農村太陽能熱水器自動上水裝置的設計

沈兆振

（江蘇安全技術職業學院安全工程系，江蘇徐州221011）

農村太陽能熱水器自動上水裝置的設計

沈兆振

（江蘇安全技術職業學院安全工程系，江蘇徐州221011）

分析農村太陽能熱水器使用過程中存在的問題，針對農村用水特點，設計一種專門用于農村太陽能熱水器的智能上水裝置，該裝置控制核心采用555時基電路芯片，結構簡單，性能穩定，滿足用戶需求。

太陽能熱水器；自動上水；555時基電路

隨著經濟的發展，太陽能熱水器因其節能、高效、經濟而備受廣大農民朋友的認可。但目前受限于自來水管網的普及程度，在有些地區，還沒有自來水，這種情況下農戶在使用太陽能時，則通過安裝副水箱，手動上水來達到使用太陽能熱水器洗浴的目的。手動上水一般有兩種方式：一是人工擔水，注入到副水箱；另外一種是安裝水泵，觀測副水箱中水位，當觀察到水位降低到一定位置，人工開啟水泵，抽取地下水。第一種上水方式，浪費人力，第二種上水方式，受人為因素影響，容易造成副水箱溢水，浪費水資源和電力資源。繁瑣的上水手動上水方式，影響農民的生活質量。有些農戶為此而放棄了太陽能熱水器。

針對農村無自來水地區太陽能熱水器上水的情況，通過實驗研究，設計了一種太陽能熱水器自動上水裝置。

1太陽能熱水器自動上水的研制

1.1 系統結構設計

太陽能熱水器自動上水系統主要由自動上水控制箱、單向閥、液位傳感器、副水箱、管路等組成。

太陽能熱水器自動上水控制裝置接通電源，啟動后，根據副水箱中液位傳感器，檢測到水箱內的液面位置。如果超過副水箱設定的水位上限，水泵斷電，停止上水；低于副水箱設定的水位下限，水泵開始工作，抽取地下水，開始向副水箱注水。如圖1所示。

圖1 太陽能熱水器自動上水系統結構示意圖

1.2 電路設計說明

太陽能熱水器自動上水裝置的核心元器件是555時基集成電路芯片[1-2]。

555時基集成電路芯片（如圖2所示），外部共有8個引腳，其內部包括兩個電壓比較器A1、A2，一個R-S觸發器，一個放電晶體管VT和一個由3只全電阻組成的分壓器。它提供兩個基準電壓

圖2 555定時器功能框圖

555時基集成電路共8個引腳，塑料雙列直插式封裝。其內部由模擬電路和數字電路組成。有2個輸入端，一個是引腳6（閾值輸入端TH）低電平有效，另一個是引腳2（觸發輸入端TR），低電平有效。引腳1為公共端，引腳4是總復位端MR，低電平有效。引腳5為控制端UC.引腳7為放電端DIS，引腳8為電源正極端UCC.

本裝置控制部分主要采用555時基電路，以及一些必要的電氣元件，構建雙穩態觸發器電路，從而完成太陽能熱水器自動上水控制功能。

1.3 控制電路原理分析

太陽能熱水器自動上水裝置電路由主回路和控制回路構成。主回路主要用來控制水泵工作。其電路設計如圖3所示。控制回路主要用來判斷太陽能熱水器副水箱中的水位，根據采集到水箱水位的信號，驅動水泵工作。

圖3 太陽能熱水器自動上水裝置電氣原理圖

在副水箱中安裝三個液位傳感器，四個電極分放別置于水箱的不同位置。其制作方法為在桿上固定絕緣銅芯線，在線的底端連接一個耐腐蝕的鎳鋯合金電極。根據太陽能熱水器主水箱補水的需要，設定副水箱允許最低水位L、最高水位M、基準水位M.

1.3.1 水泵向副水箱注水

當水池水位位于探頭L以下時，555時基電路2、6引腳的兩電位近似為零，555時基電路置位，3引腳輸出高電平，中間繼電器K吸合，其常開觸點K-1閉合，主回路導通，交流繼電器KM吸合，水泵電機啟動，開始向副水箱注水，同時控制箱中LED燈點亮，表明水泵工作。當水位上升到探頭L位置時，由于水中雜質存在，此時水電阻接入控制回路，電阻R3、R4與R2分壓（電阻R3、R4、R2阻值大小不同），使時基電路2、6引腳的電平升至根據555時基電路的特性，引腳3狀態不發生改變，水泵電機繼續，向副水箱注水。

隨著注水繼續，當副水箱中的水位到達探頭H時，由于水電阻的存在，電阻R4被短接，此時555時基電路的引腳2、引腳6的電平由電阻R2、R3分壓決定，即高于電平位于555時基電路復位，引腳3由高電平翻轉為低電平，中間繼電器K斷電，其常開觸點K-1由閉合狀態轉變為常開狀態，交流繼電器KM斷電，水泵電機停止運轉，同時LED熄滅，K釋放，注水停止。

1.3.2 副水箱向太陽能熱水器主水箱補水

副水箱向太陽能主水箱補水時，副水箱水位逐漸下降，當探頭M脫離水面時，R4串入分壓電路，使分壓點電平固定在，555時基電路的各引腳狀態不會發生改變，水泵不工作。

當水位下降至探頭L以下時，電阻R4懸空，555時基電路引腳2電平由高電平翻轉為低電平，555時基電路置位，引腳3由跳轉為高電平，中間繼電器K吸合，其常開觸點K-1閉合，水泵工作向水池注水。同時LED燈點亮。

控制回路中設置電容C3、C4和電阻R1，其主要作用在555時基電路在發生置位與復位跳轉時，存在延時，消除因水位抖動對電路發生翻轉的影響。按鈕S主要用來控制系統工作時出現意外，強制停機。

2結束語

本文設計了一種太陽能熱水器自動上水裝置，經過現場試驗，能夠實現預設的控制功能。該裝置工作電壓采用安全電壓，系統工作可靠，成本經濟，且安裝方便，解決了農村無自來水地區太陽能熱水器自動上水的難題。

[1]陳永甫.新編555集成電路應用800例[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2]陳有卿.555時基電路原理、設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

Design of the SolarWater Heater Automatic Water Device in the Countryside

SHEN Zhao-zhen
（Departmentof Safety Engineering Jiangsu Security Technocology Carrer Academy，Xuzhou Jiangshu 221011，China）

The paper analyzes problems existing application of a water heater using solar energy in rural area. According to the characteristics of the rural water，designed a dedicated to rural solar energy water heater intelligent water device，which is adopted in the core 555 time base circuit chip，Simple structure，and stable performance.The device can meet the demand of users.

the ruralwater；automatic water flooding；555 time-base circuit

TP2

A

1672-545X（2016）12-0151-02

2016-09-24

沈兆振（1975-），男，江蘇沛縣人，碩士研究生，講師，從事機械電子工程方面的研究。