崔大召 韓碩 柳蘭琪 孫如軍

（ 德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023 ）

家用太陽(yáng)能熱水器智能保護(hù)裝置的研究與設(shè)計(jì)

崔大召 韓碩 柳蘭琪 孫如軍

（ 德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023 ）

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一種家用太陽(yáng)能熱水器智能保護(hù)裝置，它利用溫度傳感器DS18b20感應(yīng)水箱內(nèi)溫度，當(dāng)水溫達(dá)到65攝氏度時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)薄膜電池板平移到熱水器真空管上方，阻擋太陽(yáng)光直射真空管，控制水溫上升，當(dāng)水溫低于45攝氏度時(shí)，再驅(qū)動(dòng)電池板移回真空管一側(cè)；利用溫度傳感器DS18b20感應(yīng)水箱內(nèi)溫度，當(dāng)水溫低于0攝氏度時(shí)，利用薄膜電池產(chǎn)生的電來(lái)為纏繞在水管的電熱絲加熱，為水管解凍，使熱水器在冬天也可以發(fā)揮其功能；利用GSM模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。此裝置價(jià)格低，性能高，可延長(zhǎng)熱水器壽命十年左右，市場(chǎng)潛力巨大，值得廣泛推廣。

熱水器；智能型；節(jié)能型；便捷型；性能高

1 研制背景及意義

太陽(yáng)能熱水器把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們?cè)谏睢⑸a(chǎn)中的熱水使用。太陽(yáng)能熱水器按結(jié)構(gòu)形式分為真空管式太陽(yáng)能熱水器和平板式太陽(yáng)能熱水器，真空管式太陽(yáng)能熱水器為主，占據(jù)國(guó)內(nèi)95%的市場(chǎng)份額。真空管式家用太陽(yáng)能熱水器是由集熱管、儲(chǔ)水箱及支架等相關(guān)附件組成，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管。集熱管利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)到所需熱水。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 電器控制

2.1.1 水溫控制

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～+125℃可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；由51單片機(jī)控制DS18B20溫度傳感器，可精準(zhǔn)感應(yīng)水箱內(nèi)水溫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。

2.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

采用L298N驅(qū)動(dòng)，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。且由L298N結(jié)合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的精確控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.3 短信傳輸

GSMTC35是Siemens公司推出的新一代無(wú)線通信GSM模塊，可以快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)（Short Message Service）和傳真。模塊的工作電壓為3.3 －5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2W（900M）和1W（1800M）。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測(cè)功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)、及控制信號(hào)的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。

2.1.4 液晶顯示

利用5110來(lái)動(dòng)態(tài)顯示溫度值，及加熱中或停止加熱狀態(tài)。

2.2 機(jī)械部分

薄膜電池的移動(dòng)由滾珠絲桿來(lái)完成，它主要由螺桿、螺母和滾珠組成。其功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

裝置薄膜電池功率為100瓦，光電轉(zhuǎn)換效率為17%左右，平均每天可產(chǎn)生1度電，可供15瓦的節(jié)能燈工作68小時(shí)，可供65瓦步進(jìn)電機(jī)工作15小時(shí)左右，完全可以實(shí)現(xiàn)薄膜電池為步進(jìn)電機(jī)、節(jié)能燈以及電熱絲供電，實(shí)現(xiàn)裝置的全自動(dòng)供電。

4 工作原理及性能分析

4.1 發(fā)電模塊

由薄膜太陽(yáng)能電池板、穩(wěn)壓模塊、升壓模塊以及蓄電池構(gòu)成，發(fā)電模塊在太陽(yáng)光的照射下一直不停的工作，產(chǎn)生的電能不但可以為裝置電機(jī)供電，還可以為室內(nèi)小型用電器供電，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4.2 溫度感應(yīng)及控制模塊

由DS18B20溫度傳感器、L298N驅(qū)動(dòng)、電機(jī)以及單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，通過DS18B20溫度傳感器感應(yīng)水箱內(nèi)水溫來(lái)傳遞電子信號(hào)給單片機(jī)，使單片機(jī)做出判斷，當(dāng)當(dāng)水溫達(dá)到65攝氏度時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)薄膜電池板平移到熱水器真空管上方，阻擋太陽(yáng)光直射真空管，控制水溫上升。當(dāng)水溫低于45攝氏度時(shí)，再驅(qū)動(dòng)電池板移回真空管一側(cè)。

4.3 GSM控制模塊

由GSMTC35模塊、繼電器、單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，用戶通過給GSMTC35模塊發(fā)送指令來(lái)傳遞電子信號(hào)給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)控制繼電器為水箱內(nèi)電加熱裝置供電，使用戶一回家就可以享受熱水浴的方便。當(dāng)用戶長(zhǎng)期離家時(shí)，可向GSM模塊發(fā)送特定指令，使電池板遮擋真空管，且不再工作，使熱水器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4.4 液晶顯示模塊

由5110液晶顯示模塊及單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，利用5110來(lái)動(dòng)態(tài)顯示溫度值，及加熱中或停止加熱狀態(tài)

5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）作品將同為太陽(yáng)能利用的產(chǎn)品結(jié)合在一起，薄膜電池板在為熱水器阻擋陽(yáng)光的同時(shí)，利用薄膜電池發(fā)電，為步進(jìn)電機(jī)、電熱絲以及其他用電器供電，充分體現(xiàn)了節(jié)能減排的思想。

（2）此作品不僅可以有效地將水溫控制在40-65攝氏度，延長(zhǎng)水箱壽命，還可以為浴室內(nèi)電器供電，為水管解凍，更能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，利用短信實(shí)現(xiàn)控制水溫的目的。運(yùn)用此裝置，可以使熱水器使用壽命延長(zhǎng)，使用戶的生活方便化，智能化。市場(chǎng)潛力巨大，值得廣泛推廣。

［1］ 王昆.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).高等教育出版社，1995

［2］ 孫恒，陳作模.機(jī)械原理.高等教育出版社，2006

崔大召（1993.04-），男，大學(xué)本科，研究方向：清潔能源工程。

TK515

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1003-5168（2015）11-091-01