基于fpga的太阳能热水器智能控制器的设计.doc

河南科技学院2013届本科毕业论文（设计）题目基于FPGA的太阳能热水器智能控制器的设计学生姓名所在学院所学专业导师姓名完成时间20130515基于FPGA的太阳能热水器智能控制器的设计摘要近些年人们的生活水平越来越好,因此人们也越来越注重生活质量,越来越注重环境保护,太阳能热水器成为了近些年来家庭中常见的家用产品。尤其在农村地区太阳能热水器的使用呈指数式增长,但是现在国内太阳能热水器的质量还有待提高,存在着很多设计上的问题。例如有些功能过于单一，不能24小时随时提供热水，很容易受到外界的干扰，不能很好地满足人们心中对太阳能热水器功能的需求，有时还会出现加热不足或者是过加热的情况，这样就存在很多大的安全隐患，所以本文设计了一款基于FPGA的太阳能热水器智能控制系统。该系统主要包括显示模块、键盘模块、水位检测模块、温度模块、上水模块、模糊控制模块等。该太阳能热水器操作简单，功能齐全，抗干扰性能好，可以保证用户能够24小时都能随时用上热水，而且不会出现加热不足或者是加热时间过长的现象，让用户用着安心用着放心，这样才达到了本文设计这款太阳能热水器的目的。关键词太阳能热水器，模块化设计，FPGA，模糊控制FPGABASEDSOLARWATERHEATERINTELLIGENTCONTROLLERDESIGNABSTRACTINRECENTYEARS,THELEVELOFPEOPLESLIVESGETTINGBETTERANDBETTER,SOPEOPLEAREINCREASINGLYFOCUSEDONTHEQUALITYOFLIFEMOREANDMOREATTENTIONTOENVIRONMENTALPROTECTION,SOLARWATERHEATERHASBECOMECOMMONINRECENTYEARS,THEFAMILYHOMEEXPONENTIALGROWTHOFSOLARWATERHEATERS,ESPECIALLYINRURALAREAS,BUTTHEQUALITYOFDOMESTICSOLARWATERHEATERTHEREISTOBEIMPROVED,THEREAREMANYDESIGNPROBLEMSFOREXAMPLESOMEFEATURESOVERASINGLE,NOTFOR24HOURSTOPROVIDEHOTWATERATANYTIME,ARESUSCEPTIBLETOOUTSIDEINTERFERENCE,THEHEARTSOFTHEPEOPLECANNOTMEETTHEDEMANDOFSOLARWATERHEATERFUNCTION,ANDSOMETIMESINSUFFICIENTHEATINGOROVERHEATING,SOTHEREAREMANYSECURITYRISKS,SOWEDESIGNEDANFPGABASEDSOLARWATERHEATERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMTHESYSTEMINCLUDESADISPLAYMODULE,KEYBOARDMODULE,THEWATERLEVELDETECTIONMODULE,MODULETEMPERATURE,WATERSUPPLYMODULE,FUZZYCONTROLMODULETHESOLARHEATEROPERATIONISSIMPLE,FUNCTIONAL,ANTIJAMMINGPERFORMANCE,CANENSURETHATUSERSCANSPENDHOTWATERATANYTIMEIN24HOURS,ANDWILLNOTAPPEARINSUFFICIENTHEATINGORHEATINGTIMEISTOOLONGPHENOMENON,SOTHATUSERSWITHPEACEOFMINDWITHTHERESTASSURED,SOASTOACHIEVETHEPURPOSEOFTHEDESIGNOFFTHISSOLARWATERHEATERKEYWORDSSOLARWATERHEATERS,MODULARDESIGN,FPGA,FUZZYCONTROL目录1绪论111我国太阳能热水器的发展现状112本文研究的目的与意义12太阳能热水器的原理与结构221太阳能热水器的基本原理222太阳能热水器系统的结构223太阳能热水器的电气控制33基于FPGA智能化外部电路的设计431总体硬件电路的设计432硬件电路芯片的选型5321FPGA芯片的选用533FPGA外部硬件电路的设计5331温度传感器局部电路的设计5332水位检测局部电路设计733344矩阵控制键盘电路的设计7334显示模块的设计8335上水模块控制电路9336加热模块控制电路9337模糊控制模块的设计104内部软件设计1141软件流程设计1142系统模块的软件设计12421按键模块软件设计12442显示模块的设计13443温度检测模块13444水位检测模块14445上水模块设计15446电加热模块设计16结论17参考文献18致谢19附录2011绪论11我国太阳能热水器的发展现状近十几年来，中国的经济发展迅速，人们越来越富裕。国家统计局发布的2012年国民经济运行情况显示，全年国内生产总值519322亿元，按可比价格计算，比上年增长78,按照年末汇率计算，GDP约合826万亿美元，人均GDP6100美元。由于人民生活水平的提高，太阳能热水器已经成为了大多数家庭中必备的产品之一。太阳能热水器基本上不受年龄层次的影响，所以市场范围特别大。12本文研究的目的与意义随着人们生活水平的提高，人们越来越追求高质量高品质的生活。但同时人们也面临着环境问题和生活成本越来越高等问题。煤、石油等化石燃料的价格一路飙升，给人们的生活成本带来了巨大的压力，迫使人们向清洁能源发展，随之而来的就是带来了太阳能热水器产业的迅速发展。但是我国市场上的太阳能热水器大部分都比较简单，有的还会有安全上的隐患，现在的消费者越来越追求安全舒适的人性化的产品，显然现有的太阳能热水器已经越来越不能够满足消费者对产品人性化设计要求了。所以本文要设计一款太阳能加热和电加热相结合的恒温控制系统，电加热和太阳能加热可以相互的自动切换，利用模糊控制的设计实现了热水器的恒温控制问题，保证用户24小时都能随时用上热水，而且不会出现过加热或者是加热不足的情况。22太阳能热水器的原理与结构21太阳能热水器的基本原理太阳能热水器就是利用太阳能，把太阳能转化成热能，然后把热能传递给水最终产生热水的的一种装置。它通过聚集热量，把热量传递给温度较低的冷水，当水被加热升温时，热水就会上浮冷水下沉，这样就把冷水和热水分开了，热水进入上水筒冷水被继续加热，一直持续下去就会有源源不断的热水了。22太阳能热水器系统的结构太阳能热水器有两大部分组成热水器和控制器部分。热水器部分又分为蓄水箱、集热器、连接管道等其他设施。而控制器又有输入、显示、检测、控制等电路组成。具体结构示意图如图21所示温度检测温度设定数码管水位设定A/D转换电磁阀晶闸管加热控制上水控制水位检测EP2C5F256C6自动上水时间设定蓄热水箱储水箱循环泵循环泵电加热水位传感器温度传感器入水口出水口温度传感器图21太阳能热水器系统结构图23太阳能热水器的电气控制3（1）先将蓄水箱加满水,使集热器处于满水工作状态。（2）自动供应冷水和及时储蓄热水。太阳能集热板和太阳能蓄热水箱内都安装有温度传感器，能够及时收集两个水箱内的水温信号。通过把温度信号转换为电压信号在控制电路中比较，若测得温度数据差值比预先所设定的数值大，控制器发出控制信号，开启循环水泵把热水送入太阳能蓄水箱内，同时把冷水送入太阳能集热板内。由于传感器是实时监控实时发送信号的，所以当传感器所测得的温度信号差值小于所设定的值时循环水泵就会立刻停止上水工作，然后太阳能集热器能的水开始加热。（3）蓄水箱中的电加热控制系统的工作。水温都是通过安装在水箱内的温度感应器来来实时监测的。通过转换把温度信号转换成电压信号后和预先设定的电压信号差值进行比较，如果如果所测得的差值比预先设定的差值要大的话就说明水箱内的水温达到了所设定的温度值，这时就无需加热。如果如果所测得的差值比预先设定的差值要小的话就说明水箱内的水温没有达到所设定的温度值，这时就需要控制器发出信号，经过放大电路来驱动电加热器工作对集热器内的水进行加热。（4）太阳能热水器的智能电气保护系统。当阳光较强时蓄水箱内的温度已经达到了本文所设定的温度时，本文就不需要再用电加热对蓄水箱进行加热了。通过控制器关闭对水箱的电加热，这样既安全又节省了电量。相反，在太阳能不足时通过传感器测得的温度传输给控制器，控制器通过控制电加热系统对水箱内的水进行加热，从而保证了水箱内随时有热水，而且防止水管等其他装置在冬天寒冷的天气中被动坏了。（5）控制其中还有一些按键来控制热水器中的温度设定、水位设置、和上水时间的控制等。43基于FPGA智能化外部电路的设计31总体硬件电路的设计硬件电路系统的设计包括控制电路、数模模数转换电路、传感器电路、键盘电路、水位水温检测电路等。在硬件电路设计时,考虑到后期扩展,应该留有一定数量的预留接口。外围电路一定不能出错,因为外围电路一旦成型在进行更改就会比较困难。整体硬件电路设计如图31所示16位按键EOCD0D7OESTARTALEADDBADDAIN1IN0水位检测晶闸管继电器TIL113TIL117EP2C5F256C6ADC0809C1C6EIE5F6F10B3A7A14A6A5A4A3B4L1L4K1K2M16N16T3T4T5T6R7R8T7T14D16D15D14D13EPCS4SI8DATADCLKNCSASDI74LS373OELED0D7Q0Q7图31硬件系统电路图按键模块主要是用来设置上水时间、加热温度、水位设定等的控制；ADC0809模块主要是将模拟信号转变为数字信号，然后将数据传输到中心处理器；水位检测模块是通过传感器将水位数据转换成0、1二进制数据，再通过中5心处理器传输到数码管上用十进制数据显示出来。32硬件电路芯片的选型现有的市场上大多数的控制芯片都是由单片机控制系统、数字信号处理器、或者可编程逻辑器件即FPGA构成的。单片机和数字信号处理器都是采用的哈佛结构,而FPGA采用的是查列表。单片机在简单控制上有优势，数字信号在数据处理上占有优势，而FPGA在控制和新算法上比较占优势。33FPGA外部硬件电路的设计331温度传感器局部电路的设计温度传感器的种类有很多主要有热敏电阻、铂电阻、热电偶、数字温度传感器等类型。这几种温度传感器各有利弊，本文这里选用高可靠的NTC热敏电阻器作为该项目的温度传感器。本文选用热敏电阻主要有以下几个方面1绝缘性好,可靠性高,反映速度快；2具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞,抗折弯能力,可靠性高；3能长时间稳定工作年电阻值漂移率1；4比较精密,能测定001的温度改变；5测量温度范围比较广,可以测量80L50。综合以上原因本文选用热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线,在一定的范围内可以近似为线性函数,这样就方便温度测量与控制调试热敏电阻的阻值温度特征曲线如图32所示。图32热敏电阻阻值温度特征曲线为了测得水温,可以给热敏电阻一恒定电流,电阻随着温度的改变而改变,所以电压也会随着温度的改变而改变。这样一来本文就可以用电压值的改变来表示水温的变化。本文可以用下面这个公式来表示温度的变化TKVT0T表示被测的温度表示热敏电阻温度特性相关的参数06K表示热敏电阻相关系数TV表示热敏电阻两端的电压根据这个公式，知道了热敏电阻温度特性相关的参数和热敏电阻的相关系数，再测得热敏电阻两端的电压就可以测到水箱内的温度。由上图可知，热敏电阻阻值温度特征曲线从10到150都呈线性函数，适合本文的太阳能热水器系统。温度测量电路具体设计如图33所示B3A7A14A6A5A4A3B4EP2C5F256C6ADC0809EOCD0D7OESTARTALEADDBADDAIN0R热敏电阻图33温度测量电路332水位检测局部电路设计水位检测电路采用简单易行、便宜可靠的电路设计，如果不考虑成本的情况下应该采用连续型水位检测比较好，但是本文考虑到成本问题这里采用间断式的水位检测设计。大致简图如图34所示图34水位检测电路简图这里可以把水箱分为A、B、C、D、E五部分，分别代表水箱水位的20、40、60、80、100。这五部分都分为两个电平高电平和低电平，分别用1、0来表示。当水位达到20时A端就为高电位如果水位低于20时A端就为低电平，当水位达到40时B端就达到高电平以此类推当水位达到100时E段就为高电平。通过把A端到E端与FPGA芯片连接再通过模数转换就能把水位用两个数码管显示出来，这样就能及时掌握水位的具体情况并且可以通过控制ACDBE5V水箱电阻导线100806040207系统来控制上水的时间、水位的高低。33344矩阵控制键盘电路的设计本文中需要0到9是个数字键，还需要温度设置键、水位设置键、上水时间控制键、确认键和后退键。加起来一共15个按键，所以需要设计一个44键盘才够用。矩阵键盘又叫做行列式键盘，44矩阵键盘需要4个IO口来作为行输入，还需要4个IO口来作为列输入。每个行和每个列的交叉点就是一个按键，这样有44共16个按键足够本设计的的要求和使用，而且还节省了很多IO口。44键盘简单框图如图35所示0123456789ABCDEF端口1端口2端口3端口4端口5端口6端口7端口8图3544键盘简单框图44矩阵键盘具体工作原理首先进入键盘扫描状态，看是否有按键按下。先从端口1到端口4输入低电平，端口5到端口8输入高电平，然后从端口5到端口8读取键盘状态。再从端口1到端口4输入高电平，端口5到端口8输入低电平，然后从端口1到端口4读取键盘状态。通过两次对键盘阵列的扫描就能判断出来那个按键被按下然后通过芯片来进行控制操作。例如按键2被按下了，从端口1到端口4输入低电平，端口5到端口8输入高电平，可得端口5到端口8的状态为“0111”,即为“70H”。再从端口5到端口8输入低电平，端口1到端口4输入高电平，可得端口1到端口8的状态8为“1101”,即为“0DH”。将两次状态值进行或运算就可以得到其按键的特征编码为“7DH”。根据这种方法可以随时测得哪个按键被按下，进而可以根据用户的需要实时精准的控制系统的整体。334显示模块的设计显示模块本文采用4个共阴极数码管组成，数码管分为共阴极数码管和共阳极数码管。数码管显示分为静态显示和动态显示，本文采用动态显示，一方面动态显示用的管脚比较少，连接比较简单；另一方面采用数码管作为显示模块最大的优点就是成本低，设计简单，经久耐用。共阴极数码管字形与代码对应关系如表31所示表31数码管共阴极显示字形与代码之间的对应关系字形01234567共阴极代码3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H字形89ABCDDEF共阴极代码7FH6FH77H7CH39H5EH79H71H335上水模块控制电路上水控制模块的电路设计如图36所示，从中心处理器的M16引脚输出高电平接一个74LS06，高电平变为低电平，这样就使光电耦合TIL117里面的发光二极管导通，然后光敏三极管也随之导通，最后驱动MC1416工作，使其控制继电器和电磁阀工作。EP2C5F256C6M16220V继电器电磁阀MC141674LS06TIL1175V5V1K1K12V图36上水模块控制电路336加热模块控制电路因为中心处理器的工作电压为115V到125V，所以不可能直接通过中央芯片来进行加热。这里通过连接功率放大器来控制220V的高电压来完成对水的加热。利用控制其导通的大功率二极管4N40门极上加载的小电流来完成对阴极9阳极导通的控制。电加热模块控制电路如图37所示EP2C5F256C6N1674LS06TIL1135V1K12V68K5104N4001UF100220VVT1图37加热模块控制电路337模糊控制模块的设计本文中模糊控制模块就是一个用硬件语言来实现从外设,模糊控制模块主要有模糊控制器和查找列表电路等部分组成。采用模糊控制模块有以下好处他是直接采用硬件语言来直接控制的,这样就不用在设计中建立控制模型了,使得控制设计变得简单、更容易接受便于操作控制。模糊控制模块程序见附录1，硬件语言生成的模糊控制器原理图如图38所示，缓存查找电路如图39所示，模糊控制模块整体电路设计如图310所示图36模糊控制器原理图图39缓存查找电路10图310模糊控制模块整体电路设计4内部软件设计41软件流程设计软件流程的设计本文使用模块化的设计，模块化的设计给本文带来了巨大的方便，使后期的工作量大大减少。采用模块化的设计让这个复杂的工程简单化，把一个大的整体分为一个一个的小模块，这样即使哪里出错了也能够很快的精准的确定问题的所在，快速的解决问题。模块化的设计还对以后系统的升级改造带来很大的方便，那个模块需要升级只需修改那个模块就行了，需要添加新的功能只需再添加新的模块就行了，这样使本文的工作量就减少了好多，效率也提高了不少。软件设计流程图如图41所示11开始初始化定时器按键处理加热控制模糊算法处理采集温度上水控制水位检测启动定时器有按键吗YN图41软件流程设计图42系统模块的软件设计421按键模块软件设计本文用到了15个按键，所以本文设计了一个44矩阵键盘共16个按键，第09位为数字按键，用来输入设定的温度值、水位值和定时电加热的时间；第10位为上水时间的设定键，按下后在再输入用户想要设定的时间最后按确定键就可以修改上水时间，按取消键就可以取消设定；第11位和第12位分别为温度设定键和水位设定键,操作步骤方法和上水时间控制键是一样的，第13位和第14位分别为确定键和取消键。按键模块程序见附录程序2，按键模块的电路流程图如图42所示，按键模块PIO各位的意义如表41所示12按键程序结束数据无效数字键处理等待返回键将命令保存有命令键吗按数字键按确定键吗将数据保存NYYN图42按键模块程序流图表41按键模块PIO各位的意义PIO的位位定义第09位数字键，代表数字09第10位命令键，进行自动上水时间设定第11位命令键，进行温度设定第12位命令键，进行水位设定第13位命令键，进行数据有效确定第14位命令键，进行数据无效确定442显示模块的设计13本文中的显示模块是用四个数码管来进行显示的，主要用来显示温度和水位的，因为FPGA芯片里面的数据都是以十六进制的形式出现的，所以需要将十六进制的数据转换为数码管能够识别的十六进制字段码才能够显示出来。由于是用寄存器来控制对温度和水位的显示的，所以需要对寄存器各位进行定义。显示模块的程序见附录程序3，显示模块寄存器各位的定义见表42表42显示模块PIO各位的定义PIO各位各位定义第0位第4个数码管的位控位第1位第4个数码管的位控位第2位第4个数码管的位控位第3位第4个数码管的位控位第47位转换后要显示的数据D0D7位第8位脉冲产生源443温度检测模块温度检测模块就是用来检测水箱内的实时温度，为用户提供准确