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太阳能论文
太阳能热水器智能控制系统
摘要:
因为清洁，环保，使用方便和低能耗等因素太阳能热水器受到了越来越多的家庭青睐，然而太阳能热水器也存在着许多不尽人意的地方。
上水水满益出;使用前需要放出大量冷水，等诸多弊病。
本控制器采用了红外测距的液位控制装置，能够精准的控制水位，对输水管内存水做了水管排空处理，对整个太阳能控制系统做了全新的设计。
关键词：
液位控制水管排空温度控制红外测距
Abstract:
Solarenergywaterheaterismoreandmorepopularinmanyfamilies,becauseit’ssanitary,environmental,convenientanditslowenergyconsumption.However,therearealotofdisadvantagesofit,suchasoverflowingwhentheheaterisfull,muchcoolwatermustbeventedbeforeusing,andsoon.Ourcontrollerusingliquidleverdeviceoftheinfrareddistancemeasuringequipmentcancontrolthewaterleveraccuratelyandemptythewaterinthepipe.Soitistotallyanewdesignforsolarenergycontrolsystem.
Keywords:
liquidlevercontrolemptythepipetemperaturecontrol
solarenergytheinfrareddistancemeasuring
一、设计功能和创新特点
1.1设计理念
创建一个新的太阳能控制系统来更替现在所存在的旧的系统。
解决水管内存水问题，实现高智能、人性化控制的设计目标，更好的利用太阳能使人们生活的更舒适。
1.2设计创新点
新开发的系统在太阳能的放水、控温、节能等方面有了新的改进。
采用水管放空、智能控水的方案实现了对水管内存水、洗浴时水温不稳等问题的科学性解决。
温度控制更精确到0.1摄氏度，同时水位也可以精确到0.5cm。
在使用过程中采用了语音控制系统使控制方面更加人性化。
1.3创新设计的功能
（1）.智能上水控制方面：
能够智能控制水箱上水的上水量。
本功能的目的在于避免在上水时出现的水箱满水后还向水箱上水所形成的浪费水资源的情况。
（2）.输水管的排空放水功能：
在水箱上水完成后可以把输水管内水排出。
这项功能旨在解决洗浴总是先放出大量的冷水和在冬季时太阳能输水管的冻水问题。
（3）.语音控制功能：
在洗浴时可以用声音控制系统的部分功能，如开关浴霸灯，开关换气扇等。
在洗浴需要调节某些电器时使用此功能可以简单快捷的实现控制，避免了洗浴时带水操作其他电器的危险，使太阳能的功能更人性化。
（4）.温控上水功能：
可以通过温度值来设定上水量。
满足人们在使用时有用温度来衡量上水量的习惯，使太阳能可以更好的使用广大的人群。
（5）.低水压上水功能：
在水压低的地区或时间段也能够给太阳能热水器上水。
生活中在用水高峰期会出现水压过低的情况，在这时我们使用这项功能可以给太阳能上水，避免了因水压而造成的太阳能热水器缺水的情况。
二、方案设计与论证
方案一、利用51单片机制作控制系统
利用51单片机来制作控制系统，成本相对较低,此方案中单片机的端口比较少，连接过程中端口需要扩展，同时此单片机没有语音功能，如果想实现此功能须再另行设计电路，方法实现比较困难。
不能进行系统升级。
方案二、利用凌阳单片机作控制系统
本系统使用凌阳61单片机，系统拥有很强的语音播报功能，这是其他单片机所不能比拟的，同时此单片机具有16位μ’nSP处理器、内置2K字SRAM、内置32KFLASH和32位可编程输入、输出端口。
功能丰富、能够满足现代家用电器对系统升级的要求。
方案比较：
方案二中单片机拥有方案一所具有的一切功能，且在这的基础上又有丰富的扩展功能，各部分电路均已经模块化，电路分析容易。
其中的语音播报功能新鲜而又独特，是很好的功能扩展部分。
同时此单片机还提供了丰富的可编程端口，解决了多功能同时使用时端口不够用的弊病。
综合考虑我们选用方案二来实现题目的所有要求。
2.2传感器方案设计
用来测量液位高度的装置种类很多，方法也各有不同，但是各种方法都有其各自的优缺点。
一般的测量方法由于所测量量比较单一，且计算方法较为复杂、不易实现自动测量而且很难实现智能化。
我们需要传感器应具有以下功能，通过下面的功能来确定所要选择的传感器是否能够满足我们设计的目的：
一、把液位值转换成单片机能够识别的电信号；
二、利用单片机控制电磁阀的开关，从而控制水位；
三、利用LCD显示器全方位的显示水箱内水位水温信息；
2.2.1液位探测方案
经过分析，各种方案的关键是在于如何把液位值转换成电信号，方案有两种：
方案一、
压强传感器测量法：
本方案直接把压强传感器固定在容器内部瓶底，根据不同的液面高度反映出不同的压强数值，利用液体压强公式可以方便的计算出液面的高度（公式如下）。
图2-1即为压强传感器测量法示意图。
H=P/ρg
图2-1压强传感器测量法
方案二、
使用红外测距模组：
本方案是使用红外线测量距离。
红外传感器都是基于一个原理----三角测量原理。
红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来。
反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
方案比较：
对于方案一，理论上较易实现，但是精确度低灵敏度低，不适合本项产品的使用。
方案二，红外测距是常用的一种测量距离的方法，精确度和灵敏度都符合本产品的要求指标而且能够更好的反映出我们产品的性能。
但是不能直接对液体测量也是它的缺点。
经过综合考虑，我们选用红外测距并加以改进，放一漂浮物对红外线进行反射以实现对液位精确的测量。
2.2.2水温探测
方案一：
利用铂电阻式温度传感器，将温度信息转化为电信号，通过单片机处理得出具体数据。
铂电阻式的温度传感器转换的电信号比较稳定，单片机只需要通过对电信号的比较运算就能简单的识别温度，精确度高且反应灵敏。
方案二：
使用DS18B20温度传感器，将温度信号以数字量传给单片机，很简单的实现单片机对温度参量的读取。
该芯片可以直接读取信号，无须其他的外围电路，使用方便。
方案比较：
方案一的精度和反应速度较高但是外围电路和制造成本都较高，不适合家庭使用；方案二的传感器是数字量的一线制输出，反应较快，电路简单使用稳定。
所以我们选择使用第二套方案。
三、系统硬件电路设计
3.1电路设计
本系统各单元主要包括三个部分：
输入部分、输出部分、处理器部分。
其中输入部分包括：
键盘、液位检测传感器、温度检测传感器、湿度传感器、麦克；输出部分包括：
LCD液晶显示器、喇叭、电磁阀；处理器部分：
凌阳十六位单片机SPCE061A。
系统经过按键设定、语音控制、液位传感器、温度传感器生成控制信息，传送给凌阳十六位单片机SPCE061A，经过单片机的处理，把特定的控制信号发送给LCD液晶显示器、喇叭、电磁阀，从而实现液位的动态显示、太阳能的自动上水、水箱中水位的控制、上水管中存水的排空和语音控制系统所控制的其他附属部件。
在声音的处理上主要采用凌阳科技的语音压缩格式，将需要播放的声音压缩，然后通过61板将事先录制存储的语音资源取出并播放出来。
图3-1语音控制图
3.2单元电路设计
3.2.1SPCE061A单片机概述
SPCE061A是继μ’nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。
目前有两种封装形式：
84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。
主要性能如下：
■16位μ’nSP理器；
■工作电压：
VDD为2.4~3.6V（CPU）,VDDH为2.4~5.5V（I/O）；
■CPU时钟：
32768Hz~49.152MHz；
■内置2K字SRAM、内置32KFLASH；
■可编程音频处理；
■32位通用可编程输入/输出端口；
■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
■2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
■2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
■7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道语音模-数转换器；
■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制GC）功能；
■系统处于备用状态下（时钟处于停止状态）耗电小于A@3.6V；
■14个中断源：
定时器A/B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；
■具备触键唤醒的功能；
■使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；
■具备异步、同步串行设备接口；
■具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；
■内置在线仿真电路接口ICE（In-CircuitEmulator）；
■具有保密能力；
■具有WatchDog功能（由具体型号决定）
SPCE061A主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真电路ICE接口，较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号。
SPCE061A板具体结构如图3-2
图3-2SPCE061A板具体结构图
3.2.2SPCE061A单片机CPU电路
本系统采用SPCE061A芯片作为核心部件，SPCE061A内部带有8路ADC和2路的DAC,32个可编程I/O输出、输入口，内置32K字闪存和2K字的静态存储器。
用来实现系统要求已经足够使用（图3-3）。
图3-3SPCE061A单片机CPU电路
3.2.3电磁阀控制电路
本电路中电磁阀的控制可以使用电磁继电器或可控硅，工作端使用220V交流电源。
但由于继电器的最高交流工作电压为110V，在正常照明电压情况下不能够正常工作。
故我们选择双向可控硅来控制电磁阀的工作与否。
双向可控硅使用安全方便，同时凌阳61A单片机的输出口电压3.3V-5V足够驱动可控硅的导通与断开。
电磁阀1控制进水管，电磁阀2控制出水管（图3-4）。
图3-4电磁阀控制电路
3.2.4可控硅控制电路设计：
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图3-5解如图所示。
图3-5可控硅控制电路
3.2.5传感器工作电路
3.2.5.1红外线传感器测试距离
红外传感器均基于三角测量原理。
红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图3-6所示。
反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
。
图3-6红外测距原理示意图
由图3-6可见，当D的距离足够近的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。
当物体距离D很大时，L值就会很小。
这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。
要检测物体越远，CCD的分辨率要求就越高。
红外线传感器的内部结构和接线图如下：
图3-7红外线传感器的内部结构和接线
3.2.5.2温度传感器
DS18B20内部结构图3-8所示，主要由4部分组成：
64位ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图3-9所示，DQ为数字信号输入/输出端，GND为电源地，VDD为外接电源输入端（寄生电源接线方式时接地）。
图3-8DS18B20的内部结构示意图
图3-9DS18B20的管脚排列
3.2.6按键设置
为了更方便实现对太阳能液位设置和功能的选择，我们采用4×4键盘进行直接设置。
由于数值设置步距较小所以我们舍弃了烦琐的累加法键盘设计。
在4×4键盘中各键位的设置如图3-10所示，这种键位排列方式直观，简单，同时提供了丰富的空键位，我们可以根据不同的需要，给各个不同的键位设置不同的操作属性从而满足我们多操作的要求。
本键盘中右数第四列上方三个为保留位。
电路原理如图3-11示。
图3-10键位示意图
电路直接扫描一个矩阵键盘。
在这些按规则进行扫描的键盘矩阵上，每次只有一行电平被拉低。
在逐次扫描拉低这些行的同时，去读那些列的信息，在被拉低的行上被按下的按键所对应的列的位值为0，其他列的位值为1。
如图3-11所示，SPCE061A的B口B8-B11和B12-B15作为4×4键盘的接口，其中IOB8～IOB11作为行驱动线，IOB12～IOB15作为行读入线。
每隔约20ms行驱动线被逐次拉低，以避免键盘的抖动干扰。
接下来程序所要做的工作就是测试输入的任何变化——新键的按下。
使用位操作运算，可以很容易地将这些变化识别出来。
图3-114×4键盘电路图
3.2.7LCDSPLC501液晶显示
SPLC501液晶显示为128X64点阵，面板采用STN（SuperTwistedNematic）超扭曲向列技术制成并且由128Segment和64Common组成，SPLC501液晶显示上很直观的提供了液晶显示器的接口，及其所需的复位电路等，并把对液晶的操作接口引出，方便使用；此外还提供有背光、电源指示灯、LCM，非常容易通过接口被访问。
图3-12是SPLC501液晶显示的接口。
图3-13是SPLC501液晶显示与凌阳61A单片机的连接方式图。
图3-12SPLC501液晶显示接口
图3-13SPLC501液晶显示与凌阳61A单片机的连接方式图
3.2.8水管排空功能
目前市场上的太阳能热水器在使用前都要放一部分冷水，有的太阳能热水器在冬天甚至会出现输水管被冻的情况，不但给使用者带来了很多的不便，也对水资源形成了巨大的浪费。
为解决这一问题我们设计了水管排空功能，即在给水箱上水完成后把水管内的存留水排出水管，从而达到在使用时直接使用热水和节水的目的。
实现输水管排空功能的方法：
在水箱下安装一个电磁阀，当关闭上水阀和水箱的阀门，停止向水箱加水后，单向阀进气使水管内存水排至室内水箱，实现排空水管的目的。
原理是当上水箱的电磁阀关闭后使，水箱与外界水源隔断，水箱里的水不能流出。
打开室内水箱的电磁阀，由于大气压强的关系输水管内的水位不会变化，但是加入一个单向阀后（单向阀的作用：
在上水的过程中是密闭的使水不能从阀流出；在下水的时候能够通气）下水时就可以使水管内的水与大气连通，使水管内的存水流入室内水箱。
3.2.9电源电路的设计
为了使单片机有一个稳定的工作环境，且各组件都正常的工作，我们特别制作了5V的直流稳压电源。
本电路的特点是：
电源输出稳定，具有较好的抗干扰能力。
输出标准的5V直流电压。
电源电路如图3-14。
图3-14电源电路设计制作
四、软件设计
4.1主流程图
系统程序如图4-1所示，系统负责检测和控制水箱液位情况，默认情况下LCD液晶显示器实时循环显示水箱综合数据,包括：
液位、温度、日期。
同时对键盘进行高速扫描，监测有没有键按下。
当有键按下时，进入相应的设置页面或语音设置状态。
图4-1主流程图
4.2显示主页
系统在显示自身的各种信息时均使用LCD液晶显示器显示，其主体流程的显示如图4-2所示：
开机进入主页面，显示水箱液位高度、温度、电磁阀开关状态、预设置液位或温度值、日期等信息。
接着利用中断实现实时显示的目的。
图4-2主页流程图
4.3菜单设置状态
液位000.0cm
温度000.0C
液位000.0cm
温度000.0C
4.4中断流程图
利用中断达到液位、温度、电磁阀的状态实时显示的目的。
其中利用IRQ4_2KHz实现液位的显示；IRQ4_4KHz实现时间的显示；IRQ5_2Hz实现设置的液位值的显示；IRQ5_4Hz实现电磁阀状态的显示。
图4-5中断流程图
4.5温度传感器程序流程图
SPCE061A单片机向DS18B20写一个完整字节的程序流程如图所示：
图4-6温度传感器DS18B20工作流程图
4.6按键流程示意图
按键扫描和设置功能流程图如下：
图4-8按键扫描和设置功能流程图
4.7语音识别流程图
在实现语音控制上的具体流程如下图：
五、系统测试及整机指标
5.1系统测试
5.1.1液位测量数据结果：
以下在进行整机测试时获得的水箱内液位的显示数据和实际数据：
测量编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
显示值/cm
11.2
6.4
15.6
19.7
5.4
7.8
18.4
14.0
6.2
实际值/cm
11.2
6.4
15.5
19.8
5.5
7.8
18.3
14.0
6.2
数据分析：
实验误差为±0.1cm，形成误差的原因为：
在读取实际的液位数据时所使用的工具的误差和人读数的认为误差。
通过分析上面的数据可以明显的看出，在允许的误差范围内系统检测的数据与实际数据是吻合的，即系统的检测数据是精确的。
比现在所有其他的太阳能的液位控制都要精确的多，显示了本系统精确控制液位的功能。
5.1.2温度测量数据结果：
测量编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
显示值/g
22.1
45.5
77.6
31.1
23.1
28.2
34.1
81.1
46.3
实际值/g
22.0
45.5
77.7
31.1
23.1
28.2
34.2
81.0
46.3
数据分析：
误差为±0.1度。
误差形成原因：
1.测试时读酒精温度计的视觉误差。
2.在制作实验仪器时的机械损伤，都对结果产生了影响，引起了误差。
精确的温度的控制是我们系统的另一个重要特色，分析实验数据可以明显的得出系统温度数据的转换是准确的,确保了能够实现精确的控制水温实现水温的时时检测功能。
而且系统数据精确度是目前同类产品中的佼佼者。
5.2检测、测量使用仪器
数字万用表：
机械万用表、直流电源、电子台秤、机械毫伏表、温度计、量筒、米尺等
六、总结
本系统使用凌阳公司生产的十六位单片机SPCE061A，能够很好的完成系统要求的各项要求和指标。
在设计过程中我们，我们综合考虑各种因素，力争把产品做的最好。
在电路设计过程中这个问题的到了充分的显示，其中电磁阀控制能够很好的响应系统的要求。
本系统降低了能耗，采用分体式结构，实现了排空输水管的功能，解决了冬季冻水管和洗浴前放冷水的难题，而且性能稳定。
优势在于低能耗，成本低（没有冻水问题就不用对水管进行特别的保温或加热措施，减少了成本。
如果规模化生产的话本系统的61板就可以使用单个的芯片代替，使成本更低），应用范围广，实用行强，完全可以替换现在的家用普通热水器，所加入的语音控制系统是目前其他产品所没有的具有很强的市场竞争力，其经济效益不言而喻。
参考文献
作者，书名，出版社，出版日期，（中括号标注号）
《模拟电路基础》
《数字电子技术基础简明教程》
《C程序设计》
《电子技术实用手册》
《现代实用电器》
《信号与系统》
凌阳大学计划网站
21IC中国电子网
附：
作品实物图
附图1模拟系统实物图
附图2模拟系统操作面板
附图3系统单向阀单元
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