【文章內(nèi)容簡介】 熱水器。目前，中國已經(jīng)成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，年產(chǎn)量約為世界各國之和，擁有太陽能熱水器研制、生產(chǎn)、銷售和安裝的企業(yè)達到1000余家，年產(chǎn)值20億元。太陽能熱水器發(fā)展迅速，與之形成偏差的是與太陽能熱水器相配套的太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發(fā)階段。目前市場上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等問題,很多控制器只具有溫度和水位顯示功能,且誤差較大。主要存在的問題有以下兩個方面：(1）不具備溫度控制功能。當(dāng)由于天氣或氣候原因而光強不足時，太陽能熱水器就會溫度達不到洗浴要求，給熱水器熱水器用戶帶來不便。即使部分太陽能熱水器具有輔助加熱功能,通常采用的是電加熱方式。而傳統(tǒng)電加熱溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后性和時變性的特點，應(yīng)用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法，很難達到理想的控制效果。也可能由于加熱時間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費電能。(2）上水控制通常采用手動控制，水滿不容易發(fā)覺，造成水資源的浪費?；蛘哂兴^水位控制,是通過設(shè)定來實現(xiàn)太陽能熱水器水箱里缺水時自動補水、水滿時自動停水的功能?，F(xiàn)有的控制方案多由水位傳感器根據(jù)缺水或滿水時發(fā)出的不同信號控制半導(dǎo)體器件的通斷,從而進一步控制繼電器、電磁閥的開合狀態(tài),來進行補水與否。這種方案容易造成用戶在使用過程中水位下降進行補水，出現(xiàn)混水問題。對于家庭用戶來說，一天熱水的使用量相差不會很大，若使用時隨時補水，混水后又需要電輔熱進行加。因此針對手動控制等中低端太陽能熱水器，我們旨在利用水位傳感器開發(fā)一種控制更加智能，而且更加經(jīng)濟的太陽能熱水器自動上水系統(tǒng)。第一章硬件及結(jié)構(gòu)第一節(jié) 框圖體系及結(jié)構(gòu)一、太陽能熱水器工作原理及總體結(jié)構(gòu)太陽能熱水器的基本原理主要是利用溫室原理將自然界的太陽光能轉(zhuǎn)化為供人類使用的熱能，通過把水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。當(dāng)相對密閉的環(huán)境中熱對流減小、熱輻射損失減少，熱量不斷聚積，聚集的能量轉(zhuǎn)化為熱能，密閉環(huán)境的溫度逐漸升高這樣的一種自然現(xiàn)象稱之為溫室原理。太陽能熱水器是由進行太陽能和熱能轉(zhuǎn)化的集熱器、用于儲存熱水的儲水箱及其他配套部件組成。把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管，太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。集熱器正面在陽光照射下溫度升高，集熱管背陽面沒有太陽光輻射溫度就會低，而集熱器管內(nèi)水便有了溫度差異，由于熱水比重較小上浮，冷水比重較大就會下沉，吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng)，產(chǎn)生向上的力促進水流的運動。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，最終整箱水都升高至一定的溫度。太陽能熱水器系統(tǒng)是由太陽能熱水器和太陽能熱水器控制系統(tǒng)組成。而太陽熱水器由集熱器、蓄熱水箱、上水連接管道、太陽能集熱器支架及其它輔助部件組成。太陽能集熱器和蓄熱水箱可以分開安裝,集熱器可以安裝在房頂,容易采光的地方,且可以與房屋外形外形相結(jié)合。蓄熱水箱和控制裝置可以安裝在室內(nèi)方便的地方，只需布設(shè)相應(yīng)的管道與線路即可。其組成框圖如圖11所示。圖11二、太陽能熱水器控制系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)設(shè)計的太陽能熱水器控制系統(tǒng)將檢測到的一系列環(huán)境數(shù)據(jù)，通過主控芯片處理后，可以實現(xiàn)定時控制上水，水滿自動停止。智能輔助加熱，溫度合適即停止加熱。還可以讓用戶手動控制，進行定時等操作，滿足用戶的特殊要求。通過LED顯示屏用戶可以了解系統(tǒng)地實時工作狀態(tài)，即水溫多少、水位多高等。使用戶在入浴前可以了解熱水器的工作狀態(tài)。通過對太陽能熱水器控制系統(tǒng)功能分析可以設(shè)計出太陽能熱水器控制系統(tǒng)框圖。下面對具體功能進行說明。（1）上水控制定時上水設(shè)置有六個上水時間點,每天在所設(shè)定的定時時間自動進行上水操作，水上滿自動停止。智能上水當(dāng)水位低于可容許最低水位時自動上水，水上滿自動停止。避免出現(xiàn)無水可用及干燒等情況。手動上水設(shè)置有手動上水按鍵，滿足特殊情況的需要。用戶可以根據(jù)實際需要定量上水。（2）溫度顯示即時顯示水箱中水的溫度，溫度測量范圍為0100攝氏度。（3）水位顯示設(shè)置10(滿檔)、08（80%）、06（60%）、04（40%）、02（20%）、01（10）、00（空）七個檔,顯示水箱水位。（4）智能輔助加熱智能輔助加熱，當(dāng)用戶對水溫不滿意時，開啟智能輔助加熱，設(shè)置三檔加熱溫度，滿足個性化需求、用電加熱器作為輔助加熱源，當(dāng)溫度加熱至設(shè)定溫度時，自動停止加熱。（5）水流循環(huán)太陽能集熱器和太陽能蓄熱水箱內(nèi)分別安裝溫度傳感器，通過兩個溫度傳感器采集水溫信號。通過溫度檢測電路進行信號轉(zhuǎn)換，將溫度值轉(zhuǎn)換成電壓值。A/D轉(zhuǎn)換可以將輸出電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送至控制電路。在控制電路模塊將對兩者溫度進行比較，當(dāng)兩者的溫度差值達到預(yù)先給定的設(shè)定值時，控制器發(fā)出啟動信號，啟動循環(huán)水泵一段時間。在循環(huán)水泵的作用下熱水進入太陽能蓄水箱，冷水進入太陽能集熱器。循環(huán)一段時間后，循環(huán)時間可以預(yù)先設(shè)定，可由太陽能熱水器集熱管數(shù)量決定，循環(huán)泵停止工作，太陽能集熱器的水進入加熱過程。第二節(jié)各原件的作用及工作原理太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)主要由外圍硬件電路和主控芯片組成，根據(jù)太陽能熱水器控制系統(tǒng)框圖可以得到太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖。詳細的功能設(shè)計將在下面的部分詳細介紹。溫度檢測電路將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)化為主控芯片處理用的數(shù)字量，主控芯片根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)進行溫度顯示和數(shù)據(jù)處理，驅(qū)動輔助加熱裝置進行水加熱操作。水位檢測電路將水位信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，主控芯片根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)進行水位顯示和數(shù)據(jù)處理，通過水位控制電路，驅(qū)動電磁閥進行自動上水操作。上水循環(huán)電路通過主控芯片控制，根據(jù)檢測到的集熱器與蓄水箱中的溫差情況進行數(shù)據(jù)處理，通過上水循環(huán)電路，驅(qū)動水泵進行自動上水循環(huán)操作。顯示模塊主要是溫度，水位，時間顯示。按鍵模塊用來進行自動上水時間點的設(shè)定，加熱溫度設(shè)定，以及上水量的設(shè)定，還設(shè)置有手動上水開關(guān)，滿足特殊需要。一、溫度傳感器的選型溫度傳感器可以用來測量小目標(biāo)，熱容量小或溫度變化較快的物體。目前的溫度傳感器種類比較多，常見的溫度傳感器主要有熱電偶、熱敏電阻、以及模擬集成溫度傳感器，邏輯輸出型溫度傳感器。每種傳感器有各自的特點與適用的場合。熱電偶是由兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合而成。熱電偶的熱電勢EAB(T，T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接觸電勢是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢，此電勢與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點的溫度有關(guān)。溫差電勢是指同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢，此電勢只與導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的長度、截面大小、沿其長度方向的溫度分布無關(guān)。熱電偶靈敏度低，而且需要冷端補償，所以不適合在本系統(tǒng)中應(yīng)用。鉑傳感器的電阻值與溫度之間的關(guān)系接近于線性，只是在接近其范圍極限時呈非線性。鉑電每攝氏度可以改變幾分之一歐姆，測溫范圍為260～850℃。但在本方案中，但采用恒流源測溫法時，如果電流過大會增大器件自身的發(fā)熱，引入誤差。如果電流過小，A/D轉(zhuǎn)換器難于分辨，需加模擬放大調(diào)理電路，增加方案的復(fù)雜度，難于達到高精度控溫的效果。鉑電阻的精確性會增加方案的復(fù)雜度，方案難于實現(xiàn)。模擬集成溫度傳感器是溫度測量及模擬信號輸出功能的專用集成電路。集成模擬溫度傳感器與熱電偶和鉑傳感器相比，具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，而且實際尺寸小、使用方便。常見的模擬溫度傳感器有LM391LM33LM4AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型等。模擬集成溫度傳感器缺點