【正文】 .................................. 8 加熱電路設計 .................................................... 9 上水控制電路 ................................................... 11 鍵盤控制電路 ................................................... 12 3 軟件設計 ......................................................... 13 主程序設計 ..................................................... 13 水位檢測子程序 ................................................. 13 水位控制子程序 ................................................. 15 溫度檢測子程序 ................................................. 15 溫度控制子程序 ................................................. 16 按鍵掃描子程序 ................................................. 17 顯示子程序 ..................................................... 20 4 結論 ............................................................. 21 參考文獻 ........................................................... 22 學術論文數(shù)據(jù)集： ................................................... 23 中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 1 緒論 發(fā)展和 現(xiàn)狀 太陽能熱水器是太陽能利用中最為主要的形式，其隨著人類 科學技術的發(fā)展而不斷發(fā)展， 其歷史可以追溯至 1900 年 美國生產的 太陽能集熱器，以后不斷發(fā)展，并于 19 世紀 60 年代后極速發(fā)展。 進入21 世紀來，由于能源緊缺的進一步加重，很多國家都把發(fā)展太陽能熱水器上升為國家戰(zhàn)略，例如西班牙 2021 年要求在新建筑 物中安裝太陽能光伏發(fā)電和集熱系統(tǒng)，以色列也于 2021 年要求安裝太陽能水加熱系統(tǒng)，澳大利亞也出臺了國家條例促進太陽能熱水器的健康發(fā)展 [1]。 直到 改革開放 以后 ,我國太陽能熱水器的發(fā)展 才 進入高速發(fā)展期 ,目前 中國太陽能熱水器的年生產量是歐洲的 2 倍，北美的 4倍，現(xiàn)已成為世界上最大的太陽能熱水器生產國和最大的太陽能熱水器市場 [2]。在農村地區(qū)和中小城市，太陽能熱 水器已經(jīng)成為提高人民生活質量，全面建設小康社會的重要手段。中國太陽能熱水器在近 3 年時間內還將保持 30%以上的增長速度，市場潛力巨大 [2]。 其 工作原理 為 ：集熱器吸收陽光照射將其轉化為熱能加熱管中的水，利用冷水下沉熱水上浮的原理，從而使熱水循環(huán)至水箱，水箱可以保溫并可以供數(shù)小時后 用戶 使用熱水。對目前市場上的各種“智能儀”功能的分析 ,感覺到這些 智能儀與人們的理想要求 — “智能化”控制還 有一定的距離 。由水位傳感器根據(jù)缺水或滿水時發(fā)出的不同信號使 控制 半導體器件截止或導通 ,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。主要是“缺水”的定義難以把握。當水用完時出于不能空曬的考慮而立即補水 , 似乎合情合理 ,但若進一步分析 :如果當天晚上仍有少量余水就不能立即補水。如果設計成低于設定水位就立即補水 ,這種情況下 ,人們只要一打開用水閥 ,熱水流出來 ,冷水便會自動流入補充造成冷熱水互混 ,既便滿水箱的熱水用戶也用不上。 溫度控制部分的過程為 電加熱器溫度控制電路溫度傳感器 ?? 這樣的控制要求 ,看上去就是“恒溫”控制 ,有許多成熟的恒溫電路設計方案可以解決。 (2) 人工啟動電加熱至有熱水可用 ,往往需要相當長的加熱時間 (一般需要 23 小時 )[4]。 (3)很多熱水器沒有低溫保護裝置，這在極端天氣條件下會使太陽能熱水器發(fā)生致命性損壞。 本文 分三大部分。第二部分包括第二 、三章，給出太陽能熱水器水位溫度檢測控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計 。中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 2 系統(tǒng)硬件設計 整體設計 根據(jù)系統(tǒng)要求 ,由于系統(tǒng)運算量不是很大 ,沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存 ,使用 AT89S52 已完全能夠滿足要求。 圖 系統(tǒng)硬件結構圖 水位測量 目前市場上太陽能熱水器的水位傳感器主要有：水電接觸的電極式傳感器、霍爾效應的浮子式傳感器和壓力式傳感器 [3]，它們各有優(yōu)缺點，最突出和普遍的問題是電極式和浮子式傳感器的缺陷是所顯示的水位很粗糙，一般顯示水箱水位只有 45點，壓力式傳感器雖然可以連續(xù)顯示水箱水位的狀態(tài)，但成本很高。目前使用最廣泛的電極式傳感器由于水電接觸，有回路 電流會影響水質要面臨淘汰，浮子式傳感器雖然是水和電非接觸測量，但結構復雜，可靠性差。 電容傳感器是利用改變電容的幾何尺寸或改變介質的性質和含量，從而使電容量發(fā)生變化的原理制成的。 其中， 電容式液位傳感器 是 利用液位的變化使電容值改變的原理進行測量。ε 0、 ε 分別為空氣和被測水的介電常數(shù) ， 其中 ε 0= 1012F/m[6],蒸餾 水的介電常 數(shù) ε =80ε 0[6]。 根據(jù)圓柱體的電容公式可得，液體部 分電容量 1c 為 : 1 2ln( / )HC Dd??? （ ） 液體以上部分 電容 的電容值 C2 為 : 02 2 ( )ln( / )LHC Dd??? () 總電容量 C 為 : C = C1 + C2 = 02 ( ) 2ln ( / ) ln ( / )LH HD d D d?? ??? () 在液位為零時 ,初始電容量 C0 為 : )/ln(2 00 dD LC ??? （ ） 因此 ,在液位為 H 時 ,相對于無水時的 電容變化量 CX 為 : CX = C C 0 =)/ln( )(2 0dD H??? ? （ ） 由式 () 可知 ,傳感器的電容變化量與 水位 高度 H 成正比 ，因此，可以通過測量電容值的大小來計算熱水器內水箱的水位高度。 目前這樣的轉換電路種類很多， 電容 電壓裝換電路 （ CV）和 電容 電流 (CI)裝換電路 然技術比較成熟，但是其要經(jīng)過檢波、濾波、信號放大、 AD轉化等 步驟 ，轉換電路比較復雜，在這些過程中容易產生誤差，而電容 頻率 裝換電路比較容易實現(xiàn)， 在傳輸中 信 號 不發(fā)生變化， 更能真實反映水位的變d H 空氣 L ε 0 ε 水 圖 圓柱形電容傳感器 結構圖 D 中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 6 化。正式基于這樣的考慮， 本文采用如圖 電路， NE555的 8腳、 4腳外接 +5V電源， 4腳與 Ra， Rb， 電容傳感器 CX串聯(lián)后接地， 7腳接至 Ra， Rb之間， 6腳與 2腳連接后接至 Rb和 電容傳感器CX之間 ，這樣就 組成 了一個 多諧振蕩器 。在這一過程中， Ra， Rb上是總有電流的。 充電時間為2ln)(1 CRR ba ??? ； 放電時間為 2ln2 CRb?? 。 對應水位為 0時 的 電容量為 C0 ,則輸出頻率的周期 T0 為 : 2ln)2( 00 CRRaT b?? () 那么相對于無水時的 電容 變化 值 CX 為 : 2ln)( 00 RbRa TTCCC X ? ???? () 中國計量學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 從式 () 可以看出 ,由于 T0 、 Rb 都是不變的 ,輸 出信號 Fout的周期與被測電容 CX 為線性關系。為了提高周期測量精度，我們測量 10個方波周期的時間，來計算水位高度。 由此 當水位為 0時， 其 電容 傳感器 為 32PF,則周期為 ；而水箱水滿時， 電容 C=2567PF,T=。 比較新型的 測溫元件 數(shù)字溫度芯片 DS18B20， 實現(xiàn) 輸出信號全數(shù)字化 ， 便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外