CN108489114B - 基于单片机控制的智能太阳能热水器系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机控制的智能太阳能热水器系统及控制方法，包括供水端、用户端以及单片机控制系统。通过在供水端设置热水罐和冷水罐，在用户端设置与出水端一一对应的一个或多个缓冲水箱。一方面，能够将热水罐中的热水和冷水罐中的冷水先在缓冲水箱内进行混合调温，然后再供应给出水端，使用户能够快速的或者稳定温度的热水，有效的避免了用户使用时水温剧烈波动；另一方面，也能够满足多用户在不同环境下同时对不同温度热水的需求。而且还设置有单片机控制系统，能够自动的对热水罐水温和水位、冷水罐水位以及缓冲水箱的水温水位进行监控并调整，实现该太阳能热水器的智能化控制，减少手动操作的频率，简化操作和使用的复杂性。

Description

基于单片机控制的智能太阳能热水器系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能热水器，特别涉及一种基于单片机控制的智能太阳能热水器系统及其控制方法。

背景技术

太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的加热装置，通过利用太阳照射将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用。它具有节能、环保无污染、使用方便且成本较低等优点。

但是，目前的太阳能热水器也存在一些缺陷。例如，使用效果受天气、季节影响较大，虽然可以使用电加热装置辅助加热，但是水温仍旧不易调节。并且也难以同时满足家庭对不同温度热水的需要。

针对太阳能热水器存在的问题，技术人员也做过不少研究，并且也相应有一些研究成果。其中，专利CN104864614A提出了一种智能调节太阳能热水器热水温度的方案，可以减少电加热对能源的浪费，但并没有考虑到不同用户、不同环境下对不同温度、不同用量热水的需求。专利CN103836819A提出了一种以AT89C51单片机为基础的太阳能热水器智能管理系统，此发明以高精度的温度传感器来精确控制温度，但缺陷在于同样没有考虑到快速达到用户需求的温度的热水这一要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于单片机控制的智能太阳能热水器系统及控制方法，该系统能够迅速、准确的得到指定温度的热水，避免水温的剧烈波动，并且能够满足多用户在不同环境下同时对不同温度热水的需求。

技术方案：本发明所述的一种基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，包括供水端、用户端以及单片机控制系统；所述供水端包括热水罐、用于向热水罐补水的第一补水阀、分别用于检测热水罐水温和水位的第一水温传感器和第一水位传感器、冷水罐、用于向冷水罐补水的第二补水阀、分别用于检测冷水罐水温和水位的第二水温传感器和第二水位传感器；所述用户端包括一个或多个出水端以及与出水端一一对应连接的缓冲水箱，所述缓冲水箱设置有用于连通热水罐的热水阀、用于连通冷水罐的冷水阀、分别用于检测缓冲水箱的水温和水位的第三温度传感器和第三水位传感器；所述单片机控制系统包括主单片机以及与所述缓冲水箱一一对应设置的子单片机；所述主单片机与所述第一水温传感器、第一水位传感器、第一补水阀、第二水温传感器、第二水位传感器、第二补水阀以及子单片机连接，用以接收第一水位传感器、第二水位传感器、第一水温传感器以及第二水温传感器输出的信号；主单片机将接收的信号传输给子单片机，并控制第一补水阀和第二补水阀的开闭以调整热水罐和冷水罐的水位；所述子单片机与热水阀、冷水阀、第三温度传感器以及第三水位传感器连接，子单片机接收第三温度传感器和第三水位传感器传输的信号，并结合主单片机传输的信号，对热水阀和冷水阀进行控制，以实现调整缓冲水箱的水温和水位。

其中，所述热水罐还设置有辅助加热电路，所述辅助加热电路连接所述主单片机；当热水罐内的水温达不到设定最低温度时，主单片机控制所述辅助加热电路对热水罐内的水温进行加热。

所述供水端还设置有用于监测太阳光照强度的感光电阻，所述感光电阻连接所述主单片机并将光照信号传输给主单片机，当太阳光照强度不足时，所述主单片机控制所述辅助加热电路对热水罐内的水温进行加热。

所述供水端还包括连通阀，所述连通阀连接在所述热水罐和所述冷水罐之间用以将热水罐内的水排入冷水罐。

所述连通阀连接所述主单片机，当热水罐内温度达到结冰警戒温度时，主单片机控制所述连通阀打开将热水罐内的余水排入冷水罐内。

所述缓冲水箱还设置有保温电路，所述保温电路连接所述子单片机，保温电路通过子单片机控制用以保持缓冲水箱内部的水温。

有益效果：本发明通过在供水端设置热水罐和冷水罐，在用户端设置出水端以及与出水端一一对应的一个或多个缓冲水箱。一方面，能够将热水罐中的热水和冷水罐中的冷水先在缓冲水箱内进行混合调温，然后再供应给出水端，使用户能够快速的或者稳定温度的热水，有效的避免了用户使用时水温剧烈波动；另一方面，也能够满足多用户在不同环境下同时对不同温度热水的需求。而且还设置有单片机控制系统，能够自动的对热水罐水温和水位、冷水罐水位以及缓冲水箱的水温水位进行监控并调整，实现该太阳能热水器的智能化控制，减少手动操作的频率，简化操作和使用的复杂性。

而本发明所述基于单片机控制的智能太阳能热水器系统的控制方法，包括：

当启动该系统时，主单片机读取设定的热水罐的最低温度及水位，通过启动第一补水阀补水到设定的水位，然后进行光照加热；

若白天感光电阻检测到太阳光照强度不足，且第一水温传感器检测到热水罐的水温不足时，主单片机启动辅助加热电路加热；若用户设定的热水温度高于热水罐内现有水温时，主单片机将打开辅助加热电路对热水罐进行加热；

若使用时季节为冬季，当第一水温传感器检测到热水罐内水温达到接冰警戒温度时，主单片机将启动连通阀，将热水罐内的水排入冷水罐中；

当用户端启动时，子单片机利用第三水位传感器检测缓冲水箱内的水位，若水量不足，子单片机同时控制打开热水阀和冷水阀装水；并通过调节热水阀和冷水阀的开度以控制缓冲水箱的水温，同时利用缓冲水箱的保温电路预先保持水温；

若为用户第一次操作使用，子单片机会将缓冲水箱的水温设定为40-50℃，从而控制热水阀和冷水阀的开度；用户可利用控制面板调节出水温度；

当用户使用完毕，子单片机会将此时温度记录在ROM芯片上，之后再次启动时自动读取上一次运行时设定的温度并将该温度设定为最佳温度；

向缓冲水箱加水时，子单片机读取缓冲水箱的水位，若水位达到缓冲水箱容量的80％时，子单片机将控制热水阀和冷水阀暂时关闭。

附图说明

图1是本发明基于单片机控制的智能太阳能热水器系统的结构框图；

图2是本发明的一个实施例中的太阳能热水器系统的结构示意图；

图3是本发明的供水端与主单片机连接部分的结构示意图；

图4是本发明的用户端与子单片机连接部分的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，包括供水端、用户端以及单片机控制系统。供水端设置有热水罐1、冷水罐2；用户端设置有提供用户使用的出水端3，所述出水端3可以为一个，也可以为了满足多用户在不同环境下同时对不同温度热水的需求而设置多个出水端3。为了使用户在使用热水时，能够迅速得到目标温度的热水而不至于出现水温剧烈波动的情况，用户端还包括与出水端3一一对应连接设置的缓冲水箱4。缓冲水箱4分别连接供水端的热水罐1和冷水罐2，从而能够使得热水和冷水在缓冲水箱4内混合调整好温度后，再输出至出水端3以提供给用户使用。进一步的，为了实现对该太阳能热水器的智能控制，所述单片机控制系统包括主单片机5和子单片机6，其中，每个缓冲水箱4对应设置一个子单片机6，也就是说，每个子单片机6仅用于一个出水端3的控制。主单片机5一方面可以用于热水罐1与冷水罐2的水位控制，另一方面可以将热水罐1和冷水罐2的水位、温度信息传输给子单片机6。

如图2所示，以用户端设置有一个出水端3的太阳能热水器系统为例，进一步深入理解该系统的构成。一并参阅图3，所述供水端还设置有用于向热水罐1补水的第一补水阀11、用于检测热水罐1水温的第一水温传感器12、用于检测热水罐1水位的第一水位传感器13，以及用于向冷水罐2补水的第二补水阀21、用于检测冷水罐2水温的第二水温传感器22以及用于检测冷水罐2水位的第二水位传感器23。所述第一补水阀11、第一水温传感器12、第一水位传感器13、第二补水阀21、第二水温传感器22以及第二水位传感器23的信号端均接入主单片机5。从而主单片机5能够对第一补水阀11和第二补水阀21进行控制，也能够接收第一水温传感器12、第一水位传感器13、第二水温传感器22以及第二水位传感器23输出的信号。而在同时，主单片机5与子单片机6连接，从而能够将接收的信号传输给子单片机6，也能够接收子单片机6传输过来的指令。

对于用户端，请一并参阅图4。所述缓冲水箱4设置有热水阀41、冷水阀42、第三温度传感器43、第三水位传感器44；其中，热水阀41用于连通缓冲水箱4和热水罐1；冷水阀42用于连通缓冲水箱4和冷水罐2；第三温度传感器43用于检测缓冲水箱4的水温；而第三水位传感器44则用于检测缓冲水箱的水位。相应的，热水阀41、冷水阀42、第三温度传感器43以及第三水位传感器44均连接在所述子单片机6上。从而子单片机6能够对热水阀41、冷水阀42进行控制，并能够接收第三温度传感器43和第三水位传感器44输出的信号。而为了便于单片机对阀门进行控制，本实施例中，供水端和用户端的各个阀门与单片机的都通过继电器7连接。

进一步的，所述热水罐1还设置有用于对热水罐1辅助加热的辅助加热电路14，所述辅助加热电路14连接所述主单片机5；当使用时热水罐1内的水温达不到设定的可供使用的最低温度时，主单片机5发出信号控制所述辅助加热电路14对热水罐1内的水温进行加热，直到达到指定的最低温度。而在另一方面，所述供水端设置有用于监测太阳光照强度的感光电阻15，感光电阻15可以设置于太阳能热水器的真空集热器8的感光区域，用以监测太阳能热水器所能接收到的光照情况。所述感光电阻15连接所述主单片机5并将光照信号传输给主单片机5，当白天太阳光照强度不足时，所述主单片机5将主动控制所述辅助加热电路14对热水罐1内的水温进行加热，提前介入保障热水罐1内水温达到要求。

同时，所述热水罐1和所述缓冲水箱4的外部均包裹有保温材料，相应的，缓冲水箱4也设置有保温电路45，所述保温电路45与子单片机6相连，保温电路45通过子单片机6控制用以保持缓冲水箱4内部的水温。

在多用户使用的情况下，比如高层建筑中，热水罐1和冷水罐2可以统一设置于一处。为了防止冬天是冷水结冰也可以将冷水罐2设置在室内，作为优选，所述供水端还包括连通阀9，所述连通阀9连接在所述热水罐1和所述冷水罐2之间用以在外界气温过低，该系统也不工作热水罐1有结冰风险时，将热水罐1内的水排入冷水罐2，保障热水罐1和真空集热器8不被冻坏，同时也减少对水的浪费。同样，所述连通阀9连接所述主单片机5，当热水罐1内温度达到设定的结冰警戒温度时，主单片机5控制所述连通阀9打开将热水罐1内的余水排入冷水罐2内。

为了便于用户操作和对控制系统进行设置，所述用户端还包括与所述出水端3一一对应设置的控制面板10，所述控制面板10与所述子单片机6连接用以显示子单片机6输出的信息并向子单片机6发出指令。当出水端3处于浴室等需要考虑环境温度的位置时，也可以设置用于检测室内温度的环境温度传感器46，所述环境温度传感器46也连接在子单片机6上并将室温信号传递给所述子单片机6。控制面板10一方面可以显示子单片机6接收到的热水罐1、冷水罐2、缓冲水箱4内部的水温和水位信息，以及环境温度信息；另一方面，可以用于输入调节指令，通过子单片机6调整缓冲水箱的水温水位，或者通过子单片机6向主单片机5发送指令调节热水罐1的水温和水位或者冷水罐2的水位；更进一步，也可以用于输入调整控制程序，输入的控制程序被一一对应连接子单片机6设置的ROM芯片47采集存储，子单片机6可以自动读取ROM芯片47上的数据，根据数据快速的将温度调整到理想状态。

当需要满足多个用户使用时。对于供水端，主单片机5需要与多个子单片机6通讯，性能要求较高。因此，可以选用的型号有STC12C5A60S2；检测温度的温度传感器型号可以采用DS18B20，其测量范围为零下55摄氏度至125摄氏度，可满足太阳能热水器日常使用的需要；感光电阻15的型号为MG45需要通过数模转换芯片与主单片机5连接，这里使用的是PCF8591芯片。

而在用户端，对于子单片机6的性能要求相对较低，因此可以考虑节约成本，使用STC89C52RC型号单片机；温度传感器也选用DS18B20；ROM芯片47型号为AT24C02，可以储存2KB大小的数据；控制面板使用四位数码管以显示数据，采用微动开关调整，控制面板的主控芯片使用TM1638。

实际使用中，当启动系统时，主单片机5会读取设定的最低温度(本实施例中默认为60摄氏度)及热水罐1的水位，通过继电器7启动热水罐1上的第一补水阀11，直到达到设定的水位。随后热水罐1内的水通过真空集热管8进行光照加热，若白天感光电阻15检测到太阳光照不足，而且热水罐1内第一水温传感器12检测到水温不足时，主单片机5会在夜晚热水用量较高的时段来临之前提前通过继电器7启动辅助加热电路14，以保证夜间用水。另一方面，当用户设定的热水温度高于热水罐1内现有水温时，主单片机5将打开辅助加热电路14进行加热。本实施例中，辅助加热电路14功率为1800W。若使用时季节为冬季，当第一水温传感器12检测到水温达到接冰警戒温度(本实施例中设定为1摄氏度及以下)时，主单片机5将启动热水罐1与冷水罐2之间的连通阀9，使水流入冷水罐2中。

当用户使用端启动时，子单片机6利用第三水位传感器44检测缓冲水箱4内的水位。若水量不足，子单片机6同时会利用继电器7控制打开热水阀41和冷水阀42装水。同时，水的温度会根据用户在控制面板10上设定的温度值或环境温度传感器46传输的温度而确定，子单片机6可通过调节热水阀41和冷水阀42的开度以控制缓冲水箱4的水温，同时利用缓冲水箱4的保温电路45预先保持水温。

若在浴室等环境，用户第一次操作使用时，可利用出水端3手动调节的阀门控制出水量，而子单片机6会根据环境温度传感器46传输的温度情况而将温度设为40-50℃，随后根据温度通过计算继电器7接通时间从而控制热水阀41和冷水阀42的开度，并控制保温电路45以预先保持温度。若用户感觉不适可利用控制面板10上的微动开关调节水温。

当用户使用完毕时，子单片机6会将此时温度记录在ROM芯片47上，之后启动时自动读取上一次运行时设定的温度并将该温度设定最佳温度。向缓冲水箱4加水时，子单片机6还会读取缓冲水箱4内水位，若水位过高，达到缓冲水箱4容量的80％时，子单片机6将控制热水阀41和冷水阀42暂时关闭。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干推演或替代，这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，包括供水端、用户端以及单片机控制系统；

所述供水端包括热水罐、用于向热水罐补水的第一补水阀、分别用于检测热水罐水温和水位的第一水温传感器和第一水位传感器、冷水罐、用于向冷水罐补水的第二补水阀、分别用于检测冷水罐水温和水位的第二水温传感器和第二水位传感器；

所述用户端具有多个出水端以及与出水端一一对应连接的缓冲水箱，所述缓冲水箱设置有用于连通热水罐的热水阀、用于连通冷水罐的冷水阀、分别用于检测缓冲水箱的水温和水位的第三温度传感器和第三水位传感器；

所述单片机控制系统包括主单片机以及与所述缓冲水箱一一对应设置的子单片机；

所述主单片机与所述第一水温传感器、第一水位传感器、第一补水阀、第二水温传感器、第二水位传感器、第二补水阀以及子单片机连接，用以接收第一水位传感器、第二水位传感器、第一水温传感器以及第二水温传感器输出的信号；主单片机将接收的信号传输给子单片机，并控制第一补水阀和第二补水阀的开闭以调整热水罐和冷水罐的水位；

所述子单片机与热水阀、冷水阀、第三温度传感器以及第三水位传感器连接，子单片机接收第三温度传感器和第三水位传感器传输的信号，并结合主单片机传输的信号，对热水阀和冷水阀进行控制，以实现调整缓冲水箱的水温和水位。

2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，所述热水罐还设置有辅助加热电路，所述辅助加热电路连接所述主单片机；当热水罐内的水温达不到设定的最低温度时，主单片机控制所述辅助加热电路对热水罐内的水温进行加热。

3.根据权利要求2所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，所述供水端还设置有用于监测太阳光照强度的感光电阻，所述感光电阻连接所述主单片机并将光照信号传输给主单片机，当太阳光照强度不足时，所述主单片机控制所述辅助加热电路对热水罐内的水温进行加热。

4.根据权利要求1所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，所述供水端还包括连通阀，所述连通阀连接在所述热水罐和所述冷水罐之间用以将热水罐内的水排入冷水罐。

5.根据权利要求4所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，所述连通阀连接所述主单片机，当热水罐内温度达到结冰警戒温度时，主单片机控制所述连通阀打开将热水罐内的余水排入冷水罐内。

6.根据权利要求1所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，所述缓冲水箱还设置有保温电路，所述保温电路连接所述子单片机，保温电路通过子单片机控制用以保持缓冲水箱内部的水温。

7.根据权利要求1所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，所述用户端还包括与所述出水端一一对应设置的控制面板，所述控制面板与所述子单片机连接用以显示子单片机输出的信息并向子单片机发出指令。

8.根据权利要求7所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，所述用户端还设置有ROM芯片，所述ROM芯片一一对应连接所述子单片机。

9.根据权利要求1所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统，其特征在于，所述用户端还设置有环境温度传感器，所述环境温度传感器一一对应连接所述子单片机。

10.根据权利要求1-9任一所述的基于单片机控制的智能太阳能热水器系统的控制方法，其特征在于，当启动该系统时，主单片机读取设定的热水罐的最低温度及水位，通过启动第一补水阀补水到设定的水位，然后进行光照加热；

若白天感光电阻检测到太阳光照强度不足，且第一水温传感器检测到热水罐的水温不足时，主单片机启动辅助加热电路加热；若用户设定的热水温度高于热水罐内现有水温时，主单片机将打开辅助加热电路对热水罐进行加热；

若使用时季节为冬季，当第一水温传感器检测到热水罐内水温达到接冰警戒温度时，主单片机将启动连通阀，将热水罐内的水排入冷水罐中；

当用户端启动时，子单片机利用第三水位传感器检测缓冲水箱内的水位，若水量不足，子单片机同时控制打开热水阀和冷水阀装水；并通过调节热水阀和冷水阀的开度以控制缓冲水箱的水温，同时利用缓冲水箱的保温电路预先保持水温；

若为用户第一次操作使用，子单片机会将缓冲水箱的水温设定为40-50℃，从而控制热水阀和冷水阀的开度；用户可利用控制面板调节出水温度；

当用户使用完毕，子单片机会将此时温度记录在ROM芯片上，之后再次启动时自动读取上一次运行时设定的温度并将该温度设定为最佳温度；

向缓冲水箱加水时，子单片机读取缓冲水箱的水位，若水位达到缓冲水箱容量的80％时，子单片机将控制热水阀和冷水阀暂时关闭。