大型太陽能熱水工程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

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　　目前市場(chǎng)上大型太陽能熱水工程的控制系統(tǒng)大部分只具有溫度和水位顯示功能，而且分段顯示，對(duì)溫度的控制即使具有輔助加熱功能。由于加熱時(shí)間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費(fèi)大量的電能。以單片機(jī)為核心的控制器，對(duì)水位實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。采用DS12C887實(shí)時(shí)時(shí)鐘，根據(jù)用水時(shí)段和天氣狀況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上水控制和自動(dòng)電輔助加熱，不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、溫度和水位三種參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，而且具有時(shí)間設(shè)定、溫度設(shè)定與控制功能。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，輔以水位水溫采集控制系統(tǒng)，充分利用太陽能進(jìn)行加熱，同時(shí)考慮到太陽能的間歇性自動(dòng)不給進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，有效地啟動(dòng)一種輔助能源進(jìn)行加熱，通過智能控制達(dá)到全天候不間斷地提供熱水。控制系統(tǒng)主要完成溫度測(cè)量與顯示、水位測(cè)量與顯示、自動(dòng)電輔助加熱、自動(dòng)進(jìn)水等功能。上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

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　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 水位檢測(cè)電路

　　測(cè)量水位有很多種方法，例如電容式、浮球式和靜壓式等。目前浮球式液位檢測(cè)應(yīng)用較多，分段顯示水位有一定的局限性。根據(jù)水位與壓力的關(guān)系，采用測(cè)量壓力間接測(cè)量水位的方法，可以實(shí)現(xiàn)水位的連續(xù)測(cè)量。

　　系統(tǒng)選擇DX100T系列傳感器中的陶瓷芯體傳感器，測(cè)溫范圍0～120℃，基本滿足太陽能熱水器水溫測(cè)量的要求。電源電壓為9 V，輸出值為27 mV。由于采樣值是模擬量，需經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換后才能輸入單片機(jī)，放大倍數(shù)約為185倍。放大電路如圖2所示。

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　　2.2 水溫檢測(cè)檢測(cè)電路

　　水溫傳感器選擇美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器DS18B20，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。該傳感器直接輸出數(shù)字量，可以直接與單片機(jī)的I/O口相連。

　　DS18B20傳感器與單片機(jī)的連線如圖3所示。

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　　2.3 自動(dòng)上水控制電路

　　系統(tǒng)采用交流電磁閥控制上水。當(dāng)傳感器檢測(cè)到水位低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器得電，電磁閥打開，水箱開始進(jìn)水;當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到液位達(dá)到設(shè)定液位時(shí)，單片機(jī)關(guān)閉控制信號(hào)，繼電器失電，電磁閥關(guān)閉。水位控制電路如圖4所示。

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　　單片機(jī)輸出經(jīng)過光控晶閘管MOC3061進(jìn)行隔離，又經(jīng)一級(jí)雙向晶閘管KS驅(qū)動(dòng)后，加在雙向晶閘管的控制級(jí)上，控制雙向晶閘管的導(dǎo)通，進(jìn)而控制上水。

　　2.4 輔助加熱控制電路

　　當(dāng)熱水用量較大或天氣不好時(shí)，可以啟用輔助加熱來提供熱水。在太陽能系統(tǒng)中，繼電器輸出是實(shí)現(xiàn)蓄水箱輔助加熱的手段。對(duì)繼電器控制的安全有效是能安全地對(duì)蓄水箱進(jìn)行輔助加熱的保證。輔助加熱控制電路如圖5所示。

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　　通過IIL117光電隔離器，使晶體管9013導(dǎo)通，控制繼電器工作，從而控制電加熱。

　2.5 時(shí)鐘與顯示控制

　　為了實(shí)現(xiàn)清晨上水以及熱水器24 h供應(yīng)熱水的目的，控制系統(tǒng)必須有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時(shí)間。在軟件設(shè)計(jì)上則要實(shí)時(shí)的讀出當(dāng)前時(shí)間，同設(shè)定時(shí)間比較，以決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)采用美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的時(shí)鐘芯片DS12C887。該系統(tǒng)需要顯示水位水溫以及時(shí)間，因此系統(tǒng)采用4位的LED顯示，靜態(tài)工作方式。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用C高級(jí)語言編寫的，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)共有5部分，分別是：主程序、數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換程序、控制子程序、鍵盤判斷子程序及顯示子程序。主程序流程圖如圖6所示。

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　　4 結(jié)語

　　以單片機(jī)為核心的太陽能熱水工程控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，功能實(shí)用，使用方便，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溫、水溫的連續(xù)測(cè)量與顯示，上水與電輔熱的自動(dòng)控制。根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘分時(shí)段上水與電輔熱，大大提高了太陽能的利用率，節(jié)約了電能。