基于NJA1- L 的太陽能補水控制器

劉永嶺 王艷艷

(江蘇省聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院連云港中醫(yī)藥分院，江蘇 連云港222007)

經(jīng)過近30 年的發(fā)展，我國成為全球最大的太陽能熱利用設(shè)備制造中心，到2020 年，僅僅是家用太陽能熱水器的全國保有量達(dá)到了8.0 億平方米。雖然近幾年太陽能熱水器行業(yè)受高層建筑的影響出現(xiàn)產(chǎn)值下滑的趨勢，而在廣大農(nóng)村，太陽能熱水器幾乎還是家家擁有。

雖然太陽能熱水器具有節(jié)能環(huán)保的天然益處，但使用太陽能熱水器遠(yuǎn)沒有燃?xì)鉄崴骰螂姛崴鞣奖悖饕蚴敲刻煲o太陽能補水、需要等候、有時會忘記補水、忘記關(guān)水，受這些因素的影響及隨著社會的發(fā)展，有些人已經(jīng)不在乎節(jié)省那點電費或燃?xì)赓M用了，因此有許多人拋棄了太陽能而更換其它類型的熱水器，這種現(xiàn)象不符合節(jié)能降耗是我國經(jīng)濟發(fā)展的長期戰(zhàn)略、能源需要大量進(jìn)口的國情。

從二十世紀(jì)九十年代起，市場上陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)過許多類型、許多品牌的太陽能熱水器控制器，它們的主要是圍繞太陽能熱水器的水位顯示與控制、水溫顯示、自動補水等功能；從技術(shù)角度來講，主要包括機械式、電子式兩大類。但是，不論采用哪種技術(shù)方式，它們都難逃短命的厄運。出現(xiàn)短命厄運的主要原因是水位傳感器使用壽命極短。

機械式水位傳感器主要有浮子式、壓力式、流量式、超聲波式等幾種類型。由于太陽能熱水器的構(gòu)造空間比較狹小、水溫變化幅度大、水垢影響大等原因，這類傳感器的使用壽命少則數(shù)月，多至1-3 年，水位傳感器必然損壞或失效，導(dǎo)致整個控制器失效。

電子式水位傳感器主要有電阻式、電容式兩種。電阻式大都采用串聯(lián)導(dǎo)電硅膠制作，傳感器長期放置在太陽能水箱內(nèi)，受水垢、電解和溫度的影響，測量電阻誤差極大、使用壽命很短；電容式水位傳感器受溫度、水質(zhì)、結(jié)垢影響很大、電容量變化很大，不久就會失效。

所以，傳統(tǒng)的太陽能控制器幾乎是全軍覆沒，市場期待一種簡單、可靠、廉價、方便的太陽能熱水器控制器。

1 太陽能熱水器控制器的功能優(yōu)化

太陽能熱水器控制器一般都設(shè)置水箱水位顯示與控制、水溫顯示、自動補水等功能。鑒于前述，不論是機械式或電子式水位傳感器都有使用壽命短、不可靠的致命弱點。水位傳感器一旦損壞，控制器的自動補水功能就會失效。然而，在實際使用中，太陽能的自動補水功能是太陽能控制器所有功能中最為有用、最為需要的功能。因此，我們可以對太陽能熱水器控制器的功能進(jìn)行如下優(yōu)化：

優(yōu)化的基本原則是使太陽能熱水器控制器結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、造價低廉、使用方便、具有完全通用性、方便安裝維護；

棄去目前技術(shù)不成熟或制造成本高或安裝維護困難的相關(guān)功能。如水位顯示功能，目前沒有適用于太陽能熱水器安裝的廉價而又可靠的水位傳感器產(chǎn)品或技術(shù)，目前的水位顯示功能精度只有20-25%，所以非常粗略，使用它實際意義不大。至于溫度顯示功能，雖然技術(shù)成熟，但安裝不便，需要從太陽能拉線進(jìn)戶，況且從實際需求方面講用過太陽能的人都知道只要天氣良好，太陽能熱水溫度都能夠達(dá)到洗浴要求，因此，為了方便和簡化溫度顯示功能也可以棄去。

對于太陽能用戶來講，最為繁瑣的事情就是給太陽能補水。之所以這么說，原因是太陽能需要每天補水，補水時需要人員等候，待水滿后手動關(guān)閉補水閥門，工作比較繁瑣；此過程如果忘記或上班來不及將錯失補水；有時用戶打開補水閥門后而忘記關(guān)閉而離去，導(dǎo)致長時間、甚至一整天太陽能流水，浪費自來水不說重要的是當(dāng)日無熱水可用。因此，太陽能自動補水功能非常重要。

根據(jù)以上論述，將太陽能控制器功能簡化為：按需要給太陽能補水；補水次數(shù)及補水時間可以自行設(shè)置；水滿后自動關(guān)閉補水閥門；具備隨時補水功能；十年以上的使用壽命；高度可靠性；用戶購買價不超過二百元；不需要專業(yè)安裝。

2 太陽能熱水器控制器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為盡量簡化結(jié)構(gòu)、降低造價、方便安裝、提高可靠性，將太陽能控制器設(shè)計為圓筒狀，采用活接口直接串接在太陽能回水管上。結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

控制器由控制電路、電極、電路接口、圓形（或方形）塑料桶構(gòu)成。控制電路通過導(dǎo)線與電源接口、電磁閥接口及電極在內(nèi)部相連接；圓形塑料桶作為電器外殼，塑料桶內(nèi)部中央位置設(shè)置一個與塑料桶內(nèi)部相互密封的塑料桶內(nèi)管；塑料桶內(nèi)管的上部接有回水管快接口，用于連接太陽能回水管；塑料桶內(nèi)管的下部固定有一對相互絕緣的石墨電極；塑料桶內(nèi)管的底部開有一只直徑約為塑料桶內(nèi)管直徑1/5 的 小孔，作為回水管緩流孔。電源接口用于外220V 接電源，電磁閥接口用于接補水電磁閥。

3 NJA1-L 簡介

NJA1-L 是一款小體積、采用手機APP 實現(xiàn)編程、Wi-Fi無線通訊實現(xiàn)編程、控制、監(jiān)控的可編程邏輯控制器，主機自帶4 路開關(guān)量/模擬量輸入（開關(guān)量輸入與模擬量輸入共用端口資源）、4 路開關(guān)量輸出，并可通過擴展通訊接口實現(xiàn)最大32路（包括主機）開關(guān)量/模擬量輸入、32 路開關(guān)量輸出、32 路模擬量輸出，配置靈活，滿足大部分編程控制需求。

3.1 開關(guān)量輸入/模擬量輸入特性參數(shù)

端口最大承受電壓DC 26V

開關(guān)量信號有效電平≥DC 10V

開關(guān)量信號響應(yīng)時間≤20ms

模擬量信號電壓采集范圍DC 0V～10V（14V 最大量程）

模擬量信號采集精度4mV

模擬量信號響應(yīng)時間≤20ms

3.2 輸入電阻430kΩ（端口對V-）

3.3 編程 功能塊

開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。

定時器：日鬧鐘、年鬧鐘、接通延時、關(guān)斷延時、接通關(guān)斷延時、保持接通、脈寬輸出、循環(huán)輸出。

運算符：非、與、或、異或、鎖存繼電器、脈沖繼電器、計數(shù)器、加、減、乘、除、余、開方、大于、小于、等于、閥值觸發(fā)器、通道切換器、限值器、積分器。

3.4 NJA1-L 內(nèi)部電路圖

圖2 NJA1-L 內(nèi)部電路圖

圖2 是NJA1-L 的內(nèi)部電路圖。注意，圖中的I0.0-I0.3 是4個輸入端口，每個端口通過一只430K 的電阻接到DC12V 電源的負(fù)極V-，I0.0-I0.3 數(shù)字量輸入的有效電平是DC10V。

4 工作原理

圖3 NJA1-L 接線圖

圖4 I0.1 輸入電平等效原理圖

圖3 是使用NJA1-L 制作的太陽能補水控制器的接線圖，接線非常簡單。控制器使用了NJA1-L 的2 個數(shù)字量輸入端口和兩個數(shù)字量輸出端口，I0.0 接入一個按鈕開關(guān)SB，開關(guān)SB 的功能是手動補水/ 停止補水，I0.1 接入石墨電極，相當(dāng)于一個“水按鈕開關(guān)”，兩電極之間有水時導(dǎo)通，無水時斷開，其功能是在補水過程中暫停補水，直到I0.0 有高電平時繼續(xù)補水，起到水滿停止補水的作用。圖4 是I0.1 輸入端輸入電平等效原理圖，其中R1是兩石墨電極之間的等效電阻，實驗測量其阻值在5-10KΩ 之間；R2是NJA1-L 自帶的平衡電阻，其阻值為430KΩ。在使用NJA1-L 自身提供的12V 電源的條件下，用分壓計算和實驗測量I0.1 端口的實際電位為11V 左右，達(dá)到了NJA1-L 系統(tǒng)要求的最低有效電位10V 的要求。因此，SW 可以被看作一只數(shù)字量開關(guān)。

SW 上設(shè)置的回水管緩流口既可以起到減小R1 阻值的作用，又可以卸掉塑料桶內(nèi)管內(nèi)的余水，使SW 斷開，為下一次工作提供條件。

圖5 程序

需要說明的是SW 雖然也是一種電阻傳感器，但與傳統(tǒng)的太陽能水位傳感器的使用的電阻傳感器相比，其壽命要長久幾個數(shù)量級，原因有二：其一，SW 通過的電流僅僅是幾個微安，電解損壞電極的因素極低；其二，傳統(tǒng)的太陽能水位傳感器使用的電阻傳感器需要長期浸泡在水中，而SW每次補水與水接觸的時間僅僅幾秒，受水垢、電解影響的因素也十分微弱，加之我們使用的是穩(wěn)定性很高的石墨電極，可見其壽命是十分長久的，估算壽命大于10年。

5 編程

使用APP 對該應(yīng)用編程如圖5 所示。

6 使用方法

6.1 控制器制作與安裝

按照本文所介紹的方法制作一個控制器主機，可以使用正泰NJAI-L整體產(chǎn)品并制作一只機殼，將NJAI-L安裝在內(nèi)部，也可以拆除NJAI-L的外殼將內(nèi)部電路安裝在本文所講述的塑料桶內(nèi)，指示燈、按鈕、接口適當(dāng)安裝并連接。石墨電極可以使用5#或7#電池的石墨棒，在電池銅帽上焊接引線。即使不使用石墨電極，采用銅絲或不銹鋼絲制作電極也可以獲得很長的使用壽命。

6.2 APP 下載

掃一掃所購買的NJAI-L產(chǎn)品說明書上的APP 二維碼，安裝NJAI-L操作平臺。

6.3 添加設(shè)備

打開NJAI-L 操作平臺后點擊“設(shè)備”欄目，在屏幕下方點擊“添加設(shè)備”，然后掃描NJAI-L產(chǎn)品面板上的產(chǎn)品序列號二維碼即可添加所掃描的產(chǎn)品。這時在設(shè)備列表中將出現(xiàn)被掃描產(chǎn)品的序列碼，可以點擊“設(shè)備名稱”對產(chǎn)品重新命名。給設(shè)備供電后，點擊設(shè)備名稱后，利用設(shè)備自身提供的熱點進(jìn)行直連，直連成功后再設(shè)備欄目先點擊產(chǎn)品后，可以進(jìn)行路由器設(shè)置，路由器設(shè)置完畢后即可進(jìn)行完成通訊。

在“設(shè)備”欄目對設(shè)備日期、設(shè)備時鐘等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

6.4 添加項目

點擊APP 的“項目”欄，添加項目，可以將項目名稱修改為“太陽能自動補水”或它自己喜歡的名稱。

6.5 程序編寫

點擊APP 的“項目”欄下列表中的項目名稱可以進(jìn)行針對此項目的程序編寫。編寫程序的方法參見產(chǎn)品說明書，不在此贅述。

6.6 程序下載

點擊APP 的“項目”欄下列表中的設(shè)備名稱后，點擊“程序下載”，選擇項目名稱后可以在該設(shè)備中下載已經(jīng)編寫好的項目程序。

6.7 遠(yuǎn)程使用

完成上述工作后就可以遠(yuǎn)程使用自己的太陽能補水控制器了，可以遠(yuǎn)程打開/關(guān)閉控制器，可以對補水時間等信息進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)束語

綜上，本文提出了一種使用手機APP、基于NJA1-L 的太陽能補水控制器的優(yōu)化設(shè)計方案，創(chuàng)造性地設(shè)計了適用此案的水滿探測傳感器；使用該技術(shù)制造的太陽能補水控制器具有廉價、長壽面、易于安裝的顯著特點；此項技術(shù)的廣泛推廣可助力太陽能行業(yè)的持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)節(jié)能減排國策的順利實施。