太阳能热水器水位自动控制系统毕业设计论文

1太阳能热水器水位自动控制系统摘要太阳能热水器，作为三大热水器之一，因其无污染，使用方便，长期投入成本低等特点，而越来越受到人们的青睐，其使用已相当普及。但与之配套的控制器却还一直处于研究和开发阶段。目前，市面上已有很多太阳能热水器的控制器具有温度和水位的显示功能，并且很多通过温度传感器以及安装电磁阀进行电辅助加热，已经能解决水温的自动控制。然而，在水位自动控制的方面依然不是那么完美，在很多时候，消费者在使用的过程中，往往会因水箱中水量不足并且不知情的情况下洗澡时遭受到突然没水的尴尬场面，从而影响人们的心情，生活和正常的工作。本设计通过利用温度传感器和液位传感器的结合，使我们理想中的既能自动控制温度，也能自动控制水位，温度和水位利用开关按扭转换的太阳能热水器实现，方便广大消费群众。关键词太阳能热水器水位自动控制THEAUTOMATICCONTROLSYSTEMOFWATERLEVELFORSOLERWATERHEATERABSTRCTSOLARWATERHEATERS,ASONEOFTHETHREEWATERHEATERS,BECAUSEOFITSCLEAN,EASYTOUSE,LOWCOSTLONGTERMINVESTMENT,MOREANDMOREPEOPLEOFALLAGES,THEIRUSEHASBECOMEQUITECOMMONHOWEVER,ACCOMPANYINGTHESUPPORTINGCONTROLLERSTILLHASBEENINRESEARCHANDDEVELOPMENTSTAGEATPRESENT,THEREAREALREADYMANYSOLARWATERHEATERCONTROLLERWITHTEMPERATUREANDWATERLEVELDISPLAY,ANDMANYTHROUGHTHETEMPERATURESENSORANDSOLENOIDVALVESWEREINSTALLEDAUXILIARYELECTRICHEATING,HASBEENABLETOSOLVETHEWATERTEMPERATURECONTROLNEVERTHELESS,WATERLEVELCONTROLOFTHEAREAISSTILLNOTSOPERFECT,INMANYCASES,CONSUMERSINTHEUSEOFTHEPROCESS,OFTENDUETOINADEQUATEWATERTANK,ANDWITHOUTTHEKNOWLEDGEOFTHEWATERBATHDIDNOTSUFFERFROMTHEEMBARRASSINGSCENEOFASUDDEN,SOINFLUENCEPEOPLESFEELINGS,LIFEANDNORMALWORKTHISDESIGNTHROUGHTHEUSEOFTEMPERATURESENSORSANDLIQUIDLEVELSENSORCOMBINATIONOFBOTHOURIDEALTEMPERATURECONTROLCANALSOCONTROLTHEWATERLEVEL,TEMPERATURE,ANDWATERUSESWITCHBUTTONCONVERSIONOFSOLARWATERHEATERSTOACHIEVE,FACILITATETHEBROADCONSUMERPUBLICKEYWORDSSOLERWATERHEATERWATERLEVELAUTOMATICCONTROL23目录摘要1ABSTRCT1第一章绪论511太阳能热水器的发展背景5111太阳能热水器发展的政治法律环境5112太阳能热水器发展的经济环境5113太阳能热水器发展的社会文化环境5114太阳能热水器发展的技术环境512太阳能热水器国内外发展现状6121国内发展现状6122国外发展状况713课题研究的主要内容814本课题研究的目的及意义815本章小结9第二章太阳能热水器系统1021太阳能热水器的基本原理1022太阳能热水器系统的结构1023太阳能热水器电气控制1124本章小结11第三章传感器的特点及应用1231传感器的特点、作用12311传感器电子学的特点12312传感器的重要作用13313传感器技术的展望1332传感器的特性14321传感器的静态特性14322传感器的动态特性1833信号处理方式19331特性补偿20332运算处理2133本章小结21第四章硬件组成及电路设计2241硬件电路总体设计2242硬件电路芯片的选型23421FPGA选用23422IP核的选用24423处理器选用25424A/D芯片的选型及接口设计26425显示器件的选型及接口设计27426EPCS的选型及接口设计28427锁存器的选型及接口设计30443FPGA外部硬件电路的设计31431温度测量电路的设计31432水位检测电路的设计33433上水控制电路的设计33434加热控制的电路的设计34435键盘电路的设计3544FPGA内部硬件电路的设计35441FPGA内部硬件电路结构35442FPGA内部硬件电路各模块分析36443FPGA内部各模块电路的设计3745系统的可靠性设计40451硬件抗干扰措施40452软件抗干扰措施4146本章小结42第五章软件设计4351软件设计需求4352软件功能模块的划分4353系统模块的软件设计43531键盘模块43532显示模块48533温度检测模块49534水位检测模块52535上水模块53536电加热模块5454本章小结56总结57参考文献58致谢615第一章绪论11太阳能热水器的发展背景111太阳能热水器发展的政治法律环境近年来，为缓解我国能源危机及环境污染问题，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到重视。而我国太阳能资源极为丰富，有很大的利用价值空间，太阳热水器已被国家列为重点推广的项目。中华人民共和国可再生能源法已于2006年1月1日施行，其中第十七条规定国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。今后，国家还将出台一些有利政策来鼓励太阳热水器的推广应用。这些不仅为太阳热水器的生产与安装提供了一个很有利的政治法律环境，而且为太阳热水器的推广应用提供了法律保障。112太阳能热水器发展的经济环境在最近20年，中国经济迅速发展，人民逐渐富裕起来。据预测，到2010年我国GDP将达到215万亿元左右，人均GDP将达到1900美元。从人们的收入来看，价格为15002500元的太阳热水器完全可以成为大多数中国居民的家用耐用品之一，尤其是在中国广阔的农村市场，特别是先富起来的小城镇。113太阳能热水器发展的社会文化环境随着人们生活水平的提高，热水器已成为大部分居民家庭中的必备家用耐用品之一。近年来，越来越多的人开始关注环境污染，绿色、环保、健康成为消费者购买商品时的重点考虑因素。太阳热水器无污染、节能、环保、安全。随着我国煤电气等能源的日趋紧张，价格不断调高，人们对太阳热水器的需求越来越迫切。我国有近13亿人口，3亿多家庭，而太阳热水器的消费受年龄层次的影响很小，是大众化的家庭耐用品。114太阳能热水器发展的技术环境太阳热水器产品类型主要有真空管型、平板型和闷晒型三大类型技术板块。目前比较先进的太阳热水器技术有分体式太阳热水器技术、壁挂式太阳热水器技术、承压式太阳热水器技术、太阳能热泵热水器，还有正在研究中的太阳能6热水空调系统技术，夏天在不太需要热水的时候，利用热水器产的热水带动空调制冷，冬天利用热水器产的热水供暖或洗浴，这种高效率的综合利用太阳热水器的技术是今后发展的趋势。从政治法律环境、经济环境、社会文化环境、技术环境几个方面综合分析来看，中国太阳能热水器市场目前具有良好的发展环境，处于产品生命周期的成长期，市场需求量和潜在用户迅速增长，目前没有新的替代品的威胁，又有国家政策的鼓励，市场前景十分广阔。但是，目前国内的生产厂家很多，市场竞争十分激烈，大部分是生产质次价低的小作坊式的生产企业，许多消费者也意识到了这种质次价低的产品的危害，随着市场的成熟，这些小企业将逐步被淘汰。而目前实力较强的企业中还没有占绝对优势的品牌，没有形成寡头垄断竞争的格局。因此，中国太阳能热水器企业立足目前这种市场状况，注重科研技术开发，在市场竞争中采取技术领先的差异化战略，生产出高质量的满足用户需要的产品，必将有广阔的发展前景。12太阳能热水器国内外发展现状121国内发展现状中国的太阳能热水器市场发展很快，总的保有量和年生产能力世界第一。但主要是以真空管直插式的简易产品为主，工程也以非承压单循环为主。中国的太阳能厂家生产的产品很多，追求全面，主要生产厂家不仅生产水箱、支架还生产真空。中国太阳能市场运作主要是以制造商发展经销商，以专卖店形式销售产品。制造商不仅制造产品还负责市场及品牌运作、工程安装和售后服务。中国的太阳能产品开发主要由各个制造厂的技术部负责，各自为政，包括工程系统应用也是如此。由于各个厂所能聘用的专业研发人员数量和质量有限，导致了中国太阳能的利用没有大的突破。近年来，太阳能热水器在我国迅猛发展，从20世纪70年代后期就开始了开发家用太阳能热水器。到20世纪90年，它不仅可为家庭和机关、旅社、医院等提供洗澡、洗衣、炊事等所需热水同时还可用于空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等。随着科学技术的进步，太阳能热水器也随之不断改进，由集热和贮热合为一体逐步改进为集热和贮热部分分开，采用先进的太阳能集热器，先进的保温材料和冬季防冻技术及其他7辅助装置等。现如今生产的先进的太阳能热水器已实现了全年运行，大大提高了太阳能热水器的热效率和利用效率。目前，太阳能热水器是可再生能源技术领域商业化程度最高，推广应用最普遍的技术之一。太阳能热水器的技术发展其一、利用副水箱自动上水，无须人工操作，特别适用于供水供电不很正常的农村。当白天出现水压不足，停电上不了水的情况时，到了深夜，它能自动上水，水满自停，可靠性高，使用寿命长。其二、自动控制方面，大多数厂家的产品采用电脑线控方式，线控的主要目的是控制面板能与主体分离，以利于操作。电脑控制能够实现更精确的温度控制和热水预约功能，具有自动记忆功能，能够记录使用者的用水时段、用水次数、用水量和用水温度，到时提前自动加热，充分的满足使用者用水的要求。其三、节能方面，厂商已经开始从高效率方面来改进产品。利用良好的保温技术，使热水保持到第二天使用。比力奇、前锋和西门子的双内胆结构两个内胆上下放置，相互连通，下胆进冷水，上胆出热水，减少了热水与冷水的接触面，提高了出热水量，节能省电。海尔的分层加热技术、西门子的接力式加热管以及阿里斯顿的“Z”型加热管都能根据用水量充分的加热特定区域。122国外发展现状太阳能热水器是一种清洁，环保，节能的产品。世界各国对太阳热水器的开发十分重视。各国纷纷制定太阳热水器技术产业的发展规划，大大地加速了该行业的发展。美国的“百万太阳能屋顶计划”实施将带动大批相关工业的发展。欧共体提出了“太阳热水系统热能供给保证体制”，以合同的形式对用户实现供热水的承诺。先后在法国、西班牙和德国加以实施，已取得了良好的效果。以色列是一个化石能源资源较少而太阳能资源十分丰富的国家。政府对太阳热水器的开发利用进行了直接干预。韩国，东南亚各国也制定了支持开发利用太阳热水器的优惠政策，纷纷吸收外资到本国开办太阳能企业。随着科学技术的进步，太阳能热水器也随之不断改进。以色列农民在政府的支持下85的住宅都村安装了太阳能热水器。美国有130多万个游泳池都装上了太阳能集源热器，成为环保型的太阳能游泳池。太阳能热水器在国外的应用其一、针对城市住宅的安装使用，集体组装、分户使用的、全天候运行的、具有自动控制的、每户装有热水表的太阳热水系统。8其二、适用不同用户需要的、满足各种建筑物结构和外观要求具有个性化的产品。其三、满足各种行业的应用。商业与服务业的洗车、餐饮、洗浴、洗染、美容、宾馆和饭店以及农业生产中的温室加热、畜禽养殖等都需要大量的热水；太阳热水系统与沼气池结合起来，可以提高发酵温度，大大地提高其产气率；在工业生产中也有不少使用热水的场所，如皮革加工、机械零件的清洗以及预热等。太阳热水器和被动太阳房相结合进行采暖是一种值得推广的技术。另外，主动太阳房利用太阳热水器和其它能源相结合，进行地板采暖也有很好的经济效益。13课题研究的主要内容本课题研究的主要内容1在FPGA上进行处理器系统的设计。2进行芯片的选型及接口设计。3进行其它硬件电路及软件的设计。14本课题研究的目的及意义太阳能热水器已走进千家万户，太阳能热水器行业蓬勃发展，前景广阔，但是消费者的需求越来越高，现有的太阳能热水器并不能很好的满足消费者需求。随着社会生产的发展、科学技术的进步、生活水平的提高，人们早己不再满足于只有使用功能的产品，人们在关注产品保证一定物质功能的同时，越来越注重在使用过程中的舒适、高效、安全的操作。对太阳能热水器的使用方便性、安全性、操作界面的人机友好性提出了更高的要求。本文设计了太阳能水位自动控制系统。设计这个系统的目的是实现水温自动控制哦的基础上实现水位的自动控制。本文研究的意义也有两方面一方面，节省能源我们现在所消费的能源，主要是煤炭、石油和天然气等化石燃料，这些常规的化石燃料资源有限，不可再生。而太阳能是人类可以利用的，最丰富的新能源。另一方面，保护环境，减少污染环境问题是目前全世界都关注的一个问题。我国是世界9上最大的煤炭生产和消费国，煤炭的大量开采与利用，必将造成大气和其他类型环境污染及生态破坏。这对人类的生存和发展构成了严重威胁。而太阳能是一种绿色能源，不会排放任何污染大气和其他类型环境的有害物，是与生态环境相协调的清洁能源。15本章小结本章通过政治法律环境、经济环境、社会文化环境、技术环境几个方面综合分析，概述了中国太阳能热水器市场目前具有良好的发展环境，处于产品生命周期的成长期，市场需求量和潜在用户迅速增长，又有国家政策的鼓励，市场前景十分广阔。同时从太阳能热水器的发展现状入手，通过国内外太阳热水器在制造产品，生产方式，市场运作方式，新产品研发方式比较，指出了我国在太阳能产业方面的不足，提出了今后努力方向注重科研技术开发，在市场竞争中采取技术领先的差异化战略，生产出高质量的满足用户需要的产品。概括地介绍了研究的内容及研究方法。阐述了研究太阳能热水器的目的及意义。10第二章太阳能热水器系统21太阳能热水器的基本原理太阳能热水器就是利用温室原理，把太阳能转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的一种装置。所谓温室原理就是指由于对流、辐射损失减少，使热量聚积，温度逐渐升高的一种自然现象。具体来说，太阳光透过玻璃进人密封的集热器内，大部分能量被集热器内的黑色吸收体吸收，然后将热量传给冷水，冷水加热后重量变轻，自动流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自动流入吸热体继续获得热量，周而复始，水箱内的全部冷水将被加热。22太阳能热水器系统的结构太阳能热水器系统是由太阳能热水器和控制器组成。而太阳热水器由集热器、蓄热水箱、循环连接管道、支架及其辅助部件加热等组成。而控制器是由输入，显示，检测，控制电路组成。太阳能热水器系统结构如图21所示。11图21太阳能热水器系统结构23太阳能热水器电气控制1首先加水，使太阳能集热板处于满水状态，这时太阳能集热板工作。2自动上冷水及蓄热水。通过分别安装在太阳能集热板和太阳能蓄热水箱内的温度传感器实时收集两个容器内的水温信号。通过信号转换，使温度值转换成电压值在控制电路中进行比较，当两者的温度差值达到预先给定的设定值时，控制器发出启动信号，启动循环水泵。将热水放入太阳能蓄水箱，冷水进入太阳能集热板。由于温度信号的检测是实时的，所以当温度差小于给定值后，控制器的启动信号消失，循环泵停止工作，太阳能集热板的水进入加热过程。3单独控制蓄热水箱中的电加热器的工作。水温也是通过安装在水箱中的温度传感器实时检测的。温度信号通过转换以后，跟控制器内设定的可以代表相应温度的电压值进行差值比较。如果温度差给定值测量值为零值或者负值，说明水箱中的水温达到要求，不需要加热。如果为正值，说明水温未达到要求，控制器产生的执行信号，经放大电路放大产生驱动信号驱动执行机构工作，开启电加热器。4太阳能热水器的电气保护。当太阳辐射量很大时即在太阳能蓄热水箱中的水温过高，已经满足使用需要，不需要再经过蓄热水箱中的电加热器加热，蓄热水箱中的电加热器关闭，电蓄热水箱作为太阳能热水器的备用水箱。相反，在冬天或者连续阴雨天辐射量很小时，控制器通过控制电路使太阳能蓄热水箱中的电加热器开启，给蓄热水箱中的水加热，通过热传递保证了水管不会在寒冷的天气中被冻坏。5热水器中一些输入按键，用于热水器水位，温度的设置。24本章小结本章先介绍了太阳能热水器的基本工作原理；然后画出了太阳能热水器的系统整体结构框图，既用FPGA来构建处理器系统，来完成数据采集与控制；最后阐述了太阳能热水器电气控制过程。12第三章传感器的特点及应用31传感器的特点、作用311传感器电子学的特点传感器就是一种能感知某一物理量的信息，并能将该信息转化为有用信号的装置。它能代替人的五感，还能检测人的五官所不能感觉到的现象如红外线等电磁波、能量小的超声波。传感器电子学是研究传感器的学科。传感器电子学有如下特点一、学科的边缘性传感器电子学是以各种材料的物理效应、化学反应和生物传感机理作为理论基础，开发新的功能材料，并使材料功能实用化而发展起来的一门新学科。二、设计的综合性人类社会中，光、声、热、湿度、位移、距离、角度、重量、速度等信息千变万化，所用材料名目繁多，工作环境与技术要求形形色色，传感器与计算机要相互匹配。这一切决定了传感器设计的综合。三、功能的潜在性传感器是人的五官功能的扩展，其功能各种各样。它能代替人的视觉、触觉、听觉等五官感觉的功能，它能检测人的五官不能感觉的现象。四、应用的广泛性传感器功能的潜在性决定了应用的广泛性。它既可用于军事工程，又可用于工农业等国民经济各部门。它被誉为“八十年代最具有时代性的大量生产的商品。”五、测试的精确性非电量测试技术是传感器计量检测的核心，与通用性强的信息、科学技术相比，传感器技术是一门因检测对象不同而技术各异的专门技术。各类信息的量程宽，如温度一273一40000K，压力133322PA/EMZ一LO6KPA，加速度1100009。测试精度高，多数产品的精度为025、01，个别产品精度可优于0001。动态测试技术难度大，如感应湿度的响应时间，力学量传感器的频13响特性与灵敏度测试等。六、工艺的复杂性传感器的工艺复杂。如微型传感器要求直径为1二的精加工技术，硅应变片传感器要求厚度小于1PM的超薄加工技术耐压大于106KPA的压力传感器要求密封技术智能传感器必须解决“三维”结构的工艺技术。七、生产的分散性多数传感器都是多品种小批量生产，故传感器的生产是一种分散型的工业。312传感器的重要作用L信息的收集科学研究中的计量测试，产品制造与销售中所需的计量等都要由测量而获得准确的定量数据对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息转换位数据判断产品是否合格，或人体各部分的异常诊断等都需要由传感器来测量。2信息数据的交换。把以文字、符号、代码、图形等各种形式记录在纸上或胶片上的信息数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出记录在各种媒介体上的信息并进行转换。例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。3控制信息的采集检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。313传感器技术的展望传感器技术的应用范围非常之广。它会随着不断满足社会性的需求而不断增加。新传感器的开发和应用，要求传感器技术的三大支柱即“检测原理”、“生产技术”和“现场试验数据”协调发展。传感器必然走向全数字化。传感器系统将集成在一个芯片上，其中包括为传感器处理器和位执行器，它们构成一14个闭环工作为系统。有数字与更高级的计算机控制相连，通过利用专家系统中得到的算法对基本微传感器部分提供更好的校正与补偿。传感器的功能会更多，精度和可靠性会更高，智能化的程度也将不断的提高，优点会越来越明显。32传感器的特性321传感器的静态特性对传感器静态特性的基本要求有输入位0时，输出也为0输出相对输入应保持一定的对应关系。例如图3一1所示图31输入与输出的关系若传感器的输入量为X，输出量为Y，则YFX，最好X/Y为恒定的比例关系。L、灵敏度与信噪比S/N选用传感器首先考虑的是灵敏度。如果达不到测量时所必须的灵敏度，这种传感器不能采用。但灵敏度高的传感器不一定是最好的传感器。这是因为它易受噪声的影响。除环境噪声外，还有来自传感器本身输出的噪声。必须用信号与噪声的相互关系全面来衡量传感器。传感器输出信号中的信号分量与噪声分量二次方的平均值之比，称为信噪比S/N与噪声。S/N小，信号与噪声就难以分清，若S/NL，就完全分辨不出信号因此，S/N至少也要大于10。2、线性15在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程图32传感器的线性度（FS）输出值的百分比称为线性度（见图32）用表示线性度，则式中校准曲线与拟合曲线间最大偏差；传感器满量程输出；。由此可知，非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线其出来的。因而，基淮直线不同，所得线性度也不同。应当指出，对同一传感器，在相同条件下做校准试验时得出的非线性误差不会完全一样，因而不能笼统地说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。目前国内外关于拟合直线的计算方法不尽相同，下面仅介绍两种常用的拟合基准直线方法。一端基法把传感器校准数据的零点输出平均值A。和满量程输出平均值B。连成的直线氏B。作为传感器特性的拟合直线见图3一3。其方程式为YA0KXI116式中Y输出量；X输入量；A0Y轴上截距；K直线A0B0的斜率。由此得到端基法拟合直线方程，按I1式可算出端基线性度。这种拟合方法简单直观，但是未考虑所有校淮点数据的分布，拟合精度较低，一般用在特性曲线非线性度较小的情况。图33端基线性度拟合曲线二最小二乘法用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度最高。其计算方法如下今拟合直线方程为YA0KX。假定实际校准点有N个，在N个校准数据中，任何一个校准数据Y1与拟合直线上对应的理想值A0KX间误差为L1Y1（A0KX1）（I2）最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使为最小值，亦即使对K和A0的一阶偏导数等于零，从而求出K和A0的表达式。联立求解以上二式，可求出K和A0，即17N为校准点数。由此得到最佳拟合直线方程，由（I1）式可算得最小二乘法线性度。通常采用差动测显方法来减小传感器的非线性误差。例如某位移传感器特性方程式为另一个与之完全相同的位移传感器，但是它受相反方向位移，则特性方程式为在差动输出情况下，其特性方程式可写成可见采用此方法后，由于消除了X偶次项浓非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍，零点偏移也消除了。因此差动式传感器已得到广泛应用。3、时滞输入量增加到X1，如果输出量为YL，再继续增加输入量然后减少到XL，这时其输出量为Y2。实际上输出量YL和Y2不相等，有一定的差值，即为时滞回差。这样，输入与输出不是一一对应的关系。因此，要尽量选用时滞小的传感器4、环境特性周围环境对传感器影响最大的是温度。目前，很多传感器材料采用灵敏度高，而信号易处理的半导体。然而，半导体对温度最敏感，实际应用时要特别18注意。除温度之外，还有气压、湿度、振动、电源点压及频率等都影响传感器的特性。5、稳定性理想特性的传感器是加相同大小输入量时，输出量总是大小相同。然而，实际上传感器特性随着时间而变化，因此，对于相同大小的输入量，其输出量是变化的。连续工作时，即使输入量恒定，传感器输出量也会朝着一个方向偏移，这种现象称为温漂。需要注意的是，除传感器本身的温漂外，还有安装传感器元件的机构的温漂，以及电子电路的温漂。6、精度精度是评价系统优良程度的。精度分为准确度和精密度。所谓准确度就是测量值与真值偏离的程度，为修正这种偏差需要进行校正，完全校正是很麻烦的。因此，使用时尽可能地减少误差。所谓精密度就是即使测量相同对象，每次测量也会得到不同测量值，即离散偏差。322传感器的动态特性传感器要检测的输入信号是随着时间而变化的，传感器的特性应能跟踪这输入信号的图34输入与响应的关系变化，这样可以获得准确的输出信号。如果变化太快，就可能跟踪不上。这就是响应特性，即动态特性。动态特性是传感器的重要特性之一。传感器输入与响应的关系上图所示。1933信号处理方式图35测量控制系统信号处理流程图传感器测量控制系统框图如图3一5所示。传感器检测变化的信号送往计算机，由计算机进行处理，然后计算机根据指令把处理结果送到控制、显示及记录装置等。传感器系统的信息处理流程如3一7所示。传感器输出信号通过输入接口电路变换为计算机易处理的数字信号，然后输入到计算机，计算机把该信号处理为控制等装置所要求的信号格式，通过输出接口电路输出，驱动控制装置，并显示与记录。计算机对传感器输入的数据要进行特性补偿，运算处理，格式化以及组编20程适合于控制的数据，根据控制指令输送到外设。331特性补偿1、输入输出特性补偿图36模拟传感器的输入输出特性一般来说，传感器的输入输出特性是非线性的，不能直接显示与记录，必须进行非线性校正，即补偿。模拟信号输出传感器的典型输入输出特性如图3一6所示。图3一6A表示通过原点的直线，线性度好。输出值乘以系数即可直接显示其真值。图3一6B表示不通过原点的直线，需要进行减去B值处理。图3一6C是平方特性，需要求二次方根运算以及系数补偿。图3一6D是指数形式的特性，需要对数变换处理。另外还有各种形式的输入输出特性。因此，需要进行相应的处理，运用计算机软件极易实现。有效输出量的获取，有时要消除传感器输出量中的无效物理量。例如，为了能在很宽温度范围内测量物体的应变时就要采用应变传感器，而应变传感器输出量中就有因温度变化而引起的输出量，这种输出量是无效的，但往往又不能消除。因此，就要把温度传感器与应变传感器组合在一起，测量气温度，基于此值补偿应变传感器的输出值。输出量只是有效的物理量。21332运算处理传感器的输出信号要经过各种运算处理、变成有效信号。传感器输出信号送入计算机，成为计算机的输入信号，使用运算处理的信号有两种方式一种方式是输入计算机信号传感器输出信号仅某个时刻使用有效。例如根据输入信号挑选产品的优劣，即仅到某设定值例如产品合格参数输入信号有效。另一种方式是记录输入数据，综合利用积累的信息。典型形式有采用直方图、数字记录、暂时记录、取平均值等形式。直方图形式是根据传感器输出数据信息，来了解产品加工精度的分布情况。它用于大批量生产管理与大量试验数据处理。数字记录形式是以一系列的时效数据形式存储传感器输出的数据，用于以后检查生产产品的状态。暂存记录形式是把传感器输出数据作为周期性时效数据，用于推断与预测事故。取平均方式是把传感器检测次数累加，取平均数据，用于提高测量精度。33本章小结本章介绍了传感器的特点,作用,特性以及其信号处理方式22第四章硬件组成及电路设计41硬件电路总体设计硬件设计指应用系统的电路设计，包括主机、控制电路、存储器、I/O接口、A/D和D/A转换电路等。硬件设计时，应考虑留有充分余量，要为系统扩展预留一些接口。外围电路设计力求正确无误，因为外围硬件电路一旦设计完成，就很难修改其外部硬件结构。太阳能热水器加水位自动控制功能，主要是增加一个采集，显示及控制系统。本文以FPGA芯片为核心，组成处理器测控系统。总体硬件电路的接口设计如图41所示。图41硬件电路接口简图23控制系统中ADC0809芯片主要是将传感器检测出来的模拟电信号转变成数字信号，传送到处理器内进行处理；FPGA模块主要是建立处理器系统，接收PC机生成的下载文件，接收检测的数字信号，进行数据处理，数据的显示，开关量的控制；显示模块主要是温度，水位的显示；32按键模块是用来进行水位设定，温度设定，及自动时间上水时间水位检测模块是通过电导式液位传感器将非电量的水位数据转换为数字0，1这样的二进制数据；上水控制及加热控制是通过光电隔离元件来实现控制的。42硬件电路芯片的选型421FPGA选用当前大多数应用系统的控制芯片是由MCU单片机系统，DSP数字信号处理器，或者FPGAFIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY即现场可编程逻辑器件构成的。而这些控制芯片各有特点1结构上，MCU的存储器采用哈佛结构；DSP芯片采用改进的哈佛结构,程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，大大地提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理；FPGA的结构是基于查找表。查找表LOOKUPTABLE简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LU，每一个LUT可以看成一个有4位地址线的RAM。2内部资源使用上，MCU，DSP通过用特殊功能寄存器的形式来访问内部资源，然而它们的特殊功能寄存器不多；而FPGA的寄存器相当丰富。3指令系统上，MCU采用面向控制的指令系统；DSP指令系统是流水线操作。在流水线操作中，一个任务被分解为若干个子任务，各个任务可以在执行时相互重叠。DSP指令系统的流水线操作是与哈佛结构相配合的，增加了处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量；FPGA的指令系统依赖用户选用的处理器。4外部扩展能力，因为MCU，DSP的引脚较少，故扩展能力没有FPGA强。5特有的应硬件资源，DSP有专用硬件乘法器；MCU用软件来实现乘除法；24FPGA可以由用户来自制指令，极大的提高创建系统的灵活性。6系统的升级能力，MCU，DSP内部电路结构固定，一旦设计完成，内部电路不能更改，而FPGA内部电路可由用户根据需要来配置，内部电路可修改。综合MCU，DSP，FPGA的分析，可以得出单片机在简单的控制和人机接口方面处于领先地位；DSP的优势体现在数据处理上；FPGA处于的优势体现在控制及新算法处理上。同时考虑以后系统的扩展，系统的升级，设计周期，开发费用，系统的稳定性以及软件设计的繁易程度等各项指标，最终选用FPGA芯片。本设计选用CYCLONEII器件的EP2C5F256C6芯片，EP2C5F256C6芯片的主要特性为1拥有4608个逻辑单元。2RAM位数为119808。3支持2个锁相环。4158个可用的I/O脚。5支持通过低成本串行配置器件配置。6全面支持LVTTL，LVCMOS，SSTL2和SSTL3I/O标准。7支持66MHZ，32位的PCI标准。8支持低速LVDSI/O。9最高支持8个全局时钟线。10支持外部存储器，包括DDR，SDRAM，FCRAM，SDRAM。11支持IP核复用设计，包括ALTERAMEGACORE。422IP核的选用IPINTELLECTUALPROPERTY核则是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序与集成电路工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。将一些在数字电路中常用，但比较复杂的功能块，如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等设计成可修改参数的模块。本文设计中使用了大量免费的IP核NIOS核，JTAGUART核，PIO核，TIME核，RAM核，ROM核，极大降低设计的难度。使用这些IP核设计系统具有以下优点251修改元件的功能容易。2使用方便，开发周期短。3避免重复劳动，大大减轻设计的工作量。4保证模块的性能。423处理器选用目前常见的处理器是微处理器，数字信号处理器，以及软核处理器。这些处理器性能有很大的差别1工作效率微处理器以及数字信号处理器都采用排队式串行指令执行方式，从而使其工作速度和效率低。它们的内部电路结构固定，它们的速度不能满足不断出现的新算法对数据处理的要求。而软核处理器采用5级流水线技术，大多数指令可以在一个时钟周期内完成，提高了处理器的运算速度。2系统升级能力每个系统都是针对某一个具体的微处理器设计，因此其硬件、软件具有专用的特点。一旦需要硬件升级，尤其是微处理器的升级，必须硬件、软件全部重新设计，微处理器以及数字信号处理器结构固定，硬件很难再升级。而软核处理器是一个软件内核，只要芯片上有空间，它就可以不断进行升级而不用修改电路结构。3开发周期由于微处理器以及数字信号处理器是以执行软件指令方式来实现逻辑功能的器件，不同的功能环境需要不同的微处理器，而不同的微处理器通常又具有不同的汇编语言。此外，在微处理器开发软件编程中需要时时顾及特定的微处理器硬件结构和外围接口。程序的移植性差导致了每一新系统开发中的软件重复劳动一再发生，成功的微处理器开发智力成果难以实现直接的再应用。所有这一切导致了微处理器应用系统开发效率低下和产品上市周期的延长。而软核处理器是一个标准的RISC处理器。执行标准的C源代码，程序的可移植性强，开发人员不必为它的兼容性担心，可以重复使用以前开发的代码，在较短时期内研发出成熟的产品来。通过比较，本文选用软核处理器。软核处理器的软IP核，设计者可以将它放入FPGA中，它只占芯片内部很少的一部分逻辑单元，成本很低。NIOS软核处理器是一个基于流水线的精简指令集通用微26处理器，其指令集的大部分指令均可在一个时钟周期内完成，它具有以下一些特点1是一种可配置的IP核，设计者可以通过开发工具对其参数进行配以适应不同场合的需要。2具有16位和32位两种可自由选择的体系结构316位的指令宽度，减少了代码的长度以及指令存储器的宽度。4通过对其参数进行配置，可具有512个通用寄存器。编译器可以使用这些寄存器来加速函数调用以及对本地变量的访问。424A/D芯片的选型及接口设计4241芯片选型由于处理器系统只能识别二进制数据，故需要模数转换芯片，将模拟的电信号转变为数字信号。本文采用通用的模数转换芯片ADC080932，该芯片的技术指标为1具有8路模拟量输入通道。2分辨率为8位。3模拟输入电压范围05伏。4使用5V电源，转换时间为100S。5有转换起停控制。6转换温度4085；4242芯片接口设计芯片的接口如图32中，当EP2C5F256C6的A5和B4引线端上信号均为高电平时，启动脉冲START和地址锁存允许脉冲ALE信号有效，A/D转换器内的地址锁存器把地址信号ADDA，ADDB和ADDC锁存起来，选通通道并进行采样和保持。在START下降沿的作用下开始逐次逼近的模数转换过程。让ADC0809工作在查询方式下，转换过程结束，ADC0809的EOC变为高电平，由NIOS检测B3口是否为1，为1即表示该次转换结束，此时由NIOS向A/D转换器取出检测转换数据，即完成数据的采集。27图42FPGA与ADC0809接口简图425显示器件的选型及接口设计4251芯片选型显示模块采用7段LED数码管HDSPG153。通过控制七个条状发光二极管芯片亮灭来实现09的显示7。在系统中使用4个7段LED数码管。LED数码管有共阴极和共阳极两类。共阴极LED数码管的发光二极管的阴极共地，当某个发光二极管的阳极电压为高电平时，二极管发光；而共阳极LED数码管是发光二极管的阳极共接，当某个二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。在设计中，采用了LED的共阴极接法，其字形与代码对应关系如下。表41字形与代码对应关系表4252LED译码方式28LED数码管显示器的译码方式有硬件译码方式和软件译码方式。所谓硬件译码方式是利用专门的硬件电路来实现显示字符到字段码的转换；所谓软件译码方式是通过软件译码程序来得到要显示的字符的字段码。由于使用FPGA芯片，在FPGA内部构建硬件电路，不会增加成本。故本设计采用硬件译码。4253LED显示方式LED数码管的显示方式有两种可以选择一种是静态显示方式，一种是动态显示方式。对于多位LED显示单元，通常是采用动态扫描的方法进行显示，即逐个的循环点亮各位显示器，这样不仅可以简化硬件电路，还可以显示更多的字符。虽然在任意时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来去全部显示器持续点亮的效果完全一样。为了实现LED显示器的动态扫描，除了要给显示器提供字形代码的输入之外，还要对各位显示器分别进行控制，也就是所谓的段控和位控。因此多位LED显示器接口电路粗要有两个输出口，其中一个用于输出8位段控线；另一个用于输出位控线，位控线的数目等于LED显示器的数目。采用静态显示则需要的连接的I/O引脚较多，增加设计的难度，故本设计的LED数码管采用动态显示方式。4254芯片接口设计系统需要4位LED显示器，分别对实际水位和实际水温各使用2位LED进行显示。在设计中，选用FPGA作为4位LED显示器的接口电路。用FPGA的引脚D13D16作为输出口，即位控口。R7引脚用作锁存允许控制端。R8引脚用作三态允许控制端。T7T14作为输出口，即段控口。EP2C5F256C6与LED数码管芯片接口设计如图43所示。426EPCS的选型及接口设计4261芯片选型本文选用ALTERA公司提供了一种基于FLASH存储器的专用串行配置器件EPCS4SI8EPCS4系列的器件都具有串行接口，能够存储STRATIX系列、CYCLONE系列的FPGA的配置信息，并在系统上电或者需要重新配置FPGA时，向FPGA发送配置信息。EPCS4SI8的技术指标291简单易用，接口只需要四个引脚。2存储容量为4M。3配置电流比较小。图43FPGA与LED数码管接口简图4在AS模式下，CPU能够直接访问未用的空间。5低成本、引脚数少、存储稳定。6可以通过状态寄存器，将其置为写保护模式。4262芯片接口设计EP2C5F256C6与EPCS4I8芯片接口设计如图44所示30427锁存器的选型及接口设计4271芯片选型为了匹配处理器与软件访问的速度，使传输的数据不丢失，需要用锁存器来锁存传输的数据。本设计的锁存器选用74LS373。74LS373的技术指标1电源电压50V。2输入电压507V。3输出高阻态时高电平电压55V。4工作环境温度070。5存储温度65150。图44FPGA与EPCS4I8接口简图4272芯片接口设计74LS373为三态输出的8D透明锁存器，74LS373的输出端Q0Q7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载。当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平。EP2C5F256C6与74LS373芯片接口设计如图45所示。31图45FPGA与74LS373接口简图43FPGA外部硬件电路的设计431温度测量电路的设计4311温度传感器的选型目前的温度传感器种类繁多，常见的温度传感器主要有热敏电阻、铂电阻、热电偶以及模拟集成温度传感器，数字温度传感器。每种传感器有其各特点热电偶由于其灵敏度低，而且需要冷端补偿，不适合在本系统中应用。铂传感器铂电阻的线性较好，只是在接近其范围极限时呈非线性。铂电阻的阻值每摄氏度可以改变几分之一欧姆，测温范围为260850。铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。模拟集成温度传感器可完成温度测及模拟信号输出功能的专用集成电路。它的特点是功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、线性好。其缺点是测温范围比较窄。数字温度传感器外围元件极少，功耗低、监控参数精度高、可靠性高。但是价格高。热敏电阻热敏电阻具有高稳定性、精密、小尺寸、灵敏和价格低廉等优32点，每摄氏度可以改变几百欧姆，适合稳定性超过001的系统。但热敏电阻的电阻率是随温度的增加而非线性的减少的。这一特性以及窄的温度敏感范围测温范围为80L50是这种敏感元件的缺点。综合考虑性能，价格，实用性，设计要求等方面，本文选用热敏电阻。4312热敏电阻的性能热敏电阻的特性如图46所示，热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线形度较大，因此在使用时要进行线形化处理。线形化处理虽然能改善热敏电阻的特性曲线，但比较复杂。为此常在要求不高的一般应用中，作出在一定的温度范围内温度与阻值成线形的假定，以简化计算。图46热敏电阻的阻值温度曲线热敏电阻的应用是为了感知温度，为此给热敏电阻通过以恒定的电流，测量电阻两端就得到一个电压，然后就可以通过下列公式求得温度TT0KVT41其中T被测温度T0与热敏电阻特性有关的温度参数K与热敏电阻有关的系数VT热敏电阻两端的电压根据这一公式，如能测得热敏电阻两端的电压，再知道参数T0和系数K，33则可计算出热敏电阻的环境温度，也就是被测的温度。这样就把电阻随温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系。在10150的温度范围内，阻值与温度的关系线形较好，该范围为有效范围。在太阳能热水器中热敏电阻只需检测1080即可，所以在有效温度范围内。4313温度测量电路设计热敏电阻两端的电压VT是一个模拟量，要将其转换成EP2C5F256C6所能识别的数字量就需要使用模数转换器，通常使用的是8路A/D转换器ADC0809。温度测量的电路如图47所示。图47温度测量电路简图432水位检测电路的设计对于水位的检测是采用电导式液位传感器来实现的，并输出6位开关信号，具有较高的精确度和可靠性。生活中的用水其电阻率约为十分之几到几十欧/米，其电导性足以引起传感器的输出变化。6位开关量通过容器壁上的导电电极来输出1或是0，并接到FPGA的引脚上。在这里液体的电阻应远小于容器壁漏电阻。不同的开关位代表不同的水量。水位测量电路如图48所示。433上水控制电路的设计上水控制电路的设计如图49所示，从EP2C5F256C6的M16引脚输出高电平，经74LS06反向后变为低电平，使光电耦合元件TIL117内部的发光二极管导通，并使其输出光敏三极管导通，最后有MC1416达林顿复合管反向驱动每34片内部有7路林顿复合管，每路均有二极管保护电路控制功率微型继电器线圈，从而控制其触电，使电磁阀工作。434加热控制的电路的设计水温的加热是通过加热电阻丝来实现的，对于电阻丝这种大功率交流元件，图48水位测量简图图49上水控制电路EP2C5F256C6是不可能通过自己的引脚来完成的，而需要通过功率放大元件利用220V的交流电来实现对水温的加热，电路如图410所示。4N40晶闸管是一种可控制其导通的大功率二极管，通过门极上加入的很小的控制电流即可控制阳极和阴极的导通。35图410加热控制电路435键盘电路的设计设计中考虑到键盘需要用到09共10个数字键，以及实时时间，温度设定，水位设定，自动上水时间设定，确定键和取消键共计5个功能键。为了防止按键抖动，本文采用硬件消除法，即在FPGA内构建JK触发器，保证输出为矩形波，从而消除前后沿抖动。44FPGA内部硬件电路的设计441FPGA内部硬件电路结构FPGA内部电路的设计主要是构建处理器系统，在内部电路的设计中使用了大量的IP核；同时又构建了模糊控制器电路。FPGA内部电路总体结构如图411所示。36图411FPGA内部电路总体框图442FPGA内部硬件电路各模块分析JTAGUART核使用FPGA内嵌的JTAG电路，主机可以通过下载电缆连接到FPGA上，主机可以通过FPGA上的JTAG引脚来访