家用太陽能熱水器智能保護裝置的研究與設計

崔大召 韓碩 柳蘭琪 孫如軍

（ 德州學院機電工程學院，山東 德州 253023 ）

家用太陽能熱水器智能保護裝置的研究與設計

崔大召 韓碩 柳蘭琪 孫如軍

（ 德州學院機電工程學院，山東 德州 253023 ）

本系統設計為一種家用太陽能熱水器智能保護裝置，它利用溫度傳感器DS18b20感應水箱內溫度，當水溫達到65攝氏度時，電機驅動薄膜電池板平移到熱水器真空管上方，阻擋太陽光直射真空管，控制水溫上升，當水溫低于45攝氏度時，再驅動電池板移回真空管一側；利用溫度傳感器DS18b20感應水箱內溫度，當水溫低于0攝氏度時，利用薄膜電池產生的電來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揮其功能；利用GSM模塊，實現人機交互。此裝置價格低，性能高，可延長熱水器壽命十年左右，市場潛力巨大，值得廣泛推廣。

熱水器；智能型；節能型；便捷型；性能高

1 研制背景及意義

太陽能熱水器把太陽光能轉化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用。太陽能熱水器按結構形式分為真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器，真空管式太陽能熱水器為主，占據國內95%的市場份額。真空管式家用太陽能熱水器是由集熱管、儲水箱及支架等相關附件組成，把太陽能轉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，使水產生微循環而達到所需熱水。

2 設計方案

2.1 電器控制

2.1.1 水溫控制

DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～+125℃可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；由51單片機控制DS18B20溫度傳感器，可精準感應水箱內水溫，從而實現對水溫的控制。

2.1.2 電機驅動

采用L298N驅動，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良。且由L298N結合單片機可實現對小車速度的精確控制。這種調速方式有調速特性優良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優點。

2.1.3 短信傳輸

GSMTC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊，可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務（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，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現電源連接、指令、數據、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。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來動態顯示溫度值，及加熱中或停止加熱狀態。

2.2 機械部分

薄膜電池的移動由滾珠絲桿來完成，它主要由螺桿、螺母和滾珠組成。其功能是將旋轉運動轉化成直線運動。

3 理論設計計算

裝置薄膜電池功率為100瓦，光電轉換效率為17%左右，平均每天可產生1度電，可供15瓦的節能燈工作68小時，可供65瓦步進電機工作15小時左右，完全可以實現薄膜電池為步進電機、節能燈以及電熱絲供電，實現裝置的全自動供電。

4 工作原理及性能分析

4.1 發電模塊

由薄膜太陽能電池板、穩壓模塊、升壓模塊以及蓄電池構成，發電模塊在太陽光的照射下一直不停的工作，產生的電能不但可以為裝置電機供電，還可以為室內小型用電器供電，達到節能減排的目的。

4.2 溫度感應及控制模塊

由DS18B20溫度傳感器、L298N驅動、電機以及單片機最小系統組成，通過DS18B20溫度傳感器感應水箱內水溫來傳遞電子信號給單片機，使單片機做出判斷，當當水溫達到65攝氏度時，電機驅動薄膜電池板平移到熱水器真空管上方，阻擋太陽光直射真空管，控制水溫上升。當水溫低于45攝氏度時，再驅動電池板移回真空管一側。

4.3 GSM控制模塊

由GSMTC35模塊、繼電器、單片機最小系統構成，用戶通過給GSMTC35模塊發送指令來傳遞電子信號給單片機，從而實現控制繼電器為水箱內電加熱裝置供電，使用戶一回家就可以享受熱水浴的方便。當用戶長期離家時，可向GSM模塊發送特定指令，使電池板遮擋真空管，且不再工作，使熱水器進入休眠狀態。

4.4 液晶顯示模塊

由5110液晶顯示模塊及單片機最小系統組成，利用5110來動態顯示溫度值，及加熱中或停止加熱狀態

5 創新點及應用

（1）作品將同為太陽能利用的產品結合在一起，薄膜電池板在為熱水器阻擋陽光的同時，利用薄膜電池發電，為步進電機、電熱絲以及其他用電器供電，充分體現了節能減排的思想。

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

［1］ 王昆.機械設計課程設計.高等教育出版社，1995

［2］ 孫恒，陳作模.機械原理.高等教育出版社，2006

崔大召（1993.04-），男，大學本科，研究方向：清潔能源工程。

TK515

A

1003-5168（2015）11-091-01