CN105318580A - 太阳能热水器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热水器控制系统，包括：压力液位传感器，压力液位传感器包括密封气体以及设置在密封气体内的薄膜，薄膜上连接有一柔性电阻，储水箱内的水位变化使柔性电阻产生对应的形变而改变阻值；一线式数字温度传感器，用以检测水温；单片机，获取柔性电阻的阻值以及检测到的水温；水位控制电路，包括上水继电器以及电磁阀，在柔性电阻的阻值低于或高于一预定值，且在一预定上水时间内的情况下，单片机通过上水继电器的开合控制电磁阀，用以实现上水或停止上水；温度控制电路，包括加热继电器，在检测到的水温低于一预定值，且在一预定加热时间内的情况下，单片机通过加热继电器的开合控制加热或者停止加热。

Description

太阳能热水器控制系统

技术领域

本发明涉及加热技术领域，特别涉及一种太阳能热水器控制系统。

背景技术

当今社会能源是一大问题，人们生活需求不断扩张，所以节能是最重要的行动。想到节能那首要想到的就是太阳能，太阳能是当今讨论研究的重要话题，生活中现在不断的出现用太阳能来代替传统的其他能源方式。目前在太阳能技术的应用最为贴近生活的当属太阳能热水器。

图1所示的是传统的太阳能热水器的原理图，1为储水箱，2为真空集热管。通过太阳辐射对真空集热管加热把太阳能转化为热能，集热管受太阳光照射的那一面温度高，集热管不受阳光照射面温度低，从而集热管内的水便产生温差反应，根据水的热水上浮冷水下沉的原理，可以使水产生微循环，从而实现对水箱中冷水进行加热的目的。

传统的太阳能热水器中，液位传感器包括静压液位计、液位变送器、液位传感器、水位传感器，它是一种测量液位的压力式传感器。投入式静压液位变送器（液位计）是根据所测液体静压和该液体的高度成一定的比例的原理，它采用国外先进的是隔离型扩散硅敏感元件或者是陶瓷电容压力敏感元件，将静压转换为电压或电流信号，然后再经过温度补偿和一定的线性修正，讲非标准的转化成标准的电信号（一般为4—20mA／1—5VDC）。这种设计稳定性好并且具有反向保护和限流保护的电路，当安装时正负极被接反不会损坏变送器，但是其缺陷为价格太高，家用太阳能使用这样的设计并不经济。

同时，传统的热水器是用电磁阀来控制上水和水温的电路控制。让电磁阀通12V的直流电源，电磁阀吸合上水电路导通则上水。当水位达到设定值时电磁阀断开停止上水。但是这种电磁阀的功耗比较大，上水和放水的时间加起来时间比较长。老式的NTC测温需要温度补偿电路，而且线性度较低，而且NTC热电阻阻值随温度变化不是严格的线性，增加了数据处理难度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种太阳能热水器控制系统。本发明通过以下技术方案实现：

一种太阳能热水器控制系统，包括：

压力液位传感器，一端连接在一太阳能热水器的储水箱上，压力液位传感器包括密封气体以及设置在密封气体内的薄膜，薄膜上连接有一柔性电阻，储水箱内的水位变化使柔性电阻产生对应的形变而改变阻值；

一线式数字温度传感器，设置在储水箱内，用以检测水温；

单片机，连接压力液位传感器以及一线式数字温度传感器，获取柔性电阻的阻值以及检测到的水温；

水位控制电路，包括上水继电器以及电磁阀，上水继电器连接单片机，电磁阀连接上水继电器，在柔性电阻的阻值低于或高于一预定值，且在一预定上水时间内的情况下，单片机通过上水继电器的开合控制电磁阀，用以实现上水或停止上水；

温度控制电路，包括加热继电器，加热继电器连接单片机，在检测到的水温低于一预定值，且在一预定加热时间内的情况下，单片机通过加热继电器的开合控制加热或者停止加热。

较佳的，还包括晶振电路，连接单片机，用以提供时钟信号。

较佳的，压力液位传感器还包括信号放大电路以及模数转换电路，信号放大电路连接柔性电阻，模数转换电路连接信号放大电路。

较佳的，还包括液晶显示模块以及按键模块，连接单片机。

本发明和现在市场上的热水器的控制系统测量的精确度大大提高，使用的也比较方便，快捷，性能更加的稳定。水温，水位控制精确，上水速度快，节能。

附图说明

图1所示的是太阳能热水器的原理图；

图2所示的是本发明的结构框图；

图3所示的是本发明压力液位传感器的原理图；

图4所示的是本发明信号放大电路的电路图；

图5所示的是本发明单片机控制水位继电器的原理图；

图6所示的是一线式数字温度传感器的连接示意图；

图7所示的是单片机的引脚示意图；

图8所示的是时钟集成芯片与单片机的连接示意图；

图9所示的是本发明的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

设计一个成本低、可靠性高、测量精度高、安装调试方便的水位、水温测量系统是本发明的关键，所以我们对液位测量的方案的设计很重要，在测量的方法上面需要考虑成本可靠性，测量精度都要有所改善。

如图2所示，本发明提供的一种太阳能热水器控制系统，主要包括：压力液位传感器，一线式数字温度传感器、单片机以及控制电路。

压力液位传感器主要用到的元件是一种对气体压强敏感的薄膜，薄膜连接了一个柔性的电阻器。当水位升高时压力传感器发生形变使电阻值发生变化，当电阻器的电阻值发生变化时，经过A/D转换把分压元件0-5V的电压信号传送给单片机，数据会被单片机分析出结果然后处理执行。如图3所示，通过以上分析自制的压力液位传感器来测量水位，将管道密封与气体压力传感器22相连，管道另一端连接到水箱的底部，水和传感器之间通过密封的空气21，当水位升高时，密封的气体压力增大，最后装置在顶部将压力信号转换成电信号，让后续电路处理，通过系统软件计算水位与气体压力之间的关系，测得水位的事实高度。

压力液位传感器的最大耐压是150KPa，150kp相当于5米高的水柱完全可以承受热水器的容量。由于传感器输出信号为60mV~~100mV的模拟信号，所以要对输出信号进行放大，电压放大选用OP07双电源放大器组成放大电路。具有低输入偏置电流（OP07A输入偏置电流为±2nA）和高开环增益（OP07A开环增益为300V/mV），由于OP07它同时还具有非常低的输入失调电压（OP07A最大的输入失调电压为25μV）等特点，所以OP07在很多的应用场合就不需要额外的调零措施。OP07具有低失调、高开环增益的特性特别适合用于需要高增益的测量设备、和进行微弱信号放大。经过放大后的信号，再送到A/D转换电路，将模拟信号转换成电信号便于单片机的处理，如图4所示。

由于现有的电磁阀的功耗比较大，上水和放水的时间加起来时间比较长，因此这种方法不合理，根据暖气供应中热力表的设计原理，可以采用自保持的电磁阀，自保持电磁阀在不通电的情况下开度是不变的，当需要控制其开度时才需要通电，所以需要通电的时间是比较短的，这样就有效地节省了电能。但是自保持电磁阀需要24V供电，且通过电流较大，所以该系统采用继电器驱动方式，控制电磁阀。继电器选择对系统功能影响较大，例如继电器的额定功率选择不适当，过小会导致继电器烧毁，过大造成不必要的浪费。继电器的灵敏度选择要恰当，一味的追求高灵敏度，会增加系统的成本，太低会增加系统误差，导致系统误动作。

在电能消耗严加控制的场合下，经常采用磁保持继电器当输入频率达10Hz以上，继电器需要快速运转，应选用极化继电器或固态继电器。舌簧继电器动作频率可达50次/秒，价格低廉，但触点负载能力低，一般只能达50mA、28VDC；太阳能热水器上水加热频率不是很高，而且要求的功率也不是很大。所以选择普通松乐牌的直流12V继电器，具体参数为交流250V下可以承受10A的电流，直流30V下可以承受10A的电流。

单片机收集数据之后则会判断是否上水，如果需要继续上水就驱动12V继电器，继电器控制电磁阀，实现上水动作。单片机控制水位继电器的原理如图5所示，图5中R16限流电阻，降低单片机的整体功耗，R13作为发光二极管D8的限流电阻，当上水时继电器吸合，电路形成回路，二极管导通发光，从而指示系统处于上水状态。

继电器驱动电路的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片，使触点1、2断开，1、3接通。当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点1、2接通，1、3断开。1、2间接控制电路端口（1、2称为常闭触点）或触点1、3间（称为常开触点），继电器就可以达到控制电路的目的。三个引脚的中间引脚是公共引脚，另外两个引脚是线圈，即接驱动端。另外2个脚那边分别是常开和常闭触点。当继电器吸合LED指示灯形成回路，从而发光指示用户正在上水。继电器启动吸合动作需要较大的电流，而保持吸合动作只需要较小的电流即可，所以采用一个47uf的C23电容储能来提供继电器吸合的能量。继电器保持吸合时采用一个47欧姆的R4电阻进行限流，从而降低整体的功耗。因为继电器吸合和断开时会产生较大的浪涌电流，会对系统的其他电路产生不利影响，所以采用D10作为为保护电路，用来吸收由于继电器开闭产生的浪涌电流。当单片机的控制引脚输出高电平给SW就可以使NPN的三极管导通，使继电器吸合。完成上水过程。

一线式数字温度传感器采用DS18B20传感器，它具有3个引脚的To－92小体积封装；DS18B20传感器测量范围为－55℃～＋125℃，测量温度的精确度可达0.0625℃，此款传感器测量的准确度也是达到常用的要求，但是DS18B20传感器不可以放在水里所以需要选择合适的位置。

DS18B20与单片机的接口如图6所示，DS18B20只需要接到单片机的一个I/O口上，由于单总线为开漏所以需要外接一个上拉电阻。如需采用寄生工作类型，将电源引脚与单总线并联。DS18B20的硬件简单，但是需要较复杂的软件驱动，对软件编程要求较高，可以降低硬件成本，为了降低软件编程难度，不采用寄生工作方式，该设计采用外接10K上拉电阻，VDD接外部电源。

如图7所示，单片机采用STC12C5A60S2系列单片机，是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、抗干扰的新一代单片机，代码指令完全兼容传统8051，但速度要比普通8051单片机快12倍。它内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM波电路，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次每秒）电路。

压力液位传感器中用到A/D，STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换在P1口，有八路10位高速A/D转换器，速度可达25万次每秒。STC12C5A60S2单片机ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、转换结果寄存器构成,逐次比较型A/D由一个比较器和D/A器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB0）开始，顺序地对每一输入电压与内置的D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值，逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。

晶振电路是一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，给单片机提供工作所需要的时钟信号，该设计中采用了11.0592MHZ的晶振。

时钟集成芯片选用的是DS1302。一般的时钟芯片的计时并行I/O口方式，编程实现要容易些，而DS1302要占用较少的I/O资源。可见使用DS1302串行时钟芯片能够节省单片机的硬件资源，并能充分发挥单片机的软件优势，所以应使用串行芯片DS1302来完成时钟信号的提供。DS1302是一种低功耗、高性能、带RAM的时钟电路，具有闰年补偿功能，工作电压范围2.5V～5.5V，有效的计算年、月、日、周日、时、分、秒等七种信息。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202完全兼容，但增加了主电源和备用电源双电源引脚，同时对备用电源进行涓细电流充电的能力。它采用三线接口与CPU同步通信，并可以用突发方式一次性的传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302有一个8X31的临时存放数据的内部RAM寄存器。DS1302与单片机的连接原理如图8所示。

本发明还包括液晶显示模块以及按键模块，按键模块实现对单片机人机交换的工具来设置信息，而显示模块则是显示出单片机处理的结果显示出来。为设计美观可靠我们选择MzLH04-12864液晶模块。MzLH04-12864为一块128×64点阵的LCD显示模组，模组自带两种字号的汉字库以及两种字号的ASCII码西文字库；并且可以直接显示数字；液晶模组是简单的串行接口、操作方便。为使用户使用界面尽量简洁，和对功能的拓展，采用4×4矩阵键盘，通过按键复用来实现手动上水、水位设置、温度设置和电加热等多种功能。

电源设计由整流电路、变压器、滤波电路、稳压电路组合而成。由于电源整体供电是5v，运算放大器采用双电源5V,-5V，继电器采用12V电压，因此设计电压输出需要有5V,-5V,12V。

变压器可将低（高）电压变换为同频率的高（低）电压的交流电能，变压器室通过绕的匝数来控制变压情况的残生感应电势，所以感应电势E1和E2大小也不同，通过改变初级线圈与次级线圈的匝数比来改变次级电压的大小，如果E2（变压器次级电压）的值太大，会造成集成三端稳压器的功耗太大，温度升高，容易把管子烧坏，且浪费电能。反之，如果次级电压值过小，三端稳压器就不能正常工作，所以次级电压值应当大小合适，应该使三端稳压器在交流电网电压最低和输出电流最大时都能正常工作。

根据稳压芯片的资料，输出电压在12V左右时，输入电压要超过输出电压2～3V，所以选用220V/14V的变压器。

采用桥式整流电路将大小、方向都变化的交流电转化成大小变化而方向不变的直流电。整流电路中二极管应选用合适的反向耐压和正向电流。

整流电路把交流电转变为直流电，但整流后还包含有相当的交流成份。从电容滤波出发，根据电容通交流、阻直流的特性，选用2个电容并联其中1个容量较大1个容量较小，根据大容量电容通低频、阻高频，小容量电容通高频、阻低频的特性就将高频和低频的交流电接到地端最后接到稳压电路的电压就能变成比较平缓的直流电。电容的选取方面，容量越大，电容器的体积越大，价格越贵，根据公式，RC>(3~5)T/2，R为负载，C为电容，T为交流电的周期，选取470μF和电容0.1μF就足以满足滤波的需求。

稳压电路输出的就是恒定的直流电压，为了得到更为稳定的工作电压可以再加2个电容做次级滤波，次级滤波和初级滤波原理一样就不在阐述了。输出电压为5V和正12V的集成三端稳压器件。常见到的稳压三极管有78系列正电压输出和的79系列负电压输出，三端分别是输入端、接地端和输出端，封装有TO-220和TO-92两种。

一般稳压芯片需要一个压差。所谓的压差就是输入电压和输出电压的差，78/79稳压芯片的压差一般要2V以上，最好在4到5V左右，过低不能输出稳定的电压，过高容易损坏芯片。所以经过变压器变压，IN4007二极管整流，电容器滤波后的电压值应比稳压芯片输出电压高一些。

综上所述：结合设计设计需要，所以选择7805来提供正5V，选择7812提供正12V，7905提供负5V。

如图9所示，在柔性电阻的阻值低于或高于一预定值，且在一预定上水时间内的情况下，单片机通过上水继电器的开合控制电磁阀，用以实现上水或停止上水；温度控制电路，包括加热继电器，加热继电器连接单片机，在检测到的水温低于一预定值，且在一预定加热时间内的情况下，单片机通过加热继电器的开合控制加热或者停止加热。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种太阳能热水器控制系统，其特征在于，包括：

压力液位传感器，一端连接在一太阳能热水器的储水箱上，所述压力液位传感器包括密封气体以及设置在所述密封气体内的薄膜，所述薄膜上连接有一柔性电阻，所述储水箱内的水位变化使所述柔性电阻产生对应的形变而改变阻值；

一线式数字温度传感器，设置在所述储水箱内，用以检测水温；

单片机，连接所述压力液位传感器以及所述一线式数字温度传感器，获取所述柔性电阻的阻值以及检测到的水温；

水位控制电路，包括上水继电器以及电磁阀，所述上水继电器连接所述单片机，所述电磁阀连接所述上水继电器，在所述柔性电阻的阻值低于或高于一预定值，且在一预定上水时间内的情况下，所述单片机通过所述上水继电器的开合控制所述电磁阀，用以实现上水或停止上水；

温度控制电路，包括加热继电器，所述加热继电器连接所述单片机，在检测到的水温低于一预定值，且在一预定加热时间内的情况下，所述单片机通过所述加热继电器的开合控制加热或者停止加热。

2.根据权利要求1所述的太阳能热水器控制系统，其特征在于，还包括晶振电路，连接所述单片机，用以提供时钟信号。

3.根据权利要求1所述的太阳能热水器控制系统，其特征在于，所述压力液位传感器还包括信号放大电路以及模数转换电路，所述信号放大电路连接所述柔性电阻，所述模数转换电路连接所述信号放大电路。

4.根据权利要求1所述的太阳能热水器控制系统，其特征在于，还包括液晶显示模块以及按键模块，连接所述单片机。