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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
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【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
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，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40 kg~80 kg。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机复位功能。
2 价值系统设计
2.1 目标表的制定（利益持有者）
利润目标
希望新系统短期内获得利润
市场目标
扩大市场份额
成本目标
考虑初始费用、年花费
质量目标
质量合格，满足用户需求
性能目标
提高生产率、效果、效率等性能
可靠性目标
系统在各环境中能可靠运行
竞争性目标
争取占领市场份额
兼容性目标
能与原系统很好的兼容运行
适应性目标
系统能自行根据环境调整
灵活性目标
系统适应性强
性能目标
避免技术过时
简单性目标
系统设计直接易懂
安全性目标
系统能可靠运行
时间目标
开发新系统能在一定时间内完成
2.2 目标递阶

利 润 目 标

性 能 目 标 质量目标 市场目标

简单性目标 成本目标 时间目标 安全性目标
3 系统综合
3.1 系统运行方式的选择
（1）自然循环系统
该系统的运行原理就是在光照下集热器内的水被加热，沿水管上升至水箱上部。水箱内的水由于温度低、密度大而自动流进集热器内，如此不断循环。该系统适用于采光面积较小的系统。
（2）强制循环系统
该系统的运行原理就是借助水泵动力，在热水箱底部吸水，通过集热器把水送到水箱上部，该系统适用于任何大面积的循环系统。控制系统可采用光控或时控，全自动运行。
（3）定温放水循环系统
该系统的运行原理就是在集热器内加一温感探头并与温控器相联，在光照条件下当集热器内的水温达到设定值时，温控器使水泵运行(从热水箱底部抽水)，并将集热器内的热水送到热水箱上部。当集热器内的水温达不到设定值时水泵即自动停止。该系统适用于任何大面积采光系统。
（4）智能控制系统
该系统是运用控制器、传感器等器件，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。
3.2 具体设计和开发
3.2.1硬件设计
硬件系统结构主要包括AT89S51单片机系统，控制器实时时钟、蓄水箱水位和温度检测接口、控制键及串行显示、看门狗和复位接口电路以及继电器输出接口电路等。
3.3.2.1.1 控制器实时时钟接口电路
为了实现热水器24小时供应热水的目的，控制系统必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间。在软件设计上则要实时地读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统工作状态。本系统采用时钟芯片DS12C887，该芯片采用CMOS技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关的电路集成到芯片内部，同时还具有微功耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点。
3.2.1.2 蓄水箱水位和温度检测接口电路
蓄水箱水位和温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准确地检测出水位和温度，才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。要实现辅助加热提前时间的精确计算，最好是采用连续液位传感器，在水位显示上也仍采用分段显示。为了使单片机随时能够读出当前的水位情况，这里选用74LS244作为状态输入缓冲器。蓄水箱温度检测电路采用热敏电阻，经555压控谐振电路转换成脉冲信号，送到单片机端口。
3.2.1.3 控制键和串行显示接口电路
键盘和显示电路是人机交互的重要手段。控制键是用户干预系统运行的唯一接口，也是用户比较关心的问题。为了实现控制系统对时间与温度的设定及显示功能，采用74LS508与74LS244实现8键中断输入。串行显示电路采用串入并出芯片74LS164驱动6位数码管实现时间与温度的静态显示。
3.2.1.4 继电器输出电路
在太阳能热水器控制系统的设计中，继电器输出是实现蓄水箱辅助加热的手段。对继电器控制的安全有效是能安全地对蓄水箱进行辅助加热的保证。
3.2.1.5 看门狗和复位接口电路
控制系统的看门狗电路由两级74LS123芯片组成。用P1.7作为单稳态触发器的定时脉冲发生端，当P1.7口线超过一定时间不对74LS123发正脉冲时，系统将自动复位。
3.2.2 软件设计
系统软件设计时，必须明确热水器对控制器所提出的控制要求。当阳光充足时，热水器会利用太阳能将蓄水箱内的水加热到一定的温度(可能会高于设定温度)，控制器将不启动辅助加热装置；当阳光不足(阴雨天)时，为了使用户同样能够使用到热水，控制器能够自动启动辅助加热器，借助电能将水箱内的水加热到设定温度。这样，热水器不论在什么样的天气里，都能够向用户提供设定温度的热水，从而给用户带来便利。根据上面的要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、键盘中断子程序、显示子程序等。系统主程序主要完成温度、水位检测及进行当前温度值与设定温度值的比较和一些初始化功能。在主程序中采用了查表法进行频率到温度的转化，并且在读取温度时，采用读5次，取排序后的中间值为读取到的温度，以此来对温度进行数字滤波处理。
主程序的功能及流程图：

二、方案的分析
2.1方案的可行性分析
2.1.1 市场预测分析
能源短缺和环境污染是当今人类面临的两大难题，随着城镇居民生活水平的不断提高以及市场经济和社会化大生产的进一步发展，能源紧缺和生态环境恶化将日益成为人民不得不予以高度重视和解决的两大矛盾。鉴于人们对燃气、电热水器缺点的认识，太阳能热水器这种环保节能产品产生了激动人心的市场机会。并且我国政府一直重视新能源和可再生资源的开发利用，提出了“因地制宜，多能互补，综合利用，讲求效益”的总体方针。另外，将新能源的使用和发展纳入绿色ＧＤＰ，作为对地方政府政绩考核的重要指标之一。国家对新能源产业的大力支持，带动了太阳能行业的飞速发展，市场前景非常广阔。
2.1.2 技术发展、投资分析
如今随着科技水平的提高，以及单片机技术的普及，为了实现产业的信息化、自动化，往往把机电一体化，从而实现智能控制。一种整体式真空管太阳能热水器，光热转换率明显好于现有的太阳能热水器，该热水器制造成本低，每套生产成本150元左右，该热水器还配有排空阀，打开既有热水，关闭即可排空，该热水器安装使用简单，抗风能力强，冬季不须拆卸放水也不会结冰，是现在太阳能热水器的换代产品。
2.1.3 效益分析：
太阳能是一项非常好的阳光产业，现在的太阳能热水器生产工艺简单，组件少，以新颖独特的采光换热蓄热原理和构造，并选用多种新型材料合理搭配，实现了产品的高性能，成本低，每台成本价在150元，批发价在400元左右，每台利润在200元左右，按年生产一万台计算，年利润在二百万。
三、方案决策
3.1 系统的运行、测试
通过生产商的调试以及用户的使用，来测试所设计系统的可行性，以此从中了解系统的改进之处，为进一步改善系统提供可能。通过运行测试看是否满足用户的需求，是否实现了家用太阳能热水器的智能控制，同时，用户可以通过自己的使用情况对系统提出意见与评价。
3.2 系统接收
当所设计的系统满足生产商的目的、满足用户的需求时，证明此方案是可行，所设计的系统是实际可行的，生产商可进行大批量的生产与推广，从而完成家用太阳能热水器智能控制系统的设计。
总而言之，随着技术的不断更新，将会有越来越多、越来越完善的太阳能热水器产品出现，太阳能热水供应智能控制系统也会越来越完善。太阳能技术的推广使用，节约了能源、改善了环境、提高了人们的生活质量，为人类的文明和进步作出了巨大的贡献。

【参考文献】：
【1】余善庆. 20年来新能源与可再生能源的进展
【2】曹满婷. 太阳能热水器控制器的设计实现
【3】张景文，王震宏，高为浪，李桂花. 基于单片机的太阳能热水器智能控制系统
【4】张媛，王景良，朱天利. 太阳能热水器的发展前景

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