光电水位控制仪的设计

摘要：为了解决太阳能热水器上水过程中严重的水资源浪费问题，文中介绍了一款使用便捷、造价低廉、且节水节能的水位控制仪的设计方法。
关键词：光电控制；水位；太阳能热水器；控制仪

0 引言
    自太阳能热水器问世起，上水均采用手动方式。但在太阳能热水器实际使用过程中发现，手动上水装置的水资源浪费现象较为严重。随着科技进步，自动上水仪使这一问题得到了缓解。但同时，目前市场上的自动上水仪要消耗电能，而且最主要的是接入的220 V交流电对用户安全使用构成了威胁。再者，结构设计上也不大合理，安装比较复杂，且对太阳能热水器主体改动较大。因此，本文对以上这些缺点进行了改进，提出了一种新的光电水位控制仪的设计方案。

1 综合试验系统的组成
    为了达到控制精度高、使用寿命长、操作简单、安全可靠，节约用水用电的目的，本文提出了图1所示的水位控制仪系统方案。此水位仪由四个部分组成，其中电磁阀主要负责自来水水路的通断(常闭式承压范围0．02 Mpa～0．8 Mpa)；控制盒负责对光电能进行储存，以及水位信号的接收、处理和电磁阀动作控制；太阳能电池板可将太阳能转化成电能输送给控制盒中的蓄电瓶；水位探头则可通过对高、低两个水位的感应来反馈给系统，从而实现太阳能热水器的自动上水。

2 系统工作原理
    在图1中，太阳能电池板可先将太阳能转化成电能储存在控制盒中的蓄电瓶，蓄电瓶用于给整个系统提供正常工作时所必须的电能，从而使系统能够不间断的获取水位探头感应的低、高两个水位信号，该信号经控制和处理后，最终可转变为电磁阀与控制盒蓄电瓶电路的通、断，从而达到自动上水的目的。另外，考虑到气候差异会使太阳能电池板的工作效率降低，本设计还内置了蓄电瓶充电器，以确保系统可靠、绝对的正常运行。
    本系统中的控制板电路如图2所示。该电路利用了三极管的放大、饱和、截止等工作特性。其中采用的三极管为2N5551。2N5551的类型为NPN(UBE=0．6～0．7V)，集电极-发射集最小雪崩电压Vceo(V)为160。集电极最大电流Ic(max)为0．600 A，功率(W)为0．31；直流电流增益hFE最小值(dB)为80；直流电流增益hFE最大值(dB)为250；最小电流增益带宽乘积Ft(MHz)为100，封装采用T092，温度范围为-55～150℃。
    根据已知的蓄电瓶的额定工作电压Ucc，可以选定额定工作电压(线圈工作电压)为Uo=Ucc的继电器，此继电器的吸合电压为U吸，而释放电压则为U放。
    根据继电器的工作特性，当继电器两端电压UJ满足Uo≥UJ≥U吸时，继电器正常工作且处于吸合状态；当UJ<U释时，继电器触片释放。

3 控制仪的工作原理
3．1 上水开始
    在图2所示电路中，先闭合K，之后当水位下降到最低设定水位a或b(此时a、b两点同高度)时，继电器开始吸合。此时，JK1断开，JK2闭合，T1截止不工作。此时有：Uo≥UJ≥U吸。
    图3所示是开始上水的电路图。

    该电路的继电器电流，其中RJ由选定继电器决定。由于2N5551的集电极最大电流IT为0．600A。
    故有：
   
    其中I3为通过R3的电流。
    另外，要使继电器吸合，则应满足Uo≥UJ≥U吸的条件，即：
   
3．2 上水停止
    在图2电路中，当水位上升到最高设定位置a时，要停止上水，则须满足UJ<U释的条件。此时，JK1恢复到闭合，JK2恢复到断开。
    停止上水时，其工作电路图如图4所示。

    此时有：

    由(9)、(10)式联立得：
   
    经测量得，Uo为12V的继电器RJ的值为120Ω。因此，当Ucc为2 V时，为求电路工作可靠，应有18833．3Ω>R3>2354Ω。而由于基极偏压电阻越小，集电极负载电阻越大，三极管越容易进入饱和状态。故取R3为5 kΩ，再由(11)式解得：818kΩ>R1>2354Ω，即取R1=27 kΩ(计算过程取β=125，UBE=0．7 V)。
    电路中的D4004为续流二极管，是反向并联在继电器线圈的两端。由于继电器线圈在电流通过时，会在其两端产生感应电动势。而当电流消失时，其感应电动势又会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于元件的反向击穿电压时，可能会使元件(如三极管)损坏。故将续流二极管反向并联在继电器两端，这样，当流过继电器线圈中的电流消失时，继电器线圈产生的感应电动势就会通过二极管和继电器线圈构成的回路做功而消耗掉，从而保护了电路中其它元件的安全。
    图2中，R2和R2’可由给定发光二极管参数解得。而接入的交流220 V变直流12 V的变压器为成品变压器。

4 太阳能电池板的配型
    按照每天上水一次，每次上水时间约为分钟来考虑。若已知12 V电磁阀的功率为10 W，2N5551的功率为0．31 W，继电器的功率为0．9 W，绿色发光二极管为0．06 W，则电路中电阻的总功率可计做1W。假设整个电路全天工作，电磁阀工作时间为T。那么，设计时配型时，首先应计算出每天消耗的瓦数，由测量可得，停止上水时的电路功率为：
   

    这样，在计算太阳能电池板的时候给12 V蓄电瓶充电必须选取大于供电电压(大于12 V)的太阳能电池板。本设计采用1块尺寸为235x170 x23 mm，电压为18 V，电流为100 mA的单晶硅太阳能电池板给蓄电瓶充电，其功率为P=1×18×0．1=1．8 W。由于电路损失及光照强度的因素，在充电过程中，太阳能电池板转化的电能实际储存率η=70％。
    每天所需要的光照时间为。所以每天太阳能电池板只需要5小时的光照便可保证系统的正常运行。

5 结束语
    本设计的光电水位控制仪具有安全可靠，价格低廉，安装便捷等优点。系统工作时所需的电力完全由太阳能转化而来，因此，在节约水资源的基础上，也节省了电能，这无疑是一项绿色、环保、节能安全的设计方案。