太陽能熱水器出水恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能熱用作能源利用的一種方法，具有安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。其使用時(shí)往往需要先手動(dòng)調(diào)節(jié)好溫度再使用,但在使用過程中,常會(huì)因冷、熱水溫度和壓力的變化,需要再次手動(dòng)調(diào)節(jié),這樣既不方便,又會(huì)造成水資源的浪費(fèi)。現(xiàn)有方案一般是調(diào)節(jié)太陽能熱水器水箱內(nèi)的水溫,獲得出水口的恒溫。當(dāng)水箱中溫度較低時(shí)以電加熱方式將水加熱到設(shè)定溫度,而溫度高時(shí)或兌冷水、或無能為力。這在很多情況下既無必要,又造成浪費(fèi)。本文設(shè)計(jì)了一種太陽能熱水器出水恒溫控制系統(tǒng),系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度傳感器、冷熱水電磁閥及溫度設(shè)定、報(bào)警等部分構(gòu)成。系統(tǒng)簡單有效、成本低廉。1冷、熱水混合控制系統(tǒng)來自太陽能熱水器的熱水與來自自來水管網(wǎng)的冷水通過電磁閥進(jìn)入系統(tǒng)混合后再輸出。為在水溫和水壓變化時(shí)保持出水恒溫,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整冷、熱水流量。以脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM)方式動(dòng)態(tài)調(diào)整冷、熱水電磁閥的導(dǎo)通時(shí)間,在較長時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷、熱水流量調(diào)節(jié)。由于進(jìn)入系統(tǒng)的冷、熱水是間斷的,系統(tǒng)需要一定的空間進(jìn)行冷、熱水混合,以得到恒溫的溫水。單片機(jī)發(fā)送冷熱水電磁閥PWM驅(qū)動(dòng)脈沖的依據(jù)是出水溫度與用戶設(shè)定溫度的比較。為便于使用,系統(tǒng)還具有水溫可用提示與不可用警告功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1調(diào)節(jié)電機(jī)的調(diào)節(jié)考慮到連續(xù)調(diào)節(jié)流量的蝶閥價(jià)格較高,體積大且耗電高,本系統(tǒng)使用普通電磁閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)方式類似于電機(jī)的PWM電壓調(diào)制。通過改變電磁閥的導(dǎo)通時(shí)間,調(diào)節(jié)冷、熱水的流量。本系統(tǒng)電磁閥為2W160-15直動(dòng)式膜片結(jié)構(gòu)常閉型,流量孔徑?15mm,使用電壓DC12V。由于單片機(jī)是5V供電,需通過三極管間接控制電磁閥的通斷。2.2溫度傳感器系統(tǒng)中使用溫度傳感器測量出水口的溫度。日常用水的溫度一般在20~80℃,所需分辨率為1℃,精度達(dá)到8位即可。系統(tǒng)的溫度傳感器選擇DALLAS公司的DS18B20一線式數(shù)字溫度傳感器。其溫度測量范圍為-55~+125℃,可編程為9~12位A/D轉(zhuǎn)換精度,測溫分辨率可達(dá)0.0625℃,被測溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出,支持3~5.5V的電壓范圍,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。DS18B20的中間數(shù)據(jù)引腳DQ腳與單片機(jī)的P1.4相連,系統(tǒng)可直接讀取該溫度。2.3溫度控制系統(tǒng)輸出溫度可連續(xù)調(diào)節(jié),2個(gè)按鈕分別用于降低和提高設(shè)定溫度。每按一下,溫度改變±1℃。為能實(shí)時(shí)響應(yīng)溫度的調(diào)節(jié),這2個(gè)按鈕都直接連接到單片機(jī)的中斷引腳P3.2和P3.3。系統(tǒng)按照最近的設(shè)定溫度調(diào)節(jié)出水的溫度。2.4電磁閥、提示可用和報(bào)警單片機(jī)用于讀取溫度、獲得設(shè)定溫度、控制電磁閥、提示可用和報(bào)警。系統(tǒng)選擇AT89C2051作為控制核心,它具有廉價(jià)、可靠的優(yōu)點(diǎn),且引腳夠用。2.5電磁閥頻率的影響冷、熱水進(jìn)入系統(tǒng)后在混水室內(nèi)進(jìn)行混合。由于系統(tǒng)采用連續(xù)開關(guān)電磁閥的方式調(diào)節(jié)冷、熱水流量,開關(guān)電磁閥的頻率越高,對(duì)混合室的空間要求就越大,輸出的溫度越穩(wěn)定,但開關(guān)頻率受限于電磁閥的性能和壽命。本系統(tǒng)中,電磁閥的頻率小于2Hz,故雖然混水室的空間越大溫度越穩(wěn)定,但系統(tǒng)的滯后也更嚴(yán)重,溫度調(diào)節(jié)越困難。故本系統(tǒng)采用長10cm、內(nèi)徑為12.7mm的四分管作為混水室,出水口為三通出口。3軟件設(shè)計(jì)3.1主程序系統(tǒng)根據(jù)測得的出水溫度,調(diào)節(jié)冷、熱水電磁閥,將出水溫度控制在設(shè)定溫度附近。系統(tǒng)程序如圖2所示。3.2系統(tǒng)的控制部分啟動(dòng)后,電磁閥默認(rèn)導(dǎo)通率為50%,導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間均為0.7s。水溫調(diào)節(jié)子程序只改變冷熱水電磁閥的導(dǎo)通和斷開時(shí)間,并不直接改變電磁閥驅(qū)動(dòng)引腳狀態(tài)。為防止單獨(dú)調(diào)整一個(gè)水閥導(dǎo)致流量變化過大,系統(tǒng)輪流調(diào)整冷、熱水閥的導(dǎo)通率。水溫調(diào)低子程序流程如圖3所示。電磁閥的驅(qū)動(dòng)引腳P1.2和P1.3是在定時(shí)器中斷T0和T1引腳里改變的,而T0和T1的中斷時(shí)間又由水溫調(diào)節(jié)子程序來改變。定時(shí)器中斷程序如圖4所示。熱水電磁閥通斷狀態(tài)在定時(shí)器T0中改變。由于51單片機(jī)定時(shí)器最多只能定時(shí)65ms,中斷中需加中斷計(jì)數(shù)判斷。水溫調(diào)高以及控制冷水電磁閥狀態(tài)的定時(shí)器T1的程序與前述程序相似,故省略。4溫度調(diào)節(jié)時(shí)間系統(tǒng)安裝后,針對(duì)幾種冷、熱水溫度進(jìn)行了測試,設(shè)定出水溫度為30℃。為考察實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同進(jìn)水溫度變化時(shí)的調(diào)節(jié)速度,實(shí)驗(yàn)中使用SWK-2表面溫度計(jì)測量冷、熱水溫度,且保持水壓恒定。由于水的熱容量較大,水溫本身也難以突變,故實(shí)驗(yàn)中測量的時(shí)間為紅燈轉(zhuǎn)綠燈的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。系統(tǒng)的控制方案較簡單,只是線性的時(shí)間調(diào)節(jié)。若遇到溫差較大時(shí),則調(diào)節(jié)時(shí)間較長。在以后的應(yīng)用中可改為PID調(diào)節(jié)方式,減小調(diào)節(jié)時(shí)間。電磁閥的性能對(duì)系統(tǒng)影響較大,但能快速通斷且長壽命的電磁閥代價(jià)較高,影響了本系統(tǒng)的廣泛使用。5溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)本文設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的太陽能熱水器出水溫度控制系統(tǒng),通過調(diào)整冷、熱水電磁閥導(dǎo)通率來使混合水保持恒