太阳能热水器的组成及工作原理

太阳能热水器的组成及工作原理2.1系统总体结构设计排气管不锈钢保温水箱图2-1系统结构图图2-1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2-2：T3T2F3热集水热太阳光F1箱器T1D自来水F2图2-2系统控制原理图注释：T1：热水箱的温度传感器T2：循环水管中的温度传感器T3：集热器中的温度传感器F1：循环水阀门F2：冷水阀门F3：热水阀门此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。早晨水温控制8+5V5.1K+5V1KC图3-2DS12887与单片机接口电路模式选择脚MOT接地，选择INTEL时序。DS12887的高位地址用80C51的P2.4选择，则时钟芯片的高8位地址为EFH，而其低8位地址则由芯片内部各单元的地址来决定(00H～80H)，DS12887的中断输出端IRQ接上拉电阻，同80C51中断线INTO相连，为单片机提供中断信号。SQW端口编程为2Hz方波输出，经二分频后，驱动两个LED发光二极管作为时钟的秒闪烁显示。3.3.水位检测和温度检测接口电路蓄水箱水位和温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准确地检测出水位和温度，才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。要实现辅助加热提前时间的精确计算，最好是采用连续液位传感器，但考虑系统成本，本设计仍采用分段式液位传感器(通过软件来提高精度)，在水位显示上也仍采用分段显示。水位检测部分的硬件连接如图3所示。图3-3水位监测及显示接口电路检测原理如下：当水箱中无水时，8个非门均由1M欧姆电阻上拉成高电平，所以图中各“非”门(CD4069)输出均为低电平，LED1～LED8均不亮。当水位高于“非”门1的输入探针时，由于水的导电作用，使“非”门1的输入变为低电平，所以其输出变为高电平，LED点亮，依此类推。随着水位的上升，各“非”门输出相继为高电平，LED依次点亮。这里要注意的是上拉电阻不能选择太小，因为水的电阻在100k8左右，所以上拉电阻选择太小的话，将在水位升高时，无法把“非”门输入端拉成低电平。实验表明，上拉电阻选择在500k～1M欧姆左右能很好地满足电路的工作要求。为了使80C51随时能够读出当前的水位情况，这里选用74LS244作为状态输入缓冲器。蓄水箱温度检测电路采用DS18B20芯片使其换成脉冲信号，送到80C51的I/O口(编程为计数器工作模式)，通过测量输出脉冲频率的大小来换算成水温高低信号。3.4看门狗和复位接口电路的设计控制器的看门狗电路由两级74LS123芯片组成。用P1.7作为单稳态触发器的定时脉冲发生端，当P1.7口线超过一定时间不对74LS123发正脉冲时，系统将自动复位（附录）。3.5键盘和显示接口电路的设计3.5.1键盘电路下图为80C51单片机P1口构成的中断方式4*4键盘电路。P1.0-P1.3为行线，P1.4-P1.7为列线，行线与4输入与门74HC21的一组输入端相连，输出端与外部中断INT1相连。16个键号Ki（I=0-15）次序如图中标注。时钟INT174HC21时钟10K*4 VCCP1.0ABCDP1.1P1.2P1.3复位、P1.4复位、P1.5P1.6P1.780C51图3-480C51P1口构成的4*4中断方式键盘行列式键盘处理程序较为复杂，当有键按下时74HC21输出端出现低电平请求中断；在中断服务程序中要再次确认是否真有键按下，真有键按下时，再查出是哪个键按下，把该键的键号送入堆栈保护，等待键释放后再将键号弹出A中。该键盘输入处理程序的出口状态是键号在A中。设计中断程序时，先在主程序中将中断系统初始化，并开中断。在试验演示中通常开中断都设置循环等待。3.5.3显示接口电路的设计键盘和显示电路是人机交互的重要手段。控制键是用户干预系统运行的唯一接口，也是用户比较关心的问题。为了实现控制器对时间与温度的设定及显示功能，串行显示电路采用串入并出芯片74LS164驱动4位数码管实现时间与温度的静态显示。该电路只使用80C51的3个端口，配接4片串入并出移位寄存器74LS164与1片三端可调稳压器LM317T。其中74LS164的引脚Q0～Q7为8位并行输出端;引脚A、B为串行输入端;引脚CLK为时钟脉冲输入端，在CLK脉冲的上升沿作用下实现移位，在CLK=0、清除端MR=1时，74LS164保持原来数据状态;MR=0时，74LS164输出清零，其显示电路如3.5.3图。图3-5串行口扩展的4位LED显示电路其工作过程如下:80C51的串行口设定在方式0移位寄存器状态下，串行数据由P3.0发送，移位时钟由P3.1送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164中。4片74LS164串级扩展为4个8位并行输出口，分别连接到4个LED显示器的段选端作静态显示。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断变化，造成不应显示的字段仍有较暗的亮度，影响了显示的效果。以往的做法是在74LS164的输出端加接4片锁存器或三态门，使移位寄存器串行输入数据时其输出端的变化不反映到LED上，待串行输入结束后再打开锁存器或三态门，将稳定的显示数据送给LED。本设计电路的独特之处在于仅采用了1片三端可调稳压器LM317T，317T的3、2脚分别是电压输入、输出端，317T的1脚是电压调整端，脚2输出电压随脚1电压而变化。脚1与接地电阻之间并一个NPN三极管，它的基极受P1.7口线控制，串行输入时P1.7口线为高电平，三极管饱和导通使317T的脚1约为0.3V，脚2输出电压随之下降到1.5V，不足以使共阳极LED发光，故此时串行输入的影响不会反映到LED上；串行输入结束后，使P1.7口线为低电平，三极管截止，脚2输出电压因脚1电压增高便上升到2.0V使LED正常发光。因此，1片三端可调稳压器LM317T起到了4片锁存器的作用使LED显示不会闪烁。本电路的另一优点是通过可调电位器P1可在线调整脚2的输出电压，使LED的显示亮度均匀可调，而且省掉了大量的LED限流电阻。3.6光电隔离与辅助加热电路设计VCCVCCVCCR5P2.1KT1R1R2R3R4LEDT2GNDR6图3-6辅助加热电路图上图为太阳能热水器光电隔离与辅助加热电路设计。当室外光强不足（阴天、下雨）时，对水箱的水提前加热是很必要的，这一电路恰好能完成这一功能。工作原理：当单片机80C51P2.1口输出高电平时，三极管T1导通，致使发光二极管发光，同时光敏三极管T2导通，继电器闭合，电阻丝R1~R4发热，这样就完成了加热任务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的。控制器的软件设计4.1主程序设计热水器不论在什么样的天气里，都能够在设定的时间向用户提供设定温度的热水，从而给用户带来便利。当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时，将通过声光报警提醒用户。根据这一要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、键盘中断子程序、DS12887更新周期结束中断子程序、LED显示子程序和提前加热时间计算子程序等。系统主程序主要完成温度和水位的检测以及进行辅助加热时间预算和一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法进行辅助加热提前量预算。系统主程序流程图如图4所示。图4-1系统程序流程图对于温度和时间设定，每次设定结束后，就将设定值存入DS12887的非易失性RAM中，下次开机时进行读取。这样作至少有两个优点：一是系统在不进行设定时，就认定该设定值和先前一次一样，解决了每次开机总要从头设定的问题，另一个是若系统在运行中间停电而再次来电时，可以不用重新设定，就能按原设定值对温度进行控制，增强了控制器适应外界变化的能力。对提前加热时间的计算，则是系统能否实现预定功能的重要一环。因为系统采用分段式水位检测，若采用能量守恒的方法对提前加热时间进行预算，也同样得不到精确的结果。为了避开繁琐的计算过程，本系统中采用了模糊控制思想，使用了如下一些控制语句：IF水位高AND温度差大THEN加热时间长IF水位适中AND温度差适中THEN加热时间适中IF水位低AND温度差低THEN加热时间少采用这种思想后，可以用实验方法获得各种情况下需要加热的时间，编制成表格。使用时，只要查表获得提前加热时间就行了。显然，表格分得越细，控制就越准确。本控制器采用温差每等于5℃为一格，就能满足控制要求了。为了减小误差，试验表明，可以采用如图5的方法。图4-2水位监测处理示意图实验中，用水位达到B1时的结果代替水位达到A1时的结果，B2代替A2，B3代替A3，B4代替A4。这样，CPU读入的A1水位查表后得到的预加热时间是实验中水位在B1处的时间。经过这种处理，会把由于分段检测而产生的计算误差减小一半，由原来的h变成了h/2(h为分段水位检测间隙)。如果水箱水深为40cm，分8段检测，此种处理方法的计算将使水位误差由原来的5cm变成了2.5cm。这种误差对于民用的热水器来说，已完全能够满足要求了。4.2显示子程序分析表明，移位寄存器74LS164仅有串入并出作用没有译码功能。因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的LED段选码，然后由80C51的P3.0口送入74LS164的串行输入端，再并行输出到LED的段选端。需要指出的是，上面显示电路采用TOS28106BHK型号的共阳极LED