【導(dǎo)讀】促進(jìn)我國農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展、建立資源節(jié)約型社會、大力發(fā)展可再生能源和新能源。已擺上了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略重要位置。太陽能資源不僅分布廣泛、儲量巨大，而且不。會對環(huán)境造成污染，因此成為未來可再生能源利用的重點(diǎn)。技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)深入為人們的生活，如太陽能熱水器。但由于各種原因，在經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面，傳統(tǒng)的太陽能熱水器還存在著許多不足。把控制信號傳遞給水泵，電磁閥，節(jié)流閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來有效地管理和監(jiān)控系統(tǒng)工作。判斷循環(huán)的有效性，解決了在陰雨天氣，熱水循環(huán)系統(tǒng)做無效運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。

　　

【正文】 水位、水壓和光照信號，其中 它們 將如何 選取 以及其工作原理會請查閱相關(guān)的參考文獻(xiàn) 。 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –15– 3 光熱太陽能熱水系統(tǒng)控制設(shè)計(jì) 太陽能熱水器以其安全經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保、使用簡單等優(yōu)點(diǎn) ,受到廣大消費(fèi)者的青睞 ，并得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 。 然而目前市場上的太陽能熱水器產(chǎn)品仍存在 著很多不足之處 ， 如受季節(jié)和天氣的影響較大 ， 不能實(shí)現(xiàn)全年的正常使用 ， 提供的熱水量不夠充足等 。 針對上述提到的太陽能熱水器存在的種種弊端 ,筆者利用傳感器和單片機(jī)建立了一個對光熱、電熱實(shí)現(xiàn)智能互補(bǔ)的控制系統(tǒng) 。 系統(tǒng)組成及工作流程規(guī)劃 本文設(shè)計(jì)的太陽能熱水系統(tǒng)主要包括五個部分：上循環(huán)系統(tǒng)、下循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以、供水系統(tǒng)以及光伏供電系統(tǒng)。 圖 31 為本文設(shè)計(jì)的太陽能熱水系統(tǒng)裝置簡圖。 圖 31 光熱控制系統(tǒng)工作流程圖 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –16– 上循環(huán)系統(tǒng) 集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)真空管溫度上升，水 溫也隨之升高。與傳統(tǒng)的光控系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)采用的是溫控來控制系統(tǒng)運(yùn)行，這樣避免了陰天等天氣時，系統(tǒng)做無效空運(yùn)轉(zhuǎn)的缺點(diǎn)。水溫升高后，由于溫度傳感器 1 所受溫度 t1高于溫度傳感器 2 所受溫度 t2，即 t1＞ t2，該信息發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)接收信號后發(fā)送命令至上循環(huán)水泵，使水泵接電運(yùn)轉(zhuǎn)，受上循環(huán)水泵提供的壓力影響，上循環(huán)系統(tǒng)這樣不斷對流循環(huán)，熱水進(jìn)入水箱，而水箱下部的冷水進(jìn)入上循環(huán)水溫逐漸提高。直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相等時，水溫不再升高，此時 t1=t2，該信息發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)接收信號后再次發(fā)送命令至上循環(huán) 水泵，使水泵斷電停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 下循環(huán)系統(tǒng) 當(dāng)用戶開始用水，下循環(huán)系統(tǒng)的水管壓力降低，壓力傳感器將信號發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)接收信號后發(fā)送命令至下循環(huán)水泵，使水泵接電運(yùn)轉(zhuǎn)，受下循環(huán)水泵提供的壓力影響，用戶能用到帶有一定壓力的熱水水流，再通過控制閥調(diào)節(jié)水溫，可方便的進(jìn)行二次調(diào)溫，方便的解決了非承壓太陽能熱水器調(diào)溫難的問題。 控制系統(tǒng) 本文根據(jù)熱水控制器的功能要求 ,并結(jié)合對 MCS251 系列單片機(jī)的資源分析 ,采用此系列中的主流型號 AT89S52作為電路系統(tǒng)的控制核心控制器可以根據(jù)天氣情 況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度 ,從而達(dá)到 24 小時供應(yīng)熱水的目的。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明 ,該控制器和以往的顯示儀相比具有性價(jià)比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn) ,提高了我國太陽能應(yīng)用領(lǐng)域控制水平 ,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 供水系統(tǒng) 供水系統(tǒng)主要由貯水箱和公共自來水管組成。貯水箱要求有很好的保溫性，并且內(nèi)部裝有水位水溫一體傳感器，對箱體內(nèi)部的水位水溫進(jìn)行信號采集，發(fā)送到單片機(jī)，而單片機(jī)進(jìn)行處理后將信號即使傳送到自來水管的電磁閥上，以保證用水時補(bǔ)充貯水箱內(nèi)的水 量。 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –17– 光伏供電系統(tǒng) 由一塊太陽能電池板和一個電瓶組成，通過太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，并將其儲存在按規(guī)定選擇的電瓶內(nèi)，電瓶有兩個輸出接口，分別連接上循環(huán)和下循環(huán)的驅(qū)動水泵，通過單片機(jī)的輸出信號，對水泵的通電與斷電進(jìn)行控制。當(dāng)天氣為晴好，太陽光充足時，太陽能電池板將持續(xù)對電瓶進(jìn)行充電。這樣在陰雨天氣時或冬天的夜晚時，電瓶中也儲有足夠的電量以驅(qū)動水流進(jìn)行防凍循環(huán)。光伏供電系統(tǒng)具有良好的節(jié)能供電與穩(wěn)定的特點(diǎn)。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)熱水控制器的功能要求，并結(jié)合對 MCS251 系列單片機(jī)的 資源分析 ,采用此系列中的主流型號 AT89S52 作為電路系統(tǒng)的控制核心。 水溫采集電路的設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)溫度測量和控制的關(guān)鍵是選擇合適的溫度傳感器。而傳統(tǒng)的溫度傳感器如熱電偶，其輸出與溫度為非線性關(guān)系，需要作線性化處理。集成溫度傳感器解決了傳統(tǒng)溫度傳感器的非線性問題，具有使用方便、線性度好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 本文采用 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器，該溫度傳感器測量范圍為 55℃ ～ 125℃，測量準(zhǔn)確度在177。 ℃之內(nèi)。它的封裝形式小，電壓適用范圍寬，分辨力 9～ 12 位可以設(shè)定，用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存 儲在系統(tǒng)的 EEPROM 中，掉電后依然保存信息。單片機(jī)只需一根串口線與之通信，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，可以節(jié)省大量的引線和接口電路，比較適合該系統(tǒng)對溫度的測量 。 數(shù)據(jù)傳輸引腳 DQ 管腳與單片機(jī)的串口相連，每隔 30s讀取一次數(shù)據(jù)，這樣既能實(shí)時地讀取水的溫度值，還能節(jié)省單片機(jī)的時間。 蓄水箱水位和溫度檢測接口電路的設(shè)計(jì) 蓄水箱水位和溫度檢測部分是實(shí)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(jì)算提前開始輔助加熱的預(yù)加熱時間。要實(shí)現(xiàn)輔助加熱提前時間的精確計(jì)算 , 最好是采用連續(xù) 液位傳感器 , 但考慮系統(tǒng)成本 , 本設(shè)計(jì)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 33 所示。 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –18– 圖 33 水位檢測與顯示電路 檢測原理如下 : 當(dāng)水箱中無水時 , 8 個非門均由 1MΩ電阻上拉成高電平 ,所以圖中各“非”門 (CD4069)輸出均為低電平 , LED1～ 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?, LED 點(diǎn)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(diǎn)亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小 , 因?yàn)樗碾娮柙?100 kΩ 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(shí)驗(yàn)表明 ,上拉電阻選擇在 500 kΩ ～ 1 MΩ 左右能很好地滿足電路的工作要求。為了使單片機(jī)隨時能夠讀出當(dāng)前的水位情況 , 這里選用 74LS244 作為狀態(tài)輸入緩沖器。蓄水箱溫度檢測電路采用熱敏電阻 , 經(jīng) 555 壓控諧振電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號 , 送到單片機(jī)的 T1 口 (編程為計(jì)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。 繼電器輸出電路的設(shè)計(jì) 在太陽能熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中 ,繼電器輸出是實(shí)現(xiàn)蓄水箱輔助加熱的手段。對繼電器控制的安全有效是能安全地對蓄水箱進(jìn)行輔助加熱的保證。該系統(tǒng)中部分電氣連接圖如圖 34 所示。 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –19– 圖 34 繼電器輸出電路 該系統(tǒng)利用繼電器的常開觸點(diǎn)來作為接通輔助加熱器的開關(guān)。此處采用了光電耦合器 4N25 作為對繼電器線圈的控制端。當(dāng) 4N25 中的發(fā)光二極管導(dǎo)通時 ,繼電器線圈中將有電流流過 ,使常開觸點(diǎn)動作 ,接通輔助加熱器開始加熱。二極管 D1 的作用是為繼電器觸點(diǎn)動作時產(chǎn)生的動態(tài)電壓有 一個放電的通路。對繼電器動作與否的總控信號是單片機(jī)的 P116 口線。當(dāng) CPU 向 P116 發(fā)清零信號時 , P116 經(jīng)反相器后變?yōu)楦唠娖?,進(jìn)入與門 ,此時若與門另一輸入腳為高 ,則與門輸出高電平 ,同時發(fā)光二極管點(diǎn)亮 ,指示工作狀態(tài)為正在輔助加熱。同時使光耦發(fā)光管發(fā)光 ,繼電器動作 ,開始輔助加熱。與門的另一輸入腳接的是水位檢測最低位和次低位非門的輸出端。之所以要把水位檢測信號引到這里 ,是利用硬件實(shí)現(xiàn)輔助加熱防干燒的功能。當(dāng)水位低到無法檢測到時 ,與門輸出端將被鎖死為低電平 ,繼電器將不會有機(jī)會動作 ,防止了干燒。這里使用兩根水位檢 測線是為了防止有一根水位線斷線系統(tǒng)拒絕輔助加熱的情況 ,增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯性。 出水控制閥 的設(shè)計(jì) 現(xiàn)市場上的太陽能熱水器大部分都是非承壓式結(jié)構(gòu)，采用落差式取水，熱水壓力低，使用時調(diào)溫困難，原因是冷水壓力高、熱水壓力低，甚至造成熱水回流。浴室內(nèi)管路復(fù)雜，安裝困難、成本高使用非常不方便。基于以上兩個原因，現(xiàn)開發(fā)了一種能解決調(diào)溫困難，安裝方便的集成式太陽能專用調(diào)溫控制閥，并將推向市場，預(yù)計(jì)將受到市場的廣泛歡迎和好評。太陽能中心控制閥是目前國內(nèi)唯一的完全根據(jù)落差式取水太陽能熱水器的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，具有調(diào) 節(jié)水溫、流量、像太陽能熱水器不沖冷水、平衡冷水及熱太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –20– 水的流量和壓力等功能。它最大的特點(diǎn)是在冷熱水的進(jìn)口上增加了兩個微調(diào)開關(guān)，可方便的進(jìn)行二次調(diào)溫，方便的解決了非承壓太陽能熱水器調(diào)溫難的問題。如圖 35 所示。 圖 35 出水控制閥 使用方法： ① 開啟、流量調(diào)節(jié)：先開啟兩個微調(diào)開關(guān)，在使用圖（ c）所示的的水溫調(diào)節(jié)范圍內(nèi)提起手柄， V4 接口為出水口。出水量隨手柄提起的角度變化而變化（見圖（ a））。 ② 用冷水、熱水及調(diào)溫控制：提起手柄， V4 接口出水，水溫的調(diào)節(jié)通過左右旋轉(zhuǎn)手柄而實(shí)現(xiàn)，當(dāng)手柄轉(zhuǎn)至左側(cè)的極限位置時，完 全為熱水（見圖（ b））。 ③ 上水：將手柄按下到位后，旋轉(zhuǎn)至如圖（ c）所示的 40176。范圍內(nèi)；由于壓力差作用，此時 V3 和 V1 接口相通自來水管向太陽能熱水系統(tǒng)補(bǔ)充冷水。 ④ 平衡冷熱水的流量、壓力：使用時，若冷、熱水某一端流量過大，感到單獨(dú)依靠手柄調(diào)節(jié)水溫不易控制時，可調(diào)節(jié)冷熱水管接口兩端的微調(diào)開關(guān)（將流量過大微調(diào)至較?。?，使冷熱水流量適當(dāng)，來平衡冷熱水的流量和壓力，方便的獲得理想水溫。 ⑤ 關(guān)閉：當(dāng)手柄被按下至最低位置時為關(guān)閉狀態(tài)。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 水流流程設(shè)計(jì) 水流流程是光熱太陽能熱水系統(tǒng)的主要工 作線路，其中兩個上、下循環(huán)水泵成為源動力，使循環(huán)強(qiáng)制對流，加快了水流的循環(huán)速率。眾所周知，普通的太陽能熱水器是 自然對流 ，這樣會造成 循環(huán)換熱量相對較少 ，經(jīng)濟(jì)效益低下。改進(jìn)后，不單提高了經(jīng)濟(jì)效益，重要的是增加了更多的熱水。其工作流程如下圖： 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –21– 圖 36 水流流程圖 上循環(huán)控制程序設(shè)計(jì) 溫度傳感器 1 與 2 分別測出 1 與 2 水流處的水溫，以 t1 和 t2 的數(shù)值量以電信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由單片機(jī)計(jì)算其數(shù)值差，若 t1t2≥ 5℃，則單片機(jī)發(fā)送通電信號到上循環(huán)水泵；而 t1t2=0～ ℃時，此時若開通上循環(huán)對 加熱水流則無太大作用，單片機(jī)發(fā)送斷電信號到下循環(huán)水泵；若 t1t20℃，此時必須強(qiáng)制循環(huán)以防止集熱管凍壞，則單片機(jī)發(fā)送通電信號到上循環(huán)水泵。信號流程控制圖如圖 37 所示。 圖 37 上循環(huán)流程控制圖 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –22– 下循環(huán)控制程序設(shè)計(jì) 下循環(huán)由一個水壓傳感器和一個溫度傳感器采集下循環(huán)水流信息，若水壓與水溫發(fā)生變化，傳感器將電信號發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)對下循環(huán)水泵及節(jié)流閥進(jìn)行控制，以使下循環(huán)水流一直保持用戶所需的溫度和壓力。信號流程控制圖如圖 38 所示。 圖 38 下循環(huán)流程控制圖 水箱控制程序設(shè)計(jì) 圖 39 水箱信號流程控制圖 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –23– 水箱中裝有一個水位水溫一體傳感器，同時將水箱中的儲水進(jìn)行溫度和水位測量，并將溫度與水位信號傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)出命令，控制電磁閥的升起與降落，對水箱儲水量進(jìn)行增加或保持原位。信號流程控制圖如圖 39 所示。 流程主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時 ,必須明確熱水器對控制器所提出的控制要求。當(dāng)陽光充足時 ,熱水器會利用太陽能將蓄水箱內(nèi)的水加熱到一定的溫度 (可能會高于設(shè)定溫度 ) ,控制器將不啟動輔助加熱裝置 。當(dāng)陽光不足 (陰雨天 )時 ,為了使用戶同樣能夠 使用到熱水 ,控制器能夠自動啟動輔助加熱器 ,借助電能將水箱內(nèi)的水加熱到設(shè)定溫度。這樣 ,熱水器不論在什么樣的天氣里 ,都能夠向用戶提供設(shè)定溫度的熱水 ,從而給用戶帶來便利。 根據(jù)上面的要求 ,控制器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu) ,包括主程序、鍵盤中斷子程序、顯示子程序等。系統(tǒng)主程序主要完成溫度、水位檢測及進(jìn)行當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值的比較和一些初始化功能。在主程序中采用了查表法進(jìn)行頻率到溫度的轉(zhuǎn)化 ,并且在讀取溫度時 ,采用讀 5 次 ,取排序后的中間值為讀取到的溫度 ,以此來對溫度進(jìn)行數(shù)字濾波處理。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 36 所示。 圖 36 主程序流程圖 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –24– 延時兩次的作用都是相同的 ,都是為了讓測量的溫度值更加精確。查表程序采用對分查表法 ,既節(jié)省機(jī)時又無需太多要求。為了使顯示和控制都更精確 ,表格分得越細(xì)越好 ,這需要在實(shí)驗(yàn)測量時采集更多的數(shù)據(jù)。 1℃的誤差對于民用熱水器來說 ,已完全能夠滿足要求了。 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 DS12C887 的非易失性 RAM中 ,下次開機(jī)時進(jìn)行讀取。這樣做至少有兩個優(yōu)點(diǎn) :一是系統(tǒng)在不進(jìn)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(jī)總要從頭設(shè)定的問題 。另一個是若系統(tǒng)在運(yùn)行中間停 電而再次來電時 ,可以不用重新設(shè)定 ,就能按原先設(shè)定值對溫度進(jìn)行控制 ,增強(qiáng)了控制器適應(yīng)外界變化的能力。 太陽能熱水系統(tǒng)控制及其與建筑一體化設(shè)計(jì) –25– 4 控制系統(tǒng)的 功能要求及 特點(diǎn)