太阳能电热水器设计方案

天阳能电热水器设计方案一、引言随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人们所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。人们在大力的发展太阳能产业。能源问题将更为突出：①从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。②环境污染③温室效应引起全球气候变化。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能具有：①储量的“无限性”太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×10的23次方kW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×10的13次方千亿t。②太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。③发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。2000年太阳能热水器取代47000套家用电热水器；2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。然而，目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。所以太阳能热水器必须加以辅助加热功能，充分利用太阳能的同时方便生活所需。即使热水器具有辅助加热功能，普通电热水器有如下缺点：1、热水器长期通电，长期保持在六十度以上高温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏；2、管道热水热量损耗大；3、等候用水时间太长；4、在热水流出前都必须浪费一定量的冷水，根据管道的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达10-25升/次。而快热式电热水器克服了上述缺点。它有很多优点，如：安全，干净环保；即开即热，3-5秒出热水无须等候，热水使用时间不受限制，想用多久就用多久；用多少烧多少，省电省水，没有损耗；内置温控仪保证温度在30-50度之间，解决温度持续高温导致的结垢漏水问题。也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无须预热，减少了电能浪费。另外，它还具有体积小，使用安全，安装方便等特点。热水器的种类很多，但快热式热水器也有很多种。要想设计出较好的快热式电热水器必须要以较强的单片机作为基础，而单片机的发展正好为热水器的开发奠定了前提条件。本设计的快热式家用电热水器系统采用电源电路、单片机控制器、温度检测电路、加热控制电路还采用了热敏电阻、放大电路以及转换电路等。并给出了信号流程图并介绍了快热式家用电热水器软件系统。二、设计内容太阳能电热水器控制系统的设计方式很多。本设计采用单片机为中央处理器，液晶显示模块，热电偶温度采集模块，水位采集模块，电加热模块，控制模块。本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成温度和水位的实时显示功能，并能完成温度设定等功能，具体实现的功能目标为：（1）显示水温和水位，电加热水温可任意设定；（2）设置温度参数后，自动控制电辅助设备加热；三、设计方案1、系统总体设计：太阳能电热水器整体结构示意图太阳能电热水器工作流程图水位采集模块电容式液位传感器系统1设计原理采用筒式电容传感器采集液位的高度。主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。显示电路连接于单片机用于显示水位的高系统开始工作开始上水水位传感器测水位判断水位是否达到标准Yes判断水位是否达到标准判断水位是否达到标准判断水位是否达到标准判断水位是否达到标准温度传感器测温判断温度是否达到标准Yes系统自动跳转保温水位传感器测水位热水器使用时加热NoNo度。。2．系统框图被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位。传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。A/D转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。在此用到逐次逼近式。单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。3传感器原理电容式液位传感器系统;它利用被测体的导电率,通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化,再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能,并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。3.1传感器的组成图为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管(半径为R1)、同轴绝缘导线(半径为R0)以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化,从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。图3-1-2传感器原理图3.2测量原理由图1可知,当可测量液位H=0时,不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0,根据文献得到电容量为:（1）式中,C0为电容量,单位为F;ε0为容器内气体的等效介电常数,单位为F/m;L为液位最大高度;R1为不锈钢管半径;R0为绝缘导线半径,单位为m。当可测量液位）为H时,不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容CH:（2）式中,ε为容器内气体的等效介电常数,单位为F/m。因此,当传感器内液位由零增加到H时,其电容的变化量ΔC可由式(1)和式(2)得（3）由式可知,参数ε0,ε,R1,R0都是定值。所以电容的变化量ΔC与液位变化量H呈近似线性关系。因为参数ε0,ε,R1,R0,L都是定值,由式(2)变形可得:CH=a0+b0H(a0和b0为常数)(4)。可见,传感器的电容量值CH的大小与电容器浸入液体的深度H成线性关系。由此,只要测出电容值便能计算出水位。3.3将电容转化成电信号部分采用运算法测量电路来转化。该电路由传感器Ｃｘ和固定的标准电容Ｃｏ以及运算放大器A组成温度采集模块此电热水器中采集温度主要利用集成温度传感器AD590，集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：式中，K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1A/K。利用AD590传感器测量水箱内摄氏度如图2所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0℃时调整R2，使输出VO=0，然后在100℃时调整R4使VO=100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，VO=0mV，100℃时VO=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么VO应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。要使图2中的输出为200mV/℃，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为℉）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/℉，则调整反馈电阻约为180k，使得温度为0℃时，VO=17.8mV；温度为100℃时，VO=197.8mV。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。电加热模块加热模块主要靠热电阻加热温度传感器被检测信息——传感器——检测电路——输出单元本方案使用电阻式传感器，由于检测电路的种类通常由传感器类型而定，所以电阻式传感器需用一个电桥电路把电阻值变换成电压或电流输出，由于电桥输出信号一般比较微弱，常常将电桥输出信号加以放大，所以在测量电路中一般还带有放大器铜热电阻采用铜热电阻进行温度的测量，测量范围一般为—50度—150度。在此温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯加工，价格便宜，复现性能好。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻体积较大，且在测温范围内化学物理特性稳定。驱动电辅助加热模块通过连接继电器来控制电辅助加热是否工作。继电器继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器被所控制的输出电路导通或断开。电磁继电器原理电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。电磁继电器结构图液晶显示模块显示电路的设计数码管显示电路的设计是采用双向共阳极串行接口电路，用来显示加热档位，直观性更强。它的电路图如图3-6所示：abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS?DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS?DPY_7-SEG_DPR11200*8R12R13R15R17R18R16R14R94.7KR104.7KQ?PNP1Q?PNP1+5图3-6显示电路控制模块控制模块显示模块温度采集模块电加热模块水位采集模块