太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法

2023-05-22 10:25:31 2

專利名稱：太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法
技術領域：
本發明涉及一種供水系統上水管路智能監測控制方法，特別涉及一種裝有浮球閥的太陽能 熱水器上水管路智能監測和控制或用於不配有浮球閥的太陽能熱水器的上水管路智能監測和控 制、報警方法，提供用於解決上水管路因老化、凍裂所造成的管道破裂所引起的跑水、漏水問 題的技術方案。
背景技術：
太陽能熱水器由於節能、環保、使用方便，現已被人們廣泛用r採暖和提供熱水，深受歡 迎。但在使用過程中人們發現，由於太陽能熱水器通常是問定放置在建築物(樓房)的上面， 上下水管道總有部分是露在外面的(或上面有一些保護層)，極易受到曝曬或嚴寒的侵蝕，使這 部分管道老化或凍裂，造成跑水、漏水問題。特別是充滿水的上水管道，由於水有反膨脹現象，在寒冷的冬季，很容易將上水管道脹裂，造成上水管道跑水、漏水；此外，配有浮球閥的太陽能，在長期使用過程中，浮球閥也有可能出現故障，引發跑水、漏水問題。家用太陽能常用人工供水和自動供水兩種供水方式。6動供水方式是在水箱進水口加裝一種浮球控制閥，當水加滿時自動關閉閥門，不需人工值守，給使用者帶來不少方便。但是，就 是這種供水方式，如果是在長期不用的情況下，在上水管道出現破裂，跑水、漏水很難發現， 極易造成浪費。發明內容技術問題本發明的目的是提供一種太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法，用於解決 因管路老化、受凍等引起的上水管路破裂故障而造成的跑、漏水問題。它能夠根據太陽能熱水 器的容量自動控制上水，並且在上水管路破裂時，能夠及時發出報警或及時自動關閉上水閥門 (電磁閥)，從而避免跑水、漏水等造成的浪費現象發生。技術方案本發明的太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法基於太陽能熱水器上水管路 智能控制報警器，包括安裝在上水管路上的水流傳感器、單片機控制系統、報警裝置、電磁閥。 單片機控制系統的採樣信號輸入端接水流傳感器的脈衝信號輸出端，採集由水流傳感器得到的 水流傳感信號；單片機控制系統的報警信號輸出端接報警裝置，由單片機控制系統發出的報警 信號驅動報警裝置；單片機控制系統的控制信號輸出端接電磁閥，由單片機控制系統發出的控測和控制，在上水管路發生破裂、跑水時能夠及時 發出報警信號，避免跑水所造成的浪費。在方式l (圖l)的系統中選用常開型電磁閥，使得該 系統即使在停電時也不影響太陽能熱水器的正常使用。本發明中的單片機控制系統在上水時能對上水過程進行監測和控制，在上水停止時，自動 進入休眠狀態，達到節電之目的。本發明在首次使用時，系統需要一個學習過程，以便記錄太陽能熱水器的水箱容量。若太 陽能配有浮球閥，學習過程是6動完成的。在不配有浮球閥的情況下，這一過程中需要人工配合o本發明在初次使用時要求太陽能上水管道暢通，能夠正常上水，且太陽能水箱處於放空狀 態，以便本發明能夠自動完成對水箱容積的自動計算。本發明設有3個輔助按鍵，如圖3所示。按鍵S1為"手動喚醒"按鍵，S2為"首次使用" 按鍵，S3為"上水滿"按鍵。"手動喚醒"按鍵S1常用於不配有浮球閥而配有電磁閥(本發明 的方式l)情況下的半自動上水；"首次使用"按鍵S2用於初始化設定值，"上水滿"按鍵S3， 用於不配有浮球閥而配有電磁閥(本發明的方式1)情況下，首次使用時人工通知系統"太陽 能水箱已上滿水"，以便系統記錄新的設定值，同時關閉電磁閥。下面結合圖4並參考圖3，詳細描述本發明的」:作過程和步驟。1、 "上電、打開電磁閥"上電時，單片機上電復位後，固化在單片機中的程序進行初始化，同時發出打開電磁閥指 令，使圖3中U1的P1.6(18腳)為高電平，LED3滅。儘管所選用的是常開型電磁閥，也要確保 電磁閥在上電時處於打開狀態，以保證太陽能上水管道暢通，以便上水；系統上電復位將單片 機系統自動喚醒，使單片機處於上水監控狀態。若上水管此時沒有水流(可能是由於水錶總閥沒有打開等原因造成的)，則單片機進入休眠 狀態。2、 上水監控狀態上水監控狀態分為兩種情況，即"首次使用"情況和"非首次使用"情況。 "首次使用"情況下，記錄"設定值"的存儲器(圖3中的五s屍i OM 24C01)中存儲的 是特定值"OFFFFFFF印"，表示太陽能的水箱容積為無限人。上水過程由單片機監控，上水量由 單片機計量，在此過程中，單片機的P1.7周期性地輸出脈衝信號，LED1閃亮，不斷地讓CD4060 清零，CD4060的Q4輸出為低電平，三極體V2截止。在配有浮球閥的情況下，水箱的水上滿時，浮球閥在浮力的作用下，自動關閉，上水停止，在設定時間內(由單片機中的定時器TO控制)單片機檢測不到由水流傳感器輸入的脈衝信號， 單片機就自動將所記錄的流量值存儲到￡2/^0〃存儲器中，作為新的設定值(不同於初始設 定值)。清上水標誌，發出休眠指令，使單片機處於休眠狀態，此時，單片機的P1.7為低電平, 發光二極體LED1亮，CD4060的12腳(RESET)為低電平，處於正常計數狀態，為喚醒單片機， 以便為下一個上水過程的實時監控做好準備。在沒有配浮球閥的情況下，首次使用要由人J:根據冋流判斷水箱的水是否上滿。當水上滿 時，人工適時按下"水上滿"按鍵，這時單片機首先關閉電磁閥，LED3亮，停止上水，在不配 有電磁閥的情況下，應適時關閉手動球閥。單片機這時就S動將所記錄的流量值存儲到 ^IP及OM存儲器中，作為新的設定值(不同於初始設定值)。清上水標誌，發出休眠指令，使 單片機進入休眠狀態。此時，單片機的Pl. 7為低電平，LED1亮，CD4060的12腳(RESET)為 低電平，處於正常計數狀態，為使單片機脫離休眠狀態，以便對下一個上水過程的進行監控做 好準備。"非首次使用"情況下，上水監控過程是從單片機的休眠狀態開始的。在單片機處於休眠 狀態的情況下，上水管的水流帶動水流傳感器(1)中的渦輪旋轉，水流傳感器輸出脈衝信號， 喚醒電路對這一脈衝進行計數，計數的目的是為了提高系統的抗幹擾能力。如果水流傳感器連 續輸出16個脈衝，即表示正常上水，CD4060的7腳(Q4)輸出高電平，通過二極體D2，電阻 R9， Rbe使三極體V2導通，電容Cl通過V2迅速放電。當水流傳感器繼續輸出到第32個脈衝 時，CD4060的7腳(Q4)又輸出低電平，二極體V2截止，電源通過R7, Cl,在Rll上形成一 個正脈衝信號，通過二極體D1送至單片機的RST (第l腳)端，使單片機復位，喚醒單片機， 使單片機進入監控狀態，置上水標誌，並對上水量進行計量。在單片機進入監控過程中，喚醒電路充當"看門狗"電路，單片機在程序運行過程中會周 期性地從Pl. 7(第19腳)輸出脈衝信號(餵狗信號)，以保證單片機正常運行。"非首次使用"情況下，太陽能水箱裡的水位會由T用水而降低，浮球閥在重力的作用下 打開，自動上水。由於用水的間斷性，每次監控過程中的上水量都不會超過首次使用的設定值。 在上水量不超過設定值的情況下，如果水滿浮球閥關閉，停止上水，則單片機發出休眠指令， 進入休眠狀態。如果由於上水管路破裂，出現意外跑水現象，上水管路就會連續上水，上水量會超出設定 值(首次使用時所計量的水箱容量)，這時單片機就會發出報警信號，關閉屯磁閥。發出報警信 號的目的是讓使用者注意排除管道故障，關閉電磁閥的目的是為了減少跑水所造成的浪費。報 警信號為LED2閃亮，LS1發出報警聲音。有益效果本發明的太陽能熱水器上水管路智能控制報警器，包括連接在上水管路中的"水 流傳感器"，連接在供水管道中的"電磁閥門"以及連接在傳感器和電磁閥門之間的"單片機控制系統"，還包括用於報警的聲響裝置，如喇叭、音樂集成電路等。1、 連接在上水管路中的水流傳感器由固定有磁鋼的渦輪和殼體組成。殼體的外側固定有霍 爾器件，殼體構成管道的一部分。在上水時，由於水的流動帶動渦輪旋轉，從而固定在渦輪上 的磁鋼也跟著旋轉。當磁鋼轉到霍爾器件對應位置時，霍爾器件產生脈衝。所產生的脈衝既代 表上水開始或正在上水，也可用於對上水量的計量。也就是說該傳感器即可用作水流傳感器， 也可用作流量傳感器，從而與單片機配合可對上水量進行計量。2、 單片機系統用於接收"水流傳感器"發出的脈衝信號，並判斷"開始上水"、"連續上水"、 "停止上水"等不同情況。正常情況下，在連續上水狀態下對上水量進行計量，當上水量達到或少於設定量(與太陽能容積相對應)時，若單片機系統一段時間內持續檢測不到"水流傳感 器"發出的脈衝信號，說明上水已經停止，這時單片機發出休眠指令，單片機便自動進入休眠 狀態，達到節電的目的；當上水量超過設定量時，而單片機檢測到仍然在繼續上水時，說明上 水管路上有跑水現象發生，單片機發出關閉連接在上水管道中的電磁閥指令，關閉電磁閥門， 並發出"聲、光"報警信號，直到故障排除，以免造成跑水浪費。3、 單片機系統的休眠喚醒由水流傳感器輸出的脈衝信號驅動喚醒電路自動完成。當單片機 系統處於休眠狀態時，水流傳感器輸出的脈衝信號，經喚醒電路使單片機復位，從而使單片機 進入"監測和控制狀態"。


圖1太陽能熱水器上水管路智能控制報警器系統組成(方式1), 圖2太陽能熱水器上水管路智能控制報警器系統組成(方式2)， 圖3太陽能熱水器上水管路智能控制報警器單片機控制系統原理圖， 圖4太陽能熱水器上水管路智能控制報警器工作流程圖。
具體實施方式
如圖l所示(方式l)，它由水流傳感器l、單片機控制系統2、報警裝置3、電磁閥4、上 水管路5組成。適用於配有浮球閥的太陽能熱水器或不配有浮球閥的太陽能熱水器的上水管路 監控或報警。若太陽能熱水器配有浮球閥，正常情況下電磁閥只起到輔助作用，這時可採用方 式2(如圖2所示)，即可省去電磁閥。太陽能熱水器上水管路智能控制報警器，其工作過程如圖4所示，電磁閥選用常開型，當 太陽能上滿水時，由浮球閥自動停止上水，本發明起到對上水及上水管路監測作用。 一旦由於 管道破裂跑水超過太陽能容量，單片機系統檢測到上水管路還在繼續上水，則單片機立即發出 故障報警信號，並自動關閉電磁閥，直到故障排除。當水通過水流傳感器時，水流傳感器就會輸出脈衝信號，該脈衝信號不僅代表上水管路正 在上水，每一個脈衝信號還代表有一定量的水從水流傳感器流出。因此，利用該水流傳感器不 僅可以檢測上水管路的上水狀態，也可以配合單片機對上水量進行計量。實施系統圖如圖1、圖2所示，其中的單片機控制系統2的原理圖如圖3所示。下面結合 原理圖3對本發明的工作原理進行詳細說明。圖3中所用到的單片機為Atmel89c2051。由CD4060 及其外圍的電阻R7、 R8、 R9、 Rll、 Rbe,發光二極體LEDl,三極體V2,電容Cl, 二極體D1、 D2構成了單片機的復位電路和休眠喚醒電路。上電時，CD4060的第7腳(Q4)輸出為低電平， 經電阻R9、 Rbe使得NPN三極體V2處於截止狀態，電源VCC經電阻R7，電容C1在電阻R11上 形成一個寬度大於10ms的正脈衝，經二極體D1傳到單片機的l腳(RST)，使單片機復位，進 入正常運行程序。單片機在程序運行過程中，周期性地通過Pl. 7(第19腳)給CD4060的第12 腳(RESET)輸入正脈衝信號，使CD4060的計數器各級輸出"0",即保持第7腳為低電平，三 極管V2處於截止狀態。Rl串接LED1作為單片機Pl. 7的上拉電阻，同時Pl. 7在低電平時也為 LED1提供驅動電流，驅動電流的大小受R1的限制，由丁-單片機的口線可以提供20mA的灌電流， 所以Rl可以選100O"—400Q ，滿足LED1正常發光耍求，LED1常亮表示單片機處於休眠狀態， 閃亮表示單片機處於監控狀態。霍爾元件l-3 (A1141)的第3腳輸出的脈衝信號分兩路， 一路 直接輸入CD4060的第11腳(外部脈衝輸入腳ZI)用作CD4060的計數脈衝信號，另一路經電 阻R5、 NPN三極體V1送入單片機的第6腳(P3. 2/^75)，單片機的/ATO中斷響應程序對該 脈衝信號進行計數，並作為太陽能熱水器上水量的依據。當上水呈達到設定值時，單片機的Pl. 6 輸出低電平使V3導通，吸合繼電器，關閉上水電磁閥，P3. 7驅動發光_1極管LED2常亮，表示 水已上滿，且已經停止上水。如果沒有電磁閥，0動關閉上水由浮球閥完成。當單片機判斷水 已上滿，而水流傳感器仍有計數脈衝輸出，則P1.2輸出高電平觸發蜂鳴器發聲，P3.7驅動發 光二極體LED2閃爍，表示上水管路出現故障，需要人:f:排除故障。在正常情況下，水上滿後， 太陽能水箱上的浮球閥會自動關閉，上水停止，單片機在檢測到上水已經停.l卜時，置P1.7為低 電平，使CD4060處於正常計數狀態(由於水流傳感器在上水停止時不輸出計數脈衝，實際上 CD4060此時處於無數可計狀態)，這時LED1常亮，單片機同時發出休眠(Idle)指令，進入休 眠狀態。單片機在休眠狀態情況下，如果因為用水，致使太陽能水箱水位降低，這時浮球閥在 重力作用下自動打開，上水開始，霍爾器件1-3 (Halll)輸出脈衝信號，使CD4060計數，這 時CD4060的第7腳(Q4)就會出現方波信號，在方波信號的高屯平期間，二極體V2導通，使 電容C1放電，而在方波信號的低電平期間，二極體V2截ih,電源通過電阻R7， R11給電容C1 充電，同時在電阻Rll上產生一個正脈衝，通過二極體D1到達單片機的復位端，使單片機復位， 喚醒單片機，使單片機處於監控狀態。如果釆用如圖1所示的方式1，即在上水管道上裝有電 磁閥，且由F某種原因(如，管道破裂故障或管道沒有浮球閥要靠人工上水的情況)自動關閉了電磁閥，則可通過手動喚醒按鍵si人n:喚醒單片機，同時打開電磁閥門，實現人r上水，s 動監控。
權利要求
1、一種太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法，具體如下a、上電、打開電磁閥上電時，單片機上電復位後，固化在單片機中的程序進行初始化，同時發出打開電磁閥指令，使圖3中U1的P1.6為高電平，LED3滅，電磁閥為常開型，默認狀態為打開狀態，以保證太陽能上水管道暢通，以便上水；系統上電復位將單片機系統自動喚醒，使單片機處於上水監控狀態；若上水管此時沒有水流，則單片機進入休眠狀態；b、上水監控狀態上水監控狀態分為兩種情況，即首次使用情況和非首次使用情況。首次使用情況下，記錄設定值的存儲器(圖3中的E2PROM 24C01)中存儲的是特定值「OFFFFFFFFH」，表示太陽能的水箱容積為無限大，上水過程由單片機監控，上水量由單片機計量，在此過程中，P1.7周期性地輸出脈衝信號，LED1閃亮，不斷地讓CD4060清零，CD4060的Q4輸出為低電平，三極體V2截止；b1.在配有浮球閥的情況下，水箱的水上滿時，浮球閥在浮力的作用下，自動關閉，上水停止，在設定時間內(由單片機中的定時器T0控制)單片機檢測不到由水流傳感器輸入的脈衝信號，單片機就自動將所記錄的流量值存儲到E2PROM存儲器中，作為新的設定值；清上水標誌，發出休眠指令，使單片機處於休眠狀態，此時，單片機的P1.7為低電平，LED1亮，CD4060的12腳即RESET為低電平，處於正常計數狀態，為喚醒單片機，以便為下一個上水過程監控做好準備；b2.在沒有配浮球閥的情況下，首次使用要由人工根據回流判斷水箱的水是否上滿，當水上滿時，人工適時按下「水上滿」按鍵，這時單片機首先關閉電磁閥，LED3亮，停止上水，在不配有電磁閥的情況下，應適時關閉手動球閥。單片機這時就自動將所記錄的流量值存儲到E2PROM存儲器中，作為新的設定值；清上水標誌，發出休眠指令，使單片機處於休眠狀態，此時，單片機的P1.7為低電平，LED1亮，CD4060的12腳即RESET為低電平，處於正常計數狀態，為使單片機脫離休眠狀態，為下一個上水過程監控做好準備；c.非首次使用情況下，上水監控過程是從單片機的休眠狀態開始的，在單片機處於休眠狀態的情況下，上水管的水流帶動水流傳感器(1)中的渦輪旋轉，水流傳感器輸出脈衝信號，喚醒電路對這一脈衝進行計數，計數的目的是為了提高系統的抗幹擾能力。如果水流傳感器連續輸出16個脈衝，即表示正常上水，CD4060的7腳(Q4)輸出高電平，通過二極體D2，電阻R9，Rbe使三極體V2導通，電容C1通過V2迅速放電。當水流傳感器繼續輸出到第32個脈衝時，CD4060的7腳(Q4)又輸出低電平，三極體V2截止，電源通過電阻R7、電容C1在電阻R11上形成一個正脈衝信號，通過二極體D1送至單片機的RST端，使單片機復位，喚醒單片機，使單片機進入監控狀態，置上水標誌，並對上水量進行計量；在單片機上水監控過程中，喚醒電路充當看門狗電路，單片機在程序運行過程中會周期性地從單片機的P1.7輸出脈衝信號即「餵狗信號」，以保證單片機正常運行；d.非首次使用情況下，太陽能水箱裡的水位會由於用水而降低，浮球閥在重力的作用下打開，自動上水；由於用水的間斷性，每次監控過程中的上水量都不會超過首次使用的設定值；在上水量不超過設定值的情況下，如果水滿浮球閥關閉，停止上水，則單片機發出休眠指令，進入休眠狀態；e.如果由於上水管路破裂，出現意外跑水現象，上水管路就會連續上水，上水量會超出設定值，這時單片機就會發出報警信號，關閉電磁閥。發出報警信號的目的是讓使用者注意，並及時採取排除管道故障措施，關閉電磁閥的目的是為了減少跑水所造成的浪費，報警信號為LED2閃亮，LS1發出報警聲音。
2、 根據權利要求l所述的太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法，其特徵是所述上水 量的設定值存儲在外部存儲器中，在首次使用時進行自動學習、計算太陽能熱水器的水箱容量， 並存儲新的設定值，同時作為"非首次使用"的標誌。
3、 根據權利要求l所述的太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法，其特徵是能夠自學 習太陽能熱水器的容量，並根據學習結果進行實時監控，適應不同容量的太陽能。當上水量超 過設定值時，及時發出報警信號並關閉電磁閥門，避免因管道破裂等故障引起的跑水、漏水所 造成的浪費。
4、 根據權利要求l所述的太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法，其特徵是當上水管 道的上水停止時，系統能夠自動進入休眠狀態，達到節電之目的； 一旦上水管道開始上水，系 統就會由喚醒電路自動喚醒，從而進入上水監控狀態。
全文摘要
太陽能熱水器上水管路智能監測控制方法用於解決因管路老化、受凍等引起的上水管路破裂故障而造成的跑、漏水問題。能夠根據太陽能熱水器的容量自動控制上水，並且在上水管路破裂時，能夠及時發出報警或及時自動關閉上水閥門(電磁閥)，從而避免跑水、漏水等造成的浪費現象發生。其特點是1.能夠自學習太陽能熱水器的容量，並根據學習結果進行監控，適應不同容量的太陽能；2.實時對上水過程進行監控，停止上水則使監控系統進入休眠。
文檔編號F24J2/40GK101566395SQ20091002718
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月22日 優先權日2009年5月22日
發明者孫長貴, 孫長銀 申請人:東南大學