单片机在太阳能中央热水系统中的应用(1)

河北工业大学硕士学位论文单片机在太阳能中央热水系统中的应用姓名：孟凤果申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：孙以材20080301河北工业大学硕士学位论文i单片机在太阳能中央热水系统中的应用摘要在太阳能的热利用中，用于产生热水的太阳能集热器应用广泛，它充分利用了自然能源——太阳能，节省大量能源，这对于当今资源紧张的时代，具有重要意义。本文综述了太阳能热水器智能控制技术的发展现状和趋势，对太阳能中央热水智能控制系统的工作原理及控制方法进行了深入的研究和讨论。可用于热水工程和家用太阳能热水器，实现了建筑工程与散户安装的统一和兼容。本文主要研究太阳能中央热水系统的热辅功能，即太阳能集热器与储水水箱的热交换、电辅助加热的单片机控制系统。通过单片机控制实现集热系统智能化，通过数字滤波提高了系统各项指标和可靠性。实现了水位指示、自动给水、温度显示、定时给水、无给水自动停电报警等功能，利用LED显示器显示太阳能热水器的运行状况，使用方便。在控制方法的选择上，应用单片机技术和模糊控制理论对太阳能集热器与储水水箱的热交换、电辅助加热进行了分析。控制方案的设计中，因为必须要考虑如何充分利用太阳能，在天气好的情况下，电加热器尽量不用，而只有在太阳能强度不够的情况下，为了满足用户的要求，才启用电加热方式，补充太阳能的不足。根据以上的控制要求，我们可以采用模糊控制技术来完成对电加热器和循环泵的控制。并开发了相应的单片机控制程序，大大提高了太阳能的利用效率，实现了节约电能之目的。关键词：太阳能，单片机，智能控制，热交换，模糊控制太阳能中央热水控制系统iiSCMINTHESOLARHOTWATERSYSTEMOFAPPLAYABSTRACTAmongtheapplicationsofthesolarenergy,heatcollectorofsolarenergyforheatingwaterisbeingextensivelyapplied.Throughexploringtheenergyfromthenatrue,thistechnologyisparticularlyimportantfortoday’ssocietytorelievethestressfromlackofsources.Inthisthesis,thestateoftheartandtendenciesofintelligentcontroltechnologiesforsolarenergycollectorwerereviewed,andtheirmechanismsandmethodswerefurtherinvestigatedanddiscussed.Allthesemightbeapplicableforheatingengineeringandhouseholdsolarenergycollector.Ontheotherhand,thecompatabilitybetweenconstructionengineeringandindividualusewasrealized.Inthisthesis,itwastomainlyinvestigatethefunctionofheatingaidofthecentralheatingsystemofsolarenergy,i.e.,theheatingtransferbetweentheheatcollectorandwatertank,andthesingle-chipmicrocomputer(SCM)controlsystemofauxiliaryelectricalheating.Characteristically,theheatcollectingsystemwasintelligentizedbythesingle-chipmicrocomputer,anddigitalfilteringimprovedvariousindicesandthereliabilityofthesystem.Asaresult,variousfunctions(suchaswaterlevelindication,automaticallywater-supplying,temperatureindication,timingwater-supplying,automaticallyalarmingofnowater-supplying,etc.)weresatisfied.UseofLEDdisplayshowstheoperationofsolarwaterheaters,easytouse.Inselectingthecontrolmethod,byapplyingthesingle-chipmicrocomputertechnologyandfuzzycontroltheory,theheattransferbetweentheheatcollectorandwatertank,andauxiliaryelectricalheatingwereanalyzed.Controlthedesign,becauseoftheneedtoconsiderhowtomakefulluseofsolarenergy,ingoodweathercircumstances,asfaraspossiblewithoutelectricheater,solarenergyandintensitynotonlyinthecircumstances,inordertomeetuserrequirements,beforetheopeningofelectricheating,Toaddsolarenergydeficiencies.Accordingtotheabovecontrolrequirements,wecanusetechnologytocompletethefuzzycontrolofthecirculationpumpandelectricheatercontrol.Atthesametime,theprogramsforthesingle-chipmicrocomputerweredevelopedandtheefficiencyincollectingsolarenergywasgreatlyimproved.Inthiscase,electricenergywassaved.KEYWORDS:solarenenergy,single-chipmicrocomputer,intelligentcontrol,heattransfer,fuzzycontrol河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1太阳能集热系统的发展与现状在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点[1]。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是昀为成熟的。在建筑物的运行能耗中，生活热水和采暖占了能源消耗的很大比重。随着经济水平和生活水平的提高，人们对热水的需求越来越大。热水不仅用于沐浴，还要洗涮、温水冲车等。家庭热水中心的拥有者得到的不仅是舒适的享受，也体现了一种健康的绿色文明。许多工业化国家，太阳能热水器已列为与建筑配套的卫生设备的一部分。例如在以色列，凡是新建的私人住宅必须配备太阳能热水器[2[3]。我国有13亿人口，3.5亿个家庭，若每日每户供应60°C热水100升，全年需6643亿度电，几乎用掉全国年发电量的一半，电费约为4000亿元，费用极大。由于市场需求，太阳能热水器是光热利用昀成功的领域[4]。目前，中国已成为世界上昀大的太阳能热水器生产国，中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上昀大的太阳能热水器生产国和昀大的太阳能热水器市场，并仍在以每年20％-30％的速度递增，现已有3500多家太阳能热水器生产厂[5]。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。这种控制器只具有温度和液位显示功能，而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。本文设计的太阳能热水器控制器以AT89S52单片机为检测控制核心，采用PCF8563实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。温度控制采用模糊控制，控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。太阳能热水器是太阳能利用中昀常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。它主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成[6][7]。太阳能集热器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴朗的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势[8][9]。太阳能中央热水控制系统2§1-2太阳能热水器的应用及意义众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高，因而尚未被人们大规模的使用[10][11]。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置分为两个不同的概念：1.太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100吨的装置，大多提供集体单位使用。2.太阳能热水器是指将上述各种部件组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1吨以下的单位使用，此种装置称为太阳能热水器。太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种型号不同，一般在1.5～2.0平方米[12][13]。我国从“六五”计划期间开始推广太阳能热水器，到目前全国已有250万平方米采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有3500家左右，是目前世界上推广昀大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特色的太阳能企业，有中国太阳能协会为中心的学术中心，以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心，制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，西澳大利亚已有25%的新住宅安装了太阳能热水器[14][15]。日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，现在有20%的家庭安装了太阳能热水器，计划今后普及率达到25%，按照日本的“阳光计划”还将为公寓，办公楼安装6500套太阳能热水系统，为工厂安装1900套工业用太阳能热水系统。以色列的法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器，目前普及率已超过60%。英、法、德、意、希腊五国到2000年底推广热水器600万平方米，比1990年增长2倍多。有专家预计到2015年，仅全国住宅用太阳热水器将达到2.32亿平方米的拥有量，普及率将达到20