CN103322704A

CN103322704A - 太阳能热水器

Info

Publication number: CN103322704A
Application number: CN2013102292103A
Authority: CN
Inventors: 连志刚; 高叶军; 张涛; 张哲栋
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: CN103322704B

Abstract

本发明公开了一种太阳能热水器，除太阳能热水器主体外，至少还包括：温度测量模块，用于检测水箱温度；输入接收模块，接收用户设定的水温及其它控制信号；水温调节模块，根据该输入接收模块接收的水温，利用温度中和原理控制水箱水和自来水的比例，使水箱的水和自来水按相应比例混合达到所需要的水温；显示模块，用于显示水箱温度及水温，通过本发明，不仅可以人工智能调节水温、水速，而且可以根据洗澡时设置的水温、水流速度自动计算出可洗澡的时间，从而使用者可参照调整洗澡时间和速度，方便用户使用。

Description

太阳能热水器

技术领域

本发明关于一种热水器，特别是关于一种电子式太阳能热水器，属于智能制造、自动化、控制工程技术领域。

背景技术

当前大部分家庭和酒店使用的洗澡设备主要是太阳能热水器或电热水器，然而，市场上太阳能热水器智能化程度都比较低，不仅太阳能热水器的热水量不好控制，而且热水多少没有显示，经常遇到洗澡到一半时热水没有了的尴尬局面。而电热水器则会造成大量的电能消耗，尤其在阳光比较好的天气，用电烧水器既浪费电又不环保，不适合当前的节约型社会。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种太阳能热水器，其不仅可以人工智能调节水温、水量，而且可以根据洗澡时设置的水温、水流速度自动计算出可洗澡的时间，从而使用者可参照调整洗澡时间和速度，更利于用户使用。

为达上述及其它目的，本发明提出了一种太阳能热水器，除太阳能热水器主体外，至少还包括：

温度测量模块，用于检测水箱温度；

输入接收模块，接收用户设定的水温及其它控制信号；

水温调节模块，根据该输入接收模块接收的水温，利用温度中和原理控制水箱水和自来水的比例，使水箱的水和自来水按相应比例混合达到所需要的水温；

显示模块，用于显示水箱温度及水温。

进一步地，该温度中和原理为：

假设水箱水的温度为X摄氏度，自来水的温度为Y摄氏度，用户设定的温度为Z摄氏度，利用X*i+Y＝Z*(1+i)计算出i，i为水箱水与自来水的比例。

进一步地，该太阳能热水器还包括水速调节模块，该水速调节模块根据该输入接收模块接收的用户设置的水速，基于水管横截面比例大小调整水速，以获得用户设置的水速。

进一步地，该水速调节模块于用户调整水的温度时，利用控制器自动计算水箱和自来水两个水管出水横截面积的比例，并调整控制从水箱出水管与自来水管出水的横截面积，当水温调整好后，水速调整为同时控制水箱和自来水两个水管出水的横截面积同比例的放大与缩小。

进一步地，该太阳能热水器还包括水量测量模块及剩余时间计算模块，该水量测量模块用于测量当前水箱的水位，并通过该显示模块予以显示，该剩余时间计算模块根据用户设定的洗澡水速及测量获得的水量，利用洗澡时间计算原理自动计算出剩余洗澡时间。

进一步地，该洗澡时间计算原理为：以水箱里剩余的水除以水速算出剩余时间t＝L/v，t表示剩余时间单位是分钟，L表示剩余水量单位是升，v表示水速，单位是升/分钟。

进一步地，该温度测量模块采用接触式温度传感器测量水箱温度，该接触式温度传感器的检测部分与被测对象良好接触。

进一步地，该温度测量模块包括单片机、温度传感器模块、驱动电路及时钟电路，该温度传感器模块利用温度传感器测量当前的温度，并将结果送入该单片机，然后，通过单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入该显示模块。最后，由显示模块将送来的值予以显示，该时钟电路用于获取时间数据，在数据处理同时显示时间。

进一步地，该水量测量模块通过于该太阳能热水器水箱中放入水位计自动测量获得当前水箱的水位。

进一步地，该水位计采用8根水位探测线按等水位线沿水深方向依次递增排列置于水箱中，水位探测线另一端接大电阻上拉至系统电源，8根水位探测线连接至反相器并输出至缓冲器，同时8根水位探测线还通过二极管和小电阻接地防止出现高压损坏后续器件，水箱接至地电平。

与现有技术相比，本发明一种太阳能热水器通过温度测量模块利用温度传感原理、水温调节模块利用水热中和原理，克服了现在市场上太阳能热水器在洗澡的时候不能知道某水温下的洗澡时间的缺点，本发明具有实现简单、操作方便、实用性强等优点。

附图说明

图1为本发明一种太阳能热水器的系统架构图；

图2为本发明较佳实施例中太阳能热水器的结构示意图；

图3为本发明较佳实施例中太阳能热水器的控制面板示意图；

图4为本发明较佳实施例中同比调整水管的出水比例示意图；

图5为本发明较佳实施例中水箱水量测量示意图；

图6为本发明较佳实施例中温度测量模块的系统架构示意图；

图7为本发明较佳实施例中温度传感器内部结构框图；

图8为本发明较佳实施例中高速暂存RAM的结构示意图；

图9为本发明较佳实施例中单片机系统电源的原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种太阳能热水器的系统架构图。如图1所示，本发明一种太阳能热水器，除包括太阳能热水器主体外，至少还包括温度测量模块10、输入接收模块11、水温调节模块12、水速调节模块13以及显示模块14。

其中温度测量模块10用于检测水箱温度，并通过显示模块14予以显示。在本发明较佳实施例中，温度测量模块10采用接触式温度传感器测量水箱温度，接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。

输入接收模块11用于接收用户输入设定的水温、水速及其它控制信号(如开始、暂停及停止等)，水温调节模块12。

水温调节模块11，根据输入接收模块11接收的水温，利用温度中和原理控制水箱水和自来水的比例，使水箱的水和自来水按相应比例混合达到所需要的水温。在本发明较佳实施例中，温度中和原理为：

假设水箱水的温度为X摄氏度，自来水的温度为Y摄氏度，用户设定的温度为Z摄氏度，X*i+Y＝Z*(1+i)来算出i，即水箱水与自来水的比例。

水速调节模块13针对用户设置的水速，基于水管横截面比例大小调整水速，以获得用户设置的水速，具体地说，水速调整模块13采用从水箱与自来水出水相同横截面积的水管。当用户调整水的温度时，控制器自动计算水箱和自来水两个水管出水的横截面积的比例，并调整控制从水箱出水管与自来水管出水的横截面积。当水温调整好后，水速调整即为同时控制水箱和自来水两个水管出水的横截面积同比例的放大与缩小。

较佳的，本发明一种太阳能热水器还包括水量测量模块15及剩余时间计算模块16，其中水量测量模块15用于测量当前水箱的水位，并通过显示模块14予以显示，在本发明较佳实施例中，水量测量模块15利用一水位计自动测量当前水箱的水位；剩余时间计算模块16根据用户设定的洗澡水速，利用洗澡时间计算原理自动计算出剩余洗澡时间，并通过显示模块14予以显示。在本发明较佳实施例中，洗澡时间计算原理如下：

以水箱里剩余的水除于水速算出剩余时间t＝L/v；t表示剩余时间单位是分钟，L表示剩余水量单位是升，v表示水速，单位是升/分钟。

以下将通过一具体实例来进一步说明本发明的实现。图2为本发明较佳实施例中太阳能热水器的结构示意图。如图2所示，太阳能热水器包括真空集热管、不锈钢保温水箱、保温水管、排气管、上下水管及调节阀。图3为本发明较佳实施例中太阳能热水器的控制面板示意图。用户洗澡前可先设定洗澡水温和水速，点击开始洗澡即可按照预设置的水温和水速洗澡，系统自动计算水箱中可洗澡时间并显示。用户通过温度和水速按钮来调整水温和水速。中途如果要用沐浴露的话，可以点击暂停按钮，当完成洗澡后，就可以点击停止按钮，完成一次洗澡。显示水箱温度和水量可以告诉用户现在水箱里的水温和剩余水量。若非晴天时用户可以点击辅助加热按钮用电加热。也可以设定加热到多少度，到了这个温度后，加热器会自动地断开。

在本发明较佳实施例中，温度测量模块10采用接触式温度传感器对水箱温度进行测量，接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。

水温调节模块12以温度中和原理控制水箱水和自来水的比例。用水箱的水和自来水按相应比例混合达到所需要的水温。水温调试原理如下：

水速调节模块13采用从水箱与自来水出水相同横截面积的水管。当用户调整水的温度时，控制器自动计算水箱和自来水两个水管出水的横截面积的比例，并调整控制从水箱出水管与自来水管出水的横截面积。当水温调整好后，水速调整即为同时控制水箱和自来水两个水管出水的横截面积同比例的放大与缩小，如图4所示。

水量测量模块15通过在水箱里放置一个水位计，自动测量当前水箱的水位。控制器根据用户设定的洗澡水速，自动计算出还能洗澡的时间，并实现倒计时。图5为本发明较佳实施例中水箱水量测量示意图。74LS244为3态8位缓冲器，8位缓冲器接单片机的P1.0端口，洗澡时间计算原理如下：

水位计采用8根水位探测线按等水位线沿水深方向依次递增排列置于水箱中，水位探测线另一端接大电阻上拉至系统电源，8根水位探测线连接至反相器并输出至74LS244为3态8位缓冲，同时8根水位探测线还通过二极管和小电阻接地防止出现高压损坏后续器件，水箱接至地电平。当无水时，8根水位探测线输出为高，经反相后为低电平，此低电平经74LS244缓冲后送至单片机处理；当水满时，8根水位探测线通过水箱里的水接地电平，其输出为低(水箱接地)，经反相后为高电平，此高电平经74LS244缓冲后送至单片机处理；当水箱有水时，水箱里的水依据其水量淹没一定数量的水位探测线并输出相应数量低电平，经反相后变为高电平，经74LS244缓冲后送至单片机处理。

以下将具体介绍本发明较佳实施例中温度测量模块的结构。图6为本发明较佳实施例中温度测量模块的系统架构示意图。在本发明较佳实施例中，利用AT89S51芯片控制温度传感器DS18B20进行实时温度检测并显示，并设计中加入时钟芯片DS1302以获取时间数据，在数据处理同时显示时间。具体地说，控制器使用单片机AT89C2051，温度计传感器使用DS18B20，用液晶实现温度显示。

本温度计分三个工作过程。首先，由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。然后，通过89C205I单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入液晶显示模块。最后，显示模块的SMC1602A芯片将送来的值显示于显示屏上。由图7可看到，本电路主要由DS18B20温度传感器芯片、SMC1602A液晶显示模块芯片和89C2051单片机芯片组成。其中，DSI8B20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机相连，它独立地完成温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工作。

温度传感器DS18B20的内部框图主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式RAM)，用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码(CRC)发生器等七部分。DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图7所示。

64b闪速ROM的结构如下：

8bit检验CRC

48bit序列号

8bit工厂代码(10H)

开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入报警上下限。主机操作ROM的命令有五种，如下表1所列：

表1

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图8所示。前2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。

温度低位

温度高位

TH

TL

配置

保留

8位CRC

LSB MSB

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。温度值格式如下：

2³

2²

2¹

2⁰

2^-1

2^-2

2^-3

2^-4

MSB LSB

S

2⁶

2⁵

2⁴

MSB LSB

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘以0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘以0.0625即可得到实际温度。图中，S表示位。对应的温度计算：当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，直接将二进制位转换为十进制；当S＝1时，表示测得的温度值为负值，先将补码变换为原码，再计算十进制值。例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

DS18B20温度传感器主要用于对温度进行测量，数据可用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，并以0.0625℃/LSB形式表示。表2是部分温度值对应的二进制温度表示数据。

表2

温度/℃	二进制表示	十六进制表示
			+125	00000111 11010000	07D0H
+25.0625	00000001 10010001	0191H
			+0.5	00000000 00001000	0008H
0	00000000 00000000	0000H
			-0.5	11111111 11111000	FFF8H

-25.0625	11111110 01101111	FE6FH
			-55	11111100 10010000	FC90H

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较，若T＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

在本发明较佳实施例中，采用SMCI602A液晶显示模块芯片，该芯片可显示16×2个字符，比以前的七段数码管LED显示器在显示字符的数量上要多得多。另外，由于SMC1602A芯片编程比较简单，界面直观，因此更加易于使用者操作和观测。SMC1602A芯片的接口信号说明如表3所列。

表3

编号	符号	引脚说明	编号	符号	引脚说明
						1	VSS	电源地	9	D2	数据I/O
2	VDD	电源正极	10	D3	数据I/O
						3	VL	液晶显示偏压信号	11	D4	数据I/O
4	RS	数据/命令选择端	12	D5	数据I/O
						5	R/W	读/写选择端	13	D6	数据I/O
6	E	使能信号	14	D7	数据I/O
						7	D0	数据I/O	15	BLA	背光正极
8	D1	数据I/O	16	BLK	背光负极

在本发明较佳实施例中，单片机的工作电源电压为5(1±0.2)V且典型值为5V。

本发明采用9-12V直流电源供电，由T降压，全桥U整流，C6滤波，检测电路采用IC67806供电。本发明交直流两用，自动无间断转换，无后顾之忧。原理图如下图9所示。

当交流停电时，打开主机背后的直流电源开关即可(要在主机的电池盒内按电池极性装好电池)。

综上所述，本发明一种太阳能热水器通过温度测量模块利用温度传感原理、水温调节模块利用水热中和原理，克服了现在市场上太阳能热水器在洗澡的时候不能知道某水温下的洗澡时间的缺点，本发明具有实现起来简单，操作方便，实用性强等优点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种太阳能热水器，除太阳能热水器主体外，至少还包括：

温度测量模块，用于检测水箱温度；

输入接收模块，接收用户设定的水温及其它控制信号；

显示模块，用于显示水箱温度及水温。

2.如权利要求1所述的一种太阳能热水器，其特征在于，温度中和原理为：

3.如权利要求2所述的一种太阳能热水器，其特征在于：该太阳能热水器还包括水速调节模块，该水速调节模块根据该输入接收模块接收的用户设置的水速，基于控制水管横截面比例大小调整水速，以获得用户设置的水速。

4.如权利要求3所述的一种太阳能热水器，其特征在于：该水速调节模块在用户调整水的温度时，利用控制器自动计算水箱和自来水两个水管出水横截面积的比例，并调整控制从水箱出水管与自来水管出水的横截面积，当水温调整好后，水速调整为同时控制水箱和自来水两个水管出水的横截面积同比例的放大与缩小。

5.如权利要求4所述的一种太阳能热水器，其特征在于：该太阳能热水器还包括水量测量模块及剩余时间计算模块，该水量测量模块用于测量当前水箱的水位，并通过该显示模块予以显示，该剩余时间计算模块根据用户设定的洗澡水速及测量获得的水量，利用洗澡时间计算原理自动计算出剩余洗澡时间。

6.如权利要求5所述的一种太阳能热水器，其特征在于，该洗澡时间计算原理为：以水箱里剩余的水除以水速算出剩余时间t＝L/v，t表示剩余时间单位是分钟，L表示剩余水量单位是升，v表示水速，单位是升/分钟。

7.如权利要求1所述的一种太阳能热水器，其特征在于：该温度测量模块采用接触式温度传感器测量水箱温度，该接触式温度传感器的检测部分与被测对象良好接触。

8.如权利要求7所述的一种太阳能热水器，其特征在于：该温度测量模块包括单片机、温度传感器模块、驱动电路及时钟电路，该温度传感器模块利用温度传感器测量当前的温度，并将结果送入该单片机，然后，通过单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入该显示模块。最后，由显示模块将送来的值予以显示，该时钟电路用于获取时间数据，在数据处理同时显示时间。

9.如权利要求5所述的一种太阳能热水器，其特征在于：该水量测量模块通过于该太阳能热水器水箱中放入水位计自动测量获得当前水箱的水位。

10.如权利要求9所述的一种太阳能热水器，其特征在于：该水位计采用8根水位探测线按等水位线沿水深方向依次递增排列置于水箱中，水位探测线另一端接大电阻上拉至系统电源，8根水位探测线连接至反相器并输出至缓冲器，同时8根水位探测线还通过二极管和小电阻接地防止出现高压损坏后续器件，水箱接至地电平。