家庭智能太阳能系统（精选9篇）
家庭智能太阳能系统 第1篇
太阳能作为一种可再生的清洁能源, 无需开采和输运, 方便安全, 必将成为人类主要能源之一, 其低廉、安全、环保等特点符合新农村建设的客观要求。我国北方地区大多处于太阳能丰富的二类地区, 空气透明度高, 辐照量足。这为在北方农村推广太阳能采暖技术提供了重要依据。本设计是利用太阳能来提供生活热水、供暖, 还通过太阳能蓄电池将太阳能转化为电能提供家庭用电, 颇具节能和经济效益。该系统包括太阳能供暖、电能储存及室内温度的检测与控制三个部分。
1 太阳能供暖部分
1.1 太阳能供暖设计思路
提供冬季供暖是指在晴好天气下, 循环水泵将自来水输送到屋顶太阳能集热器的吸热管中, 太阳能集热器通过采集热量, 将水加热, 热水顺着管路被输送到储水箱的外层, 因储水箱设有内外两层, 内层为生活用热水, 外层为供暖用循环水, 储水箱外层的热水再根据需要输送到各房间地暖管线进行散热供暖。这样太阳能集热器吸热管中的水、储水箱外层水以及地暖管线水就形成了一个全封闭的循环系统, 水可以重复循环使用。对于生活用热水, 自来水直接进入到储水箱内层, 通过热传导原理被储水箱外层热水加热, 加热后的内层水被输送到厨房、卫生间等各生活用水点供应热水。内层水和各用水点之间是一个开放式的系统。
1.2 供暖部分的运行模式
本系统采用定温循环, 供暖循环, 电加热辅助三种结合的运行方式, 太阳能专用单机进行集热, 确保集热效果, 保证全年任意时间段热水的供应, 具体工作流程如 (图1) 所示。系统采用定时或定温温差循环, 当时间或温度达到控制仪的设定值时, 系统自动进入循环模式, 通过对循环水泵的控制, 系统自动开始或者停止管路循环, 使热量合理通过室内暖气终端, 从而带动室内取暖, 冬季达到防冻的效果。系统的电补采用可调节控制方式, 会根据用户的自行设定的数值运行, 这样用户可以根据天气情况灵活调节控制仪的设定值, 从而大大降低夜间及阴雨天太阳能热水器的耗电费用。另外我们还安装了蓄电池, 在太阳能满足用户的供暖需求和生活用热水时, 多余的能源可以储蓄起来, 可以满足家庭的小消耗用电量例如照明, 看电视和上网等需求, 以达到节约能源, 降低日常消耗。
1.3 太阳能集热系统工作原理
太阳能集热系统由集热器、循环水泵及储热水箱等组成。通过合理设计使本系统可以最大化的吸收太阳能。
该系统工作原理是将太阳能集热器和供暖水箱的温度控制集热器一次循环泵启停, 当集热器温度高于供暖水箱设定值时, 一次循环泵启动, 太阳能集热器优先将生活水箱加热, 生活水箱内温度达到设定值时关闭阀门, 此时太阳能集热器不断将供暖水箱中的冷水加热, 当温差低于设定值时, 一次循环泵停止, 室外太阳能集热器和系统中的水受重力作用回落至供暖水箱, 采用系统落空技术替代了国内外常采用的防冻液防冻措施, 防止太阳能集热器和管道系统腐蚀, 并达到冬季集热器内及系统中存水冻裂问题, 从而减少工程造价, 已通过工程实际运行证明, 本系统防冻简单、运行可靠。
供暖水箱与供暖未端辐射供暖地面设有二次循环泵, 当集热器收集热量进入供暖水箱时, 二次循环泵立即启动, 取消了中间换热过程, 提高了热水系统效率, 充分利用太阳能低温运行的特点, 有效地将热量输送到室内地面, 减小供暖水箱体积, 节省工程投资。供热水箱体积应通过计算确定, 供暖水箱选型时应考虑太阳能集热器、供暖水箱至集热器之间管道系统的存水量。
2 太阳能蓄电部分
太阳能蓄电部分的工作原理是白天太阳光照射到太阳能电池组件上, 使太阳能电池组件产生直流电, 即把光能转换为电能, 再传送给智能控制器, 经过智能控制器的过充保护, 将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存。在阴雨天气或太阳能量不足的情况下, 利用蓄电池为电源, 加热储水箱的外层水, 使外层水温度达到供热要求。同时蓄电池储存多余能量, 还可以用于家庭用电。
太阳能蓄电池系统由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成。太阳能电池组件的作用是将太阳能转化为电能, 供给负载工作或给蓄电池组充电;控制器的作用是对蓄电池组的充放电进行保护;蓄电池组用于存储电能;逆变器的作用是将直流电变换为交流电。在夜晚或阴雨天, 太阳电池组件无法工作时, 由蓄电池组供电给负载工作。
3 检测与控制部分
此部分设计如图2所示。主要完成太阳能温差循环储热、储热水箱余热采暖、电加热采暖、太阳能循环管道加热、太阳能高温保护报警、溢流箱溢流报警、电加热高温保护和信息显示八个功能。
3.1 主要功能的实现
1) 太阳能温差循环储热实现:室内温度大于采暖设定值, 当太阳能温度T1高于水箱下部温度T2 10℃, 且稳定在5秒以上时太阳能储热功能启动, 使太阳能与水箱间不同温度热水形成循环, 水箱水温逐渐升高, 直至温差低于4℃时关闭。
2) 储热水箱余热采暖功能及实现:当太阳能温度低于太阳能采暖温度设定时, 若储热水箱温度大于水箱采暖温度设定值时水箱采暖功能启动, 直至室内温度达到室内温度设定值或水箱上部温度低于水箱采暖设定温度值时停止。
3) 电加热采暖功能及实现:当太阳能和储热水箱温度都低于采暖温度设定值时, 电加热采暖功能启动直至室内温度达到室内温度设定值时停止。
4) 太阳能循环管道加热功能及实现:当太阳能温度高于加热器温度设定时管道加热器启动, 直至太阳能循环管道温度大于设定时停止。
5) 电加热高温保护功能:当电加热温度大于电加热高温保护温度设定值时电加热停止运行直至电加热温度低于电加热高温保护温度设定值10度时恢复。
3.2 检测与控制系统的技术特点
1) 系统采用电脑控制仪智能控制, 全自动运行, 无需专人值守, 控制仪上的水温显示、水位显示功能, 使用户对太阳能热水器的状态一目了然。
2) 太阳能自动上水功能, 系统会根据太阳能用水情况或设定的时段, 及时补水, 全天候保证太阳能热水的供应。
3) 温差循环及用水自动增压功能, 保证供水管路热水温度, 打开喷头很快就出热水, 而且保证洗浴时水的流量, 增加了洗浴舒适度。
4) 防冻循环功能, 系统会根据管路的温度, 自动启闭防冻功能, 包括防冻伴热带、电辅助加热及太阳能暖气片的水循环, 做到尽量降低取暖及防冻的成本。
4 结语
太阳能供暖系统可一年四季为家庭提供生活热水及家庭供暖, 设计方案切实可行。该设计方案适合小户型家庭使用, 太阳能供暖系统的规摸不宜太大。太阳能贡献率一般控制在60%以下, 太阳能集热器面积和建筑供暖面积比值一般在1:5至1:10之间。小型家庭太阳能智能供暖系统在不久的将来会得到越来越多的人的认可, 而且不会对大气环境造成污染, 为改善空气质量做贡献, 也为扩大太阳能这种清洁能源在建筑上的应用提供了更加广阔的空间。特别是一般采用燃油、燃煤或电为辅助热源的供暖方式时, 太阳能与地板辐射供暖系统联合运行, 使用效果更佳。由于其运行费用较低、节能效果明显、不污染环境, 极具推广价值。
摘要：利用太阳能为能源, 本文设计了一个可以全天为乡村家庭供暖、供热水及储能的系统。本系统主要包括太阳能采暖部分、太阳能蓄电池储能部分和系统控制三大部分。系统主要由集热器、循环水泵、储热水箱、太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等装置组成。本设计符合国家倡导的绿色环保政策, 符合现代农村特别是偏远农村的实际使用需求, 因此本设计具有很好的社会效益和经济效益。
关键词：太阳能,太阳能供热,太阳能蓄电
参考文献
[1]赵争鸣, 陈剑, 孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].电子工业出版社.
[2]才家刚.机电的使用与维护[M].化学工业出版社.
[3]郭天祥.51单片机C语言教程[M].电子工业出版社.
[4]熊绍珍, 朱美芳.太阳能电池基础与应用[M].科学出版社.
家庭智能太阳能系统 第2篇
随着社会的发展，人们对于生活居住条件的要求越来越高，人们希望可以像比尔盖茨一样随时随地掌控居住环境。近些年，由于信息技术和传感器技术等的不断发展，智能家庭正在悄悄走进千家万户。智能家庭是在联网设备的基础上，通过传感器采集数据，网络后台获取并存储数据，通过特定的算法对数据进行分析，将得到的结果返回给执行机构或通知用户，从而为用户提供一个智能的居家生活环境。目前智能家庭系统方案众多，各有优缺点。
笔者在智能家庭方面进行了研究，提出了一套易于扩展、高性能的智能家庭系统。本系统是一个轻量级的但功能完整的智能家庭系统。传统的智能家庭对设备的控制大多基于局域网络，只适应于家庭内部进行监测控制，本系统以家庭为单位，将所有家庭的数据采集到云端存储，便于以后的分析挖掘，使本系统可以更加智能，同时系统采用分层的模块化架构，便于维护和扩展。本系统在设计的时候充分考虑安全和成本，力求在安全的前提下降低系统成本。系统架构
2.1 整体架构设计
如图1所示，每个家庭都通过 TCP/IP 协议接入智能家庭云平台，在家庭和Internet 之间通过网关管理控制，家庭内部则采用 Zigbee 构建的局域网进行通信，达到监测和控制的目的。用户可以通过客户端连接到云平台查看家庭环境数据和控制家庭中的联网设备。云平台可以通过特殊的算法对采集到的数据进行分析处理，层而达到越用越聪明的目的。
Zigbee 是一种低功耗、短距离、低速短延时、简单大容量、安全可靠的无线网络传输技术[1]。zigbee 具有强大的自组织网络性能，主要工作在ISM 频段。其中，2.4GHz 频段较为常见，并且免费使用。在每一个家庭中通过 Zigbee 构建局域网络，达到安全可靠、成本低、低功耗的家庭网络的需求。
家庭网关采用Arduino 模块。Arduino 是一块基于开放原始代码的 Simple I/O平台[2]，因为 Arduino 是为业余电子爱好者开发的，所以开发语言和开发环境具有简单易懂的特点，同时Arduino 开发语言是建立在 C语言的基础上，功能强大，可以尽情发挥想象[3]。Arduino 以其简单、便宜、功能强大赢得了成千上万电子工程师的喜爱。
客户端采用 WEB 形式，降低开发成本并且具有很高的兼容性。当模块增多，功能复杂的时候可以考虑开发APP，本身 APP 也可以通过 webview 等组建直接嵌入 WEB页面，同时 WEB 也可以直接和微信打通，方便用户使用。
2.2 云平台架构设计
本系统采用 REST 架构。REST(Representational State Transfer)表征状态转移是从资源的角度看待整个网络[4]，分布在网络中的各种资源都是通过 URL(统一资源定位器)来唯一确定，应用程序可以通过 URL 来取得网络资源的表征，从而改变其状态。REST 架构希望通过统一的 Hypermedia Controls，实现标准的可扩展性高的标准语义及表现形式，从而达到无需人工干预、机器之间通用的交互协议边的目的[5]。
物联网(Internet of things)能够让被独立寻址的物体互相连通，其中涉及的联网设备非常庞大，物联网包含的物体个数保守估计在千万亿级别，面对如此强大的资源世界，采用 REST 架构构建物联网系统，在目前来看是最好的解决方案。硬件实现
3.1 主控制器设计
主控制器采用Arduino+Zigbee模块，如图，Arduino 拥有14个数字IO 接口和6个模拟 IO 接口，外部供电5V～9V 直流电源，输出5V 和3.3V 直流电压，采用 Atmega328微处理器控制器芯片。Zigbee 模块使用 TI 公司的 CC2530芯片，此芯片具有增强型 8051CPU，系统内部可以编程闪存，且其具有4种不同的闪存运行模式模式，可直接在片上系统进行编程且代码移植性好，技术成熟，成本低等优势让其成为目前 ZIGBEE 开发的主流芯片。
3.2 温湿度监测模块
通过DHT11温湿度传感器实时采集数据并通过 Zigbee 网络传输给网关。DHT11具有快速响应、全程测量、数字输出等优点。
3.3 继电器控制模块
主要由继电器和简单的电路构成，用于接收动作命令控制大功率家电设备。
3.4 电路检错模块
电路检错模块独立封装，用于检测设备是否正常，检错电路工作原理：协调器获得开灯指令后，如果电路输出为高电压状态，即设备损坏或电路接触不良等，则客户端和主控制器检错指示灯亮，提醒用户检查电路情况。软件实现
4.1 硬件系统工作流程
设备开始运行先进行初始化，然后尝试连接到云平台，如果没有连接成功则写入日志并再次尝试，三次之后若还没有成功则对用户做出反馈。硬件设备成功连接到网络之后开始等待指令，得到指令之后立即执行指令，成功则继续等待执行下一条指令，如果执行不成功则记录到日志并对用户做出反馈。用户可以随时查看设备日志，方便发现问题并解决问题。
4.2 云平台设计实现用
服务器采用 Node.js 技术实现。Node.js 是一个可以让服务器运行 javascript 脚本的平台，使 javascript 可以像 PHP、Perl、Ruby、Python 等语言一样不需要依赖于浏览器运行。Node.js 是为实时 WEB 而生，在构建之初就考虑在实时响应、超大规模数据要求下架构的可扩展性。
Node.js的特点是单线程、异步 IO、事件驱动，这种程序设计模型的优点是性能优异、开发效率高[10]。目前 Node.js 凭借其优秀的特性吸引了一大批开发者和公司，形成了一个庞大的生态系统。成千上万的第三方模块让 Node.js 开发更加高效，因此我们选择采用 Node.js 技术构建智能家庭系统的服务器平台。
4.3 客户端设计实现
通过服务器提供的 API，可以很方便实现各个平台的客户端。为了减少开发周期和尽可能多的适配客户端，我们选择先实现自适应的 WEB 客户端。采用WEB 技术实现客户端，可以一次开发多种
客户端适配，不同尺寸、不同平台的设备都可以得到一个完美的呈现。
5结束语
智能家庭药品管理系统的交互设计 第3篇
关键词：智能 家庭 药品 交互设计
中国分类号：TB47
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2015）10-0143-03
一 背景
随着互联网技术的日益发展，互联网、智能化产品对人们生活的影响也日益加深。物联网、智能家居、以及最近提出的“互联网+”等概念的提出，更是催生了一大批智能硬件产品，如智能空调、智能冰箱、智能水杯等。而另一方面，智能手机的普及又催生了一大批各式各样的应用，人们已经可以通过智能手机来付款、记账、控制电器、甚至远程遥控家里的空调，可以说智能手机已经成为人类不可或缺的一个处理事项的终端了。
而药物则是人类目前最主要的医疗手段之一。无论是需要在医院进行深度治疗的重症，还是可以在家吃点非处方药就可以康复的轻症，药物治疗总是不可或缺的一环。但当前，虽然医学的发展使得药物的丰富度已经大大增加，可治疗的病症也大大增多，但药物治疗在人们生活中仍然存在一些用户体验方面的弱项，比如药品的错误使用、因种种原因无法及时用药、在没有医生的情况下即使是针对小病也不知如何用药、药品的管理等等。而这样的问题应该是可以通过设计的力量来进行改善的。
因此，本文尝试利用物联网的思维和智能手机这一终端，通过对家庭药品管理系统的目标人群、使用场景等因素进行分析，并考察现存产品存在的改进空间，通过交互设计的思路来提高智能家庭药品管理系统的用户体验。
二 现存产品
在智能家庭药品管理系统、家庭医疗服务这一领域，目前存在的产品主要是智能药箱和智能手机上的医疗类应用，这两类产品分别从硬件和软件的角度呼应了家庭药品医疗这一需求。而本文对此领域现存产品的考察也从这两个方向着手进行。
2.1智能药箱
在与家庭或个人医疗产品中，药箱是与药品接触最为紧密的产品。因此，在考虑智能化医疗产品时，对药箱进行智能化，是最为直接的思路。笔者对市面上的智能药箱进行了调研。
目前市面上的智能药箱大多是以如下的设计：
1）一个可以感知用户是否服药并把数据上传网络的药箱
2）一款配套的用以提醒用户按时服药的手机应用
这类智能药箱可以借鉴的地方在于，此类药箱使用了传感器和无线数据传输，从而在用户无需主动做什么操作的前提下感知用户的服药情况，并据此进行提醒或记录数据的自动操作；而自动数据传输也可以方便地记录用户的服药情况，为后续治疗保存相应的数据。自动化是智能硬件的一大特点，也正是这一功能使得这类产品可以被称为智能药箱。
但此类智能药箱的局限之处在于，一次只能装载一种药品的设计使得一套产品只能满足单个用户在单次疗程中的服药。在用户完成一次治疗，下一次生了不同的病要吃不同的药品时，就必须把上一次的药品从药箱中取出，再更换下一次的药品，这样在使用时就显得十分麻烦。同时，这样的设计也无法满足家庭中多用户同时服药的需求。
2.2医疗类手机应用
目前国内有多款医疗类手机应用，如《春雨医生》、《丁香医生》等等，已经发展了若干年，并且在國内都有一定的用户量。这类医疗类手机应用大多涉及多个或全部以下功能：
1）简单病症的用药指引
2）药品正伪辨别
3）药房位置呈现
4）用药提醒
5）药品管理记录
6）医患问答
7）求医指引
8）医疗知识普及
9）医疗相关社区
可以看出，其中第1到5点主要是与药品相关，围绕如何用药、用什么药、去哪里买药等问题为用户提供帮助。而第6、7两点主要是为患者提供病症求医方面的指引。第8点是起到了传播、科普医学知识的作用。最后一点则是提供医疗相关的网络社区，促进用户之间的交流。
此类应用主要思路是从医疗出发，通过为用户提供辅助医疗的服务来帮助用户更好地保持健康。由于大众缺乏对正确健康生活方式的认知，而专家（营养学家、生理学家、健康养生专家等）掌握专业知识却缺乏与大众有效交流互动的方式。因此在之前，普通大众对于药品（尤其是非处方药）的使用和认识一直处于较低的状态。而此类应用起到了普罗大众和专业医学知识之间的连接桥梁的作用，使得普通大众也能利用专业医学和药学知识来进行一些基础的治疗。
可以看出，目前的智能药箱的主要作用还是局限于“服药”这一点上，把用户的服药行为进行了优化；而目前的医疗类手机应用则立足于向用户传授一定的医学药学知识的出发点，虽然由于条件限制（只作为软件存在）而只能通过抽象的信息层面的角度来引导用户，但立足于让用户拥有一定医学知识的这一出发点，应该是家庭药品管理系统更进一步的智能化设计所应重点考虑的关键点。
因此，在对目前市面上存在的家庭医疗相关的产品进行调研后，笔者初步认为，智能家庭药品管理系统的设计应基于为用户带来一定的专业用药知识，并能够与药品的承载硬件——药箱紧密结合。
三 目标人群与使用场景分析
与目前市面上的智能药箱大多针对个人用户的单疗程治疗使用场景相比，人们更多与药品的交互方式是通过家用式的备用药箱来进行，而且服药的场景也更多是处于较为固定的室内。因此，本文将针对家庭用户的家用式药品管理系统这一适用性更为广泛的定位进行分析。
3.1目标人群：家庭用户
当把家庭用户设置为目标人群时，那就意味着这一产品的适用人群必须覆盖所有年龄与性别的用户，从婴儿到儿童、青壮年、中年、老年、孕妇等都需要考虑，而不同的用户在产品使用上的情况也是不同的。
3.1.1婴儿
婴儿无法自行服药，因此婴儿用户的服药情况和服药操作应该是由父母或其他照顾人员来进行的。对于帮婴儿进行服药的用户，需要考虑到该用户可能会需要同时管理他自己与婴儿两份药物的情况。
3.1.2儿童
儿童的情况与婴儿类似，但对于一些较轻的病症和药性较温和的药物，儿童可以自行服药。只是此时父母虽然不需要作为直接帮助儿童服药的角色，也需要作为监督和监护的角色。表现在产品功能上，可能需要为父母提供查看儿童服药情况和服药提醒的功能。
另外，儿童与婴儿服用的药物一般与成年人的药物会有所不同，如果误服了成年人的药物可能会造成严重后果，因此在设计时需要明确区分两者的药物。
3.1.3老年人
老年人的情况与儿童有一定相似。在步入老年期后，人体的视听能力就会逐渐衰退，身体的各个部分也逐渐变得不灵活了，而且对电子产品的使用不太熟练，因此在服药说明中需要用较大的字体明确告诉老年用户服药的指引。另外作为子女的对于老年人也会十分关心，因此可能也需要为子女提供老人的服药情况。
3.1.4孕妇
孕妇用户在用药上有诸多限制，原则上孕妇用户的用药情况应当依照医嘱，但也有部分用户可能会自行服药。因此对于家庭药品管理系统，应当及时指出相应的物品是否有可能对孕妇的健康造成影响。
3.1.5长期病患者
对于长期病患者用户，他们需要长期服药，而且服用的药物组合较为稳定，这一点与其他用户一般为了应对突发疾病而服药不同。一般而言，对于长期病患者用户主要提供的是服药提醒功能，如若此类用户另外患上了其他病症，最好与医生联系，而非自行选药，以免不同药物之间药性相冲。
3.2使用场景
围绕“药品”、“家庭”这两点，并且结合之前对于目前市面上现存的同类产品的调研，笔者认为智能家庭药品管理系统的使用场景应该包括如下三个场景：
3.2.1轻症寻求服药指引
家庭备用药的存在很大程度上就是为了应对突发的一些轻度病症，如感冒发热、肠胃不适、烫伤等，因此这会是智能家庭药品管理系统最主要的使用场景之一。
当用户需要从备用药品中寻找可以治疗他当前的病症时，智能家庭药品管理系统应该能够根据用户所患的病症，给出若干个用药方案，并与当前的备用药品库存进行对比，得出一个可行的服药指引。如果当前药品库中缺少部分药品，也应提醒用户进行购买。
需要注意的是，在目前的科技条件限制下，用户在家中无法完成对疾病的精准检测，因此智能家庭药品管理系统只能辅助用户进行一些较轻病症的处理。如若用户可能已经患上较为严重的病症，又或者用户目前的症状难以识别出病症，都应当提醒用户及时就医。
3.2.2服药
当用户已经从系统中获得服药指引或从医院带回来处方药物之后，接下来就是服药治疗过程。在服药这一使用场景中，智能家庭药品管理系统可起到提醒服药和服药情况记录的作用，在对应的时间提醒用户服药，并记录服药情况。
在这一场景中，通过什么途径提醒用户服药，通过什么方式记录服药情况，是需要在产品设计中加以考虑的。
3.2.3药品日常管理
除了生病受伤的时候以外，药品的日常管理是目前家庭备用药相关使用的一个经常被忽略的方面。药品是否过期、是否有一些药品不能放在一起、家庭备用药库中的药品种类是否齐全，是否有一些重要的药已经用完（比如经常会用到的创可贴），这都是与家庭备用药库相关的药品管理的使用场景。
作为智能家庭药品管理系统，应当能够监测家庭备用药库中药品的情况，并且对于目前已有的药品的种类有一个概括性的展示，让用户能够方便了解目前家中药品的情况。
四 具体的软硬件产品设计
根据上述的用户群体和使用场景研究，能够为进一步的智能家庭药品管理系统的设计提供依据。由于备用药箱作为储存药物的产品，一般而言会放置在家里特定的位置，而这一位置不一定能够让用户随时注意到。因此，考虑到服药提醒等功能需要保证信息传达给用户，并且智能手机已经成为现代人的随身智能终端，药箱硬件和手机软件结合的形式是智能家庭药品管理系统一个较为合适的产品形态。
4.1硬件设计
产品外观设计的目的是解决好美学要求与产品功能、结构和工艺要求之间的关系。对于药箱硬件的产品设计，根据之前的调研结果，需要满足以下几个设计目标：
1）不同药品之间要隔离开，防止药品之间药性相互影响；
2）考虑到药品性状不同、大小不同、固液不同等，药箱要能够收纳不同种类的药品；
3）取放药品要方便
4）由于属于医疗产品，因此外观设计上应以干净、整洁的风格为主。
从以上的设计目标出发，本研究最终的硬件设计采用了模块化的设计思路（如图1）。整体结构分为内外两层。外层大箱体作为整体药箱的收纳体，采用白色磨砂的PP材料，干净整洁，同时也保证了强度。内层采用模块化的方形玻璃盒来收纳各种药品，以一个正方形格子为单位，根据药品的包装形状不同可以换用1×1、1×2、2×2等不同尺寸的玻璃盒，这样就保证了不同药品之间的分隔，并且在整体效果上也仍旧是干净整洁的。另外，双层结构还进一步保证了药品和外界空气的隔绝。
4.2软件设计
回顾之前调研的三个主要使用场景，会发现用户与智能家庭药品管理系统的交互主要集中在软件上。而考虑到软件的交互时，则需要考虑使用流程与信息架构。本研究的软件设计以调研中的三个主要使用场景为主要设计依据，包含四个主要的使用流程（如圖2）。
4.2.1主界面
作为用户进入软件后第一时间会接触到的界面，主界面承担着展示当前概况的任务。这一概况既包括药箱中药品的整体概况（如过期药物提醒），也包括当前用户的概况（如服药时间），某些情况下还会包括其他用户（如需要照看的婴儿或老人）的概况。
4.2.2药品列表
在药品列表的界面中以格子的方式具象地呈现了当前药箱中的情况（如图3），这是因为相比文本而言，可视化的图形利用视觉通道的快速感知能力，可以提高人们观察、识别和加工信息的能力。通过把软件中的格子与硬件中的玻璃盒相对应，用户可以非常直观地把软件中的提示对应到硬件中的药品上。这一设计被应用在软件中各个需要让用户与硬件药箱进行交互的界面中，从而使交互体验更直观。
4.2.3处方
软件设计中一个疗程以一张处方为单位。通过处方来把自行服药和从医院带回来的处方药这两种情况统一到一个交互流程中，简化了软件的操作，降低了学习成本。
4.2.4服药提醒
由于智能手机自带的通知功能，服药提醒便可以很方便地整合到通知功能中。
五 总结
家庭太阳能发电系统维护和保养 第4篇
a) 组件玻璃是否有破损;
b) 是否有尖锐物体接触组件表面;
c) 组件是否被障碍物、异物遮挡;
d) 电池片栅线附近是否有腐蚀情况。这种腐蚀情况是由于组件表面封装材料在安装或运输过程中遭到破损, 导致水汽渗透到组件内部所造成;
e) 观察组件背板是否有烧穿的痕迹;
f) 检查组件与支架间固定螺丝是否松动或损坏, 并进行及时调整或修复。
二、太阳能发电系统的清洁, 需要注意以下几点:
a) 组件表面的灰尘或污垢累积会减少发电输出, 尽可能每年进行一次定期清洁工作 (具体间隔时间取决于安装现场的条件) 。清洁时须使用柔软的布, 干燥或潮湿的均可。不推荐使用含有矿物质的水进行清洗, 以免在玻璃表面留下污垢;
b) 不得使用表面粗糙的材料进行组件清洁;
c) 为了减少潜在的电击或灼伤, 晶科建议在光照不强且组件温度较低的清晨或傍晚时进行光伏组件的清洁工作, 特别是对于气温较高的地区;
d) 不要试图清理有玻璃破损或存在裸露电线等特征的光伏组件, 这都将有受到电击的危险。
三、连接器和电缆线检查推荐每六个月一次:
a) 检查接线盒的密封胶, 确保没有裂纹或缝隙;
太阳能路灯智能控制系统设计 第5篇
自哥本哈根气候峰会召开以来, 环保节能为当今世界热点话题, 节能减排, 已不仅是政府的一个行动目标, 而且还能给企业带来经营上的收入, 让城市居民能获得一个较好的生存环境。节能减排更是一个人类解决环境问题的必经之路。我国节电潜力仍很大。在工业领域, 通过电力电子技术的开发和应用及对风机水泵等电力拖动系统进行优化, 可取得显著的节电效果;在建筑物用电方面, 全面实施建筑物的能效标准, 特别是改进空调制冷和取暖技术和系统的能效, 将有巨大的节电效果。高效照明和提高家庭、办公用电器的能效也有巨大的节电潜力。采取多种措施, 推动节能节电不仅可取得好的经济效果, 还可节约电力建设投资, 减小电力建设风险。如果在产业产品结构调整方面加强引导, 使我国的经济结构尽快向低能源强度方向转变, 同时加强节能, 全面提高能效, 我国可能以低得多的电力消费增长, 达到GDP翻两番的经济增长目标, 同时带来环保、经济效益、能源安全等一系列的效果。电力系统要全面开展以节电和负荷管理为目的的需求侧管理。
太阳能不仅拥有良好的经济前景, 且随其产业化的发展, 将提供越来越多的就业机会。因此太阳能光伏发电市场发展前景相当广阔, 已经引起了世界发达国家的高度重视[1,2]。
与发达国家相比, 中国的光伏发电产业发展缓慢, 各种光伏材料的发展也相对落后。现有的路灯大多都是市电供电, 以太阳能作为能源的路灯应用不够广泛。基于这一背景, 设计了一款太阳能路灯红外控制自动感应照明智能控制系统, 除了用太阳能供电外, 还添加了红外控制和光控这一其他太阳能路灯都没有的智能控制系统。作为一种应用电子类的智能化方案, 期望为高校、政府部门、街市等各个公共场所路灯照明设备的智能化管理和能源节约提供方便或帮助。
1系统原理及电路
太阳能路灯智能控制系统主要由电源、蓄电池过充和过放保护电路、红外控制及光控电路以及灯具组成。
电源分为电池电源和220 V市电经AC-DC转换电路后的稳定电源。AC-DC转换电路主要由变压器及集成稳压管构成。蓄电池过充保护电路是一个简单的由稳压二极管、三极管及电阻构成的电路, 而在太阳能板给电池充电时为防止电池对太阳能板反向充电, 需在太阳能板和电池之间接一个二极管。蓄电池过放保护电路的主要元件为滞回比较器和继电器。由滞回比较器来判断电池是否达到过放状态, 由继电器作为选择开关, 来选择用电池供电还是后备电源供电 (电池在过充状态时和阴雨天气时) 。红外控制和光控电路主要组成部分是红外探头、数字电路及光敏电阻, 而红外控制部分可以集成一块芯片, 即BISS001芯片。灯具有照明灯具及演示时的指示灯。由于设计的是草坪灯, 照明灯具需要足够的亮度, 可以选用由81个发光二极管构成的现成的灯具。指示灯用简单的发光二极管即可。
根据以上方案, 总体框图如图1所示。
此系统有两点节能之处:第一, 使用太阳能电池板发电作为能源, 实现路灯照明的零损耗;第二, 后续电路中使用光控及红外控制节能系统, 实现人到灯亮, 人走灯灭的效果, 同时在连续阴雨天气下, 使用后备电源220 V供电, 保证电路正常工作。
白天, 光控开关电路处于打开状态, 后续控制电路不工作, 路灯不亮;晚上, 光控开关电路自动闭合, 当行人路过, 被红外探测器检测到, 红外控制开关闭合, 路灯亮起, 同时时延电路启动, 数十秒后路灯自动熄灭。当遇到连续阴雨天气, 太阳能蓄电池电压过低, 达到低压控制开关开起阈值时, 开关自动闭合, 电路切换到220 V市电供电, 经过AC-DC转换电路, 将稳定的直流电源输送至光控开关电路, 以实现取代蓄电池供电的目的, 同时也实现了节能的效果。
1.1 过充保护电路
为防止电池过充电, 影响电池的使用寿命, 设计了一个简单的电池过放保护电路。
原理如图2所示, 图中的Q1、D2、D1组成保护电路, 其中D1 (1N4743) 为稳压管二极管 (+13.5 V) , D1和D2共同组成三极管Q1的偏置电路。R1是Q1管的限流电阻。电路外接充电器充电时, 如电池的最高阈值电压在14.4 V左右, 在充电初期蓄电池按常规的欠压状态慢慢上升, 当电池电压达到稳压管D1的击穿电压时, D1管开始导通, 此时Q1管也导通, 促使A、B端电压下降, 设置合适的参数使电池两端电压最高值不会大于14.4 V。在蓄电池已充满时保护电路会使蓄电池处于涓流充电状态, 这就使电池具有充电保护功能。
当电池两端电压高于太阳能板两端电压时, 可能会产生电池给太阳能板反向充电现象。一旦发生这种现象, 太阳能板很有可能被烧坏, 造成损失。因而, 过充保护电路还应该包括防反充电路, 即在太阳能板和电池之间连接一个二极管来防止电池对太阳能板反向充电, 如图3所示。
1.2 过放保护电路
该电路原理如图4所示。图中Q2使比较器起滞回作用, 使比较电路有两个门限电压:VTHH和VTHL (VTHH>VTHL) , 一个滞回区。当电池电压从低升高至VTHH时, 比较器输出高电平;当电池电压降低至VTHL时, 比较器输出低电平。这个时候电池端电压虽然会迅速升高至VTHL以上, 但由于达不到VTHH, 所以, 比较器仍然输出低电平, 直到电池被充电后电压升高至VTHH以上才能再次输出高电平。这样就避免了电路的振荡, 保护了负载和电池。
比较器正端反映的是电池的采样电压U3, 比较器负端反映的是电池的参考电压U2。当U3>U2时, 比较器输出高电平, Q1导通, Q1的C极为低电平, Q3截止, 负载不工作;当U3
1.3 后备电源
在阴雨天太阳能电池板无法将电池充到可工作的状态时, 就要用到后备电源给电路供电, 后备电源采用的是交直流转换, 将交流电转换到额定的直流电压值以确保电路正常工作。
1.4 红外光控控制电路
该系统采用了BISS0001芯片, 它是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路, 它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关, 具有独立的高输入阻抗运算放大器。该组成部分采用硬件来实现, 可以选用集成芯片BISS0001、三极管8050、光敏电阻和红外感应器来设计。红外感应器把传感器传送的红外信号处理后反馈到控制端, 经过内部线性放大, 双向鉴幅, 信号处理, 延迟定时, 封锁定时等处理。其脚2输出高电平使三极管8050导通, 驱动继电器K吸合, 再由继电器触点控制相应的被控对象。此处继电器可换成双向可控硅[3,4]。
图5中, 运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大, 然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大, 再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后, 检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器, 输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。其中, R3为光敏电阻, 用来检测环境照度。当作为照明控制时, 若环境较明亮, R3的电阻值会降低, 使9脚的输入保持为低电平, 从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关, 当SW1与1端连通时, 芯片处于可重复触发工作方式;当SW1与2端连通时, 芯片则处于不可重复触发工作方式。图中R6可以调节放大器增益的大小, 原图选10 k, 实际使用时可以用3 k, 可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整, 触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整, R9/R10可以用470 Ω, C6/C7可以选0.1 V。
2 创新点
(1) 电池过放保护系统的电路简单, 使用灵活。只需选择供电电压较高的比较器, 就可以应用到任何电压等级的电路中;只需改变电阻值就可以设置任意的导通和关断门限, 从而可以具有一个较宽的安全范围。
(2) 在控制系统中照明电源与芯片工作电源分开, 将蓄电池的电源分路进行分别稳压处理, 在使用微小功率继电器自动选择合适电压, 小电压供给芯片工作, 大电压供给灯具照明, 避免了使用同样的大电压供给所产生的功耗的损失。同时在照明回路中, 避免使用功耗较大的三极管做开关, 而是使用可控硅。
(3) 设计有备用电源, 在连续的极端恶劣天气下, 蓄电池电量用完, 得不到及时充电, 可以自动开启后备电源, 保证路灯正常工作。
3 结束语
本太阳能路灯智能控制系统的设计, 对城市环保、照明节能、缓解常规能源紧张的情况有积极意义。整个系统运行均为自动控制, 工作原理简单, 安装方便, 技术可靠。适用范围:一方面, 在道路、景观照明以及今后可能推广的太阳能系统区域网内集中采供电应用等方面, 其技术和市场很有发展前景。另一方面, 在一些特定场合 (海岛、景区山顶、偏远地点等) 的应用优势明显, 包括示范应用也有积极意义, 所以研究很有意义。
参考文献
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家庭智能太阳能系统 第6篇
家庭太阳能光伏发电系统主要包括太阳电池组件、并网逆变器、电能表、电缆、开关和防雷保护装置等五部分组成。
太阳电池组件在太阳光的照射下产生直流电, 经过用于输出控制、过流保护、防雷保护等器件的配电柜后, 进入并网逆变器, 将直流电转变为适合家用电器使用的交流电。电能表应具有可计量电网用电量和向电网反送电量的双向计量功能, 这样既可以在光伏发电量不够用的时候向电网“买电”, 又可以在光伏发电量过多时向电网“卖电”。
我国对光伏发电特别支持, 发改委、财政部等政府部门也专门下发了多项文件, 对光伏发电给予补贴并简化了手续的办理流程。以吉林省为例, 分布式光伏发电的全部电量每度电补贴0.42元, 且自用有余上网的电量, 由电网企业以每度电0.95元的价格进行收购;同时政策还规定对分布式光伏发电系统自用电量免收随电价征收的各类基金和附加, 以及系统备用容量费和其他相关并网服务费。
以月用电量170度左右的普通家庭为例, 建立一套3k W的屋顶式家庭太阳能光伏发电系统即可基本满足需要。具体投资如下表:
根据系统的安装地点、光照情况、方案设计、设备选型等综合因素, 综合发电效率约为80%, 年发电量则为3×3.6×365×80%=3154度。太阳电池组件寿命为25至30年, 太阳电池组件效率按寿命期内每年按衰减0.4%计算, 25年内总发电量75182度。目前吉林省分布式光伏发电上网电价为0.95元/度, 补贴为0.42元/度, 不考虑电价上涨因素, 7~8年可收回投资。
虽然目前太阳能光伏发电系统的投资回收期较长, 但日益严重的雾霾天气已经警示着大家积极倡导低碳环保的生活方式, 而太阳能无疑是最清洁环保的。越来越多的人们已经意识到了这个问题, 在2013年一年时间里, 吉林省就有14户安装了太阳能光伏发电系统, 其中还包含一户高压工业用户。
随着太阳能光伏发电效率的不断提高和发电系统建设成本的不断下降, 家庭太阳能光伏发电系统将被越来越多的人所认可和应用。
参考文献
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家庭智能太阳能系统 第7篇
为适应市场的需求,目前温室大棚在国内外都得到了广泛的应用,其中以美国、日本、荷兰等国家发展最为迅速,基本实现了环境智能监控和远程监测。而在国内,大部分温室大棚未采用智能控制技术,且存在环境控制能力低、自动化程度落后、价格昂贵等缺点,这在很大程度上降低了温室农作物的产量与质量,因此,广泛实现温室的智能监控很有必要。此外,维持温室大棚的正常运行需要提供充足的电能,而一般大型的温室大棚位于离居民生活区较远的空旷地区,对电能的利用并非很方便,但是太阳能资源丰富,因此如何实现对太阳能的利用成为一个值得思考与解决的问题。
1 设计思想
要实现对太阳能的利用,可以借助于太阳能电池实现光电转换,近年来太阳能电池的转换效率与使用寿命都有了很大的提高,目前单晶硅的转换效率可达30%左右。因此利用太阳能光伏系统为温室大棚供电成为了可能,为提高太阳能利用率,可采用MPPT和光伏系统自跟踪技术。影响农作物的生长因子主要有:温度、湿度、CO2浓度以及光照。实现对各生长因子的智能控制,能很大程度地提高农作物的产量与质量。
基于太阳能供电的温室环境智能监控系统框图如图1所示。
2 模块化设计
2.1 太阳能供电模块
该模块主要包含MPPT的实现、蓄电池充放电监控、自跟踪系统以及电压转换4个部分。MPPT的实现和自跟踪系统均是为了实现太阳能更高效率的利用,蓄电池充放电监控则是对蓄电池、太阳能光伏组件阵列以及负载的保护,电压转换使得该系统可为各种交流和直流负载供电。太阳能供电模块框图如图2所示。
2.1.1 MPPT的实现
MPPT即最大功率点跟踪,是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压,并追踪最高电压电流值,使太阳能电池板以最高的效率对蓄电池充电。MPPT控制的原理实质上是一个自动动态寻优的过程,通过功率的比较来改变占空比和脉宽调制信号,进而改变太阳能电池板的工作负载,改变输出功率点的位置,以达到最优。实现MPPT通常需要斩波器来完成DC/DC转换,斩波电路分为BUCK电路和BOOST电路。本文中利用BUCK变换器来实现MPPT,通过调节BUCK变换器的PWM占空比输出,使负载等效阻抗跟随太阳能光伏组件阵列的输出阻抗,从而使光伏阵列在任何条件下均可获得最大功率输出。BUCK电路实际上是一种电流提升电路,主要用于驱动电流接收型负载,直流变换通过电感完成,其电路图如图3所示。
BUCK电路输出与输入满足关系:
式中:tgao为Q导通时间;T为开关周期;d为占空比。若L相当大时,则有Ii≈dIo。
故通过调节占空比即可调整输出负载,从而可使太阳能光伏组件阵列工作在最大功率点。占空比的调节是通过控制Q基极电压来实现,可借助于单片机编程加以控制。
2.1.2 蓄电池充放电监控电路
蓄电池充放电监控电路是为了防止蓄电池组过充、过放等现象,蓄电池组在整个系统中起到储存与提供能量的作用,在硬件上可借助于单片机来实现,其软件程序流程图如图4所示。
2.1.3 自跟踪系统
为了实现对太阳能更大限度的利用,要保证太阳光每时每刻都垂直照射在太阳能电池板上,即太阳能电池板必须跟随这太阳的运动而运动。目前常用的自跟踪方法有匀速控制方法、光强控制方法、时空控制方法。为了方便实现并达到较好的跟踪效果,可以将匀速控制法与光强控制法相结合。并通过对实际光强与设定值的比较,分别采取紧跟踪、疏跟踪以及不跟踪的措施。在硬件上可以通过单片机、太阳光跟踪传感器、光强测定器等实现。
2.1.4 太阳能应用于温室的前景
目前使用太阳能光伏阵列进行供电需要占用一定的土地资源来安放太阳能电池板,然而现在已经生产出了半透明太阳能组件,此外透明太阳能电池组件也在进一步研究中,这使得将太阳能电池安装在温室顶部成为了可能。而且太阳能电池的转换效率在不断提升,因此太阳能光伏系统的广泛使用将成为必然趋势。
2.2 智能监控模块
智能监控模块的主要部分为传感器模块、A/D转换模块、微处理器以及各因子的控制设备。
2.2.1 传感器的选取
测温设备选择SLST系列数字传感器,它是采用美国Dallas半导体公司的DS18B20数字化温度传感器,为不锈钢外壳封装,防水防潮,且具有高灵敏度和极小温度延迟,现场温度以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性能。其测温范围为-55～+125 ℃,温度准确度为±0.5 ℃,可直接将温度转换为串行数字信号供单片机处理。温室内湿度的测量采用JCJ100MH湿度变送器,其采用高精度湿敏电容进行测量,具有灵敏度高、稳定性好、准确度高和使用寿命长等特点。其工作环境为-40～80 ℃,输出电压范围为0～5 V,湿度测量范围为0～100%,均满足温室测量的需求。土壤湿度的测量采用高精度土壤水分传感器,它采用世界先进技术的土壤湿度传感器,精密、可靠、耐用,可直接连接至数据采集器,可长期埋设在地下任意深度,连续测量,其测量范围为0～100%,工作电压为7～15 V,输出0～1.1 V的电压信号,可经适当放大后供A/D转换。光照度的测定可以采用KITOZER系统光照度变送器。该种变送器以对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器为传感器,具有测量范围宽、线性度好、防水性能好、传输距离远等特点,其工作电压为12～30 V,测量范围为0～200 000 LUX,支持二线制4～20 mA电流输出、三线制0～5 V电压输出、液晶显示输出以及RS 232,RS 485网络输出,适合在温室大棚环境下使用。CO2浓度的测定可采用FIGARO公司生产的TGS4160,它是一种固态电化学型CO2传感器,具有体积小,寿命长,选择性和稳定性好等特性。因为它的预热时间较长,故适合在室温下长时间通电连续工作。它的测量范围为0～5 000 ppm,使用寿命2 000天,内部含有热敏电阻起补偿作用。通过各传感器获得电信号,经A/D转换后输入单片机与所需要的设定值相比较,然后控制相应的设备来对各因子进行调节。
2.2.2 各生长因子的控制
农作物生长因子主要是指温度、湿度、CO2浓度以及光照。
温度 升温设备可以采用热水锅炉、燃油锅炉、太阳能加热器等,鉴于室外太阳能资源充足,白天可采用太阳能加热器加热,实现光能向热能的直接转换,在太阳不足时,采取电加热器,由蓄电池组供电。降温设备采用湿帘风机,其中通风设备采取强制通风的方式,即利用风机产生风压强制空气流动降温,湿帘是利用水蒸发吸热的原理来降温,二者的结合作用能力强,效果稳定。
湿度 当实际湿度低于所需要湿度时,可以通过控制安装在大棚顶端的喷嘴来实现,通过喷雾来提高湿度,同时又不至于使得湿度过大。当湿度过高,则可以通过通风来降低,这是利用湿度差来进行室内外的空气交换实现。
CO2浓度 CO2的浓度直接影响着农作物的产量与质量,合适的CO2浓度可能达到40%～200%的增产。大气中的CO2浓度仅为350 ppm,在温室中需要提高CO2浓度,可利用CO2发生器来实现,采用化学反应、燃煤、燃气等方式来产生CO2,当CO2浓度过低时,即可通过控制CO2发生器的开关来提高。当浓度过高时,通过打开通风机即可。
光照 光照的控制设备为遮阳设备和补光设备,当光照过强时,可借助遮阳设备来实现,当光照过弱时,可利用补光灯来实现,而且补光灯开启的数量受外界光照的影响,最终达到较为合适的光照强度。
2.2.3 A/D转换
A/D转换采用TLC1549,将各传感器所采集的模拟电信号转换为数字量输入单片机进行处理,对各因子加以控制。TLC1549为逐次比较型10位A/D变换器,其片内自动产生转换时间脉冲,转换时间小于21 μs。其具有固有的采样保持电路,终端兼容TLC549,TLV549,采用CMOS工艺,有2个数字输入和1个三态输出,可和微处理器直接相连。
2.2.4 软件实现
该系统中所采用的单片机可以选择51/52系列单片机,如AT89C51。通过单片机编程来实现对各种设备开关的控制,其控制流程图如图5所示。
3 结 语
该系统实现了对太阳能资源的有效利用,采用MPPT和自跟踪系统来实现高效率转换,且可以较好地智能控制农作物各生长因子,使得农作物生长在最为合适的环境中,大大提高了农作物的产量与质量。本文中所涉及的只是单间温室的智能控制,然而可以通过通信接口RS 232与上位机进行通信,实现集散控制,这样可以大大提高总体工作效率。
摘要：系统设计包含太阳能供电和环境智能监控两模块,利用太阳能光伏组件阵列进行光电转换为系统提供电能,并且采用了MPPT和自跟踪的方法,实现对太阳能的高效率利用。借助传感器和微处理器实现环境智能监控,所控制的因子有温度、湿度、CO2浓度以及光照,使农作物生长在最为合适的环境中,提高农作物产量与质量。
关键词：温室,单片机,太阳能光伏组件阵列,传感器
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智能化太阳能供暖控制系统的设计 第8篇
基于单片机设计的智能化太阳能供暖系统主要实现昼夜不间断供暖, 供暖温度可控, 避免传统供暖因无法控制温度而导致温度过高产生热量的浪费。
1 太阳能供暖系统设计
1.1 太阳能供暖系统的设计
本系统主要由:太阳能集热器、储热罐、电磁阀、水泵、温度传感器 (PT100) 、供暖设施 (暖气片) 组成。供暖系统示意如图1所示。
为了实现不间断供暖, 供暖采取两种模式:一是太阳能集热器供暖模式;二是储热罐供暖模式。太阳能集热器供暖模式工作在强烈光照的情况下;储热罐供暖模式工作在无光照的情况。
为了避免热量的浪费系统根据人为预设的供暖温度与温度传感感2采集室温相比, 当采集的室温大于预设温度值则停止供暖, 反之则供暖。
1.2 供暖系统工作流程
供暖系统主要分为4个循环回路:太阳能集热回路;热量储存回路;集热器供暖回路;储热罐供暖回路。
太阳能集热回路:该回路根据真空管出水口水温控制电磁阀2、电磁阀1、泵1来实现水的加热。当真空管出水口温度达不到预设温度时电磁阀2、3、4关闭, 电磁阀1打开, 泵1工作, 泵2停止, 让水循环流经集热器继续加热, 直到达到预设值。
热量储存回路:该回路和太阳能集热回路相互联系, 当水温达到预设值时, 控制电磁阀1、3关闭, 电磁阀2、4打开, 泵1工作, 泵2停止, 使热水流经储热罐进行热交换储存热量。
集热器供暖回路:该回路工作在光照强度大, 集热器真空管出水口温度高的情况下, 当温度传感器2采集的室温小于预设的供暖温度时控制电磁阀2、3打开, 电磁阀1、4关闭, 泵1、2工作, 让热水流经暖气片给房间供暖。当室温高于设定的供暖温度时, 进入热量储存回路。
储热罐供暖回路:该回路工作在光照强度弱和夜晚的情况下。当温度传感器2采集的室温小于预设的供暖温度时控制电磁阀3、4打开, 电磁阀1、2关闭, 泵2工作, 泵1停止, 让水流经储热罐交换热量给房间供暖。当室温高于设定的供暖温度时, 所有阀、泵均关闭停止供暖。
该供暖系统4个循环回路, 在工作时交替运行, 进行供暖和热量的储存, 不能有两个及两个以上的回路同时运行。
2 太阳能供暖系统硬件设计
2.1 控制系统硬件设计
控制系统硬件的组成如图2所示。该系统处理器选用微芯公司的PIC16F877A, 两路温度传感器的信号送至片内AD转换器AN0、AN1两个通道进行数据的采样;采样的数据经过算法换算成温度, 温度数据由MAX7219驱动数码管显示;由于单片机RB4-RB7口具有电平中断和可编程启动弱上拉功能, 所以RB4-RB7口做键盘输入口这样可以省掉一些外围电路;D/A转换器选择12位带内部参考电压SPI接口的MAX5532, 通过单片机的SPI接口输出控制数字量达到控制变频器从而控制水泵, 为4个循环回路提供动力;电磁阀控制通过RC口控制继电器来控制。
2.2 基于PT100温度传感器温度测量电路设计
基于PT100的温度测量电路很多, 目前常见的主要有:电桥法、恒流源法等。这些电路对电压源、电流源的稳定度要求都很高, 因此导致测量成本增加, 为了解决这一问题, 设计了一种精密电阻法, 测量原理如图3所示。原理图中采用AD620差分输入放大器, 其放大倍数为:undefined, 其中R为AD620引脚1和引脚8之间的电阻值。AD为片内10位8通道AD转换器, 其参考电压选择外部参考电压。
则由图可得:
将 (2) 、 (3) 式代入 (1) 式可得:
式中R0为精密电阻;VRT为PT100铂电阻的电压, RT为PT100铂电阻阻值;VREF为AD的参考电压, AD为AD转换结果, ADmax为AD转换结果最大值;G为AD620放大倍数。由 (4) 式可以看出PT100铂电阻阻值RT与回路的电流电压无关, 只与精密电阻的阻值有关。所以利用这种方法可以大大降低对电源稳定度的要求。为了减小PT100铂电阻引线电阻对测量误差的影响, PT100铂电阻采用4线制, 由于PT100铂电阻的工作电流在0.5mA以下为宜, 精密电阻R0选择为10K。
2.3 PT100铂电阻温度传感器温度算法
铂电温度传感器是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的温度传感器。PT100铂电阻的测量范围是-200～600℃, 在0℃是阻值为100Ω, 在0～300℃铂电阻的温度特性方程为:
其中A=3.90802E-3, B=-5.802E-7。由于此方程为一元二次方程, 单片机对次方程的求解比较耗资源, 因此本文选择一种近似的算法。由于B值很小, 因此在t不是很大时候可以忽略, 因此次方程便可线性化为:
利用Matlab对两个特性曲线进行仿真对比, 仿真图如图4所示。
由两个特性曲线仿真图可以看出, 在0～100℃时两个特性曲线能够很好的拟合, 当大于100℃两个特性曲线拟合误差明显增大, 由于我们是对水温进行测量, 测量范围在0～100℃指间变化, 因此使用近似算法足以满足要求。
2.4 水泵控制设计
水泵的控制与提高水泵的使用寿命和太阳能利用率是息息相关的, 本次设计使用控制DAC来控制变频器, 从而达到对水泵的控制。在储热回路中, 根据出水口温度与设定集热温度差值的大小通过软件PID算法来控制水泵运转的快慢来及时有效进行储热, 提高太阳能的利用率;在不供暖与供暖回路切换时, 通过软件控制控制DAC来控制变频器频率缓慢上升达到对水泵软启动的控制, 提高水泵使用寿命。
3 太阳能供暖系统软件设计
太阳能供暖系统的软件设计流程如图5所示。当系统上电后, 系统初始化各个泵、阀的初始状态, 从EEPROM读取2个预设温度值, 然后调用AD采样子程序、LED显示子程序, 判断是否供暖, 最后键盘中断子程序, 保存设定值子程序, 如此循环。其中是否供暖是通过温度传感器2采集的室温和预设的供暖温度相比来判断的 (温度2>预设) , 当不需供暖时, 判断是否储热 (温度1>预设) ;当需要供暖时, 判断供暖模式 (温度1>预设) 。最后根据判断的结果控制相应的泵、阀达到对供暖系统的控制。
4 系统设计应注意的问题
为了能够实现不间断供暖, 系统在太阳集热器、储热设备的选择上需根据供暖用户的多少通过计算而定, 在一定程度上还需要考虑留有裕量。在系统工作时, 为了防止掉电后再上电预设值初始值不确定对系统工作造成的影响需要将预设值保存到单片机的EEPROM 。实验发现由于现场电磁环境复杂, MAX7219驱动数码管显示会出现乱码, 因此在软件的设计上采取每次显示前都对MAX7219内部相关寄存进行一次初始化设置, 通过这种方法完全解决了显示乱码问题。
5 结束语
介绍的智能化太阳能供暖系统在对太阳能利用方面设计思想相对比较新颖, 与传统的太阳能设备相比显著提高了太阳能利用率。该系统操作方便, 硬件控制电路简单, 当需要大面积的太阳能集热器和大容量的储热设备, 因此在一定程度上增加了设计的成本, 但在国家大力发展清洁能源、新型能源的政策下, 相信该系统会有更好的应用前景。
摘要：论述了智能化太阳能供暖控制系统硬件和软件的设计方法, 该系统根据PT100温度传感器采集的太阳能真空管出水口温度和室温, 利用单片机控制水泵、电磁阀实现储热、供暖, 实现太阳能的高效利用, 昼夜不间断供暖, 供暖温度灵活可调, 从而降低了热量的浪费。
关键词：PT100,储热罐,电磁阀,单片机,太阳能集热器
参考文献
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智能型太阳能热水器控制系统设计 第9篇
太阳能热水器是目前节约煤、电等常规能源且无污染的常用家庭设备之一。目前,太阳能热水器控制器种类繁多,但其都具有一个共同的缺点,即:在给太阳能水箱上水过程中,电磁阀始终处于通电状态。这不仅造成额外的电能消耗,同时由于电磁阀线圈通电时间长,从而会缩短电磁阀的使用寿命。
本文设计了一种基于单片机AT89S52为核心,利用脉冲驱动电磁阀的太阳能热水器控制系统,实现对太阳能热水器的温度、水位、上水和停水的自动控制。该系统具有操作简单、价格低廉的优势,同时能极大地延长电磁阀的使用寿命,可提高系统的绿色环保性能。
1 系统硬件设计
1.1 电磁阀的结构
该系统所用的电磁阀结构如图1所示。为了实现利用脉冲控制上水和停水的功能,电磁阀上水或停水状态的维持是靠自来水的压力来实现的,而上水或停水动作的转换是依靠电磁阀左边线圈或右边线圈的通电来完成的。当密封圈处于密封状态时,若需要上水,只需要给左边线圈通电一个瞬间(该系统设定的通电时间为0.5s,时间的计算可以利用牛顿定律),磁力把衔铁吸向右边,在阀门打开之后,依靠水的压力维持持续上水的状态;如需要停水,同样只需要给右边线圈通电一个瞬间(0.5s),磁力把衔铁吸向左边,在阀门闭合之后,依靠水的压力维持持续关闭的状态。
1.2 系统主要功能
(1)具有实时水温检测和显示功能,用于测量和显示当前水箱中水的温度;
(2)具有设定温度的显示功能,用于显示当前水箱中的最高水温控制,使水箱中的水温基本控制在设定温度的附近,通过按钮可以改变设定温度值;
(3)具有当前电磁阀的状态指示功能,用于表示当前电磁阀是处于上水还是停水状态;
(4)具有最高水位控制功能,当水位已经达到最高限定位置时,无论水温如何,均不允许打开电磁阀上水。
1.3 系统工作原理
该系统的电路原理如图2所示。
该电路的控制核心选用Atmel公司生产的AT89S52单片机,该单片机是一种低功耗、高性能8位微控制器,具有8kB在系统可编程Flash存储器。LED显示电路包括4个七段数码管,其中前面两个用于显示实际测得的水温,后面两个用于显示设定水温。数码管的驱动控制分别使用单片机的P0口作为段码驱动,P2口作为位码驱动。实际水温的检测采用了一种新型的可编程温度传感器DS18B 20,该传感器具有独特的单总线接口方式,仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯,在该系统中用P1.0完成单片机与DS18B 20之间的信息沟通。因此,它能代替模拟温度传感器和信号处理电路,直接与单片机沟通,完成温度采集和数据处理。DS18B 20与AT89S52的结合,实现了最简单的温度检测功能。端口线P1.4用于水位检测信号输入,P3.2用于设定温度增加,P3.3用于设定温度降低操作。电磁阀的上水线圈(图1中左侧线圈)和停水线圈(图1中右侧线圈)的驱动是利用单片机的P3.5和P3.7两根端口线分别驱动两个继电器来实现的。
具体工作过程是:在水位未满的情况下,如果水温没有达到设定温度值,则保持停水状态不变;由于太阳的照射,当水温上升到设定温度时,控制器会自动使上水电磁阀线圈(图1中左侧线圈)接通0.5s,从而打开电磁阀,开始上水;由于凉水的加入会使水温降低,当水温降低到设定温度时,控制器会自动使停水电磁阀线圈(图1中右侧线圈)接通0.5s,从而关闭电磁阀,停止供水。该动作不断重复。当水位达到最高水位时,则自动停水,无论此时水温是否超过设定温度,都禁止上水,以免造成水溢出现象。
2 系统软件设计
为了使程序结构紧凑,方便调试,该系统采用模块化结构编制程序,主要包括主程序、显示中断服务程序、读取温度中断服务程序等(中断程序可以确保显示的稳定性)。
2.1 主程序设计
主程序的主要功能是完成系统初始化,开辟显示缓冲区,检测是否到最高水位,以及完成设定温度,比较设定温度和测量温度的大小,并根据结果控制继电器输出,完成上水和停水动作等。主程序流程如图3所示。
2.2 中断程序设计
中断程序包括两部分,其一是显示中断服务程序,显示中断服务程序的功能把显示缓冲区的设定温度值和实际测量的温度值经过译码转换成LED显示字形码,并送到各自的显示位码上进行显示输出。为了获得稳定的显示效果,系统设定每2ms显示刷新一次。显示控制中断服务程序流程如图4所示。其二是温度检测中断服务程序,其功能有:(1)向DS18B 20发出温度转换开始命令,然后等待返回就绪信号当收到就绪信号后,才进行后续动作;(2)读取测量温度的低八位数据并保存到指定区域,等待转换;(3)读取测量温度的高八位数据并保存到指定区域,等待转换。温度检测中断服务程序流程如图5所示。
3 系统功能调试与实现
系统调试包括硬件调试和软件调试,其中以软件调试为主。
硬件调试比较简单,首先检查电路的焊接是否正确然后用万用表测试并通电检测
软件调试过程较为复杂,在调试过程中,先编写了显示程序并对硬件部分的正确性进行检测,检测无误后,然后又分别对主程序、显示中断服务程序和读取温度中断服务程序进行综合调试,确保能够实现预定功能。
由于DS18B 20与单片机采用串行数据传送,因此,对DS18B 20进行读/写编程时必须严格地保证读/写时序,否则将无法读出测量结果。软件调试到能显示温度值,而且在温度有变化时(如用手去接触DS18B 20)显示温度也能随时变化,说明系统的软、硬件能正常工作。
4 结语
经过连续的反复实验证明,该太阳能热水器控制系统能够实现预定的各种功能,特别是在用水量较大,而且在日照较好、水温上升快的情况下,热水器在频繁上水与停水过程中,电磁阀几乎不存在发热现象充分体现该系统的技术优点。
摘要：通过对市场上太阳能热水器进行调查,发现了其中存在的共同缺陷:在给太阳能水箱上水过程中,电磁阀始终处于通电状态,造成额外的电能消耗,同时缩短电磁阀的使用寿命。为了解决该问题,对电磁阀的结构进行了深入细致的分析,并对电磁阀的结构进行了改进,设计出使用脉冲驱动双线圈电磁阀通断的自动供水控制系统模式。通过长时间的实验证明,该控制系统对于延长电磁阀的使用寿命和节能环保方面,都具有重要的现实意义。
关键词：太阳能,热水器,单片机,智能控制,节能
参考文献
[1]何立民.单片机高级教程[M].北京:航空航天大学出版社,2000.
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