基于FPGA的太阳能热水器智能控制器的设计Word文档格式.docx

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导师姓名：

完成时间：

2013-05-15

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

FPGA-basedsolarwaterheaterintelligentcontrollerdesign

Abstract

Inrecentyears,thelevelofpeople’slivesgettingbetterandbetter,sopeopleareincreasinglyfocusedonthequalityoflife.Moreandmoreattentiontoenvironmentalprotection,solarwaterheaterhasbecomecommoninrecentyears,thefamilyhome.Exponentialgrowthofsolarwaterheaters,especiallyinruralareas,butthequalityofdomesticsolarwaterheaterthereistobeimproved,therearemanydesignproblems.Forexample:

Somefeaturesoverasingle,notfor24hourstoprovidehotwateratanytime,aresusceptibletooutsideinterference,theheartsofthepeoplecannotmeetthedemandofsolarwaterheaterfunction,andsometimesinsufficientheatingorover-heating,sotherearemanysecurityrisks,sowedesignedanFPGA-basedsolarwaterheaterintelligentcontrolsystem.Thesystemincludes:

adisplaymodule,keyboardmodule,thewaterleveldetectionmodule,moduletemperature,watersupplymodule,fuzzycontrolmodule.Thesolarheateroperationissimple,functional,anti-jammingperformance,canensurethatuserscanspendhotwateratanytimein24hours,andwillnotappearinsufficientheatingorheatingtimeistoolongphenomenon,sothatuserswithpeaceofmindwiththerestassured,soastoachievethepurposeofthedesignoffthissolarwaterheater.

Keywords:

solarwaterheaters,modulardesign,FPGA,fuzzycontrol

1绪论

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%,按照年末汇率计算，GDP约合万亿美元，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。

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。

2太阳能热水器的原理与结构

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。

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2-1所示：

图2-1太阳能热水器系统结构图

太阳能热水器的电气控制

（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。

3基于FPGA智能化外部电路的设计

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3-1所示:

图3-1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，再通过中心处理器传输到数码管上用十进制数据显示出来。

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。

FPGA外部硬件电路的设计

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℃的温度改变；

（5）测量温度范围比较广,可以测量-80～l50℃。

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3-2所示。

图3-2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:

：

表示被测的温度

:

表示热敏电阻温度特性相关的参数

表示热敏电阻相关系数

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3-3所示：

图3-3温度测量电路

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3-4所示：

图3-4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