《太阳能热水器控制器设计方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能热水器控制器设计方案（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、太阳能热水器的通用控制器研制武汉工程大学刘增华李伟1、系统功能与指标1.1 功能特点具有目前产品的一般功能：1)设置上限水位：设置水位上限，可选择50% 99%之间（我们选取80%），并且在使用中，不得自动上水。2)设置水箱水温：设置电加热的温度上限，可选择 0C80C（我们选取 60C），自动加热。3)水位指示： LED 五段显示。4)水温指示： LCD 液晶数字显示。5) 自动上水：为防止空晒，当水位低于10%时，系统强制上水；当水位低于30%时，提示报警，若没有使用，启动自动上水，若使用，则报警提示先上水，再使用。6)辅助加热：当出现阴雨天气，水温达不到要求，启动辅助电加热，电加热温度上
2、限设置为 60C。同时还具有新加功能：1)智能模式：检测淋浴水温，自动调节凉水的流量，自动调节，使水温保持在设定温度的 2C 范围内，并保持有足够的流量。1.2 技术指标1)设置上限水位：设置水位上限，可选择50% 99%之间（我们选取80%），并且在使用中，不得自动上水。2)设置水箱水温：设置电加热的温度上限，可选择60C，自动加热。3)水位指示：分段显示（5 段显示）。4)水温指示：数字显示（精度为1 度）。5)自动上水： 为防止空晒， 当水位低于30%时，提示报警， 若没有使用， 启动自动上水。若使用，则报警提示先上水，再使用。6)智能模式：检测淋浴水温，自动调节热水、凉水的流量，自动调
3、节，使水温保持在设定温度的 2C 范围内，并保持有足够的流量。2、系统结构设计2.1 系统的工作原理太阳能热水器辅助控制系统结构如图1 所示。在太阳能热水器的储水箱内增加一个电加器，采用 220V 市电加热，由辅助控制系统的继电器控制通断电，用来在温度达不到要求的时候进行辅助加热来保证热水温度。水位、 水温探测器从保温储水箱顶部安装在水箱中，通过电缆线接入用户室内控制器。流量控制阀用通过步进电机来精确控制冷水即自来水的流量，来保证热水与冷水混合后的温度达到用户的要求。当水位不足报警时，通过电磁阀启动上水，上水的过程中，不允许淋浴，且放水电磁阀关闭。当需要淋浴时，放水电磁阀打开，通过自动控制冷水
4、电磁阀的开度来保证冷水与热水混合后的温度与用户设定值基本一致（水温保持在设定温度的2C 范围内），淋浴过程中，系统禁止上水和辅助加热。当淋浴完后按下 ”淋浴完键 ”，系统停止放水并且电机要复位。系统的总体结构图如下。液位传感器温度传感器热水器储水箱电加热器上水三通电磁阀放水电磁阀自来水阀电动节流截至阀温度传感器门三通三通淋浴器图 1 太阳能热水器辅助控制系统结构图2.2 控制系统与电路结构组成控制系统采用FPGA 内部构建Core8051 单片机来控制水温水位等，其内部接线图如图2 所示。整个系统采用Fusion StartKit 开发平台，嵌入8051 内核为核心，对水温、水位等参数进行智能
5、检测和显示，读取电磁阀的状态，经键盘操作和单片机内部运算比较，控制相应得执行机构进行通、断电及报警提示，其控制系统组成如图3。LCD1602模块Mini ISA 接口D0D7 D6 D5 D4D3D2D1BUZZERFPGADB0-DB7RSRWEPP0P2.0P2.1P2.2P1.0P1.1P1.2P1.3CPUP2.3P2.4Core8051P2.5P2.6P2.7Fusion StartKitP1.4P1.5P1.6P1.7K2K3K4K5LED 模块LED1-LED5P3.0-P3.4图 2FPGA内部 Core8051引脚分配图放水电磁阀上水电磁阀加热继电器按键K1,K2,K3,K4
6、,K5指示灯水位显示LED1-5蜂鸣器复位键 K6K1: 加温度键K2 ：减温度键K3 ：确认键K4 ：淋浴完成键K5 ：上水键K6: 复位键光耦P1.0P0口DB0-DB71602 液晶显示器光耦P1.1RSRWEP光耦P1.2Core8051P2.0P1.3-P1.7P2.1P2.2P3.0-P3.4P2.3CP-步进步进P2.4U/D-电机电机P2.5FREE 驱动器P3.5P3.6P2.6+5V555T0+5V1820水箱温度检测液位P2.7+5V检测装置1820喷头水温检测+5V图 3 太阳能热水器控制系统的组成Core8051 的 P0 口作液晶的数据口，P2.0-P2.2 为液晶
7、的使能控制口，P2.3-P2.5 分别接步进电机驱动器 CP-,u/d- ，FREE-, CP 为脉冲信号输入端； U/D为电机正、 反转控制端； FREE为电机脱机控制端， 通过不断的对淋浴水温进行智能检测和显示，经单片机内部运算与设定温度进行比较， 控制输入步进电机的脉冲信号及正反转状态，来调节流量控制阀的开度， 从而来保证喷头水温与用户设定水温的相一致。P2.6接数字温度传感器ds1820，用来检测水箱温度并通过芯片及单片机内部处理后显示在液晶上，P2.7也接温度传感器用来检测淋浴喷头的水温。如果水箱温度不足时（达设置水温下限），则加热继电器动作，启动辅助加热装置，当水温达加热温度上限时
8、加热继电器断开，辅助加热装置关闭。水位用5 段 led 灯显示，如果水位不足则报警蜂鸣器响，若没使用则上水继电器动作，电磁阀开通，自动上水至水位上限后关闭。3、单元电路设计3.1 水位检测图 4 由 555 定时器构成的液位测量电图水位检测原理如下：由两块铝板组成电容构成介质变化型电容传感器，电容大小为：SCl式中：为介质， S 为对应的面积，l 为长度。假设电容器为两平极结构， 作绝缘处理后的电容器两极间浸入不同的界质中， 由于电容器中的介质相对介电系数不同， 电容量是不同的， 即检测电容传感器在水位变化导致电容器的电容 C 变化情况。电容传感器处在大气中、浸入水中不同深度，其电容量的变化，
9、可反映出水位的变化。在大气中相对介电常数为1 ，电容传感器的电容量为C1 ，在水中相对介电常数更大，达到80 ，电容传感器的电容量将随着浸入深度加大而变大。由于上下两部分的介质不同，则总电容有两个电容并联组成：设铝板总高度为 H ，液位高度为 h，则上下两部的介质分别为空气和水。C1Sbhl1hHC 2S80bh80bC1lh式中：空气的介电常数为1， b 为铝板的宽度。本传感器采用 NE555 制作为脉冲波发生器， 输出的频率反映液位的变化，根据实际测试：C2Cmin0.1uF 、 Cmax2.2uF取中心工作频率为1KHz ，确定电阻值。当水箱里无水时 （水位最低） ，最小。将水位划分为五
10、段：0.1-0.2m 、0.2-0.3m, 、0.3-0.4m 、0.4-0.5m、 0.5-0.6m ，分别对应于显示灯LED1 、LED2 、LED3 、LED4 、LED5 。当水位发生变化引起电容的变化，经多谐振荡器输出周期性方波的频率f也随之发生变化f=1.43/(R1+2R2)C ，根据单片机的计数器 T0 扑捉到的时钟的个数， 再经单片机内部比较处理来决定点亮的 LED 灯。譬如当水位处于 h1 位段时，输出的频率满足点亮 LED1 的条件，则 LED1 亮，指示水位位于 0.1-0.2m 处，由此来实现水位的显示。 LED 灯显示采用动态扫描方式，即在某一时刻，只有一个灯被点亮
11、。 当水位低于 h2 时，启动蜂鸣器报警，提示需加水，若无人使用则自动启动加水。实验表明，为能很好的满足电路的要求， R1 用可调电阻， R2 应选取阻值较大一点的电阻，这里我们选 R2=8.1K ,R1 阻值范围为 0-30 K 。3.2 温度检测对水温信号的检测采用一线式数字温度传感器 DS1820 ，它以 9 位数字量的形式反映器件的温度值。通过使用连接到 VDD 引脚的外部电源来向 ds1820 供电，如图 5 所示，这种方法的优点是在 I/O 线上不要求强的上拉，总线上主机不需向上连接便在温度变换期间使线保持高电平。这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。图 5温度传感器接线图3.3 步进电机控制电路的设计为了能调控水温， 需要节流阀控制冷水的流量， 由于商品化的电动阀价格太高， 本方案选用节流阀步进电机的组合控制。步进电机，选用的二相四拍步进，步距角为 1.8。同时，采用 BY-2HB03M 的驱动器来驱动，控制二相四拍步进电机的步进及正反转。 通过单片机控制步进电机即可控制节流阀，达到控制淋浴水温的目的。步进电机控制电路连接图如图6 所示。Vcc 5V1KR2R1P2.3C9013120Vcc 5VR2R1P2.4CP-C9013U/D
