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基于Quartus II和FPGA的太阳能热水器控制系统
作者:段哲民 王虎 赵冠华 王海涛
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空调/风扇/热水器展厅
空调, 风扇, 电热器, 空气净化器, 加湿器, ...
太阳能热水器是目前最为“干净”的能源之一。随着消费者环保和绿色意识的提高,太阳能热水器已经走进了千家万户。目前,太阳能热水器控制器还一直处于研究与开发阶段,市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能,不具备温度水位的自动控制功能。

虽然有的控制器配有电加热辅助装置,但都不是自动的,给用户使用带来许多不便。而且,在人类生活水平日益提高的今天,智能化家庭住宅模式将成为新的家庭住宅模式的发展趋势,目前市场上的太阳能热水器智能化程度不高,主要以手动或半自动实现对太阳能热水器的操作,在与用户的交互性方面也不够理想。
针对目前市场上热水器控制系统的不足,本文设计了一种基于FPGA的控制系统,实现对太阳能热水器的水位、补水方式、补水时间的自动控制,提高了系统的智能化;利用液晶显示与用户建立良好的交互界面。

1 系统主要功能

(1)当水位低于规定值时报警并自动上水,上水到规定水位时自动停水(水位的上限可以由用户自行设定,所设定参数具有断电保护功能;重新上电则不需要用户再设定)。

(2)可实现手动/自动控制切换。

(3)自动加热,定时加热控制。

(4)采用分时段控制,即“用水时段”和“非用水时段”。

(5)采用全自动温度控制,禁止高温空晒后进水,可以防止真空管因突然注入冷水而爆裂。

2 系统组成结构及工作原理

本系统由温度传感器及调理电路、水位传感器及调理电路、A/D转换电路、液晶显示电路、FPGA控制模块、按键输入和继电器执行部件组成,其中FPGA控制模块是本系统的核心。系统结构如图1所示。

(1)液位传感器采用ATSl73型霍尔元件121,若干霍尔元件固定在一个垂直导槽上,浮子带动磁钢沿导槽运动,霍尔元件的输出经电阻网络转换成不同电压,经ADC送入智能控制模块中。温度传感器采用负温度(NTC)型通用热敏电阻,信号经一路ADC送入智能控制部分。

(2)FPGA控制部分根据检测到的水位信号、温度信号以及用户的设定或操作,通过必要的逻辑运算,以确定当前应该进行的操作,并通过输出口送至执行部件,进而控制进水阀、加热泵的状态,以实现所要求的控制功能。

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图1 系统结构示意图

(3)水泵、电磁阀、加热器组成了上水、加热执行部件,该部件与输出通道的继电器相连以接受FPGA的控制命令,完成系统上水、加热、循环上水、循环加热功能。

(4)键盘输入主要由S1、S2、S3和S4组成,S1用来切换操作状态。控制器有“直接控制”和“参数修改”两种工作状态。按S1键显示“00”,控制器进入“直接控制”状态;显示“01”、“02”、“03”和“04”分别表示“设定上限水位”、“设定定时上水时间”、“设定定时加热时间”和“设定加热温度”。

进入“参数修改”状态后,s2、S3用来修改规定的参数;S1接受本次修改,并切换到下一个参数;S4取消本次修改。进入“直接控制”后,S2用来手动上水,S3用来手动加热,s4用来停止加热或上水。若水位已经超过设定上限水位,或水温已经超过设定温度,“直接控制”将不起作用。

设定水位上限:控制器可以监测到6个水位,上限水位可以由用户设置,水位上限设置范围为03、04、05、06。

设定定时上水时间:每天在规定时间检查水位,并上满。若设定时间是00或大于等于24,则取消自动定时上水。

设定定时加热时间:每天在规定时间检查水温。若水温低于设定温度,则接通电加热器,将水温加热到设定温度;若设定时间为00或大予等于24,则取消自动定时加热。

设定加热温度:定时加热温度可以由用户设定,范围为20℃一60℃。

3 系统软件实现

3.1 设计思想

在设计过程中,采用自顶向下的方法。首先从设计入手,在顶层进行功能方框图的划分,然后对各模块进行VHDL设计并仿真,再进一步综合,进行门级仿真,如果顺利,便可下载,实现电路。控制模块的顶层方框图如图2所示。

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图2 控制模块顶层方框图

在顶层设计中加入了定时器模块和液位、水温信号共同完成控制功能,实现分时段控制,进而实现在自动补水的同时不影响使用热水,在自动开启电加热器补温的同时不造成能源浪费,从而解决了定时补水、加热的问题。

3.2 模块设计

FPGA控制器分为以下几个模块:

(1)译码器模块:接收键盘的输入,并且根据系统要求,将其转换成系统需要的代码。

(2)状态选择模块:接收经过译码后的信号,完成状态的控制和参数接收功能。

(3)移位存储器模块:将设定参数存储起来,以备在后面的控制模块调用,完成整个控制模块的控制功能。

(4)比较控制模块:将根据设定的参数和当前的水位、水温,输出上水、加热、报警等相关信号给调理电路。

(5)定时器模块:根据实际需要,实现定时补水、加热功能。

(6)调理电路模块:根据状态选择电路和比较控制电路的输出,自动完成上水、加热、报警等相关操作。由于篇幅的原因,在此仅给出部分顶层电路的VHDL源代码:

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3.3 系统仿真与实现

在EDA工具Quartus II环境下对上述各个模块VHDL源程序进行编译、选配、优化、逻辑综合,自动把VHDL描述转变成门级电路,进而完成电路分析、纠错、验证、自动布局布线、仿真等各种测试工作。

3.4 仿真结果

在Quartus II环境下,运用其自身的仿真工具完成仿真,仿真结果如图3所示。

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图3 仿真结果

从仿真结果中可以看出,通过FPGA实现的太阳能控制系统,能很好地满足实际要求,并且较以往传统的设计方法而言,采用分时段控制,即“用水时段”和“非用水时段”,避免了频繁启动和用水安全,能源得到了有效利用。

该系统已在一些宾馆、写字楼投入运行,通过FPGA智能控制,采用温差跟踪循环方式充分利用太阳能进行加热,并及时启动辅助能源补充加热,在为用户提供不问断的开水供应的同时,节约了能源。该系统运行稳定,抗干扰性强。在以后的设计改进中可加入压力控制模块,进而在整个热水器构成中添加加压模块,使得上水顺利完成。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/13/2011)
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