畢業(yè)設(shè)計(jì)----太陽(yáng)能熱水器集熱管智能保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

1、<p>　　太陽(yáng)能熱水器集熱管智能保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著資源和環(huán)境問(wèn)題的不斷加重，使用清潔而又不會(huì)枯竭的能源的太陽(yáng)能熱水器得到了很大的發(fā)展，然而現(xiàn)在的太陽(yáng)能熱水器由于其核心部件集熱管缺乏保護(hù)，在使用中存在水溫過(guò)熱時(shí)易使得水箱部件老化，積水垢，空曬易爆管，易累積灰塵降低集熱效率等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種集

2、熱管智能保護(hù)裝置來(lái)解決這些問(wèn)題。該保護(hù)裝置使用套裝于集熱管且能繞其旋轉(zhuǎn)的半圓形保護(hù)罩對(duì)集熱管進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)罩半圓部分內(nèi)外表面均有反光涂層。開保護(hù)時(shí)保護(hù)罩旋轉(zhuǎn)至集熱管上方，防止墜落物砸壞集熱管，同時(shí)由外表面反射陽(yáng)光防止水溫過(guò)熱；關(guān)保護(hù)時(shí)保護(hù)罩旋轉(zhuǎn)至下方，由內(nèi)表面反射陽(yáng)光增加集熱效率。保護(hù)罩內(nèi)表面設(shè)置除塵刷，在狀態(tài)切換中可以清掃灰塵。保護(hù)罩狀態(tài)切換是正反旋轉(zhuǎn)180°，動(dòng)力由一直流電機(jī)提供，轉(zhuǎn)動(dòng)角度由固定的限位開關(guān)確定。</p

3、><p>　　除了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本文還完成了該裝置的智能控制系統(tǒng)的電路和軟件的設(shè)計(jì)。其智能控制系統(tǒng)主要包括使用溫度傳感器和光線傳感器作為敏感器件的實(shí)現(xiàn)水溫過(guò)熱自動(dòng)保護(hù)和光線過(guò)低自動(dòng)保護(hù)的自動(dòng)控制部分，以及給予用戶更多控制自由和可在家中長(zhǎng)期無(wú)人狀態(tài)下手動(dòng)開啟保護(hù)以防止集熱管空曬爆管的手動(dòng)控制部分。本裝置總體來(lái)說(shuō)具有低成本，實(shí)用和智能化程度高的特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水器；集

4、熱管；保護(hù)罩；防塵</p><p>　　The design of an intellegent protective device for the collector of solar water heater </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the deterioration of re

5、sources and environment, the solar water heaters which use clean and unlimited resource gain a great development. However, due to the frangibility of the important unit of the solar water heater, the collector, the solar

6、 water heater has problems such as a high temperature of the water will make the parts of the water tank aging and accumulating scale, the collecting process will break the collector when it is lack of water, and the eff

7、iciency of collecting heat will </p><p>　　Despite the design of the mechanical structure of the protection device, this paper also finished the intelligent control system by devising the circuit and writing

8、the program. The control system includes an automatic control mode which have a temperature sensor and a light sensor to detect the temperature of the water and the illumination of the environment thus to control the rot

9、ation of the protection cover automatically and an artificial control mode that gives the user more freedom in cont</p><p>　　Key words: Solar water heater; collector; protection cover; anti-dust目錄</p>

10、<p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 太陽(yáng)能熱水器應(yīng)用現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2 選題意義2</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)

11、外研究3</p><p><b>　　1.4 總結(jié)4</b></p><p>　　第二章 方案論述5</p><p>　　第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 保護(hù)罩方案設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1.1 保護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇7</p><p>　　

12、3.1.2 保護(hù)罩材料的選擇8</p><p>　　3.1.3 除塵刷9</p><p>　　3.1.4 減摩擦凹槽9</p><p>　　3.2 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.3 傳動(dòng)軸定位11</p><p>　　3.4 保護(hù)罩180°旋轉(zhuǎn)限制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)12</p>&

13、lt;p>　　3.5 最終效果13</p><p>　　第四章 控制電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1 系統(tǒng)框圖與功能15</p><p>　　4.2 電機(jī)控制路16</p><p>　　4.2.1 電機(jī)的選擇16</p><p>　　4.2.2 電機(jī)控制原理17</p><

14、p>　　4.2.3 限位開關(guān)控制電機(jī)19</p><p>　　4.3 手動(dòng)控制路21</p><p>　　4.3.1 手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的關(guān)聯(lián)21</p><p>　　4.3.2 手動(dòng)控制的執(zhí)行22</p><p>　　4.4 自動(dòng)控制路22</p><p>　　4.4.1 溫度控制22</p&

15、gt;<p>　　4.4.2 光線控制23</p><p>　　4.5 保護(hù)狀態(tài)顯示25</p><p>　　第五章 軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.1 環(huán)境變量分析26</p><p>　　5.2 總程序流程圖26</p><p>　　5.3 開啟保護(hù)和關(guān)閉保護(hù)子程序流程圖28<

16、/p><p>　　5.4 溫度與光線采集子程序設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.5 程序編寫30</p><p>　　第六章 設(shè)計(jì)總結(jié)31</p><p>　　第七章 未來(lái)展望32</p><p><b>　　致謝33</b></p><p>　　附錄： 控制軟件源程

17、序清單34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)45</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 太陽(yáng)能熱水器應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　隨著科技的進(jìn)步和能源的逐漸枯竭，全球工業(yè)對(duì)新能源的需求變得越來(lái)越高，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷被強(qiáng)調(diào)，新能源得到了越來(lái)越多的關(guān)注

18、。新能源主要包括太陽(yáng)能，核能，風(fēng)能，潮汐能，地?zé)崮艿?，而其中資源最豐富，最安全又最環(huán)保的能源無(wú)疑就是太陽(yáng)能了。</p><p>　　太陽(yáng)能的應(yīng)用主要有三種：第一，間接利用太陽(yáng)能：化石能源（光能轉(zhuǎn)化學(xué)能）生物質(zhì)能（光能轉(zhuǎn)化學(xué)能）；第二，直接利用太陽(yáng)能：集熱器（有平板型集熱器、聚光式集熱器）（光能轉(zhuǎn)內(nèi)能）；第三，太陽(yáng)能電池：（光能轉(zhuǎn)電能）一般應(yīng)用在人造衛(wèi)星、宇宙飛船、打火機(jī)、手表等方面。</p><

19、;p>　　而在這其中，又以直接利用太陽(yáng)能的太陽(yáng)能熱水器發(fā)展規(guī)模最大，而且是離人們的生活最近的，是最常用的。市面上的家用太陽(yáng)能熱水器主要有真空管式，熱管式，U型管式和平板式，其中平板式集熱效率最高（但國(guó)內(nèi)的平板式集熱器受限于技術(shù)并不是最好的），但是不能承受低溫，只能應(yīng)用于冬天溫度不會(huì)低至-20℃的南方地區(qū)；在黃河以北地區(qū)溫度可能低至-20℃，則要求使用真空管式集熱管；在更北的黑龍江地區(qū)則必須使用熱管式。熱管式太陽(yáng)能熱水器雖然能夠承受

20、低溫，管內(nèi)無(wú)水不容易炸管，但是熱效率低，造價(jià)高昂。</p><p>　　太陽(yáng)能熱水器具有綠色環(huán)保，節(jié)約后期投資（純太陽(yáng)能型只需付水費(fèi)）等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在不少的缺點(diǎn)。第一，大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器出水溫度不恒定，而且很容易出現(xiàn)忽冷忽熱的情況；第二，由于上冷水時(shí)會(huì)在屋頂?shù)奶?yáng)能熱水器和家中的噴頭間的水管中留下一部分水無(wú)法進(jìn)入集熱管進(jìn)行加熱，在使用熱水前必須要放掉這一段冷水，而若住戶離樓頂距離很遠(yuǎn)，則會(huì)浪費(fèi)較大量的水；第三

21、，集熱管中的水在加熱到足夠溫度后還會(huì)繼續(xù)被加熱，時(shí)常會(huì)被加熱到沸騰。而長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)高溫度會(huì)使水箱內(nèi)內(nèi)元件，比如密封圈，老化，會(huì)嚴(yán)重影響熱水器的壽命。[]</p><p>　　正是以上幾點(diǎn)嚴(yán)重影響了太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用以及和其他熱水器，如燃?xì)鉄崴?，電熱水器，空氣能熱水器的?jìng)爭(zhēng)力。因此我和其余兩位同學(xué)，歐陽(yáng)鑫和詹來(lái)豐組成了一個(gè)課題組專門研究太陽(yáng)能熱水器的改進(jìn)。歐陽(yáng)鑫主要解決出水不恒溫的問(wèn)題，詹來(lái)豐解決水管中冷水浪費(fèi)的問(wèn)

22、題，而我則是集中于解決集熱管的保護(hù)。</p><p><b>　　1.2 選題意義</b></p><p>　　太陽(yáng)能熱水器是由集熱器、儲(chǔ)水箱及相關(guān)附件組成，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管，集熱管的優(yōu)劣決定了熱水器的集熱效率高低，故是非常核心的部件。集熱器受陽(yáng)光照射面溫度高，集熱管背陽(yáng)面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)，熱水

23、進(jìn)入水箱存儲(chǔ)起來(lái)，以供用戶使用[]。原理圖見圖1-1：</p><p>　　在中國(guó)使用最廣的太陽(yáng)能熱水器是全玻璃真空管式太陽(yáng)能熱水器。真空管集熱管是在玻璃壁與吸熱體之間抽成一定的真空度，以抑制空氣的對(duì)流和傳導(dǎo)熱損。吸熱體表面鍍上一種特殊的涂層代替黑色的吸熱板，還可抑制吸熱體的輻射熱損。因此，真空管集熱器具有比普通平板型集熱器更優(yōu)良的熱性能。在高溫和低溫環(huán)境下均有較高的集熱效率。真空管集熱器按其材料結(jié)構(gòu)可分為全玻璃

24、型和金屬吸熱體型兩大類。其中全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管具有透過(guò)率和吸收率高、熱反射率低、對(duì)流熱損小以及全年使用時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)良特性，同時(shí)制造工藝簡(jiǎn)便，技術(shù)成熟可靠，成本較低，全玻璃真空管熱水器的使用日益廣泛。如圖1-2所示為真空管太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)。[] </p><p>　　集熱管是太陽(yáng)能熱水器的集熱部件，也是核心的部件。集熱管的優(yōu)劣決定了轉(zhuǎn)化效率的高低，而集熱管能否正常工作也決定了熱水器的工作穩(wěn)定程度。雖然如今集熱管的

25、制造工藝成熟，集熱效率高，但是集熱管本身比較脆弱，在惡劣的天氣下，比如冰雹，沙塵暴等，會(huì)造成集熱管的損壞。同時(shí)若集熱管長(zhǎng)時(shí)間暴曬會(huì)造成爆裂，而且吸熱過(guò)多導(dǎo)致水溫過(guò)熱，會(huì)使水箱內(nèi)的非金屬元件加速老化，水箱焊縫裂開、結(jié)水垢，降低其使用壽命。此外由于集熱管表面會(huì)積累灰塵，長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)降低集熱管的集熱效率。再次，光線不足時(shí)集熱管又會(huì)吸熱不足。因此，該課題主要集中于研究如何設(shè)計(jì)保護(hù)其核心部件集熱管的裝置。一旦集熱管得到更好的保護(hù)，真空管熱水器的應(yīng)用

26、必將更加廣泛，并且一定能夠超越其他類型的熱水器。這也是本課題的意義所在。</p><p><b>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究</b></p><p>　　國(guó)內(nèi)外對(duì)于集熱管的保護(hù)方面涉及并不是很多。國(guó)外對(duì)此方面鮮有描述，主要是集中于改進(jìn)水箱，比如采用雙水箱代替單水箱[][]，將集熱管和水箱集成[]，以及電子控制的保護(hù)裝置[]。而國(guó)內(nèi)總體上來(lái)說(shuō)有三種形式的保護(hù)裝置，一是拉簾式

27、保護(hù)裝置，如國(guó)內(nèi)的一項(xiàng)發(fā)明專利“太陽(yáng)能熱水器集熱管自動(dòng)保護(hù)裝置”（專利號(hào)：CN201407839Y）[]和“太陽(yáng)能熱水器集熱控效安全保護(hù)裝置”（專利號(hào)：CN 2893554Y）[]，主要是在熱水器集熱管兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)軌，用電動(dòng)拉簾的形式進(jìn)行保護(hù)。這樣的裝置雖然可以起到過(guò)曬和家中長(zhǎng)期無(wú)人情況的保護(hù)，也可以防冰雹爆竹等墜落物，但是并不能解決除塵的問(wèn)題，而且密不透風(fēng)，在大風(fēng)天氣中擋風(fēng)面積較大，可能加速其緊固螺釘?shù)淖兯?，影響裝置壽命。最后，該裝置僅

28、僅有保護(hù)功能，無(wú)法提高集光效率。二是全封閉式保護(hù)裝置，如專利號(hào)為CN201621867的“分體式太陽(yáng)能熱水器保護(hù)裝置”[]，則是在集熱管上方設(shè)置一塊玻璃板起保護(hù)集熱管的作用，但是并不能防過(guò)曬，也不能自動(dòng)清理灰塵。三則是采用半圓形保護(hù)罩的保護(hù)裝置，如專利號(hào)為CN 201662257的“太陽(yáng)能集熱器調(diào)節(jié)保護(hù)裝置”[]，則是采用設(shè)置于每根集熱管</p><p>　　綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)于太陽(yáng)能集熱管的保護(hù)研究并非空白，但

29、是其解決方案并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，主要是其制造成本控制不當(dāng)，加上機(jī)構(gòu)本身各有缺點(diǎn)，使其實(shí)際效果不如預(yù)期。</p><p><b>　　1.4 總結(jié)</b></p><p>　　由以上幾節(jié)可知，如今的太陽(yáng)能熱水器應(yīng)用前景非常廣泛。但是市面上的太陽(yáng)能熱水器的核心部件集熱管普遍存在缺乏保護(hù)的問(wèn)題。這導(dǎo)致了太陽(yáng)能熱水器在與其他種類的熱水器競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的不力。而同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于集熱管的

30、保護(hù)雖非空白，但卻缺乏低成本而高效率的設(shè)計(jì)方案，因此本課題主要研究的就是如何設(shè)計(jì)出一種最理想的太陽(yáng)能熱水器集熱管保護(hù)裝置。</p><p><b>　　方案論述</b></p><p>　　雖然課題確定為要研究太陽(yáng)能熱水器集熱管的保護(hù)，但是在思考具體方案的過(guò)程中也遇到了不少的問(wèn)題。首先存在的問(wèn)題就是：如何使得整個(gè)保護(hù)裝置對(duì)原有的熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響最??？最初設(shè)想的是只要

31、在集熱管上方設(shè)置一個(gè)簾子，需要時(shí)拉上，不需要時(shí)拉開即可，但是這樣一來(lái)，簾子拉上時(shí)擋風(fēng)面積太大，在大風(fēng)天氣中如同給熱水器加設(shè)了一面帆，風(fēng)力太大時(shí)不僅可能把擋光的簾子刮跑，甚至可能刮動(dòng)熱水器本身，因此該設(shè)計(jì)方案是不行的。繼而又設(shè)想把整塊的簾子改為一條一條的，中間留有縫隙透風(fēng)。但是這種方案也有不足，那就是簾子的材料如何選擇？若是硬質(zhì)的，那么收起時(shí)存在困難；若是軟質(zhì)的，又不夠強(qiáng)度保護(hù)集熱管。經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)久的思考才最終采用了硬質(zhì)半圓形保護(hù)罩的設(shè)計(jì)：每

32、一個(gè)保護(hù)罩與其他保護(hù)罩都是分開的，分別套裝于每一根集熱管上，可繞集熱管轉(zhuǎn)動(dòng)。所有的保護(hù)罩可以同時(shí)聯(lián)動(dòng)。這樣一來(lái)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體性強(qiáng)，還不用擔(dān)心擋風(fēng)的問(wèn)題。保護(hù)罩只有兩個(gè)狀態(tài)：保護(hù)開與保護(hù)關(guān)。半圓形保護(hù)罩轉(zhuǎn)動(dòng)到集熱管上方時(shí)為保護(hù)開，可以遮擋陽(yáng)光與保護(hù)集熱管，起到防過(guò)熱，防砸的功能；而當(dāng)保護(hù)罩轉(zhuǎn)動(dòng)到集熱管下方時(shí)為保護(hù)關(guān)，又可以將漏下的陽(yáng)光利用保護(hù)罩內(nèi)凹面反射回集熱管，起到增加集</p><p>　　以下是本文設(shè)計(jì)

33、的太陽(yáng)能集熱管保護(hù)裝置的幾大特點(diǎn)：</p><p>　　1、結(jié)構(gòu)節(jié)約，一體性強(qiáng)</p><p><b>　　2、防水溫過(guò)熱</b></p><p><b>　　3、防破壞</b></p><p>　　4、防集熱管空曬造成的爆管問(wèn)題</p><p>　　5、關(guān)保護(hù)時(shí)增加集熱效率

34、</p><p>　　6、能夠及時(shí)除塵防止灰塵累積降低集熱效率</p><p><b>　　7、智能化程度高</b></p><p>　　在接下來(lái)的章節(jié)中主要從機(jī)械結(jié)構(gòu)，電路，和軟件三個(gè)方面來(lái)對(duì)我的方案進(jìn)行詳細(xì)描述。本文所設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置是基于皇明HM-18TT21/58-50(W)D型太陽(yáng)能熱水器設(shè)計(jì)的，主要參數(shù)為：管長(zhǎng)2.1m，管數(shù)18支，管

35、徑58mm。其他尺寸則是估計(jì)值。</p><p><b>　　機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 保護(hù)罩方案設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1 保護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　在設(shè)計(jì)集熱管的保護(hù)罩時(shí)，主要有以下三種方案。</p><p><b>　　方案一：</

36、b></p><p>　　如同“太陽(yáng)能熱水器集熱管自動(dòng)保護(hù)裝置”中一般使用拉簾式的設(shè)計(jì)，拉簾的軌道與集熱管軸線平行，如圖3-1所示。但是該設(shè)計(jì)最大的問(wèn)題是整塊拉簾在且安全拉上后沒(méi)有透風(fēng)的間隙，在大風(fēng)天氣中很容易產(chǎn)生巨大阻力，嚴(yán)重時(shí)可能直接被風(fēng)吹得松脫。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　與方案一類似，但將軌

37、道改為橫向，保護(hù)板間留出間隙，如圖3-2所示。這樣的設(shè)計(jì)的最大好處是整個(gè)拉簾有處于集熱管上和下兩種狀態(tài)，在上方時(shí)可以反光防過(guò)熱，而在下方時(shí)又能將漏下的陽(yáng)光向上反射再次進(jìn)入集熱管，達(dá)到增大集熱效率的目的。而且反光板間留有間隙，受風(fēng)的影響較小。不過(guò)該設(shè)計(jì)也有不足，那就是在運(yùn)行擋光功能（保護(hù)開啟）時(shí)，只對(duì)直射的陽(yáng)光有效遮擋，陽(yáng)光斜射時(shí)則有所不足。而且也無(wú)法解決因集熱管積灰塵而導(dǎo)致的效率下降的問(wèn)題。再者，板與帶之間的連接只能是點(diǎn)接觸（在中點(diǎn)固定

38、，否則繞不過(guò)帶輪），裝置穩(wěn)定性不好。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　該方案為最終方案。該方案是以套裝在集熱管上的若干塊保護(hù)罩聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)集熱管的保護(hù)。保護(hù)罩為半圓形罩，通過(guò)兩端嵌入其中的罩堵減小兩端處的內(nèi)徑從而套插在集熱管上，以集熱管本身作為支撐進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，保護(hù)罩與罩堵間用螺釘連接。各保護(hù)罩間由聯(lián)動(dòng)裝置聯(lián)動(dòng)，可以在電機(jī)的帶動(dòng)下在集

39、熱管上旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)到集熱管上方時(shí)，為“保護(hù)開啟”，此時(shí)可以遮擋陽(yáng)光防止管內(nèi)水曬得過(guò)熱。而當(dāng)旋轉(zhuǎn)到集熱管下方時(shí)為“保護(hù)關(guān)閉”，又可以將集熱管未吸收的陽(yáng)光反射回去，起到增加集熱效率的目的。保護(hù)罩的安裝如圖3-3所示。</p><p>　　該方案整體性強(qiáng)，不會(huì)擋風(fēng)，擋光效果好，同時(shí)在保護(hù)罩上加裝刷子可以起到除塵的功能（見3.1.3）。</p><p>　　3.1.2 保護(hù)罩材料的選擇</p&

40、gt;<p>　　材料初選為普通的ABS塑料 []。該材料強(qiáng)度足夠，成本低，同時(shí)較輕便，安裝在集熱管上不會(huì)對(duì)集熱管產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。在其半圓面的凸，凹兩面都涂上反光涂層即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)開啟（保護(hù)罩位于集熱管正上方）則防過(guò)熱，保護(hù)關(guān)閉則增加集熱的效果。</p><p><b>　　3.1.3 除塵刷</b></p><p>　　由于半圓形保護(hù)罩是獨(dú)立設(shè)置在每一根集熱管

41、上的，因此只要在保護(hù)罩內(nèi)表面上加設(shè)沿保護(hù)罩軸向分布的刷子，即可實(shí)現(xiàn)在每一次旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中清除灰塵的效果。由于保護(hù)裝置每一天至少會(huì)開閉一次（對(duì)光線的自動(dòng)感應(yīng)功能要求在照度過(guò)低時(shí)開啟保護(hù)，而照度足夠時(shí)關(guān)閉保護(hù)開始集熱），這樣便使得除塵頻率很高，不用擔(dān)心灰塵積累的問(wèn)題。而刷子上積累的灰塵則可以在下雨時(shí)被自動(dòng)清洗。刷子是軟性材料，圖3-4中未繪制出形變的結(jié)果。</p><p>　　3.1.4 減摩擦凹槽</p>

42、<p>　　由于保護(hù)罩兩端處的罩堵是直接與集熱管表面接觸的，為了減小摩擦，特在罩堵處設(shè)計(jì)了八個(gè)減摩擦凹槽，這樣可以使接觸面積大大減小。</p><p>　　之所以不像1.3節(jié)提到的專利“太陽(yáng)能集熱器調(diào)節(jié)保護(hù)裝置”[11]中那樣使用軸承，一是為了節(jié)約成本（以18支管的太陽(yáng)能熱水器而言，每支裝兩個(gè)6203軸承，則須多花180元，零件的加工會(huì)更加復(fù)雜），二是因?yàn)樵撗b置設(shè)計(jì)為僅僅只是每次轉(zhuǎn)180°

43、，一天最多旋轉(zhuǎn)3、4次，頻率很低，不需要用到軸承。凹槽設(shè)計(jì)如圖3-5所示：</p><p>　　3.2 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　保護(hù)罩的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來(lái)自于一臺(tái)直流電機(jī)，但各保護(hù)罩間的聯(lián)動(dòng)方式則有許多，下面是我考慮過(guò)的幾種方案：</p><p><b>　　方案一：齒輪嚙合</b></p><p>　　該方案?jìng)鲃?dòng)方式

44、簡(jiǎn)單易懂，也是較多類似專利所采用的方案，比如“太陽(yáng)能熱水器保護(hù)裝置”（專利號(hào)：CN 201715760 U）[]。方法是在保護(hù)罩兩端加設(shè)齒輪，保護(hù)罩間兩兩嚙合。但是這種傳動(dòng)方式有幾個(gè)的缺點(diǎn)：其一，數(shù)目眾多的齒輪增加了加工難度，增加了成本，同時(shí)也就降低了易用性；其二，齒輪嚙合處必須加設(shè)保護(hù)板，防止沙石，樹葉等墜落物掉入齒輪之間將其卡住（家用單體式太陽(yáng)能熱水器多用于城郊，農(nóng)村地區(qū)的平房之上），而由于齒輪數(shù)目眾多，必須要有大面積的保護(hù)板方可實(shí)

45、現(xiàn)目的，無(wú)形中又增加了成本。</p><p><b>　　方案二：齒輪齒條</b></p><p>　　該方案為專利“一種太陽(yáng)能熱水器過(guò)熱保護(hù)裝置”（專利號(hào)：CN 201443913 U）[]所使用的方案。該傳動(dòng)方式與上一種類似，特點(diǎn)是齒輪間并不互相嚙合，而是和齒條嚙合電機(jī)帶動(dòng)齒條從而帶動(dòng)所有保護(hù)罩。優(yōu)點(diǎn)是嚙合處不暴露在外，沒(méi)有設(shè)置額外保護(hù)板的必要。但是其齒輪數(shù)目一樣

46、多，還要多加一個(gè)齒條，依然不夠簡(jiǎn)單。</p><p><b>　　方案三：鋼絲繩傳動(dòng)</b></p><p>　　該方案為我最終選定的方案。方法為使用一根軟性鋼絲繩，在每一根保護(hù)罩端凹槽處繞一圈，每一個(gè)保護(hù)罩的一端的上方都有一顆螺釘將該點(diǎn)固定，螺釘是保護(hù)罩的主要受力元件。動(dòng)力由電機(jī)傳遞給傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸上的兩個(gè)主動(dòng)輪則通過(guò)軟性鋼絲繩將其余的保護(hù)罩帶動(dòng)（具體安裝方式見3.

47、4節(jié)圖3.10）。由于在我的設(shè)計(jì)中，保護(hù)開啟是保護(hù)罩正轉(zhuǎn)180°，而關(guān)閉則是反轉(zhuǎn)180°，保護(hù)罩需要轉(zhuǎn)過(guò)的角度只是來(lái)回的180°，故采用這種鋼絲繩傳動(dòng)的方式只需要在每個(gè)保護(hù)罩上繞一圈即可。該方式的優(yōu)點(diǎn)是非常節(jié)省材料，沒(méi)有齒輪加工的環(huán)節(jié)，大大降低了加工成本，同時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)被卡住。</p><p><b>　　3.3 傳動(dòng)軸定位</b></p>&l

48、t;p>　　傳動(dòng)軸一端通過(guò)自制套筒（聯(lián)軸器）與電機(jī)軸相連，一端通過(guò)一個(gè)角接觸球軸承支撐，另一端則通過(guò)鍵帶動(dòng)主動(dòng)輪。主動(dòng)輪直徑與保護(hù)罩相同，帶動(dòng)其余的保護(hù)罩旋轉(zhuǎn)。保護(hù)罩僅一端有鋼絲繩傳動(dòng)，另一端自由轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承固定在軸承座內(nèi)，軸承座通過(guò)一個(gè)墊塊固定在太陽(yáng)能熱水器支架上。軸承的定位方式是一端彈性擋圈，另一端軸肩定位。而主動(dòng)輪的定位方式則是一端軸肩定位，另一端采用雙圓螺母定位。</p><p>　　3.4 保護(hù)罩1

49、80°旋轉(zhuǎn)限制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于一個(gè)低成本高效率的保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)，只需要保護(hù)罩在陽(yáng)光過(guò)大時(shí)旋轉(zhuǎn)至集熱管正上方進(jìn)行遮擋，而在集熱狀態(tài)下轉(zhuǎn)至正下方反射漏下的光線。故只需要控制電機(jī)使得電機(jī)帶動(dòng)保護(hù)罩正，反轉(zhuǎn)180°。因此，我使用了固定于太陽(yáng)能熱水器支架上的上下兩個(gè)限位開關(guān)來(lái)限制直徑與保護(hù)罩端相同的帶動(dòng)保護(hù)罩旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)位置。在限位開關(guān)附近的主動(dòng)輪上有凸起的觸條，用來(lái)接觸限位開關(guān)的

50、觸點(diǎn)。每當(dāng)旋轉(zhuǎn)至規(guī)定位置時(shí)使得限位開關(guān)斷開電機(jī)的電路，使得電機(jī)停轉(zhuǎn)。限位開關(guān)選擇的是RV-162-1C25型微動(dòng)開關(guān)。選擇理由見4.2.3節(jié)。圖3-10為限位原理圖。其實(shí)際安裝方式見圖3-13。</p><p><b>　　3.5 最終效果</b></p><p>　　由于齒輪傳動(dòng)部分，電機(jī)，限位開關(guān)等重要部件需要保護(hù)，甚至在一定程度上防水，故設(shè)計(jì)了一個(gè)保護(hù)盒，將這些

51、關(guān)鍵部件保護(hù)起來(lái)。在下面的圖中為了方便看清楚盒內(nèi)結(jié)構(gòu)，特將盒子改為透明玻璃材料。實(shí)際中可以使用鋼板。主動(dòng)輪固定在傳動(dòng)軸上。主動(dòng)輪直徑與保護(hù)罩相同。加工公差總體要求不高，只有傳動(dòng)軸的軸線跳動(dòng)公差要求較高，另外與軸承配合處要求較高。各零件的公差確定參考《公差與配合實(shí)用手冊(cè)[M]》[]。</p><p><b>　　控制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)框圖

52、與功能</p><p>　　主要需實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1、保護(hù)“開”與“關(guān)”</p><p>　　當(dāng)半圓形保護(hù)罩旋轉(zhuǎn)至集熱管正上方時(shí)為保護(hù)“開”，正下方為“關(guān)”。這兩個(gè)狀態(tài)是平等的，狀態(tài)信號(hào)分別由主動(dòng)輪處的上下兩個(gè)限位開關(guān)輸送給單片機(jī)。同時(shí)由單片機(jī)點(diǎn)亮LED燈進(jìn)行指示，告知用戶此時(shí)的狀態(tài)。保護(hù)罩的旋轉(zhuǎn)由直流電機(jī)帶動(dòng)。同時(shí)，由設(shè)置的限位開關(guān)保證

53、保護(hù)罩每旋轉(zhuǎn)180°就停止。具體的實(shí)現(xiàn)見4.2節(jié)的電機(jī)控制以及4.5節(jié)的顯示控制。</p><p><b>　　2、手動(dòng)控制</b></p><p>　　為了使得系統(tǒng)更加人性化而加入手動(dòng)控制功能。目的是當(dāng)家中長(zhǎng)期無(wú)人時(shí)，需要一直開啟保護(hù)防止集熱管空曬，此時(shí)手動(dòng)選擇“開啟保護(hù)”則可以使得保護(hù)一直開啟。另外，當(dāng)在特殊天氣條件下，例如沙塵暴等，自動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)有誤

54、差時(shí)，可以通過(guò)手動(dòng)來(lái)控制。</p><p>　　當(dāng)手動(dòng)控制開關(guān)置為“開”或“關(guān)”時(shí)，判定為手動(dòng)控制狀態(tài)，保持相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，單片機(jī)不處理來(lái)自傳感器的自動(dòng)控制信號(hào)。手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)見4.3節(jié)。</p><p><b>　　3、自動(dòng)控制</b></p><p>　　當(dāng)進(jìn)入自動(dòng)控制時(shí)，通過(guò)溫度傳感器和光線傳感器采集的數(shù)據(jù)向單片機(jī)申請(qǐng)執(zhí)行保護(hù)“開”

55、或“關(guān)”操作。溫度傳感器采集水箱內(nèi)的水溫，高于設(shè)定值時(shí)申請(qǐng)開啟保護(hù)，阻擋陽(yáng)光防止水溫過(guò)熱；低于設(shè)定值則申請(qǐng)關(guān)閉保護(hù)，進(jìn)入集熱狀態(tài)。后者采集環(huán)境照度，照度低于設(shè)定值時(shí)，申請(qǐng)開啟保護(hù)，防止夜晚煙花爆竹等墜落物，高于設(shè)定值則關(guān)閉保護(hù)進(jìn)入集熱狀態(tài)。具體的實(shí)現(xiàn)見4.4節(jié)。 </p><p><b>　　4.2 電

56、機(jī)控制路</b></p><p>　　4.2.1 電機(jī)的選擇</p><p>　　出于經(jīng)濟(jì)的考慮，而又由于我的控制系統(tǒng)不需要調(diào)整電機(jī)速度，故選擇直流電機(jī)。由于保護(hù)罩狀態(tài)切換速度不能過(guò)快，否則將造成對(duì)限位開關(guān)的沖擊力過(guò)大，故先設(shè)定轉(zhuǎn)速為0.25r/s，也即轉(zhuǎn)180°需要2s。這個(gè)轉(zhuǎn)速在下一節(jié)中經(jīng)過(guò)了驗(yàn)算，是符合限位開關(guān)的沖擊力要求的。保護(hù)罩靜止于集熱管上時(shí)狀態(tài)如圖4-4

57、所示。由于每種熱水器相關(guān)參數(shù)都不相同，在此只對(duì)我選定的型號(hào)的熱水器進(jìn)行一個(gè)估算。保護(hù)罩可以近似看做一根2米長(zhǎng)的PP-R管的一半，其質(zhì)量為：m=(外徑-管厚)管厚密度π=0.8kg，其密度查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[13]取為0.9，集熱管傾角約為30°。由力和力矩平衡可建立方程：</p><p>　　其中d=1000mm。再由靜摩擦力公式：和可以分別得到在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中保護(hù)罩與集熱管間的摩擦力和與熱水器支架的摩擦力

58、。再由公式和可以解得所需的最小功率。上述幾個(gè)公式中，，分別是PP-R管與集熱管和支架間的靜摩擦因數(shù)，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選定為=0.15，=0.18。而r為集熱管的半徑，根據(jù)所選的參考熱水器，該值為29mm。最后計(jì)算得驅(qū)動(dòng)一根保護(hù)罩的最小功率為0.1W，故驅(qū)動(dòng)全部18支所需要的功率為1.8W。</p><p>　　最終所選電機(jī)型號(hào)為GA25Y370直流電機(jī)，額定電壓12V，功率3W，轉(zhuǎn)速15r/m。體積小，價(jià)格便

59、宜。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，完成一次從“保護(hù)開”到“保護(hù)關(guān)”的過(guò)程所需時(shí)間為2s。</p><p>　　4.2.2 電機(jī)控制原理</p><p><b>　　L298N控制原理</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)的芯片采用L298N。L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品, 其內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路, 即內(nèi)含二個(gè)H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器

60、, 接收標(biāo)準(zhǔn)TT L 邏輯電平信號(hào), 可驅(qū)動(dòng) 46V、2A以下的電機(jī)[]。該芯片有一個(gè)控制端ENA，當(dāng)該端接高電平時(shí)，可通過(guò)向輸入端IN1和IN2分別輸入高或低電平控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。在ENA端為高電平時(shí)，且當(dāng)IN1為高，IN2為低電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。而當(dāng)ENA端為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋路上的4個(gè)晶體管全部截止，使正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)自由停止[]。</p><p><b>　　2、電路說(shuō)明

61、</b></p><p>　　如圖4-3所示，P2.4口和P2.5口分別接L298N的IN1和IN2接口，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，而P2.6則接ENA口來(lái)控制電機(jī)的開與關(guān)。OUT1和OUT2口則直接連接電機(jī)。單片機(jī)可以直接通過(guò)這三個(gè)口向L298N芯片發(fā)送控制信號(hào)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)是由單片機(jī)收到自動(dòng)控制或者手動(dòng)控制信號(hào)而主動(dòng)控制的，而停轉(zhuǎn)則是依靠單片機(jī)收到限位開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)而被動(dòng)執(zhí)行的。P

62、2.0和P2.1口分別是保護(hù)狀態(tài)“開”與“關(guān)”的狀態(tài)位，一旦限位開關(guān)1閉合，P2.0會(huì)產(chǎn)生低電平，這個(gè)狀態(tài)定義為保護(hù)狀態(tài)為“開”，同時(shí)由于與門的存在，這個(gè)低電平信號(hào)會(huì)向單片機(jī)申請(qǐng)一個(gè)外部中斷，要求單片機(jī)給L298N芯片ENA口發(fā)送控制信號(hào)，將電機(jī)關(guān)閉。同理，P2.1產(chǎn)生低電平則為“關(guān)”，同樣會(huì)使電機(jī)關(guān)閉。該部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4.2.3 限位開關(guān)控制電機(jī)</p><p&g

63、t;<b>　　限位開關(guān)的選擇</b></p><p>　　限位開關(guān)選擇蘭鳥牌RV-162-1C25型限位開關(guān)，其外形小巧，價(jià)格便宜，適合作為該設(shè)計(jì)的開關(guān)。其允許的最大沖擊力為1.96N，行程1.2mm。由于設(shè)定轉(zhuǎn)速為0.25r/s，需要驗(yàn)算對(duì)該開關(guān)的沖擊力是否符合要求。估主動(dòng)輪上觸條的沖擊質(zhì)量為m=0.05kg，旋轉(zhuǎn)半徑R=36mm.轉(zhuǎn)速0.25r/s，則其線速度v=2πnR=56.52m

64、m/s。根據(jù)限位開關(guān)的行程s=1.2mm可由t=s/v計(jì)算出沖擊時(shí)間為0.021s。再由動(dòng)量定理Ft=mv計(jì)算得F=0.15N。在預(yù)定的0.25r/s轉(zhuǎn)速下沖擊力為0.15N，滿足要求。</p><p><b>　　控制邏輯</b></p><p>　　電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和停止都是由單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)所決定的，不同的是，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)信號(hào)是由自動(dòng)控制或者手動(dòng)控制方式主動(dòng)發(fā)出的，

65、也即在需要旋轉(zhuǎn)時(shí)令其旋轉(zhuǎn)。但電機(jī)的停止控制卻是被動(dòng)的，是當(dāng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)180°以后上面的觸條碰到限位開關(guān)而使單片機(jī)發(fā)出停止信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)從保護(hù)“開”到保護(hù)“關(guān)”的流程如下表（表中各I/O口見4.2.1節(jié)圖4-3的說(shuō)明，“H”代表高電平，“L”代表低電平，“X”代表無(wú)輸入）所示：</p><p>　　表4-1 保護(hù)“開”到保護(hù)“關(guān)”流程</p><p><b>　　4.

66、3 手動(dòng)控制路</b></p><p>　　4.3.1 手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的關(guān)聯(lián)</p><p>　　手動(dòng)控制采用一個(gè)單刀三擲開關(guān)，分別為控制保護(hù)“開啟”，“自動(dòng)”和“關(guān)閉”，具體接法見圖4-3。圖中所示的中間態(tài)為自動(dòng)控制檔，此時(shí)單片機(jī)會(huì)接受來(lái)自傳感器信息的控制。而當(dāng)單刀三擲開關(guān)接1端時(shí)，為“保護(hù)開”，此時(shí)單片機(jī)不接受傳感器信息的控制。該端接單片機(jī)得P2.2口，另一端，2端，接

67、P2.3，“自動(dòng)”路置空。</p><p>　　當(dāng)光線傳感器和溫度傳感器向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)請(qǐng)求執(zhí)行保護(hù)“開啟”或“關(guān)閉”操作時(shí)，必須首先判斷手動(dòng)控制位P2.2和P2.3的狀態(tài)。當(dāng)P2.2和P2.3中有一個(gè)為低電平時(shí)，指示此時(shí)為手動(dòng)控制狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)忽略來(lái)自傳感器的控制信號(hào)。僅當(dāng)P2.2和P2.3都為高電平狀態(tài)時(shí)，才根據(jù)保護(hù)狀態(tài)位P2.0和P2.1的電平狀態(tài)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)操作（若已開，則只執(zhí)行關(guān)閉操作；若已關(guān)，則只執(zhí)行

68、開啟操作）。判斷流程圖見第五章“軟件設(shè)計(jì)”。</p><p>　　實(shí)際使用中，可以使用一個(gè)旋鈕來(lái)選擇三種狀態(tài)，如圖4-6所示：</p><p>　　4.3.2 手動(dòng)控制的執(zhí)行</p><p>　　當(dāng)選擇手動(dòng)時(shí)，當(dāng)首先判斷保護(hù)狀態(tài)位的情況以防止誤操作。</p><p>　　保護(hù)已打開，手動(dòng)選“開”，則僅進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)，忽略傳感器的自動(dòng)控制信號(hào)&l

69、t;/p><p>　　保護(hù)已打開，手動(dòng)選“關(guān)”，則先控制電機(jī)正轉(zhuǎn)至“開”，再取消自動(dòng)控制。</p><p>　　保護(hù)已關(guān)閉時(shí)情況類似。</p><p>　　具體流程圖見第五章“軟件設(shè)計(jì)”。</p><p><b>　　4.4 自動(dòng)控制路</b></p><p>　　保護(hù)裝置的智能化主要體現(xiàn)于自動(dòng)控制上

70、面。自動(dòng)控制主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是從環(huán)境照度的高低判斷白天還是黑夜，在白天時(shí)關(guān)閉保護(hù)，保護(hù)罩保持在集熱管正下方，進(jìn)入增強(qiáng)集熱的狀態(tài)；而當(dāng)進(jìn)入夜晚時(shí)，照度降低，到達(dá)設(shè)定值時(shí)單片機(jī)控制保護(hù)罩進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，此時(shí)可以在夜間防止諸如煙花爆竹的高溫碎屑落下對(duì)集熱管的損壞等情況。同時(shí)，如果在冰雹天氣，或者暴雨天氣，光線同樣非常低的時(shí)候，由于集熱管無(wú)法有效集熱，同樣也可以自動(dòng)使保護(hù)裝置進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，從而在一定程度上防止冰雹等惡劣天氣對(duì)集熱管的破壞。另

71、一個(gè)方面則是通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)熱水箱內(nèi)的熱水溫度，當(dāng)達(dá)到需要的溫度時(shí)（如60℃），開啟保護(hù)，保護(hù)罩旋轉(zhuǎn)至集熱管上方阻擋陽(yáng)光，防止水溫過(guò)熱對(duì)集熱管的損害。對(duì)于溫度檢測(cè)智能化這一思想?yún)⒖剂恕痘趩纹瑱C(jī)的太陽(yáng)能熱水器出水恒溫控制系統(tǒng)》[]，《基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)研究》[]，其他自動(dòng)控制思想則借鑒了《太陽(yáng)能熱水器控制器研制》[]和《一種智能型太陽(yáng)能熱水器控制器的研制》[]。</p><p>　　4.4.1 溫

72、度控制</p><p>　　參考《基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器智能儀》[]一文，溫度控制采用的是DS18B20芯片。美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器，在其內(nèi)部使用了在板（ON-B0ARD）專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建

73、引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。使你可以充分發(fā)揮“一線總線”的優(yōu)點(diǎn)[]。該芯片可以直接與單片機(jī)連接，將采集的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)。通過(guò)在單片機(jī)內(nèi)與預(yù)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷何時(shí)溫度過(guò)高，溫度過(guò)高時(shí)控制電機(jī)開啟保護(hù)。連接電路見圖4.7。</p><p>　　溫度控制主要比較參數(shù)為水箱內(nèi)水溫，高于一定值時(shí)啟動(dòng)保護(hù)。根據(jù)一般生活習(xí)慣，設(shè)定該值為60℃。</p><p>

74、　　4.4.2 光線控制</p><p>　　光線控制主要依靠一個(gè)光敏電阻檢測(cè)照度。光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電

75、阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)，亮電阻值在幾千歐以下[]。</p><p>　　為了更好地處理光敏電阻的阻值變化情況，并將其輸入單片機(jī)，特實(shí)用一塊NE555芯片與之相連。NE555芯片中有一個(gè)雙極型時(shí)基電路，是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。該芯片原本是用來(lái)取代體積大、定時(shí)精度差的熱延遲繼電器等機(jī)械式延遲器，但該器件投放市場(chǎng)后，人們發(fā)現(xiàn)這種電路的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原設(shè)計(jì)的

76、使用范圍，用途非常廣泛。由555芯片組成的轉(zhuǎn)換電路具有價(jià)格低、精度高、線性好等特點(diǎn)。</p><p>　　555引腳功能定義如下：引腳1為地；引腳2為觸發(fā)輸入低置位端( T R)；引腳3為輸出端；引腳4為主復(fù)位端(R)；引腳5為控制電壓端(可調(diào)節(jié)輸入置位電壓VC )；引腳6為閾值輸入端(TH)；引腳7為放電端(DISC)，可接定時(shí)電容；引腳8為電源端(VCC)[]。</p><p>　　光

77、線控制主要比較參數(shù)為環(huán)境的照度，低于一定值時(shí)啟動(dòng)保護(hù)。根據(jù)《有關(guān)發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度的簡(jiǎn)單介紹》[]一文中的介紹，設(shè)定該值為100lx。RL光敏電阻在白天高照度時(shí)的阻值呈低阻狀態(tài)，NE555的2、6腳輸入電壓大于(2/3)Vcc，其3腳輸出低電平。夜間，也即低照度情況下光敏電阻RL呈高阻值，使NE555輸入瑞電壓小于(1/3)Vcc，3腳翻轉(zhuǎn)為高電平。故可通過(guò)判斷與NE555的3腳相連的單片機(jī)的P3.5口的電平狀態(tài)來(lái)判斷照度是否高于設(shè)

78、定值。在實(shí)際使用中，可以在整體裝配前先對(duì)光線檢測(cè)模塊進(jìn)行測(cè)試調(diào)整，設(shè)定符合用戶需求的轉(zhuǎn)換照度點(diǎn)。例如可以將低于100lx的情形定義為“夜間”，通過(guò)調(diào)試使得此時(shí)NE555輸出高電平。調(diào)試完成后再將光線檢測(cè)模塊連到整個(gè)系統(tǒng)里去就可以工作了。最終的光線檢測(cè)部分電路如圖4-9所示：</p><p>　　4.5 保護(hù)狀態(tài)顯示</p><p>　　由于保護(hù)狀態(tài)只有“開”與“關(guān)”兩種狀態(tài)，故只需要用兩個(gè)

79、LED分別顯示即可。綠色LED燈顯示“保護(hù)開”，紅色LED燈則顯示“保護(hù)關(guān)”。顯示面板和電路的連接如圖4-10所示。顯示面板上寫有“保護(hù)開”與“保護(hù)關(guān)”文字。</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.1 環(huán)境變量分析</p><p>　　一天之中，總共可能出現(xiàn)的溫度和光線情況及其對(duì)應(yīng)的實(shí)際情形以及應(yīng)該執(zhí)行的保護(hù)操作

80、如下表所示：</p><p>　　表5-1 一定溫度照度對(duì)應(yīng)的保護(hù)狀態(tài)</p><p>　　由表可知，只要水溫高于了60℃，則必須向單片機(jī)申請(qǐng)開啟保護(hù)。而水溫低于60℃時(shí)，只有照度高于100Lx時(shí)才關(guān)閉保護(hù)。</p><p>　　5.2 總程序流程圖</p><p>　　根據(jù)5.1節(jié)對(duì)環(huán)境變量的分析，可以畫出整個(gè)程序的流程圖如圖5-1所示。

81、其中，判斷“手動(dòng)開？”和“手動(dòng)關(guān)？”為判斷手動(dòng)控制有沒(méi)有打開，如果打開了，則跳過(guò)采集光線和溫度信息的步驟，直接執(zhí)行相應(yīng)的操作。如果沒(méi)有打開，才進(jìn)入自動(dòng)控制部分，進(jìn)行光線和溫度信息的采集。而判斷“保護(hù)已打開？”則是判斷保護(hù)狀態(tài)位的情況而避免操作沖突。</p><p>　　5.3 開啟保護(hù)和關(guān)閉保護(hù)子程序流程圖</p><p>　　開啟保護(hù)需要執(zhí)行的操作主要為電機(jī)正轉(zhuǎn)180°，置保護(hù)

82、狀態(tài)為“開”（P2.0=0，P2.1=1），和將狀態(tài)送顯（點(diǎn)亮綠色LED燈）；關(guān)閉保護(hù)則是使電機(jī)反轉(zhuǎn)180°，置保護(hù)狀態(tài)為“關(guān)”（P2.0=1，P2.1=0），點(diǎn)亮紅色LED燈。兩個(gè)子程序的流程圖如圖5.2所示。每次判斷狀態(tài)必須判斷狀態(tài)口是否為低電平才執(zhí)行相應(yīng)操作，如要想進(jìn)行開啟操作，必須判斷是否已關(guān)閉，而想進(jìn)行關(guān)閉操作必須判斷是否已打開。因?yàn)樵诒Ｗo(hù)罩旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的2s鐘內(nèi)，兩個(gè)狀態(tài)口P2.0和P2.1都是高電平，不能通過(guò)開啟狀

83、態(tài)口P2.0為高電平判定P2.1口為低，必須檢測(cè)到P2.1口確實(shí)為低電平才能視為已關(guān)閉。</p><p>　　另外，這兩個(gè)子程序?qū)嶋H執(zhí)行的只到“電機(jī)正轉(zhuǎn)”和“電機(jī)反轉(zhuǎn)”以及亮燈的步驟，其余幾步流程都是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)到達(dá)了指定位置而被動(dòng)產(chǎn)生的。流程圖見圖5-2。</p><p>　　5.4 溫度與光線采集子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　溫度采集使用的是DS18B20芯片

84、。DS18B20無(wú)論是硬件連接還是輸出溫度數(shù)據(jù)格式都非常簡(jiǎn)單明了，但是程序的控制較為復(fù)雜,而且必須嚴(yán)格按照通信協(xié)議來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，否則將得不到正確的數(shù)據(jù)。通過(guò)單線總線與DS18B20通信，我們將使用到“時(shí)隙”的概念。所有的單總線器件要求采用嚴(yán)格的通信協(xié)議以保證數(shù)據(jù)的完整性該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型復(fù)位脈沖應(yīng)答脈沖寫0 寫1 讀0 和讀1。 所有這些信號(hào)除了應(yīng)答脈沖以外都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)并且發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。這一點(diǎn)與多數(shù)

85、串行通信格式不同（多數(shù)為字節(jié)的高位在前）。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500us，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號(hào)后等待16～60us左右，后發(fā)出60～240us的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功[

86、]。由此設(shè)計(jì)的溫度采集子程序流程圖如圖5-3所示：</p><p>　　由于采用NE555芯片不需要編程，故光線采集部分是不需要子程序的。只需要判斷P3.5口的電平狀態(tài)即可。設(shè)定的100lx的值是在實(shí)際環(huán)境下調(diào)整光線采集模塊的滑動(dòng)變阻器阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定的。</p><p><b>　　5.5 程序編寫</b></p><p>　　為了高速有效的實(shí)

87、現(xiàn)通信，整個(gè)程序使用匯編語(yǔ)言編寫，程序清單見附錄。溫度采集子程序參考了《51單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例詳解》[]一書。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　自選了此課題一來(lái)，一直嘗試著深入了解太陽(yáng)能熱水器這個(gè)行業(yè)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)過(guò)對(duì)新舊知識(shí)的學(xué)習(xí)了解與鞏固，逐漸發(fā)現(xiàn)了集熱管的保護(hù)在太陽(yáng)能熱水器改進(jìn)的方面是非常重要的一環(huán)，因此一直集中于設(shè)計(jì)一種集熱管的

88、保護(hù)裝置。</p><p>　　整個(gè)設(shè)計(jì)中，為了能使自己的設(shè)計(jì)在未來(lái)能夠有應(yīng)用的機(jī)會(huì)，我一直本著“低成本，高效能”的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。確定保護(hù)罩方案時(shí)，為了節(jié)約成本，在不影響其實(shí)際效果的前提下以在保護(hù)罩端開減摩擦槽并直接套裝于集熱管的方式代替使用軸承，減少了36個(gè)軸承的使用。另外，確定傳動(dòng)方案時(shí)，由于我的控制方案中只要求保護(hù)罩旋轉(zhuǎn)180°，故采用了鋼絲繩傳動(dòng)的方式而非齒輪傳動(dòng)或齒輪齒條，這樣也減少了36個(gè)齒

89、輪的加工。整個(gè)設(shè)計(jì)中的保護(hù)罩結(jié)構(gòu)與其他人的設(shè)計(jì)相比十分簡(jiǎn)單，制造容易，成本低廉。另外，所選的電機(jī)，限位開關(guān)等元件也都十分便宜。除了成本低廉以外，該機(jī)械結(jié)構(gòu)具有一體性強(qiáng)，不容易被大風(fēng)影響，同時(shí)保護(hù)開啟時(shí)防過(guò)熱防墜落物，保護(hù)關(guān)閉時(shí)增加集熱，另外在保護(hù)狀態(tài)切換過(guò)程中還能夠除灰塵防止灰塵累積降低集熱效率。因此該機(jī)械結(jié)構(gòu)是非常優(yōu)秀且實(shí)用的。</p><p>　　除了機(jī)械結(jié)構(gòu)上的優(yōu)秀，智能化方面也頗具實(shí)用性。智能控制方面主要

90、是分為了手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，由用戶通過(guò)旋鈕開關(guān)選擇。當(dāng)選擇自動(dòng)時(shí)由控制芯片AT89S52讀入水溫?cái)?shù)據(jù)和環(huán)境照度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)水溫足夠后啟動(dòng)保護(hù)，將陽(yáng)光遮擋，阻止集熱管集熱；而當(dāng)溫度不足時(shí)則關(guān)閉保護(hù)，同時(shí)不僅不遮擋陽(yáng)光，還能夠反射從集熱管漏下的陽(yáng)光，提高了集熱效率。另外，當(dāng)環(huán)境照度過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)，可以在夜間防止煙花爆竹等碎片砸壞集熱管，也可以在惡劣的天氣，如暴雨，冰雹等條件下對(duì)集熱管起到保護(hù)作用。而用戶也能夠選擇手動(dòng)操作開

91、啟與關(guān)閉，當(dāng)家中將會(huì)長(zhǎng)期無(wú)人時(shí)可以手動(dòng)選擇開啟保護(hù)，防止因?yàn)榧療峁軆?nèi)無(wú)水空曬造成的集熱管爆裂。</p><p>　　總之，整套裝置成本低廉，實(shí)用，智能化程度高，如果能夠得到廣泛應(yīng)用將能夠很好地解決太陽(yáng)能集熱管怕過(guò)熱怕空曬怕墜落物等問(wèn)題。</p><p><b>　　未來(lái)展望</b></p><p>　　雖然由于時(shí)間和資源所限，沒(méi)有能夠?qū)⑺O(shè)計(jì)的

92、整套裝置制作出來(lái)，因此無(wú)法進(jìn)行實(shí)際的效果測(cè)試。也沒(méi)有辦法做實(shí)驗(yàn)來(lái)確定例如所設(shè)計(jì)的保護(hù)罩材料強(qiáng)度是否足夠抵擋冰雹，能夠抵擋多大的冰雹，擋光效果如何等，但是可以肯定的是整個(gè)設(shè)計(jì)思路是沒(méi)有問(wèn)題的。只要再有一點(diǎn)時(shí)間把制造方面的一些問(wèn)題解決，其應(yīng)用前景必然是廣闊的。在未來(lái)的工作中，主要就是要經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試確定選用的保護(hù)罩材料強(qiáng)度是否足夠，安裝是否方便等問(wèn)題。</p><p>　　另外，在設(shè)計(jì)除塵刷的過(guò)程中，其自然清潔真空管的

93、特性讓我有了另一個(gè)設(shè)計(jì)思路，就是將這種自然清潔的原理應(yīng)用于家中的推拉式玻璃窗。可以在窗戶玻璃內(nèi)外表面設(shè)置一排豎直的刷子，刷子固定在窗戶導(dǎo)軌基座上，不隨開關(guān)窗戶運(yùn)動(dòng)。這樣一來(lái)，在人開關(guān)窗戶的過(guò)程中可以被動(dòng)地清理窗戶上的灰塵。用戶開關(guān)窗越勤，窗戶便越能保持干凈，大大節(jié)省了用戶清理窗戶的時(shí)間，也解決了不方便清理窗戶外表面的困難。只是由于這個(gè)方案與我的課題并無(wú)關(guān)聯(lián)，時(shí)間也不允許我繼續(xù)思考下去，否則應(yīng)該可以在這方面同樣有所創(chuàng)新。</p>

94、;<p><b>　　致謝</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的設(shè)計(jì)和開發(fā)，本課題已經(jīng)基本完成。先要感謝xx老師在這段時(shí)間里的悉心指導(dǎo)，大大開闊了我的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)也感謝xx學(xué)姐的指點(diǎn)，以及提出的齒輪嚙合需要保護(hù)罩的建議，還要感謝做太陽(yáng)能熱水器節(jié)水方案的研究的xx同學(xué)和做太陽(yáng)能熱水器出水恒溫控制研究的xx同學(xué)的幫助，經(jīng)過(guò)大家互相討論才有了如今的想法和設(shè)計(jì)。</p&g

95、t;<p>　　太陽(yáng)能熱水器集熱管保護(hù)裝置功能設(shè)計(jì)基本符合要求，但是由于自己本身水平有限和設(shè)計(jì)時(shí)間較短，所以該系統(tǒng)還有許多不盡如人意的地方，將在日后的時(shí)間繼續(xù)完善。</p><p>　　附錄： 控制軟件源程序清單</p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　TEMPER_LEQU 36H</p><p>

96、;　　TEMPER_HEQU 35H</p><p>　　TEMHCEQU 37H ;設(shè)置溫度符號(hào)標(biāo)志位</p><p>　　TEMINTEQU 38H ;設(shè)置整數(shù)顯示寄存器</p><p>　　TEMDOT EQU 39H ;設(shè)置小數(shù)顯示寄存器</p><p>　　FLAGE1BIT 00

97、H ;設(shè)置標(biāo)志</p><p>　　SENSORBIT P2.7 ;SENSOR為DS18B20的單線控制變量</p><p>　　LJMP MAIN</p><p>　　ORG 0003H ;外部中斷0入口地址</p><p>　　LJMP SUB

98、 ;轉(zhuǎn)外部中斷0服務(wù)程序入口地址</p><p>　　ORG 0200H</p><p><b>　　MAIN: </b></p><p>　　MOV TCON, #01 ;外部中斷0選擇邊沿觸發(fā)方式</p><p>　　MOV IE, #10000001B ;CPU

99、開中斷，外部中斷0開中斷。</p><p>　　L1: JNB P2.2,JUG1_0 ;判手動(dòng)開，P2.2為低電平時(shí)跳轉(zhuǎn) </p><p>　　LCALL DELAY5 ;延時(shí)5ms </p><p><b>　　SJMP L2</b></p><p>&l

100、t;b>　　JUG1_0:</b></p><p>　　LCALL DELAY5 </p><p>　　LCALL DELAY5 </p><p>　　JNB P2.2,JUG_OFF_0 ;確實(shí)有鍵按下，轉(zhuǎn)JUG_OFF_0。</p><p>　　SJMP L1

101、;有誤讀，轉(zhuǎn)L1。</p><p>　　JUG_OFF_0:</p><p>　　LCALL JUG_OFF ;調(diào)判斷保護(hù)是否已關(guān)閉子程序</p><p>　　SJMP L1 ;執(zhí)行完畢返回</p><p>　　OPEN1：LCALL OPEN ;

102、調(diào)開啟保護(hù)子程序</p><p><b>　　SJMP L1</b></p><p>　　L2: JNB P2.3,JUG2_0 ;判手動(dòng)關(guān)，P2.3為低電平時(shí)跳轉(zhuǎn) </p><p>　　LCALL DELAY5 ;延時(shí)5ms </p><p><b&g

103、t;　　SJMP L3</b></p><p><b>　　JUG2_0:</b></p><p>　　LCALL DELAY5 </p><p>　　LCALL DELAY5 </p><p>　　JNB P2.3,JUG_ON_0 ;確實(shí)有鍵按下，轉(zhuǎn)JUG_ON_0。<

104、/p><p>　　SJMP L2 ;有誤讀，轉(zhuǎn)L2。</p><p><b>　　JUG_ON_0:</b></p><p>　　LCALL JUG_ON ;調(diào)判斷保護(hù)是否已打開子程序</p><p>　　SJMP L2

105、</p><p><b>　　CLOSE1:</b></p><p>　　LCALL CLOSE ;調(diào)關(guān)閉保護(hù)子程序</p><p><b>　　SJMP L1</b></p><p>　　L3: LCALL GET_TEMPER ;調(diào)溫度

106、采集子程序</p><p>　　MOV A，TEMPER_H</p><p>　　MOV A，TEMPER_L ;裝入采集到的溫度值</p><p>　　CJNE A，#61，L4 ;與61比。</p><p>　　L4: JNC JUG_OFF_0 ;結(jié)果&g

107、t;60，則轉(zhuǎn)判斷保護(hù)是否關(guān)閉</p><p>　　MOV B,#00H ;小于或等于60，則準(zhǔn)備調(diào)光線測(cè)量結(jié)果</p><p>　　MOV C,P3.5 ;讀入P3.5口的電平狀態(tài)，判斷光線情況。 </p><p>　　L5: JC JUG_OFF_0

108、 ;高電平跳轉(zhuǎn)（也即此時(shí)照度<100lx），則轉(zhuǎn)判斷保護(hù)是否關(guān)閉。</p><p>　　LJMP JUG_ON_0 ;為低電平則說(shuō)明照度高于100lx，則轉(zhuǎn)判斷保護(hù)是否開啟</p><p>　　JUG_OFF: ;判斷保護(hù)是否已關(guān)閉子程序</p><p>　　JNB P2.1,J

109、UG_OFF_1 ;讀關(guān)狀態(tài)P2.1口，為低電平時(shí)轉(zhuǎn)JUG_ON_1</p><p>　　LCALL DELAY5 ;延時(shí)5ms </p><p><b>　　RET </b></p><p>　　JUG_OFF_1:</p><p>　　LCALL DELAY5 </p>