太阳能热水器控制装置本科毕业论文(编辑修改稿)

太阳能热水器控制装置本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

意义 随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。 众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。 有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。 但由于太阳能的分散性、季节性和地 区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。 因而尚未被人们大规模的使用。 在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。 随着人们环保意识的不断加强，越来越多的消费者倾向于选择太阳能热水器，但很多人对使用这种产品又不是很了解。 在这里，我们将太阳能热水器、电热水器和燃气热水器的性能作一个粗略的比较。 热水产量方面 燃气热水器有 5L、 7L、 8L等不同的型号，是指在 1 分钟内将水温升 高 25℃ 5 时所产的热水量，如果自来水的温度为 25℃， 则每分钟可产 50℃ 的热水 5 升、7L 或 8L。 电热水器的标注则是 30L、 60L、 90L 等等，这是指电热水器的容水量，相当于我们在电炉子上加一个水壶，这个水壶的盛水量是 30L、 60L、 90L。 拿一个 8L 的燃气热水器与一个 40L 的电热水器相比较， 8L的燃气热水器可连续不断地产生每分钟 8L 的热水，而电热水器需要间隔半小时加热一罐水。 如果这一罐水用完，还要等半小时左右。 太阳能热水器按照年平均气温 ℃ 、年日照时数 20xx 小时、太阳总辐射总量年均为 ／ ㎡ 计算，如果集热面积为 2 ㎡ ，年吸收太阳辐射能量为 106kJ，按把水温升高 35℃ 计算（基础水温 10℃ ），全年可提供生活用热水（ 45℃ ） ，每人每次洗澡用热水约需 50kg，则全年可洗 1070 人次，平均每天可洗 人次。 加热速度方面 目前生产的燃气热水器大多为快速热水器，不论什么时候，只要想用热水，打开燃气阀和水龙头，热水就会流出来。 而电热水器需要预先通电半小时左右，才能开始使用。 太阳能热水器在天气晴朗的时候使用更好，最理想的楼层在六至八层。 温度稳定性方面 燃气热 水器由于是快速加热，并有调整温度装置，只要在使用开始时调到人体感觉舒适的温度，而后就会一直保持在这一温度恒定地供应热水。 电热水器在使用时需要另外接一根冷水管兑入冷水，当罐内水不断流出，冷水不断加入时，水温就会逐渐下降，直到全部是冷水。 所以在使用时，需要不停地 去调整冷热水的比例。 太阳能热水器使用起来暂时还不大方便，要上水，且不能保证时时有热水。 功率方面 燃气热水器的功率要比电热水器大很多，拿一个 8L 的燃气热水器和 40L的电热水器相比较， 8L 燃气热水器的功率相当于 16~17kW，而 40L 的电热 水器一般为 3kW，这也是为什么燃气热水器可连续供应热水的缘故。 那么，电热水器是否也可做成 16kW 的呢。 这是不可能的，因为家用电表、电线都无法承受。 6 价格方面 8L 的燃气热水器价格一般在 800 元以上，再加上安装费，大约在 1000 元以上，有的甚至接近 20xx 元。 电热水器现在都在 500 元以上，加上安装费用，一般不到 1000 元。 太阳能热水器的价格都在 3000 元以上。 使用费用方面，目前天然气每立方米为 元，每度电为 元，而太阳能热水器仅耗水费。 安全性方面 燃气热水器的优点是加热快、出水量 大、温度稳定 、结水垢少、占地小、不受水量控制。 缺点是使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗，通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故，但如果能正确地了解这一点，使用时注意，也是很安全的；另外，燃气热水器启动水压高，有些住高层的用户如果不装增压泵就无法起动；安装不方便，要在墙上打洞、安排气扇等。 电热水器的优点是能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水；使用时不产生废气，所以从这一点上讲是既安全又卫生，目前市场上销售的电热水器多数 还带有防触电装置。 缺点是体积大、占用室内空间大、易结水垢、对电能浪费大，最新型的电热水器内置了阳极镁棒除垢装置，解决了 产品容易结垢的问题，但阳极镁棒须两年更换一次，给保养带来了麻烦。 太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年全天候使用。 缺点是安装复杂，安装不当会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌；因要安装在室外，维护较麻烦。 论文的主要工作 本文介绍的太阳能热水器以微控制器 ATmega16 单片机 控制中心，选用SD2200 作为时钟芯片。 并 采用两个 DS18B20 温度传感器串行， 实现对 水温 的测量。 同时， 采用 LCM12864ZK 液晶显示屏 实现 显示温度水位信息， 利用 按键电路设定水温水位值，并可设定加热上水时间。 本设计还添加了辅助热源，在 7 阴雨天太阳能不足的情况下，单片机开启热源，对水进行加热，方便用户的使用。 同时设定各种报警功能，包括水满报警，缺水报警，加热完成时报警等功能。 令产品的使用安全，放心。 8 第二章 太阳能热水器的结构及工作原理 太阳能热水器 综述 图 21 为智能太阳能热水器的整体系统结构图。 图中，太阳能集热器 用来收集太阳能对水进行加热，并输进热水箱供浴室的正常使用。 水量不够时， 辅助水箱补充太阳能集热器的水源。 太阳能集热器中装有温度传感器 1，此装置用来感应太阳能集热器中水的温度，从而判定太阳能是否充足。 热水箱具有保温功能，其中装有温度传感器 2 和水位传感器，分别用来检测箱内的温度和水位，并在控制器显示屏上显示，便于用户根据情况设定温度和水位。 浴室辅助水箱热水箱太阳能集热器辅助热源回水阀循环泵温度传感器1水位传感器热源泵自来水温度传感器2 图 21 太阳能热水器结构图 如 图 21 太阳能热水器结构图 所示， 当温度传感器 1 检测的温度过低，表示太阳能不充足。 此时，系统将启动辅助热源，通过热源泵 ， 将辅助水箱中的水加热并输入热水箱，此功能可以让热水器在阴雨天也可以继续使用，不影响 9 日常生活。 这种智能太阳能热水器不仅使用方便、人性化，而且能有效地节约能量，减少污染。 是符合现代环保理念的绿色 低碳智能系统，应该积极的普及。 太阳能热水器智能控制装置的 主要功能 本设计要求设计出一个智能化的太阳能热水器控制装置，需具有时间显示功能、定时上水加热功能，用户可以实时查看温度水位状态，并自由设定温度水位。 实现一种方便的，人性化的控制方式。 具体功能如下： 北京时间：实时显示北京时间。 水位预置：可预置加水水位 50 、 80 、 100% 水温预置：可预置加热温度范围： 30 ℃ ~ 80 ℃ ，若不需要启动电加热，可预置为 00 ℃。 水温指示：显示太阳能热水器内部实际水温。 水位指示：显示太阳能热水器内部所存水量。 缺水提示：当水位从高变低，出现缺水状态时，蜂鸣报警，同时 20% 水位闪烁。 缺水上水：当水位从高变低，出现缺水状态时，延时 30 分钟自动上水至预置水位。 温控上水：当水箱水未加满，水温高于用户设定的温控上水 温度（原厂设制为 60 ℃ ）自动补水至低于温控温度 10 ℃ 的合水温，此功能可防止出现低水量、高水温的不合理现象。 当正在用水（水位发生变化）时，则延时 60 分钟启动，以避名用户正在用水时启动上水。 具备 温控功能的 时间： 8:00 ~17:50。 手动控制：可手动启动上水，加热，在操作时首先显示预置的水位或水温，用户可利用 “ ＜”和“＞” 键调整参数，确认后，测控仪蜂鸣提示启动上水、加热，也可手动关闭。 启动加热时若低于 50% 水位，则先启动上水再加热，并将水位加至 80%。 正在加热时水位低于 50% 水位自动关闭 加热，保护电加热管。 全天候模式：可按用户个人需要，全天 24 小时内，可分别设定早、中、晚三次定时上水及三次定时加热，并且可分别设定每次定时上水的水位和 10 定时加热的温度。 原厂设置为第一次早晨 3： 00 启动上水至 50%水位， 4： 00 启动加热至 50 ℃ ，提供用户早上起床后的洗喇用水，第二次 9： 00 启动上水至水满，中午不加热，以便尽量利用太阳能光能量提供加热，第三次 15： 00 启动上水至 100% 水位， 16： 00 启动上水至 50 ℃ 给用户晚上提供大量热水随心所浴（若利用太阳能已达到 50 ℃ 不启动加热节约 电能）。 用户自行设定定时，建议将定时上水的时间提前定时加热的时间 1 小时以上，以便先上水再加热，建议加热温度不超过 60 ℃ 以免烫伤并节约电能。 若需取消全能候模式，持续按住加热键，则取消定时加热。 持续按住上水键，则取消定时上水，同时自动启动温控上水模式（因自动上水是必需的）。 反之操作可分另恢复全天候模式中的定时上水和定时加热，全天候图标对应显示。 1 防 辅助热源 起火：在启动管道保温功能厅，测控议在 辅助热源 加热管道温度平衡后（通电约 10 分钟），自动关闭，等管道温度下降后，在次按用户自行设定的延时时间（原厂设置 30 分钟，若设置为 0 分钟，则电热带长期通电）启动电热带， 过程自动重复动行，可避免长期通电电热带，节约电能，并有效防止因长期通电造成电热带老化起火等恶性事故。 1 自动防溢流：因真空管破裂或水位传感器故障等原因造成溢流，自动停止上水。 1 断电显示：当停电时，测控议保留用户预置的所有参数，同时继续显示水温水位及北京时间，断电时测控议将按键自动锁死，以防误操作。 当来电时能按以前设定的工作模式及功能继续动行。 1 恒温加热：水箱水温低于预置温度 5 ℃ ，立即启动加热至恒温水温，保证水箱水温恒定。 若水位低于 50%，先立即自动启动上水，再启动加热，以免干烧。 因此水位不能低于 50%建议采用上下水双管安装，以便不影响用户持续大量用水。 1 强制上水： 水位传感器出现故障后，可按上水键，实现强制上水，每分钟会出现蜂鸣提示，注意有无溢水， 8 分钟后自动关闭上水。 1 低水压上水：在上水过程中，水压过低或停水， 控制器 会自动进入低水压模式，在此上水模式中， 控制器 会间隔 30 分钟启动上水，若 30 分钟 仍不能使水位上升一档，则停止 30 分钟，然后再启动上水，反复循环运行，以避免在低水压或停水时发生以下严重后果： 11 (1)电磁阀、水泵 长期通电运行，造成水泵空转烧毁； (2)由于太 阳能真空管破裂或其它原因漏水，造成不断上水而水箱、屋顶长期流水 ； (3)停水后，突然来水，由于空晒，太阳能水箱温度过高，而造成炸管。 1 管道循环：可设置水泵循环时间 1~30 分钟（原厂设置为 3 分钟）。 实现一开出热水增压效果。 1 管道保温：冬天室外气温较低时，可按 （ 管道保温 ） 键，启动电热带，防止水管冻裂，再按 （ 管道保温 ） 键，则关闭电热带。 1 自动增压：在供水压较低时，可选择上水增压功能，在上水时， 控制器 打开电磁阀同步启动水泵加压供水，水上满后，两者同时关 闭。 太阳能热水器智能控制器的 主要 技术指标 温度检测 本设计要求的测温精度：177。 2℃ ； 测温范围： 0~99℃； 控温精度：177。 2℃ ； 动作时间： 30s。 水位检测 水位分档：五档，分别为 20%、 40%、 60%、 80%、 100%； 水位报警： 当水位从高变低，出现缺水状态时，蜂鸣报警，同时 20%水位闪烁。 可控水泵和 热泵 可控水泵或 热泵 功率：＜ 500W。 电磁阀参数：直流 DC12V，可选用有压阀或无压阀，有压阀工作压力：~，适用于直供水无压阀工作压 力： ，适用于水箱供水或 12 低水压供水。 热泵热水器原理图如 21所示。 冷 凝 器蒸 发 机压缩机Q a环 境 中 吸 收 空 气 的 能 量Q b能电Q c膨 胀 丝热 水 出冷 水 进水 泵 图 22 空气源热泵热水器原理图 热泵输出的能量为压缩机做的功 bQ 和热泵从环境中吸收的热量 aQ 之和；通常 aQ 为 bQ 的 3 倍以上，即能源利用效率达 300％以上，而通常的电热水器能源利用效率仅为 95％左右。 13 第三章 太阳能热水器 智能控制器 的硬件设计 太阳能热水器 的 基本 控制原理 图 31 是以 ATmega16 单片机为核心的控制系统的原理框图。 温度、水位等传感器测得的信息送入单片机进行处理，并直接显示在 液晶 显示屏上，用户接收到显示屏上的信息，根据需要，通过键盘设定期望的水位水温值。 单片机启动扫描键盘命令，将设定值与实际水位和温度进行对比分析，如果。