家用光伏智能热水器控制系统的设计

家用光伏智能热水器控制系统的设计

林汉夫

身份证号：440233198410090050

摘要：近年来，我国的光伏技术有了很大进展，光伏热水器的应用也越来越广泛。相比于太阳能热水器，光伏热水器具有安装维护简单、运行简单、可靠性高、加热稳定、温度可控、节能节电等的突出优点，在目前国内外能源价格持续走高。本文就家用光伏智能热水器控制系统的设计工作进行研究，以供参考。

关键词：太阳能；光伏发电；热水器；智能控制

引言

光伏发电系统绿色环保，便于使用、维护和管理，适用于家庭、企业等各类用户。光伏发电系统主要分为独立型和并网型两种，太阳能与储能的结合是太阳能产业未来的发展趋势。目前，我国的太阳能光伏发电技术主要应用于农村电气化和离网型太阳能光伏产品，而关于家用光伏智能热水器控制系统的研究较少。作为光伏发电的重要应用领域，家用光伏发电系统安装便捷、使用维护简单，已经成为某些国家光伏市场的主流产品。在我国，大部分家庭仍然使用燃气热水器或电热水器，其中，燃气热水器对室内外环境有一定污染性，而电热水器电能消耗较大，且使用220V交流电，有一定的触电风险，如果不对电热水器定期进行除垢等日常维护，还存在爆管等安全隐患。对此，文章设计了适合家用的小型光伏智能热水器控制系统。

1家用光伏智能热水器控制系统的设计方案

1.1主程序流程图设计

程序流程框图是智能热水器软件设计的基础，系统的软件设计都是要根据这个主程序设计的，是整体设计的程序的思路，简单明了的表达了智能热水器的电路设计的流程结构。使用数字温度传感器采集温度，使用投入式液位变送器通过A/D转换后采集水位，可以显示温度、水位等实时数据和设置的系统各类参数。可以通过4位独立按键进行系统启停及功能参数设置，使用继电器控制加热部件，自动切断电加热棒，防止干烧。根据系统模块化编程的整体思路，使用C语言编写温度检测、水位检测、数据显示、数据判断处理等功能的程序，然后通过PROTEUS软件进行系统控制程序的仿真调试工作。程序流程框图是本次智能热水器软件设计的基础，系统的软件设计都是要根据这个主程序设计的，是整体设计的程序的思路，简单明了的表达了智能热水器的电路设计的流程结构，本次设计的家用智能热水器的主程序的流程图如图1所示。

图1系统程序总流程图

1.2温度传感器模块

系统需要对水温进行精确测量，其水温范围约为0～100℃。因此，选定DS18B20作为本系统的温度测量模块。DS18B20是一种单总线接口的数字化温度传感器，遵循单总线通信协议。通过STM32单片机的通用GPIO引脚来实现与温度传感器的通信，并把从温度传感器得到的数据传输到显示屏上。用户可以根据需求自定义非易失性温度报警上限值TH和下限值TL，断电后此数据依旧被保存。当DS18B20完成测温后，所测数值会自动与用户设定的TH和TL的触发值相比较，如果测温结果不在设定值范围内，DS18B20内部的告警标志就会被置位，表示温度值超出了设定范围。

1.3电辅热模块和上水控制模块

电辅热模块包含继电器和电加热棒，上水控制模块包含继电器和电磁水阀。继电器是具有隔离功能的“自动开关”元件，是实现外部设备控制的主要手段，因此继电器的有效控制是执行器模块安全稳定运行的保证。本系统通过分析电加热棒和电磁水阀的功率，最终选用了HRS4H-S-DC12V型继电器。主控制器通过继电器驱动电路实现对继电器的控制，从而达到加热、上水和停止执行的目的。结合电路图介绍执行加热动作的工作过程。继电器驱动电路如图2所示，结合电路图介绍执行加热动作的工作过程。图中的SIGNAL-IN1连接主控制器的PB3口，执行器为电加热棒。当需要打开加热开关时，控制器使该I/O口输出高电平信号，此时MC1413输入引脚4脚为高电平，输出引脚13脚为低电平，继电器K2通电吸合，使得继电器输出侧2A和2B导通，输出回路中的加热棒通电工作，系统开始对水箱中的水进行加热，同时指示灯LED6发光。当加热到指定值时，控制器使PB3口输出低电平，MC1413的13脚输出为高电平，继电器断电释放，电加热棒断电停止工作，加热动作结束。上水与加热的控制电路原理与继电器驱动电路原理相同，两个继电器都选择了MC1413进行控制，仅仅是执行器的不同，由电加热棒换成了电磁水阀。本方案选用的电磁水阀是AC220V常闭铜电磁水阀。当接入220V交流电时开关开启，断电时开关闭合。为防止加热棒在水中腐蚀过快，选择的加热棒是经久耐用的AC220V整体防水加热管，其正常工作时的功率为1000W。所选的HRS4H-S-DC12V型继电器输出侧最高可承受2500W功率，即所选加热棒正常工作时的功率在继电器可承受的功率范围内。电磁水阀和加热棒工作所需电能来自AC220V市电和光伏发电。

图2继电器驱动电路

1.4防干烧保护控制及超压保护

当加热水箱中液位较低，且低于50mm时，液位传感器报警，发出低液位指令，加热继电器动作，关闭加热，防止热水器干烧，从而保证设备安全。可以在进水管线电磁阀后设置1个安全泄压阀，里面含有1个止回阀芯，确保电磁阀打开后进水时热水不会倒流。如果自来水压力波动较大，使进水压力过高，或者在加热过程中加热水箱温度传感器故障，持续加热导致加热水箱压力过高，安全泄压阀可以自动开启泄压，从而起到超压保护作用。

1.5整机电路原理设计

整机电路主要由单片机最小系统电路，使用温度传感器DS18B20检测热水器中的水温，通过LCD1602液晶显示水温值，具有4个按键可以设定热水器的水温之。具有水位上限和水位下限检测传感器检测热水器的水位，当热水器中的水位低于下限值的时候会记性自动的注水。注水电路和加热电路使用单片机驱动继电器实现。在设计元器件在电路板上的位置遵循先小后大，先低后高，先集成后分立的原则。特别容易损坏的元件是在最后焊接的。在焊集成芯片时连续焊接时间都在5～8s，没有超过10s，所以芯片都没有出现烧坏的问题。硬件调试的主要的目的是验证整体电路原理图是否设计合理，是否存在设计上的缺陷。本次设计热水器控制系统主要包括单片机控制部分、晶振和复位部分、水温检测部分、水位检测部分、加水部分、加热部分、LCD1602液晶显示部分、按键部分和声光报警部分等组成。硬件调试可以调节出各部分电路具体实现的性能，而且通过硬件电路的调节可以对温度传感器、液晶显示电路、单片机电路、按键电路等功能进行验证。

2太阳能热水器与光伏热水器的对比分析

将市场上常见的太阳能热水器和光伏热水器进行对比。光伏热水器相比于电热水器具有节能突出的作用，一台光伏热水器一年可节电约530kW.h，在目前国内外能源价格持续走高。“碳达峰、碳中和”目标需要落实。

结语

使用单片机作为控制核心，设计家用光伏智能热水器控制系统，利用太阳能作为发电原料，不仅具有清洁环保的效果，而且能给人们带来稳定的收益。在西北地区，尤其是太阳能资源丰富的地区进行光伏工程项目的建设，符合我国推行的低碳能源发展策略。建设光伏项目不但有利于扩大我国的光伏发电市场，改善人们的生活用水情况，为居民提供充足的热水，提高他们的生活质量，还能充分利用太阳能资源优势，从而降低地区燃煤的使用量，特别是减少冬季燃煤带来的大量碳排放，提高地区空气质量。家用光伏智能热水器控制系统也可以与现有的智能家居结合，利用手机App设置系统参数，用户可以在使用前设置加热模式，提前加热水箱中的水，从而可以节省电能和时间，进一步提高用户的体验。

参考文献

[1]黄佳钦.太阳能热水器空气动力特性研究[D].广州:广州大学,2022.

[2]仲会娟.基于FPGA的太阳能热水器全功能控制器的研究[D].天津：河北工业大学，2012.

[3]孙浩文.智能家居太阳能热水器控制系统设计[J].微型电脑应用，2019，35（10）：86-89.