光電水位控制儀的設(shè)計(jì)

摘要：為了解決太陽(yáng)能熱水器上水過(guò)程中嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)問(wèn)題，文中介紹了一款使用便捷、造價(jià)低廉、且節(jié)水節(jié)能的水位控制儀的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：光電控制；水位；太陽(yáng)能熱水器；控制儀

0 引言
    自太陽(yáng)能熱水器問(wèn)世起，上水均采用手動(dòng)方式。但在太陽(yáng)能熱水器實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，手動(dòng)上水裝置的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。隨著科技進(jìn)步，自動(dòng)上水儀使這一問(wèn)題得到了緩解。但同時(shí)，目前市場(chǎng)上的自動(dòng)上水儀要消耗電能，而且最主要的是接入的220 V交流電對(duì)用戶(hù)安全使用構(gòu)成了威脅。再者，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也不大合理，安裝比較復(fù)雜，且對(duì)太陽(yáng)能熱水器主體改動(dòng)較大。因此，本文對(duì)以上這些缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的光電水位控制儀的設(shè)計(jì)方案。

1 綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的組成
    為了達(dá)到控制精度高、使用壽命長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單、安全可靠，節(jié)約用水用電的目的，本文提出了圖1所示的水位控制儀系統(tǒng)方案。此水位儀由四個(gè)部分組成，其中電磁閥主要負(fù)責(zé)自來(lái)水水路的通斷(常閉式承壓范圍0．02 Mpa～0．8 Mpa)；控制盒負(fù)責(zé)對(duì)光電能進(jìn)行儲(chǔ)存，以及水位信號(hào)的接收、處理和電磁閥動(dòng)作控制；太陽(yáng)能電池板可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能輸送給控制盒中的蓄電瓶；水位探頭則可通過(guò)對(duì)高、低兩個(gè)水位的感應(yīng)來(lái)反饋給系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器的自動(dòng)上水。

2 系統(tǒng)工作原理
    在圖1中，太陽(yáng)能電池板可先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在控制盒中的蓄電瓶，蓄電瓶用于給整個(gè)系統(tǒng)提供正常工作時(shí)所必須的電能，從而使系統(tǒng)能夠不間斷的獲取水位探頭感應(yīng)的低、高兩個(gè)水位信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)控制和處理后，最終可轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶砰y與控制盒蓄電瓶電路的通、斷，從而達(dá)到自動(dòng)上水的目的。另外，考慮到氣候差異會(huì)使太陽(yáng)能電池板的工作效率降低，本設(shè)計(jì)還內(nèi)置了蓄電瓶充電器，以確保系統(tǒng)可靠、絕對(duì)的正常運(yùn)行。
    本系統(tǒng)中的控制板電路如圖2所示。該電路利用了三極管的放大、飽和、截止等工作特性。其中采用的三極管為2N5551。2N5551的類(lèi)型為NPN(UBE=0．6～0．7V)，集電極-發(fā)射集最小雪崩電壓Vceo(V)為160。集電極最大電流Ic(max)為0．600 A，功率(W)為0．31；直流電流增益hFE最小值(dB)為80；直流電流增益hFE最大值(dB)為250；最小電流增益帶寬乘積Ft(MHz)為100，封裝采用T092，溫度范圍為-55～150℃。
    根據(jù)已知的蓄電瓶的額定工作電壓Ucc，可以選定額定工作電壓(線(xiàn)圈工作電壓)為Uo=Ucc的繼電器，此繼電器的吸合電壓為U吸，而釋放電壓則為U放。
    根據(jù)繼電器的工作特性，當(dāng)繼電器兩端電壓UJ滿(mǎn)足Uo≥UJ≥U吸時(shí)，繼電器正常工作且處于吸合狀態(tài)；當(dāng)UJ<U釋時(shí)，繼電器觸片釋放。

3 控制儀的工作原理
3．1 上水開(kāi)始
    在圖2所示電路中，先閉合K，之后當(dāng)水位下降到最低設(shè)定水位a或b(此時(shí)a、b兩點(diǎn)同高度)時(shí)，繼電器開(kāi)始吸合。此時(shí)，JK1斷開(kāi)，JK2閉合，T1截止不工作。此時(shí)有：Uo≥UJ≥U吸。
    圖3所示是開(kāi)始上水的電路圖。

    該電路的繼電器電流，其中RJ由選定繼電器決定。由于2N5551的集電極最大電流IT為0．600A。
    故有：
   
    其中I3為通過(guò)R3的電流。
    另外，要使繼電器吸合，則應(yīng)滿(mǎn)足Uo≥UJ≥U吸的條件，即：
   
3．2 上水停止
    在圖2電路中，當(dāng)水位上升到最高設(shè)定位置a時(shí)，要停止上水，則須滿(mǎn)足UJ<U釋的條件。此時(shí)，JK1恢復(fù)到閉合，JK2恢復(fù)到斷開(kāi)。
    停止上水時(shí)，其工作電路圖如圖4所示。

    此時(shí)有：

    由(9)、(10)式聯(lián)立得：
   
    經(jīng)測(cè)量得，Uo為12V的繼電器RJ的值為120Ω。因此，當(dāng)Ucc為2 V時(shí)，為求電路工作可靠，應(yīng)有18833．3Ω>R3>2354Ω。而由于基極偏壓電阻越小，集電極負(fù)載電阻越大，三極管越容易進(jìn)入飽和狀態(tài)。故取R3為5 kΩ，再由(11)式解得：818kΩ>R1>2354Ω，即取R1=27 kΩ(計(jì)算過(guò)程取β=125，UBE=0．7 V)。
    電路中的D4004為續(xù)流二極管，是反向并聯(lián)在繼電器線(xiàn)圈的兩端。由于繼電器線(xiàn)圈在電流通過(guò)時(shí)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。而當(dāng)電流消失時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又會(huì)對(duì)電路中的原件產(chǎn)生反向電壓。當(dāng)反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時(shí)，可能會(huì)使元件(如三極管)損壞。故將續(xù)流二極管反向并聯(lián)在繼電器兩端，這樣，當(dāng)流過(guò)繼電器線(xiàn)圈中的電流消失時(shí)，繼電器線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就會(huì)通過(guò)二極管和繼電器線(xiàn)圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉，從而保護(hù)了電路中其它元件的安全。
    圖2中，R2和R2’可由給定發(fā)光二極管參數(shù)解得。而接入的交流220 V變直流12 V的變壓器為成品變壓器。

4 太陽(yáng)能電池板的配型
    按照每天上水一次，每次上水時(shí)間約為分鐘來(lái)考慮。若已知12 V電磁閥的功率為10 W，2N5551的功率為0．31 W，繼電器的功率為0．9 W，綠色發(fā)光二極管為0．06 W，則電路中電阻的總功率可計(jì)做1W。假設(shè)整個(gè)電路全天工作，電磁閥工作時(shí)間為T(mén)。那么，設(shè)計(jì)時(shí)配型時(shí)，首先應(yīng)計(jì)算出每天消耗的瓦數(shù)，由測(cè)量可得，停止上水時(shí)的電路功率為：
   

    這樣，在計(jì)算太陽(yáng)能電池板的時(shí)候給12 V蓄電瓶充電必須選取大于供電電壓(大于12 V)的太陽(yáng)能電池板。本設(shè)計(jì)采用1塊尺寸為235x170 x23 mm，電壓為18 V，電流為100 mA的單晶硅太陽(yáng)能電池板給蓄電瓶充電，其功率為P=1×18×0．1=1．8 W。由于電路損失及光照強(qiáng)度的因素，在充電過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)化的電能實(shí)際儲(chǔ)存率η=70％。
    每天所需要的光照時(shí)間為。所以每天太陽(yáng)能電池板只需要5小時(shí)的光照便可保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)的光電水位控制儀具有安全可靠，價(jià)格低廉，安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)工作時(shí)所需的電力完全由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，因此，在節(jié)約水資源的基礎(chǔ)上，也節(jié)省了電能，這無(wú)疑是一項(xiàng)綠色、環(huán)保、節(jié)能安全的設(shè)計(jì)方案。