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1、太阳能热水器智能仪 摘要：当前能源紧缺，用电紧张，太阳能是绿色能源，得到广大用户的喜爱。使用太阳能热水器时存在的问题：不可缺水，空晒情况下上水会爆炸；春、秋天，水温升高蒸发，造成热能损失；冬天水温不够，须用电等等。采用太阳能热水器智能仪（仪称太阳能热水器水温水位测控仪），能解决上述问题。使用户省心，使用方便，智能运行，用户不必作任何操作。 关键词：太阳能热水器 工作原理 技术性能 引言当前能源紧缺，用电紧张，太阳能是绿色能源，得到广大用户的喜爱。使用太阳能热水器时存在的问题：不可缺水，空晒情况下上水会爆炸；春、秋天，水温升高蒸发，造成热能损失；冬天水温不够，须用电等等。采用太阳能热水器智能仪（
2、仪称太阳能热水器水温水位测控仪），能解决上述问题。使用户省心，使用方便，智能运行，用户不必作任何操作。太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区别，这就对太阳能的收集和利用提出了较高的要求。在太阳能热利用中，为了得到中高温热能，必须使集热器从日出到日落跟踪太阳，而在太阳能光电中，相同条件下，自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，成本下降25%。因此在太阳能利用中，进行跟踪装置的控制方式进行研究是一项很有意义的工作。 1. 本课题技术性能要求：(1) 使用电源220V AC，功耗5W。(2) 水温数码显示，测温范围099 0C；精度20C。(3) 水位
3、分五档显示（缺水、20、50、80、100%）。(4) 具有缺水上水、温控上水、手动上水和低水压上水等功能。(5) 水位设置。可设置加水水位20、50、80、100%（本仪预置水位50%）。(6) 缺水报警。当水位从高到低，出现缺水状态时，蜂鸣报警，缺水指示灯闪亮。2. 工作原理：2.1 原理：利用热敏电阻和液位传感器检测水温和水位，并加以显示。根据水温水位情况进行控制。当水位从高到低，出现缺水状态时，蜂鸣报警，缺水指示灯亮，延时15分钟，若温度不超过990C，（以免空晒后上水造成炸管），自动上水至预置水位；若温度高于1000C，不上水。太阳晒后，水温上升，当温度超过600C且水未满时，打开电
4、池阀上水至500C；防止出现低水量、高水温的不合理现象。晚上，若热水已用完，延时15分，进行缺水上水；若热水未用完，不上水，以保证热水充分利用；第二天太阳出来后，利用温控上水。在上水的过程中，水压过低或停水，智能仪会自动进入低水压上水模式，低水压声光报警，间隔30分钟启动上水，若30分钟内不能使水位上升一挡，则停止30分钟，然后再启动，反复循环。以免电池阀长时间通电而烧毁。2.2实现方案：（附录1：系统示意图）通过“水位设置”键可进行水位设置，可设置加水水位20、50、80、100%（本仪预置水位50%）。通过“上水”键，可实现手动上水。通过“上水”键，若水位低于预置水位，可上水至预置水位；若
5、水位已达到预置水位，则在原水位基础上再加一档；若水位已加满，则停止手动加水。在上水过程中，按“上水”键，可停止上水。 3. 硬件设计：3.1 直流电源的设计：3.1.1 直流电源的图解：本课题可采用集成三端稳压器，只要加上一些外围元件即可实现。其框图和电路分别如下图：3.1.2 方案论证：通过框图分析，该电路由四个部分组成，它们的功能分述如下：（1） 电源变压器它的任务是把电源电压变压到合适的大小。如果u2的值太大，会造成集成三端稳压器7805的功耗太大，温度升高，且浪费电能。反之，如果u2的值小到一定的程度，三端稳压器不能正常工作，失去稳压作用 。因此u2的值应大小合适，这个值应该使三端稳压
6、器在交流电网电压最低和输出电流最大时能正常工作。而且在正常稳压的前提下，它的压降尽可能小，以减少功耗。（2） 整流电路它的任务是将正弦波变换成直流电压。这里一般采用桥式整流电路来实现，即可用四个二极管来组成，也可用整流桥堆来完成，只是参数一定要选择合理。（3） 滤波电路它的任务是将全滤波形通过 RC 滤波网络以后变成更平坦的直流电压，减小脉动，提高整流的效果。这时整流管中通过的电流的瞬时值要比平均值大得多，特别在接通电源瞬间有相当大的冲击电流（即充电电流）通过整流管，这一点要引起注意。（4） 稳压电路要求输出恒定的直流电压，且要达到提出的要求，3.1.3 方案实现 ：（1）计算u2和C1查阅集
7、成三端稳压器的知了可知，对输出电压在5v12v之间的稳压器，其输入端的电压一般要比输出端电压高5v。而输出电压在15v24v的稳压器，其两端电压差达到7v9v左右。在此，如果1，2两端的电压为12V，那么可以求得u2为10v。从电容滤波出发，C1的容量应足够大，但C1的容量也不能太大，否则整流元件的瞬时电流太大，而且容量越大，电容器的体积越大，价格越贵，根据经验综合各方面情况，取C1=3300uF.(2) 整流元件的参数1）反向耐压 根据桥式整流电路的性能可知，每个整流二级管在交流电网最高时承受的最大反向峰植电压为： 为了安全，整流管的反向耐压应比上述植高50%以上，因此选择整流管时，其耐压应
8、按下式考虑：2）正向电流 桥式整流电路中，每个整流二极管的正向电流平均值是输出电流的一半，其最大值为：由于整流管在接通电源瞬间有相当大的冲击电流（即充电电流）通过，因此，整流管的参数（正向电流平均值）应比上述值大（0.52）倍。若按比上述值大1.8倍考虑，则=1.8目前，市场上有各种规格的整流桥堆出售，它有两个交流输入端和两个直流输出端。由于它体积小，使用方便，价格较低，已成为常用整流元件。根据上面的计算，本电源可选用1A/25V的整流桥堆。（3） 变压器二次绕组的电流由于电容滤波整流电路中，整流管的电流不是正弦波，变压器二次绕组电流的有效值要比输出电流大，一般情况下，前者是后者的（1.13）
9、倍。这里我们取 因此，变压器二次绕组的额定电流（交流有效值）应按2A设计。在本设计中，对电磁阀的直流电源的要求不不高，又因为1，2两端的电压为12V，为节省资源，故可直接取用1，2两端的电压作为电磁阀的直流电压，无需再另行设计12V稳压电源。3.2 输入接口电路：接口电路是一组电路，是中央处理器与存储器、输入/输出设备等外设之间协调动作的控制电路。从更一般的意义上说，接口电路是在两个电路或外设之间，使两者动作条件相配合的连接电路。接口电路并不局限在中央处理器与存储器或外设之间，如直接存储器存取DMA接口电路就是控制存储器与外设之间数据传送的电路。接口电路的作用就是将来自外部设备的数据信号传送给
10、微处理器，微处理器对数据进行适当加工，再通过接口电路传回外部设备。所以，接口电路的基本功能就是对数据传送实现控制，具体包括5种功能：地址译码、数据缓冲、信息转换、提供命令译码和状态信息、定时和控制。不同的接口电路用于不同的控制场合，因此其功能也各有特点。如并行接口电路不要求数据格式转换功能，来自总线的并行数据就可直接传送到并行外设中；而串行通信接口电路就必须具备将并行数据转换为串行数据和将串行数据转换为并行数据的功能。本设计所用到的传感器，包括测水位的传感器与测水温的传感器，分别作如下介绍：（1）水位传感器：它的结构图如下：说明：结构图中的电阻外表面均不与水直接接触，但分别与a、b、c、d 良
11、好接触，a、b、c、d用于感知水位。硬件图中HD74HC04P是一个六反向器，管脚如下图所示：它在本设计中用于接成环形振荡器。选择合适电容、电阻值时，环形振荡器就能根据每次传感器的阻值产生相应特定周期的方波。 其中为水位传感器的电阻值由传感器的结构图可看出：当水位未达到a时，即ha时、这时传感器的总阻值为4R，对应，系统处于缺水状态。当ahb时，传感器电阻阻值为3R，对应，系统处于20%水位。当bhc时，传感器电阻阻值为2R，对应，系统处于50%水位。当chd时，传感器电阻阻值为R，对应，系统处于80%水位。当h=d时，传感器电阻阻值为0，对应，系统处于100%水位。其中，环形振荡器产生的方波
12、周期T（或f）可通过单片机P87LPC744BN的两个定时/计数器（T0、T1）来确定，T1用来计数，T0用来定时。所以，水位传感器测水位的基本原理如下： （m为T1的计数值，为T0的定时值）。（2）水温传感器本设计可选选用具有负温度系数的热敏电阻来测水温，热敏电阻与普通电阻不同，它具有负的温度特性，当温度升高时，电阻值减小，它的应用是为了感知温度。现选用MF51型直热式负温度系数热敏电阻，它的技术特性如下：型号标称电阻（）材料常数（）温度系数（）使用温度范围MF5115K33003.755+300520K36004.02080K39004.380100K43004.7它能满足本设计的测量灵敏
13、度要求和2%的测量精度要求，性价比较高。测量原理：与水位传感器一样，在设定好合适的参数（R1、R2、Rs、C）后，对应每个热敏电阻阻值，环形振荡器便能产生一个特定周期的矩形波。 T可通过单片机的T0外部计数和T1内部定时的方式确定。故 然后通过下列公式求温度： 其中 -被测温度-与热敏电阻特性有关的参数-与热敏电阻特性有关的系数-热敏电阻阻值以上计算均可由软件编程实现，把计算出的温度转化成BCD码，然后再存放于显示缓冲区中，执行相应的功能程序。 3.3 键盘中断：本系统存储容量不大，4KROM，128RAM足够，由于只有二个键，且不经常操作，所以本设计中采用了中断方式，其中与P0.2口的键盘是
14、用于手动上水功能，与P0.3口连接的键盘用于水位设置的功能。3.4 显示接口：本设计中采用了共阴极接法，对于显示水温水位的程序作如下说明： 在动态扫描过程中，调用延时子程序Del1，其延迟时间为1ms，这是为了使扫描到哪位显示器稳定的点亮一段时间，犹如扫描过程中在每一位显示器上都一段驻留时间，以保证其显示亮度。 本设计接口电路是软件为主的接口电路，对显示数据以查表方法得到其字形代码，为此在程序中有字形代码Table，从0开始依次写入十六进制数的字形代码。为了进行查表操作，使用查表指令 MOVC A，A+DPTR，由DPTR提供16位基址，由A提供变址，因此显示数据送A后，再由A送P0.1P0.6输出给显示器。（1）水位显示：本系统需显示水位，水位分缺水、20、50、80%五档，均用发光二极管来指示。（2）水温显示：本系统需显示水温，测量范围为099 0C，用两个八位LED数码管显示。3.5 电磁阀：由于本系统中执行机构控制的是电磁阀，因此需用三极管进行功率放大。3.6 晶振：为给单片机提供工作所需要的时钟信号，本设计中采用了6MHZ的晶振。故系统中CPU执行的每一个机器周期为2us. 3.7 主机：主机的选择是关键，选得好，可节省许多外围电路，本设计采用的是由P
