太阳能热水器防冻智能测控仪设计

孙先波,谭建军

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

太阳能是清洁无污染的可再生能源，因此太阳能的开发利用成为当今世界的一个热点.作为太阳能利用的典型——太阳能热水器的研究开发成为了一个热点，而防冻问题是目前太阳能热水器在推广使用中急需解决的难题.当前市场上所采用的防冻技术主要是管路循环和电伴热带.管路循环是在管路最容易被冻结的部位放置温度传感器，当温度低于设定值，启动循环泵将管路中的水循环到水箱中，这种方法的智能化程度相对较高，但是安装管路相对比较复杂，成本比较高，而且管路水循环增大了热量的散失，降低了热水器的使用效率.电件热带是在管路上平覆电伴热带，这是目前市场上最普遍的一种防冻方式.但是由于太阳能热水器管路里的水温变化大(最高可以到100℃)，而电伴热带一年中多数时间内处于闲置状态，所以长期的冷热冲击对热敏性的电伴热带的寿命和性能有很大的影响.因绝大部分电伴热带的使用电压是220 V，安装时绝缘安全性能尤为重要，在一些安装不规范的地方每年都会发生电伴热带短路引发的着火事故，因此需要具有从业资质的专业人员进行安装维护[1-2].

基于以上分析，提出“排空水管”的方法来达到防冻的目的，只需要通过AVR8位单片机控制3个电磁阀即可排空水管，从而达到智能防冻的目的，势必将对太阳能热水器的推广使用起到极大的推动作用.

1 太阳能热水器防冻技术原理

本系统提出的解决防冻问题的技术原理如图1所示，保温水箱部分主要包括温度水位传感器、电辅热、集热管阵列、安全气孔和进出水孔，能有效配合控制器工作.控制器能够完成水温水位的智能采集，同时实现智能控制，主要控制两个单向电磁阀和一个双向电磁阀，通过它们的组合控制来实现“排空水管”，从而达到防冻的目的.排空水管的具体实现步骤如下：当水箱的水不够时，通过打开单向电磁阀2和双向电磁阀，同时关闭单向电磁阀1实现自来水上水，上水完成后关闭单向电磁阀2和双向电磁阀，同时打开单向电磁阀1在单向进气阀的作用下排空管路中的冷水；当需要使用热水`时，通过打开双向电磁阀，同时关闭单向电磁阀1和单向电磁阀2将热水供给混水阀供用户使用，热水使用完后关闭单向电磁阀2和双向电磁阀，同时打开单向电磁阀1在单向进气阀的作用下排空管路中的热水[3-4].

图1 太阳能热水器防冻技术原理图Fig.1 Schematic diagram for solar water heater prevent frostbite

图2 系统结构框图Fig.2 Block diagram of system structure

图3 水温水位检测电路Fig.3 Test circuit for water level and temperature

2 太阳能热水器防冻智能测控仪方案设计

本系统以AVR的ATmega8单片机主控模块为核心，由信号采集子系统和交互子系统组成.主控模块从信号采集子系统输入温度和水位信息，向电磁阀输出相应的控制信号从而实现智能控制的目的.信号采集子系统由硅胶的水位水温一体化传感器和A/D转换器组成，将水箱内采集到的水位水温信息经过模/数转换后送给单片机分析处理.交互子系统包括键盘输入模块和液晶显示模块，主要完成用户需求的输入和相关状态的显示，方便用户的使用.系统结构框图如图2所示[5-7].

3 系统硬件设计

系统硬件电路主要包括单片机最小系统、水温水位传感器检测电路、液晶显示、电磁阀及电辅热驱动电路.

3.1 采集电路设计

本系统水温水位传感器均是采用电阻式的传感器，为了准确的测出水温和水位信息，即为了准确测出传感器电阻随水温和水位的变化，这里将电阻变化的测量转化成对电压变化的测量.具体措施是制作一个恒流源与水温水位传感器相串联，使得传感器因水温水位引起的电阻变化转换成电压的变化，然后用A/D转换器，将检测出来的模拟电压值转化成数字信号，交由单片机进行处理.本设计中由于采用的是AVR单片机，其中带有六通道的A/D转换器，因此，不需要在设计A/D转换电路，这大大简化了设计过程，这也是选用该种单片机的优点之所在.水温水位检测电路如图3所示.

3.2 液晶显示

液晶显示器是用来显示时间、水温和水位等信息的屏幕.本设计中采用常用的12864液晶屏，液晶显示不仅直观，而且能将所有的信息充分的显示出来.在本设计中LCD采用串行方式与单片机通信，单片机通过串行通信对LCD进行初始化、写命令、写数据，硬件电路相对比较简单.

3.3 电磁阀及电辅热驱动电路

电磁阀是用来控制上水和放水管道的闸门.电磁阀的开断电压为12 V，而单片机的端口输出电压仅能达到5 V，远低于电磁阀的驱动电压，因而需要设计相应的驱动电路，来控制电磁阀的开关.为了降低成本，以及考虑到对单片机的保护，采用三极管驱动，同时利用二极管的单向导通性避免回流对单片机的损坏.

电辅热是为了保证水温不低于某一设定的最低温度值.而电辅热用的是220V的交流电，这用单片机直接控制是不可能的，因此必须设计很好的驱动电路.其中一种简便易行电路设计就是：通过单片机控制三极管的通断，来开启和关闭一个继电器，从而达到控制高压的目的.电磁阀和电辅热控制电路如图4所示.

4 系统软件设计

系统软件设计主要包括键盘扫描程序、电磁阀控制程序、电辅热控制程序、液晶显示程序、A/D转换程序、系统主程序等.因相关程序的设计较简单，这里重点介绍系统主程序和中断服务子程序.

4.1 系统主程序流程图

系统主函数主要完成系统的初始化和键盘扫描控制程序.系统的初始化主要包括：LCD初始化、定时器初始化、各个控制端口的初始化，键盘扫描程序用来扫描按键，根据相应的按键，控制相应的操作.系统主程序流程图如图5所示.

图6 系统中断服务子程序流程图Fig.6 Flowchart of interrupt service routine

4.2 系统终端服务子程序流程图

系统中断函数主要进行LCD显示、水温水位的采集和处理、电磁阀和电辅热的控制等.系统中断服务子程序流程图如图6所示.

5 测试与结果分析

5.1 数据测试

完成了系统所有的硬件设计和软件设计后，做出实际系统，检测出实际的水位和温度测试采集数据.数据分为水位采集值和温度采集值两组[8].水位采集值数据如表1所示，温度采集值数据如表2所示(因实测数据较多，每一度都进行了测试，这里鉴于篇幅原因只记录了部分数据).

表1 水位采集数据表

5.2 结果分析

通过对温度及水位数据采集值分析来看，测试数据基本覆盖了用户用到的所有水温和水位值.对比分析测试的温度和水位值与实际的温度和水位值，有一定的误差，可能的原因有人为读数的误差、系统本身的误差、A/D采集的误差、测试仪器的误差等.但对于本系统来说，允许的温度误差是±1℃，在误差允许的范围内，测试结果是准确有效的.同时通过实际使用，用户能够很好的使用热水和排空冷水，达到了防冻的目的.

表2 温度采集数据表

[1] Keh Chin Changa,Tsong Sheng Leeb,We Min Line,et al.Outlook for solar water heaters in Taiwan[J].Energy Policy,2008,36(1):66-72.

[2] Asif M,Muneer T.Life cycle assessment of built-in-storage solar water heaters in Pakistan[J].Building Service Engineering Research and Technology,2006,27:63-69.

[3] 张雅丽.基于太阳能热水器的数据采集系统的分析与设计[J].计算机工程与设计,2008,29(22):5875-5877.

[4] Smyth M,Eames P C,Norton B.Integrated collector storage solar water heaters[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2006,10(6):503-538.

[5] 张景文,王震宏,高为浪.基于单片机的太阳能热水器智能控制系统[J].西华大学学报:自然科学版,2008,27(5):25-26.

[6] 赵庆双,王存荣,丁明成.两种太阳能热水器水流控制阀设计[J].流体机械,2008,36(7):52-54.

[7] Tripanagnostopoulos Y,Souliotis M.ICS solar systems with two water tanks[J].Renewable Energy,2006,31:1698-1717.

[8] Wen Juan,Yang Li,Qi Cheng ying.Large Eddy Simulation of New Vortex Generator Enhancing Heat Exchange of Solar Energy[J].Journal of Hunan University(Natural Sciences),2009,36(5):186-187.