太阳能电热水器设计方案

天阳能电热水器设计方案

一、引言

随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人们所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。人们在大力的发展太阳能产业。

能源问题将更为突出：①从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。②环境污染③温室效应引起全球气候变化。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。

太阳能具有：①储量的“无限性”太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×10

的23次方kW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×10的13次方千亿t。②太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。③发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。

在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。2000年太阳能热水器取代47000套家用电热水器；2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。

然而，目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。所以太阳能热水器必须加以辅助加热功能，充分利用太阳能的同时方便生活所需。

即使热水器具有辅助加热功能，普通电热水器有如下缺点：

1、热水器长期通电，长期保持在六十度以上高温，发热管易结垢，内胆易漏水，因而较易损坏；

2、管道热水热量损耗大；

3、等候用水时间太长；

4、在热水流出前都必须浪费一定量的冷水，根据管道的长短，一般家庭中冷水损耗量大，基本可达10-25升/次。

而快热式电热水器克服了上述缺点。它有很多优点，如：安全，干净环保；即开即热，3-5秒出热水无须等候，热水使用时间不受限制，想用多久就用多久；

用多少烧多少，省电省水，没有损耗；内置温控仪保证温度在30-50度之间，解决温度持续高温导致的结垢漏水问题。也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。快热式电热水器与普通电热水器最大的区别在于它取消了储水罐，热水随开随用，无须预热，减少了电能浪费。另外，它还具有体积小，使用安全，安装方便等特点。热水器的种类很多，但快热式热水器也有很多种。

要想设计出较好的快热式电热水器必须要以较强的单片机作为基础，而单片机的发展正好为热水器的开发奠定了前提条件。

本设计的快热式家用电热水器系统采用电源电路、单片机控制器、温度检测电路、加热控制电路还采用了热敏电阻、放大电路以及转换电路等。并给出了信号流程图并介绍了快热式家用电热水器软件系统。

二、设计内容

太阳能电热水器控制系统的设计方式很多。本设计采用单片机为中央处理器，液晶显示模块，热电偶温度采集模块，水位采集模块，电加热模块，控制模块。

本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成温度和水位的实时显示功能，并能完成温度设定等功能，具体实现的功能目标为：（1）显示水温和水位，电加热水温可任意设定；

（2）设置温度参数后，自动控制电辅助设备加热；

三、设计方案

1、系统总体设计：

太阳能电热水器整体结构示意图

太阳能电热水器工作流程图

水位采集模块电容式液位传感器系统

1设计原理

采用筒式电容传感器采集液位的高度。主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。显示电路连接于单片机用于显示水位的高

度。。

2．系统框图

被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位。

传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。

放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。

A/D转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。在此用到逐次逼近式。

单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。

3 传感器原理

电容式液位传感器系统; 它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能, 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。

3.1 传感器的组成

图为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管(半径为R1 ) 、同轴绝缘导线(半径为R0 ) 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化, 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。

图3-1-2传感器原理图

3.2 测量原理

由图1 可知, 当可测量液位H = 0 时, 不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0 , 根据文献得到电容量为:

（1）式中, C0 为电容量, 单位为F ; ε0 为容器内气体的等效介电常数,单位为F/ m; L 为液位最大高度; R1 为不锈钢管半径;R0 为绝缘导线半径, 单位为m。当可测量液位）为H 时, 不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容CH :

（2）

式中, ε为容器内气体的等效介电常数, 单位为F/ m。因此, 当传感器内液位由零增加到H 时, 其电容的变化量ΔC 可由式(1) 和式(2) 得

（3）

由式可知, 参数ε0 , ε, R1 , R0 都是定值。所以电容的变化量ΔC 与液位变化量H 呈近似线性关系。因为参数ε0 , ε, R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 变形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 为常数) (4)。可见, 传感器的电容量值CH 的大小与电容器浸入液体的深度H 成线性关系。由此, 只要测出电容值便能计算出水位。

3.3将电容转化成电信号部分

采用运算法测量电路来转化。该电路由传感器Ｃｘ和固定的标准电容Ｃｏ以及运算放大器A组成

温度采集模块

此电热水器中采集温度主要利用集成温度传感器AD590，集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值V BE

与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：