家用太阳能热水器智能保护装置的研究与设计

崔大召 韩硕 柳兰琪 孙如军

（ 德州学院机电工程学院，山东 德州 253023 ）

家用太阳能热水器智能保护装置的研究与设计

崔大召 韩硕 柳兰琪 孙如军

（ 德州学院机电工程学院，山东 德州 253023 ）

本系统设计为一种家用太阳能热水器智能保护装置，它利用温度传感器DS18b20感应水箱内温度，当水温达到65摄氏度时，电机驱动薄膜电池板平移到热水器真空管上方，阻挡太阳光直射真空管，控制水温上升，当水温低于45摄氏度时，再驱动电池板移回真空管一侧；利用温度传感器DS18b20感应水箱内温度，当水温低于0摄氏度时，利用薄膜电池产生的电来为缠绕在水管的电热丝加热，为水管解冻，使热水器在冬天也可以发挥其功能；利用GSM模块，实现人机交互。此装置价格低，性能高，可延长热水器寿命十年左右，市场潜力巨大，值得广泛推广。

热水器；智能型；节能型；便捷型；性能高

1 研制背景及意义

太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。

2 设计方案

2.1 电器控制

2.1.1 水温控制

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～+125℃可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；由51单片机控制DS18B20温度传感器，可精准感应水箱内水温，从而实现对水温的控制。

2.1.2 电机驱动

采用L298N驱动，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。

2.1.3 短信传输

GSMTC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务（Short Message Service）和传真。模块的工作电压为3.3 －5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W（900M）和1W（1800M）。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。

2.1.4 液晶显示

利用5110来动态显示温度值，及加热中或停止加热状态。

2.2 机械部分

薄膜电池的移动由滚珠丝杆来完成，它主要由螺杆、螺母和滚珠组成。其功能是将旋转运动转化成直线运动。

3 理论设计计算

装置薄膜电池功率为100瓦，光电转换效率为17%左右，平均每天可产生1度电，可供15瓦的节能灯工作68小时，可供65瓦步进电机工作15小时左右，完全可以实现薄膜电池为步进电机、节能灯以及电热丝供电，实现装置的全自动供电。

4 工作原理及性能分析

4.1 发电模块

由薄膜太阳能电池板、稳压模块、升压模块以及蓄电池构成，发电模块在太阳光的照射下一直不停的工作，产生的电能不但可以为装置电机供电，还可以为室内小型用电器供电，达到节能减排的目的。

4.2 温度感应及控制模块

由DS18B20温度传感器、L298N驱动、电机以及单片机最小系统组成，通过DS18B20温度传感器感应水箱内水温来传递电子信号给单片机，使单片机做出判断，当当水温达到65摄氏度时，电机驱动薄膜电池板平移到热水器真空管上方，阻挡太阳光直射真空管，控制水温上升。当水温低于45摄氏度时，再驱动电池板移回真空管一侧。

4.3 GSM控制模块

由GSMTC35模块、继电器、单片机最小系统构成，用户通过给GSMTC35模块发送指令来传递电子信号给单片机，从而实现控制继电器为水箱内电加热装置供电，使用户一回家就可以享受热水浴的方便。当用户长期离家时，可向GSM模块发送特定指令，使电池板遮挡真空管，且不再工作，使热水器进入休眠状态。

4.4 液晶显示模块

由5110液晶显示模块及单片机最小系统组成，利用5110来动态显示温度值，及加热中或停止加热状态

5 创新点及应用

（1）作品将同为太阳能利用的产品结合在一起，薄膜电池板在为热水器阻挡阳光的同时，利用薄膜电池发电，为步进电机、电热丝以及其他用电器供电，充分体现了节能减排的思想。

（2）此作品不仅可以有效地将水温控制在40-65摄氏度，延长水箱寿命，还可以为浴室内电器供电，为水管解冻，更能实现人机交互，利用短信实现控制水温的目的。运用此装置，可以使热水器使用寿命延长，使用户的生活方便化，智能化。市场潜力巨大，值得广泛推广。

［1］ 王昆.机械设计课程设计.高等教育出版社，1995

［2］ 孙恒，陈作模.机械原理.高等教育出版社，2006

崔大召（1993.04-），男，大学本科，研究方向：清洁能源工程。

TK515

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1003-5168（2015）11-091-01