能熱水器市場(chǎng)。 我國太陽能熱水器已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，形成原材料加工、產(chǎn)品開發(fā)制造、工程設(shè)計(jì)和營銷服務(wù)的產(chǎn)業(yè)體系，有力地帶動(dòng)了玻璃、金屬、保溫材料和真空設(shè)備等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大的新興產(chǎn)業(yè)。至 2021 年，全國有 1000 多家有一定規(guī)模的太陽能熱水器生產(chǎn)企業(yè)，年總產(chǎn)值達(dá) 150 多億元 ，出口創(chuàng)匯 2021 萬美元，全行業(yè)提供約 30 多萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。 目前，太陽能熱水器為全國 3500 多萬家庭提供著熱水供應(yīng)，已形成與電熱水器和燃?xì)鉄崴魅愣α⒌木置妗Ｎ覈呀?jīng)形成了完整的太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)體系，在過去 10 年高速發(fā)展的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)未來 10 多年仍保持快速增長的勢(shì)頭。根據(jù)我國的可再生能源規(guī)劃，我國太陽能熱水器市場(chǎng)在今后若干年內(nèi)將繼續(xù)保持快速的增長， 2021年太陽能熱水器的安裝總量將達(dá)到 億平方米， 2020 年 預(yù)計(jì)將達(dá)到 3 億平方米。 市場(chǎng)上 各類熱水器的 特 點(diǎn) 燃?xì)鉄?水器 ： 快速加熱，出水量大，不易結(jié)垢，體積小，價(jià)格比較實(shí)惠，對(duì)使用時(shí)間和人數(shù)沒太多要求。但是 用時(shí)會(huì)產(chǎn)生 一氧化碳 ， 通風(fēng)效果不好，一氧化碳 不及時(shí)排除，易致人中毒、死亡；需根據(jù)燃?xì)夥N類選產(chǎn)品，不同燃?xì)獾娜紵餍螤睢娮齑笮?、通道截面不同；易受氣壓、水壓影響，調(diào)節(jié)水溫麻煩。 電熱水器 ： 受周圍環(huán)境和氣候影響較小，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)水溫。但是 需要使用的時(shí)候要提前加熱差不多半個(gè)小時(shí)， 冬季使用預(yù)熱時(shí)間會(huì)更長； 而且管道 易結(jié)水垢，對(duì)電能消耗 也很 大。因功率大容易造成短路事故，使用電熱水器時(shí)電路電線發(fā)燙大大縮短線路壽命并有引發(fā)火災(zāi)的隱 患。 太陽能熱水器 ： 不用電、燃?xì)獾饶茉?，?jié)能環(huán)保，安全系數(shù)比其他產(chǎn)品高，加熱后可以全年、全天候使用。但是 受天氣的影響比較大，同時(shí)安裝復(fù)雜，容易影響住房第 3 頁 共 32 頁 的外觀質(zhì)量及城市的市容市貌 。因太陽能熱水器安裝在室外，所以比較難維護(hù) 。 課題研究 的 目的和意義 在實(shí)際生活當(dāng)中仍然有許多的燃?xì)鉄崴?，電熱水器在使用，眾所周知，能源的消耗隨著科技的進(jìn)步也在不斷的超負(fù)荷消耗著，燃?xì)?、電都需要用到不可再生的石油和煤炭資源，而太陽能則是取之不盡用之不竭的，因此，使用太陽能熱水器不僅僅節(jié)省了生活開支也保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。 在廣泛的使 用太陽能熱水器的同時(shí)，我們又不得不考慮一些比較客觀的問題，太陽能熱水器有很多優(yōu)點(diǎn)但是也存著在很多缺點(diǎn)。 目前太陽能熱水器在設(shè)計(jì)上面仍然存在著很多的不足，比如，很多老式的太陽能熱水器在上水之后不能自動(dòng)控制閥門關(guān)閉，要人為的控制上水閥門使自來水管停止上水，因而造成讓水資源白 白的流失，造成了不必要的浪費(fèi)。特別是夏天的時(shí)候，熱水器的集熱管受 到太陽光的曝曬，假如這時(shí)候上水，集熱管就會(huì)發(fā)生爆裂，損壞熱水器。 我們需要 做的就是 將現(xiàn)有的太陽能熱水器上水控制部分進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到 定時(shí) 上水，水滿自動(dòng)關(guān)閥的目的。 課題研究的 問題和設(shè)計(jì)思路 本課題要研究采用什么途徑獲得太陽能熱水器水箱內(nèi)的水位信息，并判斷水箱內(nèi)水 是否 已經(jīng)上滿 ，選用什么樣 的傳感器和測(cè)量電路將水位信息 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過控制電路和執(zhí)行電路來解決水滿自動(dòng)關(guān)閥 。 本設(shè)計(jì) 考慮 在溢出管上安裝電阻式水位傳感器來解決水位信號(hào)的采集問題， 測(cè)量電路以 RS 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為核心 。通過繼電器的觸點(diǎn)控制電源開關(guān)和電磁閥的開關(guān)，達(dá)到 上水 自動(dòng) 開閥，自動(dòng)關(guān)閥并切斷主電源的設(shè)計(jì)目的 ，并且能通過控制器界面顯示水位信息。 2 太陽能熱水器上水控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理 第 4 頁 共 32 頁 圖 太陽能熱水器單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 該太陽能熱水器上水控制器系統(tǒng)采用 AT89C52 為 CPU，由水位傳感器和溫度傳感器將采集到的水位信息和溫度信息， 輸出到 單片機(jī) AT89C52 進(jìn)行處理 。然后 由單片機(jī)的 I/O 端口 輸出顯示以及鍵盤控制，單片機(jī)通過對(duì)所 接收 到的信號(hào)處理判斷是否驅(qū)動(dòng)電磁閥來上水和關(guān)閉上水。 DS1302 的使用是為了防止系統(tǒng)掉電，方便系統(tǒng)時(shí)間恢復(fù)，節(jié)省單片機(jī)資源而添加的。在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置之間加入光電隔離是為了將電信號(hào)進(jìn)行隔離， 能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地 回路的干擾 。 數(shù)據(jù)信息采集與轉(zhuǎn)換 水位信號(hào)采集 在該系統(tǒng)中，太陽能熱水 器上水控制是由單片機(jī)對(duì)水位信號(hào)的檢測(cè)和處理，然后經(jīng)由驅(qū)動(dòng)裝置，分別在顯示電路中顯示溫度和水位信息，并且控制上水電磁閥動(dòng)作。 對(duì)于水位信號(hào)的采集，使用的傳感器有很多種可以選擇，比如電容式傳感器，濕敏電阻傳感器，電阻式傳感器等。在本次設(shè)計(jì)中，前期方案的設(shè)計(jì)中使用了電容傳感器，采用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路作為電容轉(zhuǎn)換電路。但是在實(shí)際電路的調(diào)試的時(shí)候，電路本身的干擾信號(hào)比較明顯，而且由于電容的制作，和選取材料的問題，所制作出來的電容容 量很小，所采用的 LM324N 比較器頻率較小難以達(dá)到電路的要求，考慮到換其他的高速比較器，但是由于成本提高的幅度較大，制作工藝比較高，并不能很好的完成設(shè)計(jì)，故更改為電阻式水位傳感器。 本設(shè)計(jì)采用的自制電阻式水位傳感器，利用太陽能熱水器上水水滿，會(huì)有水從溢水位傳感器 單片機(jī) AT89C52 顯 示 光電隔離 驅(qū)動(dòng)裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) DS1302 驅(qū)動(dòng) 電路 鍵 盤 報(bào)警電路 DS18B20 第 5 頁 共 32 頁 出管中溢出這樣的現(xiàn)象，可以將自制的電阻式傳感器安裝于溢出管上，在無水狀態(tài)下的電阻為無窮，有水溢出時(shí)接觸到傳感器，電阻可以降到 300 千歐左右。經(jīng)過控制電路處理，即可實(shí)現(xiàn)水位判斷。 溫度信息采集 本系統(tǒng)所采用的溫度傳感器為 DS18B20，該產(chǎn)品采用美國 DALLAS 公司生產(chǎn)。DS18B20 溫度傳感器是數(shù)字式溫度傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)溫度傳感器精度高、穩(wěn)定性好、電路簡單、控制方便并且具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 DS18B20 的引腳以及封裝： 圖 DS18B20 封裝 及引腳 如圖 所示 DS18B20 的 1 腳接地， 2 腳接輸入 /輸出引腳， 3 腳為可選擇的 VDD引腳。 DS18B20 的特點(diǎn)與性能： 1）應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫電路 。 2）測(cè)溫電路范圍 55～ +125℃ ，最大精度為 ℃ 。 3）只通過一條數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)通信 。 4） 每個(gè) DS18B20 器件上都有獨(dú)一無二的序列號(hào)，所以一條數(shù)據(jù)線上可以掛接很多該類型的傳感器 。 5）內(nèi)部有溫度上下限告警功能 。 6）工作電壓： 3～ 5V/DC。 7）通過編程可實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字讀數(shù)方式。 8） 警告搜索命令能識(shí)別和尋址溫度在編定的 極限之外的器件（溫度警告情況）。 第 6 頁 共 32