基于水位传感器的太阳能热水器设计课程设计论文(编辑修改稿)

基于水位传感器的太阳能热水器设计课程设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

起来，价格适中的太阳能热水器完全可以成为大多数居民的家用耐用品之一。 2020 年太阳能热水器的销售额近 300 亿元，为社会提供就业机会近 60 多万个。 尤其在 2020 年 5 月，太阳能热水器进入家电下乡产品行列，享受政府补贴 13%。 所以太阳热水器在未来将有 6 更大的发展空间。 (4)太阳能热水器发展的技术环境 上世纪 70 年代末起，我国开始研发与生产太阳能集热器。 1979 年，第一个全玻璃真空管集热器在我国研发成功。 太阳能热水器发展至今，产品类型主要有真空管型、平板型和闷晒型 3 大类型技术板块。 2020 年到 2020 年太阳能热水器产业快速发展。 当今真空管型型太阳能热水器约占世界总产量的 90%，用于真空管集热器生产的硼硅玻璃 年产量约占世界总生产量的 70%。 其中在 30 万吨的 的玻璃中大约有 28 万吨用于真空管的生产。 我国当前真空管镀膜生产线，年生产能力为 2 亿支，配套设备齐全，年生产的真空管可装配约 2020 万平方米太阳能热水器。 随着太阳能热水器发展，分体式太阳热水器技术、壁挂式太阳热水器技术、承压式太阳热水器技术、太阳能热泵热水器等新型的太阳能热水器技术不断被推向市场。 目前，一种新型真空锯齿式自动跟踪太阳集热器已经获得专利。 这些都为太阳能热水器的发展提供了必备的技术环境。 太阳能热水器及其控制系统发展现状 随着全球能源供应的日趋紧张，以清洁、环保节能著称的太阳能受到各国和各级政府的高度重视。 以中国为例，据太阳能协会公布的数据表明，全国太阳能的生产量以每年 30%的速度增长， 2020 年，我国太阳能热水器的生产量占全世界生产量的 50%，产品保有量占世界总量的 70%。 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。 许多国家都对太阳能产业给予了高度重视， 比如德国就提出了太阳能市场激励计划，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。 而西班牙则自 2020 年 9 月之后，所有新建建筑和游泳池以及既有建筑必须安装太阳能热水器。 目前，中国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，拥有太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到 1000 余家，年产值 20 亿元，从业人数 万人。 太阳能热水器发展迅速，与之形成偏差的是与太阳能热水器相配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。 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 ,很多控制器只具有温度和水位显示功能 ,且误差较大。 主要存在的问题有以下两个方面： (1）不具备温度控制功能。 当由于天气或气候原因而光强不足时，太阳能热水器就会温度达不到洗浴要求，给热水器热水器用户带来不便。 即使部分太阳能热水器具有辅 7 助加热功能 ,通常采用的是电加热方式。 而传统电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点，应用传统的模拟电路控制方法，很难达到理想的控制效果。 也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。 (2）上水控制通常采用手动控制，水满不容易发觉，造成水 资源的浪费。 或者有所谓水位控制 ,是通过设定来实现太阳能热水器水箱里缺水时自动补水、水满时自动停水的功能。 现有的控制方案多由水位传感器根据缺水或满水时发出的不同信号控制半导体器件的通断 ,从而进一步控制继电器、电磁阀的开合状态 ,来进行补水与否。 这种方案容易造成用户在使用过程中水位下降进行补水，出现混水问题。 对于家庭用户来说，一天热水的使用量相差不会很大，若使用时随时补水，混水后又需要电辅热进行加。 因此针对手动控制等中低端太阳能热水器，我们旨在 利用水位传感器 开发一种控制更加智能，而且更加经济的太阳能热水器自动上水 系统。 8 第一章 硬件及结构 第一节 框图体系及结构 一、 太阳能热水器工作原理及总体结构 太阳能热水器的基本原理主要是利用温室原理将自然界的太阳光能转化为供人类使用的热能，通过把水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。 当相对密闭的环境中热对流减小、热辐射损失减少，热量不断聚积，聚集的能量转化为热能，密闭环境的温度逐渐升高这样的一种自然现象称之为温室原理。 太阳能热水器是由进行太阳能和热能转化的集热器、用于储存热水的储水箱及其他配套部件组成。 把太阳能转换成热能主要 依靠集热管，太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。 集热器正面在阳光照射下温度升高，集热管背阳面没有太阳光辐射温度就会低，而集热器管内水便有了温度差异，由于热水比重较小上浮，冷水比重较大就会下沉，吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，构成一个热虹吸系统，产生向上的力促进水流的运动。 随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。 太阳能热水器系统是由太阳能热水器和太阳能热水器控制系统组成。 而太阳热水器由集 热器、蓄热水箱、上水连接管道、太阳能集热器支架及其它辅助部件组成。 太阳能集热器和蓄热水箱可以分开安装 ,集热器可以安装在房顶 ,容易采光的地方 ,且可以与房屋外形外形相结合。 蓄热水箱和控制装置可以安装在室内方便的地方，只需布设相应的管道与 线路即可。 其组成框图如图 11 所示。 9 图 11 二、 太阳能热水器控制系统 框图 本系统设计的太阳能热水器控制系统将检测到的一系列环境数据，通过主控芯片处理后，可以实现定时控制上水，水满自动停止。 智能辅助加热，温度合适即停止加热。 还可以让用户手动控制，进行定时等操作，满足用户的 特殊要求。 通过 LED 显示屏用户可以了解系统地实时工作状态，即水温多少、水位多高等。 使用户在入浴前可以了解热水器的工作状态。 通过对太阳能热水器控制系统功能分析可以设计出太阳能热水器控制系统框图，如图 所示。 下面对具体功能进行说明。 （ 1）上水控制 定时上水设置有六个上水时间点 ,每天在所设定的定时时间自动进行上水操作，水上满自动停止。 智能上水当水位低于可容许最低水位时自动上水，水上满自动停止。 避免出现无水可用及干烧等情况。 手动上水设置有手动上水按键，满足特殊情况的需要。 用户可以根据实际需要定量上水。 （ 2） 温度显示 即时显示水箱中水的温度，温度测量范围为 0100 摄氏度。 （ 3）水位显示 设置 10(满档 )、 08（ 80%）、 06（ 60%）、 04（ 40%）、 02（ 20%）、 01（ 10）、 00（空） 10 七个档 ,显示水箱水位。 （ 4）智能辅助加热 智能辅助加热，当用户对水温不满意时，开启智能辅助加热，设置三档加热温度，满足个性化需求、用电加热器作为辅助加热源，当温度加热至设定温度时，自动停止加热。 （ 5）水流循环 太阳能集热器和太阳能蓄热水箱内分别安装温度传感器，通过两个温度传感器采集水温信号。 通过温度检测电路进行信号转 换，将温度值转换成电压值。 A/D 转换可以将输出电压值转换为数字信号，送至控制电路。 在控制电路模块将对两者温度进行比较，当两者的温度差值达到预先给定的设定值时，控 制器发出启动信号，启动循环水泵一段时间。 在循环水泵的作用下热水进入太阳能蓄水箱，冷水进入太阳能集热器。 循环一段时间后，循环时间可以预先设定，可由太阳能热水器集热管数量决定，循环泵停止工作，太阳能集热器的水进入加热过程。 11 第二节 各原件的作用及工作原理 太阳能热水器智能控制系统主要由外围硬件电路和主控芯片组成，根据太阳能热水器控制系统框图可以得 到太阳能热水器智能控制系统总体设计框图，如图 所示。 详细的功能设计将在下面的部分详细介绍。 温度检测电路将温度信号转变为对应的电压信号，再通过 A/D 转换电路将模拟量转化为主控芯片处理用的数字量，主控芯片根据检测到的数据进行温度显示和数据处理，驱动辅助加热装置进行水加热操作。 水位检测电路将水位信息转化为数字量，主控芯片根据检测到的数据进行水位显示和数据处理，通过水位控制电路，驱动电磁阀进行自动上水操作。 上水循环电路通过主控芯片控制，根据检测到的集热器与蓄水箱中的温差情况进行数据处理，通过上水循环电路， 驱动水泵进行自动上水循环操作。 显示模块主要是温度，水位，时间显示。 按键模块用来进行自动上水时间点的设定，加热温度设定， 以及上水量的设定， 还设置有手动上水开关，满足特殊需要。 一、 温度传感器的选型 温度传感器可以用来测量小目标，热容量小或温度变化较快的物体。 目前的温度传感器种类比较多，常见的温度传感器主要有热电偶、热敏电阻、以及模拟集成温度传感器，逻辑输出型温度传感器。 每种传感器有各自的特点与适用的场合。 热电偶是由两种 不同导体或半导体的组合而成。 热电偶的热电势 EAB(T， T0)是由接触电势和温差电势合成的。 接。