家用太阳能热水器智能控制系统工程

-1-家用太阳能热水器智能控制系统工程课程：系统工程导论学院：物流工程学院班级：自动化061学号：0624200018姓名：谢连斌得分：-2-【摘要】：针对目前家用太阳能热水器功能单一、操作复杂、控制不方便等特点，如现在的家用太阳能热水器只具有温度和液位显示功能，不具有温度控制功能，当由于天气原因而光线不足时，就会给热水器用户带来不便，所以通过自己的一番学习与查看资料，了解了家用太阳能热水器的工作原理、开发前景，并提出了一种新型的太阳能热水器控制系统设计方案。根据太阳能热水器对控制系统的要求，以MCS-51单片机为中心控制单元，采用DS12C887实时时钟，设计了一种太阳能热水器智能控制系统，给出了系统硬件设计及软件实现方法。该系统具有时间、温度、水位设定与控制功能，且具有良好的抗干扰性能，控制器还可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的，实现自动化操作，给日常生活中的用户们带来便捷。目录一、问题定义1.1问题名称1.2情况评估1.2.1描述性情景报告1.2.1.1太阳能热水器的发展史1.2.1.2太阳能热水器的系统组成1.2.1.3太阳能热水器的工作原理1.2.1.4目前太阳能热水器存在的不足之处1.2.2规范性情景报告1.3处理问题所需学科1.4范围的评估1.5所涉及的社会部门的决定1.6辨识涉及问题求解情况的利益持有者1.7需求辨识1.8用户条件1.9主要约束的辨识1.10问题划分成相关单元1.11问题单元间的相互作用2、系统价值设计2.1目标表的制定2.2目标递阶3、系统综合3.1系统运行方式的选择3.2具体设计和开发3.2.1硬件设计3.2.2软件设计二、方案的分析2.1方案可行性分析2.1.1市场预测分析2.1.2技术发展、投资分析2.1.3效益分析三、方案决策3.1系统的运行、测试3.2系统接收-3-家用太阳能热水器智能控制系统工程一、问题定义1.1问题名称家用太阳能热水器智能控制问题1.2情况评估1.2.1描述性情景报告1.2.1.1太阳能热水器发展史（1）1970—1980闷晒式太阳能热水器20世纪70-80年代，由于国家经济发展落后，人民生活水平较低，居民多用闷晒式热水器。由于存在效率低，散热快，储水量少，冬季无法使用等缺点。（2）1980—1989平板式太阳能热水器20世纪80—90年代，在国家相关部门支持和领导下，北京太阳能研究所开始从事太阳能热利用的研究，早期开发以平板式太阳能热水器为主。通过众多科研人员的努力，逐步发展了真空管型太阳能热水器，并逐渐成为市场主导产品。（3）2000年后，太阳能行业进入高速发展时期。2000年，分体式太阳能热水器逐渐开始面世，太阳能与建筑一体化也成为了行业的热点；太阳能不再局限在提供家庭生活热水，还将为现有的采暖、制冷设备提供中高温辅助能源。通过技术上的开发研究，太阳能热水器功能日趋完善，整机实现自动防冻、自动上水、电辅助加热、水温水位显示、安全自检等全套功能，引领太阳能热水器全面进入数字化时代。1.2.1.2太阳能热水器的系统组成（1）集热器系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和其它热水器不同的是，太阳能集热器是利用太阳的辐射热能加热冷水，故而加热时间只能在有太阳光照射的白天。（2）保温水箱和其它保温水箱一样，是储存热水的容器。因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，为了使白天生产的热水在到晚上或隔天使用时保持一定的温度，所以必须通过保温水箱把热水储存起来。水箱内胆水箱内是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要；保温材料的好坏直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的东北尤其重要。产品质量直接关系消费者的利益。（3）连接管道将冷水输送到符水箱进入集热器，再从保温水箱内把热水输送到人们使用热水的通道。叫做连接管道，为使整套系统形成一个闭合的环路，必须设计合理、连接正确，循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温处理。管道必须有很高的质量，保证15年以上的使用寿命。（4）智能控制环节智能控制就是通过传感器对于水箱中水位、温度的测量进行反馈并于所设定的要求进行比较，通过控制器对于偏差进行调节，实现自动化操作。1.2.1.3太阳能热水器的工作原理太阳能热水器不用煤、气、电，直接利用太阳光使水加热。它是利用高效吸热装置吸收太阳辐射能，将冷水加热并储存于带有保温的水箱中，向用户提供热水。其工作原理主要包括以下几点：（1）循环原理：利用冷水比热水密度大，冷水下沉，热水上升，形成自然对流循环、使水箱中的水逐渐变热，达到顾客满意的水温为止。当太阳强度不足以满足循环需要的时候，-4-可以在水循环闭路加一水泵，实现强制循环。（2）集热器吸热原理：太阳能热水器的集热器表面，有一特殊的涂层，此涂层对太阳能可见光范围具有很大的吸收率，吸收为热以后，集热器的散热热辐射波长在长波范围，该涂层对长波的发射率很低，这样就有效的“滞留”了太阳能的热量。水循环的具体过程是：水在集热器表面受热膨胀，密度变小，而循环回路中的“冷水”密度较大，热水上升至保温水槽，冷水下降进入集热器受热，如此循环。1.2.1.4目前太阳能热水器存在的不足之处（1）太阳能热水器智能化操作有待于改善。随着科学技术的发展，把先进技术运用于太阳能热水器，使其变得更加智能化，给用户提供更大的便捷。（2）太阳能热水器与建筑一体化存在不协调的问题。一直以来，太阳能等可再生能源在建筑技术上的完美应用都是企业梦寐以来的追求，太阳能与建筑结合创造的低能耗高舒适度的健康居住环境，不仅让住户家庭生活得更自然更环保，而且能节能减污，对实现社会可持续发展具有重大意义。1.2.2规范的情景报告针对目前家用太阳能热水器存在的不足之处，如果像空调那样给太阳能热水器配备控制器，使其能够自行的完成热水器的温度控制，让控制器可以根据天气情况利用辅助加热使蓄水箱内的水温在预定时间达到设定温度，从而达到24小时供应热水的目的，实现自动调节和控制的功能，给用户提供便捷。1.3处理问题所需学科要解决太阳能热水器智能控制问题，实现自动化控制，需要电路、模电、数电、单片机、自动控制理论、检测与传感技术等方面为知识背景，进行综合设计从而设计出一运行稳定、可靠、便捷的控制系统，给用户生活提供便捷。1.4范围的评估由于地理环境的不同，每一地区的要求和数据参数不尽相同，本问题的解决需要考虑区域条件、经费预算、环境影响等方面，才能很好快速使问题得以解决。（1）区域条件上海位于北纬31度14分，东经121度29分，属亚热带季风气候，四季分明，日照充分，雨量充沛，夏天时天气酷热，每年有多个日子最高气温超过摄氏35度，全年日光充足，适宜太阳能的运用。（2）经费预算随着经济的增长，人们生活水平日益提高，人们的收入也随着增长，对于售价在2000~3000左右的太阳能热水器，用户还是有能力购买。1.5所涉及的社会部门的决定家用太阳能热水器产业的迅猛发展得益于政府部门采取了强有力的措施，引导该行业健康的发展。2005年2月28日，全国人大常委会正式通过《中华人民共和国可再生能源法》，接着，全国上下开始大力提倡建设节约型社会；2007年9月上旬，国家环保总局颁布了环境保护行业标准《环境标志产品技术要求家用太阳能热水系统》和《环境标志产品技术要求太阳能集热器》两项标准，分别从热性能、健康安全和光污染三个方面对产品提出了技术要求及其检验方法。这不仅注重使用环保，而是要在设计、生产、使用、废弃全过程都注重环境行为，使之成为真正的“绿色产品”。同时明确的能量供给和环保健康标准数据，便于对照实施，使不合格的小作坊没有蒙混过关的机会。依次标准生产的产品具有热效率高、对环境和人体健康无害的两大特点。1.6辨识涉及问题求解情况的利益持有者对于实现太阳能热水器智能控制，无疑会给制造厂商带来额外的研究开发支出，需要投-5-入诸多的人力、物力及时间，然而如果设计成功，他们不仅促进了太阳能热水器行业的发展，也会促进市场的销售，获得更大的利益。1.7需求辨识经过20年的发展，太阳能热水器已经发展成为覆盖面最广的太阳能产业，全球拥有量已超过1亿平方米，在提供生活用热水和工业用低温热水方面发挥着越来越大的作用，目前日本有20%的家庭使用太阳能热水器；以色列使用太阳能热水器的家庭超过了80%；欧美发达国家正在建设采光面积高达数千平方米的太阳能热水系统，以用作住宅群的地区供热，随着可持续发展概念为广大人们所接受。在日常生活中，家用太阳能热水器的需求将会越来越大，其主要因素有以下几点：（1）自然环境因素我国属太阳能资源丰富的国家之一，陆地面积每年接受的太阳辐射能相当于2.4104亿吨标准煤约等于数万个三峡工程发电量的总和。随着人们文化素质的提高，太阳能资源的重要性越来越受到广大人民群众的认识与了解，从而推动了太阳能热水器制造商们的重视、开发、投资；推动了用户对于太阳能热水器的需求。（2）社会因素随着社会的发展，对能源的需求在快速增长，使不可再生能源的贮量不断减少，同时燃用不可再生能源而带来的全球性污染和生态环境的破坏日益严重，开发利用新型清洁能源的问题越来越受到世界各国的重视。太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，经过了几起几落的开发研究之后，现在又进入了一个新的开发利用阶段，促进了人们对于太阳能热水器的需求。（3）人民生活水平的提高及环保意识的加强随着我国经济迅猛发展，人民生活水平得到提高，广大居民对无污染、卫生、节能、安全、一次投资十余年受益的太阳能热水器这种绿色产品十分青睐。特别是随着农村基础设施建设步伐的加快、农民负担的减轻、农民可支配购买力的提高，从而大大促进了家用太阳能热水器潜在的市场需求。1.8用户条件要设计好家用太阳能热水器，首先一定要了解用户条件。通常为了满足用户的要求，通常要考虑以下几个因素：（1）价格对于普通家庭来说，在购买太阳能热水器时首先关注的就是价格问题，一般价格颇高的商品，人们往往会望而却步，所以价格适中的商品，易于受到用户们的青睐。（2）质量保证因为家用太阳能热水器终年处于室外状态，从而用户对于太阳能热水器的质量就格外重视且提出了更高的要求，而用户往往还希望所购商品有很好的质量保证及售后维修服务。（3）操作方式通常用户希望对于家用太阳能热水器有便捷的操作方法，甚至希望能够实现自动操作，随时随地能够使用到热水，在生活中带来方便。（4）水量的确定水量的确定必须慎重，因为它是影响到集热面积即系统成本。一般根据用户提供的用水方式及用水人数确定水量，每人每次用水水温为40℃～50℃，用水量为40kg~80kg。水量也可根据用户具体情况来定。（5）屋面情况在安装时一定要考虑树荫及周围遮挡物的影响，水箱沉放的位置，要尽可能放在北面并且利于集热器布蹬和系统管道的连接。满足用户的需求，给他们带来方便。同时先要保证该位置所能承受的重量不低于储水箱及其外围等所附加的总重量，以免对用户住房的屋面造成-6-损坏及储水箱安装存在安全隐患。1.9主要约束的辨识对于生产制造商来说，他们面临的约束就是开发研究所需的费用成本、产品质量保证、满足用户需求、以及如何能很好的与建筑实现一体化，从而拓宽市场。以下几点因素也影响着太阳能热水器的发展：（1）太阳能热水器未与建筑结合好（2）使用环境不利（3）电、燃气热水器的竞争1.10问题划分成相关单元家用太阳能热水器智能控制系统的实现需要各个单元的合理搭配与连接，可分为控制器实时时钟接口电路、蓄水箱水位和温度检测接口电路、控制键和串行显示接口电路、继电器输出电路、看门狗和复位接口电路、软件调试运行。1.11问题单元间的相互作用为了实现家用太阳能热水器的智能控制系统，各个单元的设计都是重要的。控制器实时时钟接口电路是给智能控制器提供一个基准时间；蓄水箱水位和温度检测接口电路的作用为检测水位和温度，已决定是否进行辅助加热；控制键和串行显示接口电路的作为是为了给用户提供方便的操作界面及显示功能；继电器输出电路的作用是为了实现辅助加热功能；看门狗和复位接口电路的作用提供单片