应用太阳能技术设计原油罐加热装置.doc

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1、中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）中国石油大学（华东）毕业设计（论文）应用太阳能技术设计原油罐加热装置学生姓名：朱萍学 号：05050554专业班级：自动化05-1班指导教师：胡长松 2009年6月15日摘要本论文研究的方向是利用太阳能设计一套原油罐加、伴热装置，太阳能作为一种新能源具备普遍、无害、巨大、长久等优点。人类利用太阳能的历史悠久，目前太阳能产品越来越多，但是在油田中的应用相对较少。设计一套利用太阳能为原油罐加热的装置对于油田生产和节能具有重要意义。本论文主要阐述了如何用太阳能设计出一套对原油罐加、伴热装置的设计思想，并根据整体设计框图，对图中的各个部分进行了具体分析。包括：元

2、件选型、硬件设计、控制设计、整体可行性分析等。软件实现部分选用单片机作为核心，采集四路模拟量经A/D转换器将数据量送至单片机，单片机对所采集的数据进行处理，输出信号控制电机和伴热带的启停以及各个指示灯的状态。关键字：太阳能、设计、控制、单片机、数据处理 ABSTRACTThe apply of the solar energy technology to design a heating device for the original oil tank is studied in this thesis .Solar as a new energy have some virtues as u

3、niversality、harmless、magnitude、for long and so on .The history of people use solar energy is time-honored, now solar product become more and more, but the area of solar energy is used is small. So design a heating device for the original oil tank is meaningful for oil fields produce and energy savin

4、g.This thesis mostly expounds a design idea of how to design a heating device, and analyses every part on the basis of the holistic designed frame. Consist of component selection、hardware design、control design、the whole feasibility analysis and so on.I choose single-chip to be the core of the contro

5、l in the part of software, A/D change the fore analog signals to data and carry the dates to single-chip, then single-chip handle the dates and output. Then, control the Startup and stop of pump and pilot lamps state. Key world: Solar Energy、design、control、Single-Chip、installation、data processing目 录

6、第1章 太阳能概述11.1 前景11.2 太阳能的发展史11.3 太阳能的发展前景3第2章 太阳能的应用52.1 目前太阳能的应用方式52.2 太阳能在油田中的应用52.2.1 国外太阳能在油田中的应用62.2.2 国内太阳能在油田中的应用6第3章 应用太阳能设计原油罐加热装置73.1 整体思路73.2 太阳能电池板、蓄电池的选择93.2.1 太阳能电池板93.2.2 蓄电池103.3 太阳能热水器的选择113.4 硬件连接设计113.4.1 原油罐加热式133.4.2 原油罐保温式133.4.3 管道阀的连接143.5 控制部分实现153.6 器件的可行性选型163.6.1 电机与泵的选择1

7、63.6.2 继电器、三极管的选择183.6.3 伴热带的选择193.6.4 传感器的选择203.6.5 稳压芯片21第4章 单片机控制224.1 单片机及其引脚连接224.2 ADC0808 及其引脚连接254.3 程序实现274.4 测试294.4.1 控制效果分析30第5章 安全防爆与安装325.1 安全防爆325.2太阳能安装34第6章 结论35致谢36参考文献37附录40第1章 太阳能概述太阳能（Solar）一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应，可以维持

8、几十亿至上百亿年的时间。太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8x1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为800000亿kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。1.1 前景人类对太阳能的利用有着悠久的历史。据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。我国早在两千多年前的战国时期，就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来

9、干燥农副产品。将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有光化学反应,被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。1.2 太阳能的发展史近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门德考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。在1615年1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价

10、格昂贵，实用价值不大。20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。19001920年，在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，实用目的比较明确，造价仍然很高。19201945年，在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（19351945年）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。19451965年，在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，

11、从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展。在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展。19651973年，这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。19731980年，自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期。19801992年，70年

12、代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。1992年至今，由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。使得世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都大。1.3 太阳能的发展前景太阳能的特点：(1) 普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，

13、都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。(2) 无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3) 巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4) 长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的【4】。正是因为太阳能拥有以上的几个特点注定了中国乃至全世界会把目光投向它，其前景十分广阔：第一，世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，而又不危及后代

14、人前途的社会。因此，尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源，是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化，常规能源的贮量日益下降，其价格必然上涨，而控制环境污染也必须增大投资。第二，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费结构的76，已成为我国大气污染的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看，太阳能利用技术和装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。即便这样，太阳能利用仍然有它的不足之处，比如太阳能的不确定性，因为天气环境的变化虽然可以预测但是并没有能力改变，而太阳能发

15、热和发电与日照强度基本成正比。第2章 太阳能的应用2.1 目前太阳能的应用方式（1）光热利用光热利用就是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同，而把太阳能光热利用分为低温利用（200）主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等、中温利用（200800）主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，和高温利用（800）主要有高温太阳炉等。（2）太阳能发电未来太阳能大规模利用一个方式。目前已实用的主要有以下两种。光热电

16、转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光热转换，后一过程为热电转换。光电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。（3）其他应用这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式。光生物利用通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻【3】。2.2 太阳能在油田中的应用随着太阳能技术的发展太阳能已经渗入到油田行业中，现如今太阳能已经逐渐应用在油田行业中。2.2.1 国外太阳能在油田中的应用约

17、旦将太阳能集热器用于中东某电厂对燃料油的加热上,并成功地保持燃料油系统恒温50 以上的流动性和分散性,由此节约了5 %8 %的能耗; 太阳能热二极管技术近年来被应用于稠油管道运输中,1984 年澳大利亚太阳能公司John La2sich 成功完成了稠油管道试验,在阳光充足条件下管温可提高40 ,夜间也可保持提高10 ;委内瑞拉一条32 km 长稠油管道采用太阳能热二极管技术后输油温度从28 提高到60 ,输送能力提高17 %;在科威特、印度尼西亚、马来西亚等国家和地区也有12条示范管道在试验中。专家们预计,该技术不久将进入工业化应用【3】。2.2.2 国内太阳能在油田中的应用胜利油田、华北油田

18、、大港油田、冀东油田广泛应用油井单体储罐太阳能加温装置。新疆油田公司首座太阳能发电站在陆梁油田落成三个月以来，累计发电量超过10,000千瓦时，这是新疆第一次成功利用太阳能作为机械负荷运转进行采油。胜利油田孤东采油厂打造绿色节能环保油区。普及应用太阳能热水器和太阳能路灯照明系统，对基层单位和部分单位机关所在地路灯照明系统进行推广应用光伏太阳能照明技术，对机关供配电系统、场地照明、室内照明、热水供应等进行新能源技术改造，实现办公用电用能供给的多样化，充分利用新能源。第3章 应用太阳能设计原油罐加热装置原油相对密度一般在0.750.95之间，少数大于0.95或小于0.75，相对密度在0.91.0的

19、称为重质原油，小于0.9的称为轻质原油。原油冷却到由液体变为固体时的温度称为凝固点。原油的凝固点大约在-5035之间。凝固点的高低与石油中的组分含量有关，轻质组分含量高，凝固点低，重质组分含量高，尤其是石蜡含量高，凝固点就高。一般原油的存储温度在5060，管道内热水温度不得超过100，否则油中水分蒸发造成冲罐【32】。原油粘度是指原油在流动时所引起的内部摩擦阻力，原油粘度大小取决于温度、压力、溶解气量及其化学组成。温度增高其粘度降低，压力增高其粘度增大，溶解气量增加其粘度降低，轻质油组分增加，粘度降低【31】。一般来说，粘度大的原油密度也较大。当原油温度低于凝固点时，原油就会成固体状态即原油的

20、粘度增大，流动性差而开发难度增大不易从原油罐中导出。一般环境的温度一般也不会超过50，所以必须对原油罐内的原油进行加温或保温措施。3.1 整体思路利用水泵实现太阳能热水器中热水在原油罐中的循环以提高油品的出口温度。其中水泵不需要太大的转速和电压，并由一个相匹配的电机驱动，电机由一个固态继电器实现启停,而继电器由一个三极管导通不需要DA转换（由于要在一个单片机上实现四个模拟量的采集和处理若用到DA则输出端口有冲突）。太阳能的蓄电池要与电池板匹配，蓄电池输出的电压需要转换为所需的伏数，即需要用到稳压芯片7815、7812和7809、7805（由于芯片的电流最大值即最大的压差不能太大不能直接用一个7

21、805先用一个7815将24V转换为15V再降至12V再降至9V再降至5V以减小压降）。以上为一个简单的控制，但现实中要考虑的问题还很多，比如：当太阳能热水器的水位偏低是要及时进行补水操作，这是需要在太阳能热水器的低端加一个压力传感器，时刻检测水位的变化。油品的出口温度要控制在要求的温度范围内，需要一个温度传感器。冬季室外温度较低是要注意管道的冻结情况，通过另一个温度传感器的检测判断是否要启动伴热带和及时停止泵的运转。考虑到环境的因素，蓄电池的储能一定要大。同时考虑到当蓄电池没电或刚刚上电时应该如何控制,即在蓄电池电量小于某一值时，电机和伴热带都要停止工作，这是因为蓄电池的本身的特性。因为蓄电

22、池储电不能为0，若在连续阴雨天太阳能电池板集电能力弱的时候，再不关闭电机和伴热带，就会导致蓄电池的电量耗尽，这样会大大减短蓄电池的寿命。这些问题都要在单片机里进行编程控制。各个硬件的连接也要考虑清楚。除此之外，应用太阳能给原油罐加热的装置不是全年都能适用的，比如，在夏天，室外温度很高的情况下，太阳能热水器中的热水能达到100。但是原油的温度不能太高，否则原油容易汽化，造成原油罐中压力过大，严重时可能引起爆炸。所以，这套装置一般适用于温度较低的环境下。根据以上情况的分析设计了如图3.7所示的原理框图。图中所示为一简单的设计框图，现实中要考虑的问题很多，比如阀的设计、各个期间的连接电路等。根据设计

23、的整体框图，对图中的各个部分进行具体分析，分为一下几个章节：太阳能热水器、电池板的选择；硬件连接设计；控制部分设计 。3.2 太阳能电池板、蓄电池的选择3.2.1 太阳能电池板太阳能热水器在整个设计中起到很大的作用，就是利用它将太阳能转换为热能来实现热水循环给原油加热的。但是只用太阳能转换热能的作用是不够的，因为在实际应用中，我们需要考虑的问题很多，这时就用到了控制系统，但是考虑到偏远地方没有可用的电网，控制系统电源来源就需要用到太阳能转化电能来实现。由太阳能电池板收集并转换为电能再将电能储存在蓄电池中，以备后续是使用。太阳能电池板分为晶体硅电池板，非晶硅电池板两类，晶体硅电池板又分为多晶硅太

24、阳能电池、单晶硅太阳能电池，其中单晶硅电池板的转换效率较高为15%20%，多晶硅太阳能电池转换效率大约12%，非晶硅太阳能电池转换效率大约10%【36】。其容量可由实际情况来选择。由上面对电机的选型可以大概的计算功率P=UI=24*0.9=21.6W.太阳能电池板容量的确定:可以选择50W-100W。其中100W的太阳能电池板面积大约为0.85平米。并联组件数量=Q(qPT)Q需要太阳能发电承担负荷，电池板24h 连续使用，Q=(P24V)24；q库仑效率，太阳能电池组产生的电流中有一部分不能转化储存而是耗散掉，所以可以认为必须有一小部分电流来补偿损失，用库仑效率来评估这种电流损失，取q=09

25、；P组件的日输出，已知该地区一年最差天气太阳辐照量A。太阳电池组件每天输出的安时数为B，即P=AB；T衰减因子，考虑环境因数和组件自身衰减造成的太阳电池组件输出的减少，将衰减因子乘以太阳电池的输出，给出了实际情况下太阳电池组件输出的保守估计值，取T=09。3.2.2 蓄电池铅酸蓄电池具有技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好、无记忆效应等优点。蓄电池的选择是根据当地的实际情况来计算其所需容量。计算如下：已知电机的大概的计算功率P=UI=24*0.9=21.6W根据行业通用计算太阳能蓄电池容量的公式，得：(1)太阳能蓄电池容量：Bc=ANlQCD式中A安全系数，范围(1115)根据当地

26、的环境选择，选1.5。Q日平均负载，如：Q=(P24V)24h；Nl最长连续阴雨天数，取3d-7d，这里按3d计算；D温度修正系数。考虑地区冬季最低温度达到零下多少度，选取温度修正系数，温度在-25以下时取0.7。C蓄电池最大允许放电深度，深循环蓄电池最大允许放电深度为80，浅循环蓄电池最大允许放电深度为50。大概的估计值为=816.48W900W (900W/24V)*24H40AH 可以选择24V 40AH的蓄电池考虑到24V蓄电池体积较大，不宜安装，选用体积较小的2V40AH的12个串联安装。3.3 太阳能热水器的选择目前市场上所卖的太阳能热水器有真空管型热水器（含热管真空管型），平板型

27、热水器和闷晒型热水器三大类，根据其特点本设计中可以选用平板型太阳能集热器【24】。因为工业热水用量大，需要很大面积的太阳能集热器，要求集热器不易损坏、易维护、可承压，平板集热器在此方面具有显著的优越性。工业上使用一般容积要大，选大于300L的。我们还可以将太阳能热水器并联使用组成太阳能热水器组，根据原油罐的大小可用热量来选择。3.4 硬件连接设计国内油田大多采用的加热、保温工艺还是停留在传统方法上，如蒸汽伴热、电热管技术、电热带技术、集肤效应、燃气水套炉等。这些方法虽然各有各的优点但也存在各自的弊端如：用木材及煤炭进行罐体底部加热,虽然比较经济，但是木材和煤炭在燃烧时会产生很多二氧化碳、一氧化

28、碳等气体污染环境，而太阳能就是一个绿色的能源无污染。利用最新电纳米分子加热(像电热毯一样)给原油罐加温不管什么天气都能正常使用托在罐体下部但是造价很高。而太阳能是一种天然的能源，是取之不尽，用之不竭的，并且太阳能遍布世界的各个地方，无论在哪里都能收集到这一天然的巨大的能源。蒸汽加热，一般的加热温度在150以下，比较经济。但是蒸汽不能保证特别稳定的压力存在安全隐患；涉及到安全防火问题；必须有人看管，占用人力资源。但应用太阳能就能避免这些问题。现如今有一种最新的油罐加热装置电热膜，它的转换效率相比其他加热装置要高，并且体积小、安装便捷、寿命长等优点，但是鉴于独立的一个原油罐，距离电网较远，若将电网

29、牵至造价会很高。而太阳能电池板可以实现光电转换，无论在什么地方都可以免费使用这一天然能源。总上所述，太阳能综合了普遍、绿色无污染、长久使用、经济实用、安全可靠等特点，太阳能加温装置具有安全、热效率高、节电效果显著的优势,有效解决了油田单井储油罐电加热生产能耗高的问题,它是油田降低能源消耗,提高经济效益的可行性举措，即经济又实用。下面就利用太阳能来设计给原油罐加温的装置。首先分两个方案：一个是原油罐加热式设计，另一个就是原油罐保温式设计。其次就是对用到的元器件进行可行性选型。实地考察了学校西门储油罐，上图为一螺旋卧式油罐(油井多项存储收集器二类（GB1501998）)具体的参数如表3.6。表3.

30、6 螺旋卧式油罐具体参数生产厂家净重容积常压最高压力山东广饶石油机械股份有限公司813Kg400.4MPa0.3MPa图3.5 螺旋卧式油罐结构图基于以上元件的选择，设计出一套应用太阳能设计原油罐加热装置如图3.7为一整体设计框图。3.4.1 原油罐加热式 若利用加热式的方法来提高原油罐内原油的温度，则采用原油罐内加热，即将管道缠绕在原油罐的内部通过太阳能热水器内热水的循环来连续对原油进行加温。根据需要来选择罐内管道缠绕方式：内部缠绕式：在原油罐的内壁上紧密的缠绕一层热水循环管道实现对原油的全面加温，或者是利用蒸汽排管加热方式即将管道排列组合尽量加大传热面积。3.4.2 原油罐保温式由于原油的

31、入口温度一般在50-60，也就是说原油在进罐之前温度就足以保证能顺利导出，不需要对其进行进一步的加温过程，因此这个时候我们还可以采取一些保温措施，而我设计的保温方案就是在原油罐的外侧缠绕保温管道，在油罐的底部盘旋管道，如图3.9。这样一来通过太阳能热水器的光热转换给储水箱的水进行了加热，并通过泵使得热水在管道里循环以起到保温的效果，由于原油的温度在50-60，要保持这个温度或保证原油的温度不低于它的凝固点，并且每种管道都有自己的传热效率，并伴随着热损失，所以外部管道的温度要尽量的高。根据原油罐的实际情况和当地的环境来选择适合的管道，为了减少管道的热损失，要在管道的外不在粘上一层绝缘保温层。 图

32、3.9 保温式设计3.4.3 管道阀的连接热水由太阳能热水器供应，经泵在原油罐的外围循环，之间需要一些阀门如图3.10。R1、R2为出水阀和进水阀R3补水阀（当补水信号等亮时在R3处进行补水）。R4、R5冲洗阀,由于长时间的使用，而本设计不需要经常的换水或补水，势必在循环的管道中会留下些水垢，时间久了会影响到循环速度甚至导致泵的堵转烧坏水泵必须进行除垢措施，考虑到只用R5来进行两侧管道一起冲洗，会浪费大量的水，并且需要的水压也比较大，因此再多加一个阀R4实现两侧冲洗。除垢时关闭阀R1、R2打开R4冲洗左边的管道，打开R5冲洗右边的管道,或者打开阀R3、R1、R2，关闭阀R4、R5可以冲洗太阳能

33、热水器底部的杂物和污垢。R6排水阀，冲洗过的污水经R6排出。3.5 控制部分实现如图3.11 以单片机为核心的设计，四路路模拟量采集经A/D转换器转换为8位数据量，送数据量到单片机进行处理输出，输出为高低电平，经三极管来控制继电器的通断，从而控制电机和伴热带的启停最终实现热水在允许条件下来工作这四路模拟量分别为太阳能热水器的液位、管道温度、原油出口温度、蓄电池电压。报警灯的设计也类似，在设计中用到了5个指示灯，每个指示灯都由一个三极管导通，三极管的集电极接5伏的电压信号，从单片机出来的信号经反相器接在指示灯一端。3.6 器件的可行性选型3.6.1 电机与泵的选择根据需要，为给原油罐中原油进行加

34、温，需通过热水循环的方式，而使热水循环就需要用到水泵，水泵由一个电机来带动，由于实际中不要求泵的扬程太高，大约有4-6m就足够了。再者由于蓄电池输出电压为24v，在选型时最好找一24v电机和一个24v的泵来匹配，这样电机的供电端就可以直接接在蓄电池的输出端，选型如下：1、电机深圳新鑫电机有限公司生产的SG-545124500 Series 24VDC标准型【24】具体参数见下表：图3.1 电机实物图、尺寸图表3.1 电机的具体参数额定电压空载电流空载转速额定电流额定转矩额定转速堵转转矩堵转电流24v0.11A4500r/min0.5A3350r/min130gfcm12.74mNm520gfc

35、m50.96mNm1.5A2、泵为了使得电机能更好的带动泵来进行热水的循环，选择12V水泵即可但是因为与电机的电压不匹配可以中间加一个电阻来降压【25】。额定电压24VDC电流0.7-0.9A压力015Kg扬程4-6m流量3L/min价格20元图3.2 泵实物图、具体参数表当然我们可以选择12V的电机和上面12V泵匹配,12V泵的电源可以直接接在7812稳压芯片输出端上，7812 稳压芯片的最大输出电流为1A，因此在选择时电机的额定电流应该小于1A。选型如下:产品为新鑫电机有限公司生产的SG-545124500 Series12VDC标准系列。表3.2 12V电机的具体参数额定电压空载电流空载

36、转速额定电流额定转矩额定转速堵转转矩堵转电流12v0.22A4500r/min0.9A3350r/min130gfcm12.74mNm520gfcm50.96mNm3.4A3.6.2 继电器、三极管的选择由于电机的启停是通过继电器来控制的，继电器(relay)是一种电门，但与一般开关不同，继电器并非以机械方式控制，而是一种以电磁力来控制切换方向的电门。当线圈通电后，会 图3.3 继电器原理图使中心的软铁核心产生磁性， 将横向的摆臂吸下，而臂的右侧则迫使电门接点相接，使两接点形成通路【28】。表3.3 继电器的具体参数继电器的开关由一个三极管来导通，三极管的导通与否是受到单片机程序的控制的。三极

37、管的发射极接继电器，基极接单片机的输出端，集电极接5V高电平。下面为杭州富阳奥星电子有限公司生产的供应MJ电力开关三极管。3.6.3 伴热带的选择原油罐中的原油温度在50-60，而太阳能热水器中的热水温度要大于这个值，即管道一般不宜冻结冬季环境温度低于0，连续几天阴天，暴露在外边的管道容易冻结，管道一旦冻结管道中的水就会停止流动，泵就会空转，严重时可能将泵烧坏，热水不流动了就起不到给原油保温的作用了，长时间有可能导致原油凝固。这时就需要有伴热带给管道加温【26】 图3.4 伴热带结构图温度效率图因为蓄电池输出为24VDC，为了减少元器件使用和能量的损耗伴热带选择24VDC，由蓄电池直接供电，但

38、是伴热带也不是任何时候都要使用的，只有管道的温度达到一定的下限时才启动，所以伴热带的启停也要用到固态继电器可开关三极管。 由图3.4可以知道，伴热带的功率随着温度的增加而减小，在外界温度低的情况下，它能快速的启动减少了运行时间。表3.4 伴热带具体参数名称中低温通用型电伴热带型号D(Z)BR标称功率W/m.1015-45最高维持温度75-105最高承受温度105-140最高表面温度95-135最低安装温度-50-30额定电压下的最大使用长度m503.6.4 传感器的选择由于电机和伴热带不是一直运作的需要有控制系统，本设计中用到单片机，那么就需要将模拟量采集过来再经A/D转换到单片机中进行控制。

39、而采集这些模拟量就用到了传感器，设计中共需采集三路模拟量就用到了三个传感器：1、 两个温度传感器其中一个温度传感器加在油品出口处，以检测原油罐的原油温度；另一个温度传感器加在外部谁循环管道处，以检测环境温度（管内循环水的温度）。应用到Cu50测量范围为0-100但测量精度不是很高，性能稳定若采用精度高的热电阻PT100则价格比较高【30】。外加温度变换模块JWB-W将温度信号转换为0-5v的电信号2、 一个压力（液位）传感器测量太阳能热水器的液位可以转化为压力的测量，将压力传感器安装在太阳能热水器的低端。RS-Y09应变式压力传感器，测量范围：00.1、0.2、0.5、1.2、5、10、15、

40、20、25、30、40、50、60MPa不等可以按照自己的需要选择。输出:05V电压信号。直接接到A/D转换器上【27】表3.5 压力传感器的接线接线方式插头座号导线颜色输入（电源）正端1红输出（电源）正端2蓝输出（电源）负端3白输入（电源）负端4黄3.6.5 稳压芯片78系列的引脚图如右，因为TO-220封装的7805加散热片最大能输出1.2A电流如果压降大则会导致芯片发热甚至烧坏，鉴于这种情况，在24V-5V之间加7815、7812、7809芯片先将电压降至15V降至12V降至9V降至5V以尽量延长芯片的寿命，避免芯片损坏带来的经济损失。第4章 单片机控制4.1 单片机及其引脚连接利用单片

41、机对整个设计进行控制，首先要了解单片机的一些基本知识，再根据自己的需要进行选型并了解其构造。首先单片机是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本。开始时控制这一块我想用PLC来实现，因为对PLC还算比较熟悉，但是考虑到这是一个联系实际的设计题目，现场如果用PLC进行控制，从经济角度和安全维护角度看都不是很合适，但单片机就能很好的解决这一问题，所以转而用单片机做为设计的核心控制器。单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是

42、对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 图4.1 8051内部结构图4.2 8051引脚图8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，如图4.1。8051的引脚见图4.2.MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751

43、均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，上图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。本实验中用到的输入口为P0口用于输入经A/D转换来的数字量，输出用到了P1和P2口其中口分配如表4.1。表4.1 I/O口分配图单片机接口地址连接对象单片机接口地址连接对象P0.0-P0.780H(字节)数据输入P1.707H警笛报警P1.000H液位下限报警P2.008H通道口选择P1.101H油品温度下限报警P2.109H通道口选择P1.202H油品温度上限报警P2.20AH通道口选择P1.303H环境温度下限报警P2

44、.30BHA/D转换OE端P1.404H伴热带指示灯P2.40CHA/D转换START端P1.505H蓄电池电量下限P2.50DHA/D转换ALE端P1.606H电机启停P3.30013HA/D转换EOC端（1） P0口P0接收A/D转换的8位数据量，由于P0口不带锁存若同时使用它的输入输出功能，必须使用外部锁存器（74LS373）。但是用锁存在同一个输入输出口，在模拟实现时会出现一些冲突。所以取消用锁存器，将通道选通口接在P2口的位地址为：08H、09H、0AH。P0口只用到数据接收功能。（2） RESET/Vpd 复位信号复用脚提供后备电源，8051采用电平复位，复位高电平应保持 2个机器

45、周期。另外机器即将掉电时，可由Vpd 提供备用电源。（3） ALE/PROG当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。如果单片机是EPROM，在编程其间，PROG将用于输入编程脉冲。（4） PESN当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。（5） EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，当EA为高电平，表示选择内部程序存储器；如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。（6） XTAL1、XTAL2外接晶体振荡器或外部时钟。在XTAL1、XTAL2引脚接上一些元件内部振荡电路就产生自己振荡，定时元件通常由石英晶体和电容组成谐振电路。晶振频率大约在1.2MHz-12MHz之间选择(实验是用的晶振频率为1.2MHz)。电容选择为33pF。（7） INT1 外部中断1，经一个反相器接于A/D转换器的EOC端，接收外部的读中断。4.2 ADC0808 及其引脚连接如图4.3为0808的引脚图，各个引脚的作用在下边进行一一讲解。