农村太阳能热水器水温水位控制系统_方益明
太阳能浴室水温水位控制系统设计
太阳能浴室水温水位控制系统设计摘要:由于对于含量丰富且清洁环保的太阳能的开发，以及太阳能热水器的广泛使用和对其性能及设计的标准提高，特提出了太阳能浴室水温水位的控制系统设计。
本设计是针对太阳能水箱内的温度恒温控制目标，基于PLC控制设计PID 算法实现对出水口的水温的恒温调节及储水箱的水位调节。
本设计的主要内容有：控制原理和控制系统流程图；水位的确定及实验曲线分析；水温恒定的控制及合适的温度偏差分析；西门子S7-200可编程控制器件的硬件掌握；PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较；应用PID控制算法所得到的实验曲线分析；整定各个系统各个部分的介绍和应用PLC语句编程来控制水箱水位和出水口水温。
关键词：恒温调节、水位调节、PLC控制、PID算法Solar bathroom water temperature water level control system designAbstract:Because of rich content and clean environmental protection for the solar energy development, and the wide use of solar energy water heater and the performance and design of measures to improve, especially puts forward the solar bathroom water temperature water level control system design. This design is aimed at solar tank temperature thermostatic control target, based on PLC control design PID algorithm for the outlet water temperature thermostat and store water tank water levelcontrol. The design of the main contents are: control principle and control system flow chart, The determination of water level and the experimental curve analysis; Water temperature constant control and suitable temperature deviation analysis; Siemens S7-200 programmable control device hardware control, PID parameter setting and various parameters of the control performance comparison; Application of PID control algorithm the experimental curve analysis.Key words: thermostat、Water level control、PLC、PID一、设计目的和意义太阳能是21世纪人类最看重的环保清洁能源之一，晕含量相当的大并且易于开发，是人类未来环保能源的重点发展对象。
农村太阳能热水器水温水位控制系统
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应用时只需采用各种电路测量出传感器的实际输
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农机化研究
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出电 阻，便可通 过查表 的方法得 到水箱内 的实时水位 。 然而在长期实践中发现，由于农村地区注入太阳能热 水器 的水有井 水、山 泉水、 溪塘水或 河水等 ，而且山 区 水质与沿海地区水质差异较大，同一水位下传感器输 出在 较大范围内 变化， 以致测量不 准，出 现了太阳能 热 水器注水 溢出或空烧空晒等 现象。 1．2水 质对水位测量 的影响
项目( Y1100625，Y1090766) ；浙江省教育厅基金项目 ( Y201016534) ；浙江农林大学科研发展基金项目 ( 000712) 作者简介：方益明( 1980一) ，男，安徽枞阳人，讲师，硕士，( E—mai l )
54f ym@163．COr n。
储 水 箱
( a) 结构图
计的 控制 系统 具有 成本低 、安 全性 高和实 用性 强等 特点 。
关键词：太阳能热水器；控制器；水位检测；农村地区
中图分类号：$2 14 ．2 ；TP27 3
文献标 识码：A
文章编号：1003- 188X( 2012) 02- 0207—04
0 引言
太阳能热水器在农村的推广应用不仅有利于农村 生态环境的改善，而且有利于提高农民生活水平。然 而，在长期实践中发现，市场上现有太阳能热水器控 制系统存在诸多不适合农村地区应用的因素，影响了 太阳能热水器在农村地区的推广应用，如水位测量结 果不准确、出现注水溢出或空烧空晒等现象、用电安 全性不高以及 价格昂贵。本文介绍一种 适用于农村 地区 应用的 太阳能 热水 器水位 水温控 制系统 。
太阳能热水器水位水温无线控制系统设计
太阳能热水器控制装置的设计一、设计目的目前在洗浴与采暖系统中广泛采用集热器与水箱相结合的方法，达到节能的目的。
为此需要设计一种控制装置，以实现太阳能热水器水位、水温自动检测、根据需要自动控制。
装置为现有太阳能热水器配套相应控制器，达到方便用户，环保节能的效果。
二、太阳能热水器控制系统组成以洗浴系统为例，图为太阳能热水器控制系统组成框图。
在热水器储热水箱底部和顶部，在集热器入口和出口，各安放一只铂电阻温度传感器，负责检测4点温度，在水箱顶部安装连杆浮球电接点液位开关，检测水位。
在水箱内部插入三组电加热器，在集热器进水管道绕保温加热丝，在集热器进水管接循环泵。
水箱上水采用浮球自动上水（即始终使水位处于满水位）。
控制器以PIC单片机PIC16F877为核心芯片，扩展接口电路。
由温度传感器、液位开关实现各点信号的提取。
温度信号经过电桥电路、放大电路变为标准信号送入单片机，A/D转换后变为数字量，由单片机计算各点温度。
水位信号直接送入单片机I/O口。
单片机进行数据处理，各点温度由数码管显示器显示，水位由阵列LED指示。
水位上下限和各点水温及温差上下限由键盘设定。
当水位低于下限值时，自动开启电磁阀上水，直到上水至上限值关闭电磁阀；当水温低于下限时，接通电加热器加热，直到加热到设定上限温度停止；当管道温度过低时，接通电加热带保温，直到温度达到设定温度；当集热器出口温度与水箱温度温差超过设定上限值时，开启循环泵，水循环。
由于水箱电加热器功率达到40～60KW，需要380V供电，供电电流达到100A以上，需要3组电加热器加热。
控制器采用大功率固态继电器或大功率交流接触器。
可利用谷时电（夜晚）对水箱进行加热，控制器可定时设置加热时间，也可定时上水。
加日历时钟芯片，设定时间与日历时钟芯片读出时间比较，到时，加热或上水。
三、设计要求室外控制器负责检测水温、水位，并按控制要求进行控制。
将水温、水位等传送（无线）给室内控制器。
一种太阳能热水器水箱的控制系统
一种太阳能热水器水箱的控制系统摘要：本文介绍了一种基于太阳能热水器水箱的控制系统，该系统使用微控制器和传感器，精确控制水箱中水的温度，有效利用太阳能，充分满足用户的热水需求。
同时，本文还详细讲解了控制系统的组成、工作原理和优点，为太阳能热水器技术的进一步应用提供了一种新的解决方案。
关键词：太阳能热水器、水箱、控制系统、微控制器、传感器正文：随着环保意识的逐渐增强，太阳能热水器作为一种新兴的清洁能源备受青睐。
但是，由于太阳能热水器的运行受天气等因素影响较大，传统的太阳能热水器水箱常常存在水温波动大、热水供应不足等问题，使得用户的使用体验不尽如人意。
针对这一问题，本文提出了一种基于太阳能热水器水箱的控制系统，通过对水箱内水温的监测和控制，实现了对热水的智能化管理，为用户提供了更加舒适方便的使用场景。
一、控制系统组成该控制系统主要由以下几部分组成：1. 微控制器控制系统采用ATmega328P微控制器作为核心控制芯片，通过对传感器采集到的数据进行处理，控制太阳能热水器水箱内水的温度，实现热水供应的智能化控制。
2. 温度传感器系统中使用DS18B20数字温度传感器，通过对水箱内水温的实时监测，将监测结果传输到微控制器中，以便实现智能控制。
3. 继电器该控制系统采用单路继电器控制太阳能热水器的加热元件，由微控制器控制实现对加热元件的开关控制。
二、控制系统工作原理该控制系统的工作原理如下图所示：1. 当水箱内水温低于用户所设定的温度范围时，控制系统通过DS18B20数字温度传感器采集到水箱内水温的实时数据，将数据传输至ATmega328P微控制器中。
2. 微控制器按照用户所设定的温度范围，计算出加热元件所需要的电流大小，并通过控制单路继电器实现对加热元件的启动，并控制加热元件的加热时间。
3. 当水箱内的水温达到用户所设定的上限温度时，控制系统通过ATmega328P微控制器控制继电器实现对加热元件的关闭。
4. 当太阳能热水器的运行受到影响时，如遇到阴天、夜晚等情况，控制系统会自动停止加热元件的加热，并保证水温在一定范围内波动，避免浪费。
太阳能热水器水位控制系统设计论文
太阳能热水器水位控制系统设计论文太阳能热水器是一种利用太阳能来产生热水的设备。
在太阳能热水器中，水位控制系统起着关键的作用，它能够确保热水器中的水位始终处于适当的范围内，保证热水器的正常运行。
本论文将对太阳能热水器水位控制系统进行设计与分析，以提高热水器的性能和可靠性。
第一部分：引言（150字）太阳能热水器已经成为一种常见的家用热水供应设备，具有环保、节能等特点。
然而，目前市面上的太阳能热水器水位控制系统存在一些问题，如水位控制不准确、系统复杂等。
因此，本论文旨在设计一种高效、稳定的太阳能热水器水位控制系统，以提高热水器的性能和可靠性。
第二部分：太阳能热水器水位控制系统原理分析（300字）水位传感器可以采用浮球式、电容式、电极式等多种形式，通过感知水位的上升和下降来实现对水位的控制。
传感器将水位信息传输到控制器中，控制器根据设定的水位范围来判断水位是否正常。
如果水位过高或者过低，控制器将输出相应的信号，使阀门打开或关闭，从而调节水位。
值得注意的是，太阳能热水器在不同的环境条件下，如温度、湿度等因素的变化可能会影响水位的控制精度。
因此，设计一个稳定可靠的控制系统至关重要。
第三部分：太阳能热水器水位控制系统设计（500字）3.1传感器选择根据太阳能热水器的实际需求，我们选择了电极式水位传感器进行水位的感知。
电极式水位传感器结构简单，稳定性好，适应能力强。
该传感器通过水的导电特性来感知水位的变化，具有较高的控制精度。
3.2控制器设计控制器是整个系统的核心，负责接收传感器的信号并进行处理，然后输出相应的控制信号给阀门。
在本设计中，我们选择了单片机作为控制器。
控制器需要能够接收水位传感器的信号，并进行信号的滤波和放大处理。
然后，根据设定的水位范围来判断水位是否正常。
如果水位超过设定的上限或者低于设定的下限，控制器将输出开启或关闭阀门的控制信号。
在设计控制器时，我们需要考虑到系统的实时性、可靠性和成本等因素。
一种太阳能热水系统控制器的制作方法
一种太阳能热水系统控制器的制作方法专利名称：一种太阳能热水系统控制器的制作方法技术领域：本实用新型涉及一种控制装置，具体地说是一种太阳能热水系统控制器。
背景技术：目前市场上的太阳能热水系统控制器大部分为普通直插式太阳能热水器用水温水位仪，使用范围为非承压单台热水器，用于显示和控制热水器水箱内的温度和水位，而此种水温水位仪不适用于承压双循环分体式太阳能热水系统。
同时由于用来探测水温和水位的一体式传感器质量和稳定性不是很好，因此普通直插式太阳能热水器用水温水位仪的整体质量较差。
承压双循环分体式太阳能热水系统为强迫式太阳能热水系统，其运行和工作需要外界的动力对其实施驱动，故此在整个系统的配置上有一太阳能循环泵，将太阳能系统中集热器的热量通过循环泵转移至太阳能系统中的储热水箱中，将水箱加热，实现太阳能的转换。
市场上现有的分体系统控制器的功能比较简单，仅包含系统换热循环、辅助加热控制器等基本运行功能，不能满足系统的更良好的运行和安全使用。
发明内容本实用新型的技术任务是针对以上不足之处，提供一种结构合理、使用方便、功能全面的一种太阳能热水系统控制器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是该控制器包括控制器上外壳、控制器下外壳和按键，控制器上外壳和控制器下外壳扣合在一起，控制器上外壳的表面设置有LCD液晶显示屏和按键；控制器下外壳的表面设置有外部电源输入和负载输出接口，以及温度信号输入口；控制器的壳体内设置有通过导线相互连接的电源电路、时钟电路、负载控制电路、漏电保护电路、显示屏电路和主芯片控制电路。
控制器在太阳能热水系统中通过导线分别与集热器、循环泵、温度传感器、储水箱、控制器连接，在整个系统中控制器通过温度传感器获得信号，可控制循环泵和辅助电加热，实现系统的温度显示、换热循环、辅助电加热控制、防冻/过热保护、时间显示、漏电检测、故障报警提示等功能。
控制器采用多重防护措施，使得安全性能大大提高；点阵式LCD液晶显示，内容详尽、清晰，功能完善，最大化的满足了承压双循环分体式太阳能热水系统的运行功能需求。
太阳能热水器水温水位监测电路设计
太阳能热水器水温水位监测电路设计
刘丽萍;蔺金元
【期刊名称】《宁夏师范学院学报》
【年(卷),期】2006(027)006
【摘要】以AT89C2051单片机为核心,设计了太阳能热水器水温、水位检测系统.【总页数】2页(P99-100)
【作者】刘丽萍;蔺金元
【作者单位】宁夏大学,物理电气信息学院,宁夏,银川,750021;宁夏大学,物理电气信息学院,宁夏,银川,750021
【正文语种】中文
【中图分类】S214
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( a) 结构图
( b) 工作原理图
图 1 电阻式太阳能热水器水位传感器原理图
测量时，传感 器 被 垂 直 放 入 水 箱，导 电 橡 胶 或 浸
入水中或显露在空气中，图 1( b) 所示为传感器工作原
理图 。 若水中 溶解了 矿 物 质 或 无 机 盐 ，具 有 较 强 导 电
能力，导 电橡胶间的 电 阻 被 短 路 或 者 相 当 于 并 联 一 个
在太阳能热 水 器 中，常 用 热 敏 电 阻 测 量 水 温，因 此水温与水位测量的本质就是电阻测量。常用的测 量电阻方法有串联分压法和电桥法等。这些测量方 法都需要 A / D 转换器，价格较高，不能满足太阳能热 水器控制仪的低成本要求。
采用电 容充放 电 技 术［4］ 将 电 阻 转 换 为 充 电 时 间， 对时间值进行测量和计算，从而获得电阻值。图 4 所 示为水温测量电路。
水位传感器上的导电橡胶作为电极长期浸泡在含 有杂质的热水中，容易结垢，致使其 与 外 界 绝 缘。为 此，应 尽 可 能 减 少 传 感 器 的 供 电 时 间，同 时 采 用 方 波 驱动技术。例 如，测 量 传 感 器 电 阻 结 束 后，设 置 P63 输出高电平，P62 输出低电平，产生一反向电流流过水 位传感器。 2． 3 辅助电加热控制电路
图 6 漏电检测电路
图 7 电源电路
3 测量系统软件设计
太阳能热水器控 制 系 统 任 务 多，而 且 各 任 务 之 间 相互耦合，借鉴模块 化 程 序 设 计 思 想 将 总 任 务 分 解 成 多个具有明确任务 的 程 序 模 块，各 任 务 之 间 采 用 消 息 进 行 通 信，并 采 用 时 间 片 轮 转 法 进 行 任 务 调 度，设 计 的程序结构清晰、组合灵活且调试维护非常方便。 3． 1 任务调度算法
图 4 水温水位测量电路
为防止雷电通过 传 感 器 电 缆 线 窜 入 控 制 器 ，在 水 位传感器 Rs 和热敏电阻 Rt 接入电路板后，先经压敏电 阻进行防雷处理。
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测量水温时，先 将 P60 与 P61 设 置 为 输 出 管 脚， 输出低电平并保持 一 段 足 够 长 的 时 间，让 电 容 充 分 放 电; 然后，将 P61 设置为输入管脚，设置 P60 输出高电 平，通过热敏电阻 Rt 对电容充电，直到电容上的电压 高于单片机 I / O 口的阈值电压，P61 翻转为高电平，充 电过程结束。与此同 时，利 用 定 时 器 统 计 电 容 的 充 电 时间。通过预先标定好的充电时间与温度之间的关 系，可以测得太阳能热水器水箱内 的 水 温。同 理，可 测得水箱内的水位。
( c) 80% 档
( d) 100% 档
图 2 不同水位下水位传感器等效电路图
由图 2 可知，水质纯净度不同时，水电阻 rw 差异较 大，各档水位下传感器的输出电阻随着 rw 变化发生偏 移。如果在任意情况下都按表 1 中的数据判断水位，
则测量结果有很大偏差。水质纯度越高，rw 值越大，误 差越大。
采用 继电器控制 加 热 丝 的 启 动 与 停 止，电 路 原 理 如图 5 所示。单片机 I / O 口输出高电平，S8050 导通， 继电器吸合，加热丝开始加热; 反之，I / O 口输出低电 平时停止加热。针对农村地区电源接线不规范的现 状，采用两 路 继 电 器 分 别 对 火 线 和 零 线 同 时 进 行 控 制，提高了安全性能。二极管 D1 的作用是防止干扰 通过 I / O 口窜入单片机，提高系统抗干扰性能。
3． 2 水位测量与标定程序 试验前，从临安( 山区) 和宁波( 沿海地区) 各取井
图 5 辅助电加热控制系统电路原理图
2． 4 漏电检测 漏电检测的原理是在一个铁芯上绕有一个输入电
流 绕 组 和 一 个 输 出 电 流 绕 组，无 漏 电 时，输 入 电 流 和 输 出 电 流 相 等，在 铁 芯 上 二 磁 通 的 矢 量 和 为 零，就 不 会在第 3 个绕组上感应出电势; 否则，第 3 绕组上就会 形 成 感 应 电 压，经 滤 波 和 整 流 后 驱 动 开 关 管，向 单 片 机报警。其原理图如图 6 所示。 2． 5 供电电源
可以忽 略不计的小 电 阻 ，引 线 ① 和 ② 之 间 的 电 阻 值 显
著减小。0 档，20% 档，50% 档，80% 档 和 100% 档 水
位下传感器等效阻值见表 1 所示。
表 1 不同水位下传感器等效电阻值
Tab． 1 Output of sensor at different water － level
表 2 系统子任务及各执行周期 Tab． 2 The subtasks and their time slice
子任务
周期 / ms
子任务
周期 / ms
按键扫描
20
漏电掉电检测
5
动态显示
20
水位水温测量
1 000漏电处理ຫໍສະໝຸດ 20按键处理500
注水控制
500
电加热控制
500
报警处理
500
管道保温控制
500
系统需要 3 种电源，即用来驱动电磁阀和继电器 等执行器件的 12V 电源、正常工作时的电源 Vcc1 以及 停电时的电源 Vcc2 ，电路如图 7 所示。220V 电压经变 压器降压、二极管整流和电容滤波后产生 + 12V 电压，
再经 7805 稳压后得到 Vcc1 。其中，D5 可以防止干扰信 号窜入 7805，R4 与 R5 用于掉电检测。正常工作时，Pd 输出高电 平; 停 电 时，Pd 输 出 低 电 平。 正 常 工 作 时， Vcc1 经 R7 对电池 B1 充电; 停电时，则由 B1 对单片机供 电，确保单片机 RAM 内的重要参数不丢失。
以一个 片 上 定 时 器 为 基 准，实 现 多 个 虚 拟 定 时 器，完成各子任务调度。定时器 TCC 每隔 1ms 中断一 次，在中断服务子程序内给每个虚拟定时器加 1，主程 序中判 断各子任务 对 应 的 虚 拟 定 时 器 是 否 溢 出 ，以 此 确定是否需要执行该子任务［4］。表 2 列出 系 统 的 子 任务及各自的执行周期。
电阻式水位传感器的基本原理是: 含有无机盐或 矿物质的水 具有一 定 的 导 电 能 力，可 以 使 浸 在 其 中 的 电 阻 短 路，从 而 将 液 位 转 换 成 电 阻 输 出，实 现 水 位 测 量。图 1( a) 所示为电阻式水位传感器内部结构，引线
收稿日期: 2011 － 04 － 26 基金项目: 国家自然科学基金项目( 60903144) ; 浙江省自然科学基金
电阻浸入水中，可 以 等 效 为 在 电 阻 管 脚 间 并 联 一 个水电阻 rw ，如果忽略不同档位电阻管脚间距而引起 水的电阻差异，不同水位下传感器的等效电路如图 2 所示。
的水源选择不同的数据进行查表，确定实际水位。
2 控制系统硬件设计
太阳能热水器控 制 系 统 要 求 实 现 水 位 检 测、水 温 检测、注 水 控 制、辅 助 电 加 热 控 制、管 道 保 温 控 制、掉 电数 据 保 存、防 雷 保 护 和 漏 电 保 护 等 功 能，系 统 框 图 如图 3 所示。
水位 /% 0 20 50
等效电阻 / kΩ 60 50 40
水位 /% 80 100
等效电阻 / kΩ 30 0
应用时只需采用各种电路测量出传感器的实际输
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农机化研究
第2 期
出电阻，便可通过查表的方法得到水箱内的实时水位。 然而在长期 实 践 中 发 现，由 于 农 村 地 区 注 入 太 阳 能 热 水器的水有井 水、山 泉 水、溪 塘 水 或 河 水 等，而 且 山 区 水质与沿海 地 区 水 质 差 异 较 大，同 一 水 位 下 传 感 器 输 出在较大范围内变化，以致测量不准，出现了太阳能热 水器注水溢出或空烧空晒等现象。 1． 2 水质对水位测量的影响
DOI:10.13427/ki.njyi.2012.02.037
2012 年 2 月
农机化研究
第2 期
农村太阳能热水器水温水位控制系统
方益明，蔺陆军，李 剑，冯海林
( 浙江农林大学 信息工程学院，浙江 临安 311300)
摘 要: 针 对 常 规 太 阳 能 热 水 器 水 温 水 位 控 制 系 统 在 农 村 地 区 出 现 的 问 题 ，研 制 了 一 种 面 向 农 村 地 区 的 太 阳 能
1． 3 水质误差自动补偿思路
软件补偿方 法: 通 过 实 验 方 式 确 定 在 井 水、山 泉
水、溪 塘 水、河 水 和 自 来 水 等 水 质 中 各 档 水 位 与 传 感
器电 阻之间的对 应 关 系，存 入 不 同 的 表 中。 太 阳 能 热
水 器 在 投 入 使 用 之 前，设 置 所 使 用 的 水 源，针 对 不 同
热水 器 控 制 系 统 ，给 出 了 详 细 的 软 硬 件 设 计 。 采 用 的 软 件 补 偿 算 法 能 有 效 降 低 不 同 水 质 对 水 位 测 量 的 影 响 ，设
计 的 控 制 系 统 具 有 成 本 低 、安 全 性 高 和 实 用 性 强 等 特 点 。
关键词: 太阳能热水器; 控制器; 水位检测; 农村地区
项目 ( Y1100625，Y1090766 ) ; 浙 江 省 教 育 厅 基 金 项 目 ( Y201016534 ) ; 浙 江 农 林 大 学 科 研 发 展 基 金 项 目 ( 2351000712) 作者简介: 方益明( 1980 － ) ，男，安 徽枞 阳人，讲师，硕士，( E － mail) 54fym@ 163． com。
中图分类号: S214． 2; TP273