CN202770563U

CN202770563U - 太阳能热水系统热能计量与监测仪

Info

Publication number: CN202770563U
Application number: CN 201220202128
Authority: CN
Inventors: 姚博; 刘宗孺; 李志为; 郭治华
Original assignee: HUBEI BROADLINK ELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Gubei Electronic Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2022-05-08

Abstract

一种太阳能热水系统热能计量与监测仪，包括无线控制模块、电源供电单元，两路四选一模拟电子开关、多路数字及模拟数据采集单元、外部存储单元、串口通信单元以及工作模式切换、LED指示单元、两路压力传感器、两路铂热电阻温度传感器、四路热敏电阻、五路开关量、两路脉冲传感器和两路数字温度传感器。该设备可同时采集温度、液位、流量、风速、太阳能辐照量、耗电量和水泵运行状态等数据，并能够对相应数据进行热能计算。既能避免各种线路的依赖，又不受电源限制，使用成本低的Wi-Fi无线远程数据采集和处理为一体的装置。

Description

太阳能热水系统热能计量与监测仪

技术领域

本实用新型涉及一种通用性很强的数据采集、处理、发送设备，特别涉及一种太阳能热水系统热能计量与监测仪。

背景技术

在我国新能源和可再生能源利用中太阳能热利用是发展最为迅速的技术并且已形成了产业化规模，但是太阳能热水系统与建筑的集成还存在许多问题，目前国内很少有单位对使用的太阳能热水系统进行连续一年以上的运行状况监测，并根据监测数据进行系统综合经济指标评价。因此，也很难得到太阳能热水系统在不同季节、气候的综合经济评价指标：太阳能保证率、太阳能集热系统效率、太阳能热水系统效率、太阳能集热系统有用得热量、常规能源替代量。这些系统的综合经济指标对于我国可再生能源规模化推广应用具有非常重要的意义。

目前数据采集系统中，大部分数据采集装置只能对单一数据进行采集和处理，并通过有线的通讯方式与数据处理中心相连接。一套太阳能热水系统往往需要安装几个厂家的数据采集设备，缺乏统一数据配置、储存、处理和发送功能，这就带来了一系列问题：

1.不同厂家的数据采集设备的通讯协议互不兼容，很难与同一数据处理中心相连接。

2.无法对监测数据进行本地计算和处理，得到相应的热能计量值。

3.监测数据很难融入IP网络，网络搭建成本高，线路复杂，安装困难。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种太阳能热水系统热能计量与监测仪。

为解决上述技术问题，本实用新型是按如下方式实现的：一种太阳能热水系统热能计量与监测仪，包括无线控制模块、电源供电单元，两路四选一模拟电子开关、多路数字及模拟数据采集单元、外部存储单元、串口通信单元以及工作模式切换、LED指示单元、两路压力传感器、两路PT1000(即铂热电阻温度传感器)、四路热敏电阻、五路开关量、两路脉冲传感器和两路数字温度传感器；所述两路压力传感器以及所述两路PT1000的输出接第一路四选一模拟电子开关的输入端，四路热敏电阻的输出接第二路四选一模拟电子开关的输入端，所述两路电子开关的输出端接所述无线控制模块的输入端，所述五路开关量输出端接所述无线控制模块的通用输入口，所述两路脉冲传感器输出端接所述无线控制模块的通用输入口，所述两路数字温度传感器输出端接所述无线控制模块的通用输入口，所述无线控制模块分别与所述串口通信单元、所述模拟电子开关以及外部存储单元双向连接，所述无线控制模块的输出端接所述LED指示单元，所述电源供电单元给所述无线控制模块及其他耗电芯片供电。

本实用新型的积极效果在于：该设备可同时采集温度、液位、流量、风速、太阳能辐照量、耗电量和水泵运行状态等数据，并能够对相应数据进行热能计算。既能避免各种线路的依赖，又不受电源限制，使用成本低的Wi-Fi无线远程数据采集和处理为一体的装置。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构框图

图2为本实用新型无线控制模块电路图

图3为本实用新型串口通信单元电路图

图4为本实用新型模式切换以及LED指示单元电路图

图5为本实用新型电源供电单元电路图

图6为本实用新型两路四选一模拟电子开关单元电路图

图7为本实用新型外部存储单元电路图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型所述的太阳能热水系统热能计量与监测仪，包括无线控制模块1、电源供电单元2，两路四选一模拟电子开关3、多路数字及模拟数据采集单元4、外部存储单元5、串口通信单元6以及工作模式切换13及LED指示单元7。其中数据采集单元4包括温度、湿度、压力、流量、电量、风速、太阳辐照量、开关量等多种模拟或是数字信号的采集。两路压力传感器8以及两路PT10009的输出接第一路四选一模拟电子开关3的输入端，四路热敏电阻10的输出接第二路四选一模拟电子开关3的输入端，两路电子开关3的输出端接无线控制模块1的输入端，五路开关量11输出端接无线控制模块1的通用输入口，两路脉冲传感器12输出端接无线控制模块1的通用输入口，两路数字温度传感器12输出端接无线控制模块1的通用输入口，无线控制模块1分别与串口通信单元6、模拟电子开关以及外部存储单元5双向连接，无线控制模块1的输出端接LED指示单元7，电源供电单元2给无线控制模块1及其他耗电芯片供电。

该装置的方法是数据采集端将各路传感器的输出信号转换为电信号，压力传感器、PT1000以及热敏电阻的输出信号通过两路四选一模拟电子开关将其传送给无线控制模块的ADC输入端，5路反馈以及数字温度传感器则直接将信号传送到无线控制模块的GPIO接口，脉冲传感器输出信号则通过光耦传送到无线控制模块的GPIO接口，无线控制模块对采集到得数据进行处理后，并将处理好的数据打包成符合IEEE802.11协议的数据通过无线发出，各终端可通过Wi-Fi对检测结果进行实时监控。

如图2所示，所述的无线控制模块包括有控制芯片、Wi-Fi射频模块、内部集成天线及外置天线接口，Wi-Fi外置天线通过天线接口与模块相连。控制模块的脚1、17、32、48接地，脚9接开关S3的2脚和5脚，脚10接电源供电单U9的6脚，脚11、12分别接两路四选一模拟电子开关U6的3脚、13脚，脚13、43、44分别接工作模式切换及LED指示单元的R13、R11、R12，脚14接电源供电单元U11的4脚并通过R39接地，脚15、18、19、20、21分别接数据采集单元中J8的2脚、4脚、6脚、8脚、10脚，脚16接数据采集单元中的R18、R21、R19、R23、R41以及J13的7脚、9脚、11脚，脚22、23、24分别接数据采集单元中U15的3脚、U14的3脚及U13的3脚，脚25、26分别接数据采集单元中J12的3脚、4脚，脚27、28、29、30接外部存储单元的15脚、16脚、7脚、8脚，脚31、33、34接电源供电单元U9的1脚，脚36接串口通信单元中S1的2脚，脚37、38、40分别接串口通信单元中U10的1脚、4脚以及2脚，脚39、41接串口通信单元中J2的1脚、2脚，脚45、46接模拟电子开关单U6的10脚、9脚。

如图3所示，所述的串口通信单元包括工作/程序烧录切换开关、485转换芯片及两线端子，切换开关1脚串联R9接电源供电单元中U9的1脚，3脚串联R17接地，2脚接控制模块36脚；485转换芯片(SP3483)U10的2脚接3脚，6脚、7脚接两线端子J12的8 脚、7脚，8脚接电源供电单元中U9的1脚。

如图4所示，所述的工作模式切换及LED指示单元包括切换开关、RC延时电路以及两路LED指示电路，开关S4的3脚与6脚相连并与电源供电单元中S3的2脚、5脚相连，S4的2脚和5脚相连，并通过R10接地，R13、C7组成的延时电路且R13与S4的2脚相连，D3、D4正极分别与R11、R12相连，负极接地。

如图5所示，所述的电源供电单元包括外部电源接口、三个电平转换单元及供电模式切换单元，其中供电模式切换单元与第二个电平转换单元连接，外部电源为压力传感器等需要24V供电的传感器供电，第一个电平转换单元通过电源开关与无线控制模块单元、第二个电平转换单元及数字温度计输入端相连，第二个电平转换单元连接无线控制模块单元，同时连接两路四选一模拟电子开关、数字温度传感器单元、5路反馈、外部Flash芯片、485转换芯片、运算放大器等需要3.3V供电的单元，第三路电平转换芯片连接有源脉冲及无源脉冲传感器接线端。

具体结构如下所述：电源的供电单元包括电平转换芯片(TPS61240、TPS5420、ADP2503)，电源转换芯片(TPS5420)的7脚接外置电源输入端，8脚接功率电感L3，4脚串联R37接地同时串联R36接功率电感L3另一端；电源转换芯片(ADP2503)的8脚与5脚相连，并与电源开关S3的2脚、控制模块U12的9脚、U11(TPS61240)的6脚相连，6脚接控制模块U12的10脚，2脚串联功率电感L2接4脚，1脚与10脚相连后接控制模块U12的31脚、33脚、34脚、U2(M25P128)的2脚、U6(MAX4782)的16脚、双路运放U5(LMV358)的8脚、U10(SP3483)的8脚、光耦U13(PC817)的4脚、光耦U14(PC817)的4脚、光耦U15(PC817)的4脚、反馈输入端J8的1、3、5、7、9脚等需要3.3V供电的电路；电源转换芯片(TPS61240)的2脚与3脚短接同时接脉冲输入端J14的1脚、2脚、7脚，4脚接控制模块U12的14脚，5脚串联功率电感L4后与6脚相连。

如图6所示，所述的两路四选一模拟电子开关选用的型号为MAX4782，芯片U6的1脚、5脚分别接压力传感器数据采集单元中J10的4脚、3脚，2脚、4脚分别接PT1000数据采集单元的R34、R35，12脚、14脚、15脚分别接热敏电阻数据采集单元中J13的8脚、10脚、12脚，11脚接热敏电阻数据采集单元中的R14，3脚、13脚、9脚、10脚分别接控制模块U12的11脚、12脚，46脚、45脚，6脚、8脚接地。

如图7所示，所述的外部存储单元包括Flash芯片以及两个上拉电阻和两下拉电阻。Flash芯片U2(M25P128)1脚、7脚分别通过电阻R20、R8接电平转换单元U9的1脚，7脚、8脚、15脚、16脚分别接控制模块U12的29脚、30脚、27脚、28脚，8脚、15脚分别通过R7、R15接地，9脚、10脚接地。

所述的多路数字及模拟数据采集单元包括5路反馈数据采集单元、2路压力传感器数据采集单元、2路PT1000数据采集单元、4路热敏电阻数据采集单元(第四路也可用作5V供电，输出0-5V信号传感器的输入端)、2路有源脉冲传感器以及1路无源脉冲传感器数据采集单元、2路数字温度传感器数据采集单元、1个双路运放、3个光耦以及多个电容电阻组成。

具体结构如下所述五路反馈端子J8的1、3、5、7、9脚接U9(ADP2503)的1脚，2、4、6、8、10依次接控制模块U12的15、18、19、20、21脚并通过R43、R44、R45、R46、R47接地；两路压力传感器输入端J10的1脚、2脚接电源供电，3脚、4脚通过分别串联R6、R1后接地，并分别与D2、D1的负端相连，同时连接U6的5脚、1脚，D2、D1的正极接地；两路PT1000输入端J13的1脚、2脚分别通过R19、R18接控制模块U12的16脚，并通过R28、R25与双路运放U5(LMV358)的5脚、3脚相连，3脚串联R16和R27接运放6 脚，4脚串联R22、R26接运放2脚，5脚、6脚接地，双路运放(LMV358)1脚、7脚分别串联R34、R35与U6的2脚、4脚相连；四路热敏电阻输入端J13的7脚、9脚、11脚连接控制模块16脚，13脚通过R41连接控制模块U12的16脚，或通过R42接地，8脚、10脚、12脚分别接U6(MAX4782)的12、14、15脚并分别串联R2、R3、R4后接地，14脚串联R5接地同时串联R14与U6(MAX4782)的11脚相连，或者是14脚通过R24、R29接地，同时R24与R29接线的一端与U6的11脚相连；两路有源脉冲和1路无源脉冲输入端J14的1脚、2脚、7脚接U11(TPS61240)的2脚，3脚通过R51连接第一路光耦U15(PC817)的1脚，4脚通过R50连接第二路光耦U14(PC817)的1脚，5脚、6脚接地，8脚通过R52接地同时通过R49接第三路光耦U13(PC817)的1脚；两路数字温度输入端J12的1脚、2脚接电源开关S3的2脚，3脚、4脚分别连接控制模块U12的25脚、26脚，并通过R40、R48与U9(ADP2503)的1脚相连，5脚、6脚接地。

在图1中，数据采集单元将各路传感器的输出信号转换为电信号，压力传感器、PT1000以及热敏电阻的输出信号通过两路四选一模拟电子开关将其传送给无线控制模块的ADC输入端，5路反馈以及数字温度传感器则直接将信号传送到无线控制模块的GPIO接口，脉冲传感器输出信号则通过光耦传送到无线控制模块的GPIO接口，无线控制模块对采集到得数据进行处理后，并将处理好的数据打包成符合IEEE802.11协议的数据通过无线发出，各终端可通过Wi-Fi对检测结果进行实时监控。

在图2、3、4、5、6、7中，该系统的电路由七部分组成，各部分电路的连接由网络标号标注。无线控制模块：该单元主要完成压力传感器、PT1000以及热敏电阻的AD采样，反馈、脉冲、数字温度等信号的处理，对采集到得数据进行打包、发送、无线调制和接收数据调解等功能；串口通信单元主要完成程序烧录以及485串口通信等功能；工作模式切换以及LED指示单元主要完成系统AP模式以及普通工作模式间的切换功能，绿灯表示工作在AP模式，蓝灯表示出于普通工作模式；电源供电单元利用TPS5420提供3.6V供电，利用ADP2503提供3.3V供电，利用TPS61240提供5V供电，利用S2实现外部供电和电池供电间的切换；外部存储单元主要用于存储历史数据；数据采集单元主要完成反馈信号、温度、湿度、风速、水流、液位、辐照量等一系列检测量的采集。

本实用新型的有益效果：由于采用了上述方案，数据采集端将各路传感器的输出信号转换为电信号，压力传感器、PT1000以及热敏电阻的输出信号通过两路四选一模拟电子开关将其传送给无线控制模块的ADC输入端，5路反馈以及数字温度传感器则直接将信号传送到无线控制模块的GPI0接口，脉冲传感器输出信号则通过光耦传送到无线控制模块的GPIO接口，无线控制模块对采集到得数据进行处理后，并将处理好的数据打包成符合IEEE802.11协议的数据通过无线发出，各终端可通过Wi-Fi对检测结果进行实时监控。由于基于Wi-Fi的接入点，可以同时接入多个监控分站，所以此系统可以继续扩展，达到了实用新型的目的。

目前数据采集系统中，大部分数据采集装置只能对单一数据进行采集和处理，并通过有线的通讯方式与数据处理中心相连接。一套太阳能热水系统往往需要安装几个厂家的数据采集设备，缺乏统一数据配置、储存、处理和发送功能。本装置可直接采集或通过数据采集器进行采集数据，并对数据进行处理和能量计算，将处理后的数据通过Wi-Fi无线IP网络发送到数据处理中心，从而实现热能计量和远程数据采集功能，在成本、灵活性、实时性、准确性及灵活性等方面都具有很好的优势。

Claims

1.一种太阳能热水系统热能计量与监测仪，其特征在于，包括无线控制模块、电源供电单元，两路四选一模拟电子开关、多路数字及模拟数据采集单元、外部存储单元、串口通信单元以及工作模式切换、LED指示单元、两路压力传感器、两路铂热电阻温度传感器、四路热敏电阻、五路开关量、两路脉冲传感器和两路数字温度传感器；所述两路压力传感器以及所述两路PT1000的输出接第一路四选一模拟电子开关的输入端，四路热敏电阻的输出接第二路四选一模拟电子开关的输入端，所述两路电子开关的输出端接所述无线控制模块的输入端，所述五路开关量输出端接所述无线控制模块的通用输入口，所述两路脉冲传感器输出端接所述无线控制模块的通用输入口，所述两路数字温度传感器输出端接所述无线控制模块的通用输入口，所述无线控制模块分别与所述串口通信单元、所述模拟电子开关以及外部存储单元双向连接，所述无线控制模块的输出端接所述LED指示单元，所述电源供电单元给所述无线控制模块及其他耗电芯片供电。

2.根据权利要求1所述的太阳能热水系统热能计量与监测仪，其特征在于，所述无线控制模块包括有控制芯片、Wi-Fi射频模块、集成天线及外置天线接口，Wi-Fi外置天线通过天线接口与模块相连。

3.根据权利要求1所述的太阳能热水系统热能计量与监测仪，其特征在于，所述串口通信单元包括工作/程序烧录切换开关、485转换芯片及两线端子，其中转换芯片与控制模块与两线端子相连。

4.根据权利要求1所述的太阳能热水系统热能计量与监测仪，其特征在于，所述的工作模式切换及LED指示单元包括切换开关、RC延时电路以及两路LED指示电路，其中RC延时电路由2个电阻和1个电容组成，切换开关第一脚接地，第二脚通过RC延时网络连接控制模块，第三脚接电源，两路LED分别通过两个电阻连接控制模块。