1、感 知 层 课 程 设 计 论 文论文题目： 基于水位传感器的太阳能热水器设计学院：年级：专业：姓名：学号：指导教师：I摘要在太阳能的热利用中，用于产生热水的太阳能热水器应用广泛，它充分利用了环保型能源太阳能，这对于当今资源紧张的时代，具有重要的意义。太阳能热水器己成为中国可再生能源市场上需求量最大、发展最为迅速的产品之一。然而，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
2、户带来不便。即使部分太阳能热水器具有辅助加热功能,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
3、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控制系统。这套系统具有以下优点：可以自定上水时间、外部扩展能力强、使用方便、开发周期短、开发费用低。满足经济性、实用性、科学性的要求。关键词：太阳能热水器；水位传感器；自动上水控制；经济ABSTRACTIn solar thermal utilization, is widely used to produce hot water of solar energy water heate
4、r, it makes full use of the environmentally friendly energy sources - solar, this tense time for todays resources, has the vital significance. The solar water heater has become Chinas renewable energy market demand is one of the largest and most rapid product development. However, most of the solar
5、energy water heater control system on the market at present is single function, complex operation, it is not convenient to control the problem, a lot of controller with functions of temperature and water level show, only and the error is bigger. The main existing problems are the following two aspec
6、ts: (1) does not have temperature control function. When due to weather or climate and light intensity is insufficient, the solar energy water heater will reach bath temperature requirements, to inconvenience water heater water heater users. Even if part of the solar water heater with auxiliary heat
7、ing function, and is usually used in electric heating mode. And traditional electric heating temperature control heating unipolarity, big inertia, big lag and time-varying characteristics, application of the traditional analog control method, it is difficult to achieve ideal control effect. May also
8、 be the result of the heating time cannot control burnt, thus wasting electricity. (2) water control usually USES the manual control, water is not easy to find, cause the waste of water resources. Or a so-called water level control, is done by setting the solar water heater tank water when the funct
9、ion of automatic filling water, the water is full automatic water supply. Current control scheme is much by water level sensor based on lack of water or with water of different signal control on-off of semiconductor devices, thus further control the opening and closing state of the relay, solenoid v
10、alve, or not to water. This scheme is easy to cause the loss of the user in the process of using water filling water, mix water problems. For home users, a day in the use of hot water is not a great difference, if at any time when using filling water, mix water and then need to add complementary hea
11、t. So for manual control and mid-range solar water heater, we aim to use the control of water level sensor to develop a more intelligent, more economic and automatic water control system of the solar water heater. The system has the following advantages: you can set up time, external extension abili
12、ty strong, easy to use, short development cycle, lower development costs. Meet the requirements of economy, practicality, scientific. Key words: solar energy water heater; Water level sensor; Automatic water control; economic目录摘要 .I关键字 .IAbstract.i前言 .4第一章硬件及结构 .8第一节框图体系及结构 .8一、太阳能热水器工作原理及总体结构 .8二、太
13、阳能热水器控制系统框图 .9第二节各原件的作用及工作原理 .11一、温度传感器的选型 .11二、液位传感器的选择 .12三、显示模块的选择 .14四、锁存器的选用 .15第三节 工作电路 .16第二章系统程序设计 .19第一节设计思路与流程图 .19结论 .22展望 .234前言太阳能热水器的发展背景在当今资源紧张不断威胁人们生活的时代，环保型的能源不断受到人们的重视，而太阳能是以它独有的优势引起了各国政府与民众的关注。太阳能热水器即为应用这种环保型能源的一个典型，这对于缓解日益紧张的不可再生能源具有重要的意义。随着人民生活水平的提高以及低碳生活观念的不断深入人心，太阳能热水器已经为大众所接受
14、，并走进了千家万户。可以说，太阳能热水器的快速发展己经使它成为中国可再生能源市场上需求量最大的产品之一。当然,太阳能热水器的快速发展离不开一系列的环境因素。(1)太阳能热水器发展的政治法律环境近年来，随着传统能源供需失衡矛盾的不断升级，包括太阳能、生物能、海洋能、地热能、氢能和风能、核能在内的各种新能源的开发与利用引起了世界各国政府和科研机构的重视。这些新能源相对于传统的能源有一系列的优点：对环境造成污染小、发展潜力大、可永久利用等。我国具有丰富的新能源资源，尤其太阳能资源极为丰富并在太阳能的开发利用上取得了一定的进展。2006 年 1 月 1 日我国颁布施行中华人民共和国可再生能源法 ，在这
15、部可再生能源法的第十七条中明文规定：国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。 建筑节能“十五”计划和 2010 年规划提出，到 2015 年，全国家庭太阳能热水器普及率要达到 20%到 30%。国家发改委出台的推进全国太阳能热利用工作实施方案中指出，我国即将制定太阳能热水器的强制安装政策。在国家节能目标的要求下，江苏、山东、河南、广州、深圳、武汉、云南、北京、河北等地也纷纷出台规定，12 层以下建筑要求必须安装太阳能。为了做好太阳能热水系统建筑应用推广工作，海南省、浙江省、上海市等大中城市相继出台新规，要求新建建筑太阳能热水系统
16、建筑应用工程与建筑主体工程须同步规划、设计、施工、验收、交付使用，医院住院部、住宅、公寓、酒店、宾馆、度假村、养老院、福利院及其他需要长期使用热水的建筑。原则上要求屋面布置太阳能热水集热系统的面积不少于屋面建筑面积的 50%。 “十二五”期间，我国政府提出了多项关于节能减排、发展清洁能源、可再生5能源的目标措施，全力发展太阳能等低碳无碳能源，要求到 2015 年全国家庭太阳能热水器普及率达到 20%至 30%的目标。为了鼓励太阳热水器的推广应用，相信不久的将来，国家还将出台一些有利于太阳能热水器发展的政策法规。通过这些政策法规将为太阳热水器生产厂家的生产和广大太阳能用户的安装提供了一个健康有利
17、的法律环境，这将推动太阳能热水器市场健康有序地发展。(2)太阳能热水器发展的社会环境当今世界，全球能源告急，气候变暖，环境污染等不断威胁到人类的生存与生活。为了解决这些问题，世界各国都在寻求新的替代型能源，以寻求可持续发展并能在今后的发展中获取有利地位。太阳能取之不尽、用之不竭并且清洁、安全，自然成为大众关注重点。在太阳能产业的发展中，最成熟的莫过于太阳能热水器的热利用转换技术了。随着国际原油、天然气等能源价格的上涨，为太阳能热水器行业的发展提供了前所未有的产业机遇，特别是在全球金融危机的深层次影响持续蔓延的背景下，消费者的生活成本居高不下，使用清洁能源的太阳能热水器将获得更多用户的青睐，我国
18、有近 15 亿人口，近 4 亿多家庭，而热水器为家庭必需品，并且不受地域和消费阶层的影响，所以太阳能热水器有广阔的市场前景。(3)太阳能热水器发展的经济环境我国能源资源总量位于世界前列，但由于我国人口基数较大，人均能源资源的占有量还不足世界人均能源资源占有量的一半。近年来我国经济持续增长，对于煤炭、石油等能源需求急剧增加，日益突出的能源供需矛盾已经严重的影响我国经济安全与经济发展。并且由于我国发展状况所决定的能源利用效率较低，我国每增长 1 万美元GDP 的能源消耗大约是美国的 4 倍、法国的 7 倍、日本的 14 倍。这些更加重了我国的资源紧张。另外我国一次能源以煤为主，这和世界其他国家一次
19、能源以石油为主有所不同。在我国，煤在一次能源中所占的比重约为 63.6%，高效地利用煤的技术难度是很大的，并且煤在使用过程会给人类的生存环境带来严重的污染。太阳能作为安全清洁的主导能源将受到更加的重视，我国今年两会的三大主题之一是新兴产业投资，其中节能环保和新能源占据了重要地位，受国家节能政策的利好影响所致， “十二五”规划 50 个亿的补贴政策支持以太阳能为主的新能源。随着中国经济的发展，广大农村及城镇人口逐渐富裕起来，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。2006 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6万个。尤其在 2009 年 5
20、 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。2001 年到 2006 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 3.3 年产量约占世界总生产量的 70%。其中在 30 万吨的 3.3 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
21、，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 2000 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，2009 年，我国太阳能热水器的生产量占全世界生产量的
22、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 2006 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 1.5 万人。太阳能热水器发展迅速，与之形成偏差的是与太阳
23、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：7(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
24、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
25、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
26、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 1-1 所示。
