淮阴工学院毕业设计说明书（论文）
1 引言
1.1 太阳能热水器的国内外发展现状
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目前，太阳能供暖技术和供热水已经相对比较成熟，太阳能制冷技术尚处于研发阶段。太阳能热水器是太阳能利用技术的主要应用产品，可供应热水和为建筑供暖。
从全球的产品类型来看，太阳能热水器包括平板型太阳能热水器、真空管太阳能热水器、无盖板太阳能热水器。各种产品的地域性分布非常明显，真空管太阳能热水器主要分布在我国（占全球总量的97%），主要用于提供生活洗浴用热水；无盖板太阳能热水器主要分布在美国和澳大利亚（占全球总量的90%），主要用于游泳池用水的加热；平板型太阳能热水器广泛地分布在欧洲、亚洲、美洲和大洋洲。
据国际能源机构发布的数据，2004年，全球新增太阳能热水器安装量为1918万平方米，包括513万平方米平板型太阳能热水器、90万平方米无盖板集热器，1213万平方米真空管太阳能集热器。2004年全球太阳能热水器提供的热量相当于581亿千瓦时电力（209.220TJ），年减排CO22540万吨。
从1999年至2004年，平板型太阳能热水器和真空管太阳能热水器市场在中国、新西兰、澳大利亚以及欧洲都增长迅速。中国年均增长率为25%，澳大利亚和新西兰为19%，欧洲为13%。用于游泳池加热的无盖板太阳能热水器年安装量在1999至2002年保持了增长的态势，2003年稍有回落，2004年又恢复增长的态势。
中国太阳能热水产业的发展始于上世纪80年代，当时的市场定位是农村或中小城镇的低收入家庭，其主导产品以技术简单、造价便宜的闷晒式太阳能热水器为主。进入90年代，随着技术进步和企业规模的扩大，技术和企业都逐步成熟，太阳能热水器逐步形成了真空管、平板和闷晒三种技术系列，实现了产品的系列化和规模化生产，这一时期的真空管太阳能热水器和平板太阳能热水器主要定位于中小城市的中高收入居民。90年代后期，住宅商品化的发展以及家庭对热水需求的大幅度增长，为太阳能热水器的发展提供了市场空间，太阳能热水器的生产规模进一步扩大，形成了一些有一定知名度的产品和品牌。2002年以来，为了满足高端用户的需求和城市景观的要求，太阳能热水器产品的升级换代和与建筑结合成为新的热点和发展方向，一些大型企业与房地产开发商一起建设完成了一批太阳能热水器与建筑结合项目，太阳能热水器与房地产项目同步设计、同步施工、同步验收的理念逐步被建筑行业所接受。
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一批太阳能热水器与建筑结合的试点项目，取得了良好的推广效果。
2005年以来，建设社会主义新农村活动的开展，为太阳能热水器在农村地区的推广应用提供一个良好的契机，越来越多的农村新村改造项目使用太阳能热水器为农户提供热水供应，北京等一些地区还开始使用太阳能热水器为农户供暖。太阳能热水器已成为各地农村新村改造、改善农民生活水平的有力工具。
自上世纪90年代以来，我国太阳能热水器行业保持了10多年的快速增长。2005年，太阳能热水器年生产量为1500万平方米，是2000年640万平方米的2倍多。到2005年底，我国太阳能热水器保有量超过7500万平方米，是2000年2600万平方米的近3倍。目前，我国既是世界上最大的太阳能热水器生产国，同时也拥有世界上最大的太阳能热水器市场。
我国太阳能热水器已实现了产业化，形成原材料加工、产品开发制造、工程设计和营销服务的产业体系，有力地带动了玻璃、金属、保温材料和真空设备等相关行业的发展，成为一个产业规模迅速扩大的新兴产业。至2005年，全国有1000多家有一定规模的太阳能热水器生产企业，年总产值达150多亿元，出口创汇2000万美元，全行业提供约30多万个就业机会，产生了显著的经济、环境和社会效益。
目前，太阳能热水器为全国3500多万家庭提供着热水供应，已形成与电热水器和燃气热水器三足鼎立的局面。我国已经形成了完整的太阳能热水器产业体系，在过去10年高速发展的基础上，预计未来10多年仍保持快速增长的势头。根据我国的可再生能源规划，我国太阳能热水器市场在今后若干年内将继续保持快速的增长，2010年太阳能热水器的安装总量将达到1.5亿平方米，2020年预计将达到3亿平方米。
1.2 市场上各类热水器的特点
燃气热水器：快速加热，出水量大，不易结垢，体积小，价格比较实惠，对使用时间和人数没太多要求。但是用时会产生一氧化碳，通风效果不好，一氧化碳不及时排除，易致人中毒、死亡；需根据燃气种类选产品，不同燃气的燃烧器形状、喷嘴大小、通道截面不同；易受气压、水压影响，调节水温麻烦。
电热水器：受周围环境和气候影响较小，可以根据需要调节水温。但是需要使用的时候要提前加热差不多半个小时，冬季使用预热时间会更长；而且管道易结水垢，对电能消耗也很大。因功率大容易造成短路事故，使用电热水器时电路电线发烫大大缩短线路寿命并有引发火灾的隐患。
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太阳能热水器：不用电、燃气等能源，节能环保，安全系数比其他产品高，加热后可以全年、全天候使用。但是受天气的影响比较大，同时安装复杂，容易影响住房的外观质量及城市的市容市貌;因太阳能热水器安装在室外，所以比较难维护。
1.3 课题研究的目的和意义
在实际生活当中仍然有许多的燃气热水器，电热水器在使用，众所周知，能源的消耗随着科技的进步也在不断的超负荷消耗着，燃气、电都需要用到不可再生的石油和煤炭资源，而太阳能则是取之不尽用之不竭的，因此，使用太阳能热水器不仅仅节省了生活开支也保护了生态环境。
在广泛的使用太阳能热水器的同时，我们又不得不考虑一些比较客观的问题，太阳能热水器有很多优点但是也存着在很多缺点。
目前太阳能热水器在设计上面仍然存在着很多的不足，比如，很多老式的太阳能热水器在上水之后不能自动控制阀门关闭，要人为的控制上水阀门使自来水管停止上水，因而造成让水资源白白的流失，造成了不必要的浪费。特别是夏天的时候，热水器的集热管受到太阳光的曝晒，假如这时候上水，集热管就会发生爆裂，损坏热水器。
我们需要做的就是将现有的太阳能热水器上水控制部分进行改进，达到定时上水，水满自动关阀的目的。
1.4 课题研究的问题和设计思路
本课题要研究采用什么途径获得太阳能热水器水箱内的水位信息，并判断水箱内水是否已经上满，选用什么样的传感器和测量电路将水位信息转化为电信号，并通过控制电路和执行电路来解决水满自动关阀。
本设计考虑在溢出管上安装电阻式水位传感器来解决水位信号的采集问题，测量电路以RS双稳态触发器为核心。通过继电器的触点控制电源开关和电磁阀的开关，达到上水自动开阀，自动关阀并切断主电源的设计目的，并且能通过控制器界面显示水位信息。
2 太阳能热水器上水控制系统总体设计
2.1 系统方案设计原理
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单片机 水位传感器 AT89C52 键 盘 第 4 页 共 32 页
DS1302 驱动电路 显 示 DS18B20 报警电路 光电隔离 驱动装置 执行机构
图2.1 太阳能热水器单片机控制系统原理图
该太阳能热水器上水控制器系统采用AT89C52为CPU，由水位传感器和温度传感器将采集到的水位信息和温度信息，输出到单片机AT89C52进行处理。然后由单片机的I/O端口输出显示以及键盘控制，单片机通过对所接收到的信号处理判断是否驱动电磁阀来上水和关闭上水。
DS1302的使用是为了防止系统掉电，方便系统时间恢复，节省单片机资源而添加的。在单片机与驱动装置之间加入光电隔离是为了将电信号进行隔离，能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰。
2.2 数据信息采集与转换
2.2.1 水位信号采集
在该系统中，太阳能热水器上水控制是由单片机对水位信号的检测和处理，然后经由驱动装置，分别在显示电路中显示温度和水位信息，并且控制上水电磁阀动作。
对于水位信号的采集，使用的传感器有很多种可以选择，比如电容式传感器，湿敏电阻传感器，电阻式传感器等。在本次设计中，前期方案的设计中使用了电容传感器，采用差动脉冲调宽电路作为电容转换电路。但是在实际电路的调试的时候，电路本身的干扰信号比较明显，而且由于电容的制作，和选取材料的问题，所制作出来的电容容量很小，所采用的LM324N比较器频率较小难以达到电路的要求，考虑到换其他的高速比较器，但是由于成本提高的幅度较大，制作工艺比较高，并不能很好的完成设计，故更改为电阻式水位传感器。
本设计采用的自制电阻式水位传感器，利用太阳能热水器上水水满，会有水从溢
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出管中溢出这样的现象，可以将自制的电阻式传感器安装于溢出管上，在无水状态下的电阻为无穷，有水溢出时接触到传感器，电阻可以降到300千欧左右。经过控制电路处理，即可实现水位判断。 2.2.2 温度信息采集
本系统所采用的温度传感器为DS18B20，该产品采用美国DALLAS公司生产。DS18B20温度传感器是数字式温度传感器，相对于传统温度传感器精度高、稳定性好、电路简单、控制方便并且具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
DS18B20的引脚以及封装：
图2.2 DS18B20封装及引脚
如图2.2所示DS18B20的1脚接地，2脚接输入/输出引脚，3脚为可选择的VDD引脚。
DS18B20的特点与性能：
1）应用中不需要外部任何元器件即可实现测温电路。 2）测温电路范围-55～+125℃，最大精度为0.0625℃。 3）只通过一条数据线即可实现通信。
4）每个DS18B20器件上都有独一无二的序列号，所以一条数据线上可以挂接很多该类型的传感器。
5）内部有温度上下限告警功能。 6）工作电压：3～5V/DC。
7）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。
8）警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度警告情况）。