基于FPGA控制的太阳能热水器水位水温智能控制仪.docx

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基于FPGA控制的太阳能热水器水位水温智能控制仪

目录

引言2

第1章太阳能热水器现状分析及本设计的任务3

1.1太阳能热水器的发展背景3

1.2太阳能热水器国内外发展现状4

1.3太阳能热水器的分类6

1.4太阳能热水器的优缺点7

1.5本设计的目的与意义9

第2章新型太阳能热水器功能分析及总体方案设计11

2.1水位水温控制11

2.2安全控制12

2.3水循环控制14

2.4总体方案的确定15

第3章太阳能热水器智能控制仪的功能模块设计15

3.1主控硬件电路芯片的选型15

3.2电源电路的设计16

3.3实时时钟电路的设计18

3.4人机界面电路设计20

3.4.112864液晶引脚功能21

3.4.2液晶显示器的原理21

3.4.3液晶显示器的优点22

3.5电磁阀和电加热棒控制电路设计23

3.6温度和液位信号采集电路设计26

第4章软件的设计30

4.1主程序流程图31

4.2键盘中断服务流程图31

第5章总结33

致谢35

附录1太阳能热水器智能控制仪原理图36

基于FPGA控制的太阳能热水器水位水温智能控制仪

摘要:

针对目前家用太阳能热水器功能单一、操作复杂、控制不方便等特点，本文提出了一种新型的太阳能热水器控制系统设计方案。

根据太阳能热水器对控制系统的要求，以FPGA为中心控制单元，采用DS1302实时时钟，设计了一种太阳能热水器水位水温控制仪，给出了系统硬件设计及软件实现方法。

该系统具有时间、温度、水位设定与控制功能，且具有良好的抗干扰性能。

关键词：

太阳能热水器FPGA硬件设计

Abstract:

Atpresent,domesticsolarwaterheaterforsinglefunctionandcomplicatedtooperateandcontrolthecharacteristicsoftheinconveniencetheymayface,thispaperpresentsanewtypeofsolarwaterheatercontrolsystemdesign.SolarwaterheaterinaccordancewiththerequirementsofthecontrolsystemtoFPGAasthecentralcontrolunit,theDS1302realtimeclock,thedesignofasolarwaterheaterwatertemperaturecontroldevice,giventhesystemhardwaredesignandsoftwareimplementation.Thesystemhasthetime,temperature,waterlevelsettingsandcontrolfunctions,andhasagoodanti-interferenceperformance.

Keywords:

Solarwaterheater，Fpga，Hardwaredesign，SoftwareDesign

引言

太阳热水器是利用太阳的能量将水从低温度加热到高温度的装置，是一种热能产品。

太阳热水器是由全玻璃真空集热管、储水箱、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管。

集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。

随着太阳能热水器集热管的改进,太阳能热水器的集热效果大大增强,太阳能热水器已经成为百姓家里日常洗澡、取暖、用热水的不可缺少的能源装置。

但目前市售的太阳能热水器大部分没有配备全自动水温水位显示及控制仪器,虽然配有电加热辅助装置,但都不是自动的,致使用热水时不知道水温及用水量的多少,带来许多不便。

尤其是在冬天太阳光较弱时不能及时启动电加热器,只好等几个小时才能洗澡。

目前,中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国,年产量约为世界各国之和。

但是与之相配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。

现在的这种控制器只具有温度和液位显示功能,而且为分段显示。

他不具有温度控制功能,当由于天气原因而光强不足时,就会给热水器用户带来不便。

鉴于国内太阳能热水器市场不断扩大,而与其相配套的控制仪却急需改进的情况下,研制了这套太阳能热水器控制仪。

本文设计的太阳能热水器是以AVR单片机为检测控制核心,不仅实现了温度、水位两种参数的实时显示功能,而且具有温度设定与控制功能。

控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度,从而达到24小时供应热水的目的。

实际应用结果表明,该控制仪和以往的显示仪相比具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点,提高了我国太阳能应用领域控制水平,具有可观的经济效益和社会效益。

第1章太阳能热水器现状分析及本设计的任务

1.1太阳能热水器的发展背景

（1）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。

（2）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21.5万亿元左右，人均GDP将达到1900美元。

从人们的收入来看，价格为1500～2500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。

（3）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。

（4）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。

1.2太阳能热水器国内外发展现状

（1）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、智能化是方面，大多数厂家的产品采用电脑线控方式[15]，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。

（2）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。

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。

1.3太阳能热水器的分类

当前太阳能热水器主要分真空管太阳能热水器以及热泵太阳能热水器（空气能热水器）两种。

A．真空管式太阳能热水器工作原理：

真空管吸热-微循环-保温水箱-测控制系统-用户。

真空管式太阳能热水器，利用真空管集热，最大限度的实现光热转换，经微循环把热水传送到保温水箱里，通过专用管路至用户。

控制系统把自来水通过控制阀，控制仪等送至太阳能以达到自动化控制。

辅助电加热安置在水箱里，已备阴、雨、雪天使用，节电90%。

并自动化运行。

性能特点及技术参数：

（1）集热元件-真空管技术参数规格:

1200mm×47mm1500mm×47mm。

目前集热效果的最好的是AL---N/AL真空溅射选择性镀膜，本产品采用1.2、1.5m利用该涂层的玻璃真空管，其吸收率≥0.93红外发射率ε≤0.6，平均热损Uct0.9W/㎡℃真空度P≤5×10ˉ3pa采用性能相当于美国的高硼硅3.3特硬玻璃制造。

（2）保温材料性能特点及技术参数：

保温材料的好坏直接关系着热效率和晚间清晨的使用，在寒冷的东北尤其重要。

目前较好的保温方式是进口聚氨脂保温，若配料、工艺、环境、温度不适，也会造成发泡不均或泡孔过大、工质缓慢漏失保温性逐渐下降的后果，这就需要厂家有专门的发泡机械、标准化模具和较高的工艺技术水平。

另外，我们不仅要了解产品用材工艺、还要看厂家的机械设备、模具等有机成本的高低、质量监测的水准。

产品质量直接关系消费者的利益。

聚氨酯保温层厚度：

70mm闭孔率:

65.69％导热系数:

19.83mw/m.k，并经过高温熟化处理。

（3）水箱内胆与支架

水箱内是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要，优质的选材应是进口SUS304板材，厚度在0。

6mm--0。

8mm之间不锈钢板，氩气保护,高频自动焊接,提高钢板在各种水质或各种环境耐腐蚀性能，是比较先进的焊接工艺，支架材料全部采用不锈钢（SUS304），外观美观、强度高、整体采用螺栓连接，支架、整机刚性强,而且利于运输安装，抗腐能力强。

B．热管承压式太阳能热水器工作原理：

真空管吸热-热管传导热-保温水箱-控制系统-用户。

热管承压式太阳能热水器，利用真空管集热，内置型翅片，把高温环境中的热量传给热管、热管迅速将热量传入水箱，特别在多云，辐射强度低的情况下，启动传热快。

经连续测试，热管式太阳能热水器，日平均热效率高达56%。

传热元件-热管技术参数规格：

φ8×1520

（1）国内热管生产厂很多，我们对国内所有热管进行检测，按GB/T14812-1993、GB/14813---1993对热管性能和热管寿命进行实验检测，大多有机热管在一、两年后，传热效率明显下降，最后选定无机分子热管（美国-MACBLE公司专利技术），通过美国思坦福研究院（SRI）长期系统测试，证明其具有卓越的传热性能。

传热不需工质相变，靠分子热运动、传热快、传热效率高。

（2）承压能力高

热管式太阳能热水器水箱，采用2MM厚钢板，弧型封头，CO2自动焊接，承压能力0.6MPa，密封工作压力高达1.2Mpa。

选用国际先进化学镀镍技术，表面喷涂达到国际先进水平。

集热器可承受自来水的压力（试验压力最高可达1.2MPa）。

尺寸符合TB311-74规定，

（3）抗冻、承载能力强

热管式太阳能热水器采用热管传热技术，集热管内无水，不会因高寒地区气温过低而冻破集热管，从而影响使用。

而且因管中无水，若一支热管破损，不会影响整机工作，这样热水器使用范围更广。

支架材料全部采用不锈钢（SUS304），外观美观、强度高、整体采用螺栓连接，支架、整机刚性强而且利于运输安装，抗腐能力强。

1.4太阳能热水器的优缺点

随着人们环保意识的不断加强，越来越多的消费者倾向于选择太阳能热水器，但很多人对使用这种产品又不是很了解。

在这里，我们将太阳能热水器、电热水器和燃气热水器的性能作一个粗略的比较。

一、热水产量方面

燃气热水器有5升、7升、8升等不同的型号，是指在1分钟内将水温升高25℃时所产的热水量，如果自来水的温度为25℃，则每分钟可产50℃的热水5升、7升或8升。

电热水器的标注则是30升、60升、90升等等，这是指电热水器的容水量，相当于我们在电炉子上加一个水壶，这个水壶的盛水量是30升、60升、90升。

拿一个8升的燃气热水器与一个40升的电热水器相比较，8升的燃气热水器可连续不断地产生每分钟8升的热水，而电热水器需要间隔半小时加热一罐水。

如果这一罐水用完，还要等半小时左右。

太阳能热水器按照年平均气温15.7℃、年日照时数2014小时、太阳总辐射总量年均为111.59千卡／平方米计算，如果集热面积为2平方米，年吸收太阳辐射能量为9.37×106千焦，按把水温升高35℃计算（基础水温10℃），全年可提供生活用热水（45℃）53.5吨，每人每次洗澡用热水约需50公斤，则全年可洗1070人次，平均每天可洗2.93人次。

二、加热速度方面

目前生产的燃气热水器大多为快速热水器，不论什么时候，只要想用热水，打开燃气阀和水龙头，热水就会流出来。

而电热水器需要预先通电半小时左右，才能开始使用。

太阳能热水器在天气晴朗的时候使用更好，最理想的楼层在六至八层。

三、温度稳定性方面

燃气热水器由于是快速加热，并有调整温度装置，只要在使用开始时调到人体感觉舒适的温度，而后就会一直保持在这一温度恒定地供应热水。

电热水器在使用时需要另外接一根冷水管兑入冷水，当罐内水不断流出，冷水不断加入时，水温就会逐渐下降，直到全部是冷水。

所以在使用时，需要不停地去调整冷热水的比例。

太阳能热水器使用起来暂时还不大方便，要上水，且不能保证时时有热水。

四、功率方面

燃气热水器的功率要比电热水器大很多，拿一个8升的燃气热水器和40升的电热水器相比较，8升燃气热水器的功率相当于16-17千瓦，而40升的电热水器一般为3千瓦，这也是为什么燃气热水器可连续供应热水的缘故。

那么，电热水器是否也可做成16千瓦的呢？

这是不可能的，因为家用电表、电线都无法承受。

五、价格方面

8升的燃气热水器价格一般在800元以上，再加上安装费，大约在1000元以上，有的甚至接近2000元。

电热水器现在都在500元以上，加上安装费用，一般不到1000元。

太阳能热水器的价格都在3000元以上。

使用费用方面，目前天然气每立方米为1.7元，每度电为0.44元，而太阳能热水器仅耗水费。

六、安全性方面

燃气热水器的优点是加热快、出水量大、温度稳定、结水垢少、占地小、不受水量控制。

缺点是使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗，通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故，但如果能正确地了解这一点，使用时注意，也是很安全的；另外，燃气热水器启动水压高，有些住高层的用户如果不装增压泵就无法起动；安装不方便，要在墙上打洞、安排气扇等。

电热水器的优点是能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水；使用时不产生废气，所以从这一点上讲是既安全又卫生，目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。

缺点是体积大、占用室内空间大、易结水垢、对电能浪费大，最新型的电热水器内置了阳极镁棒除垢装置，解决了产品容易结垢的问题，但阳极镁棒须两年更换一次，给保养带来了麻烦。

太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年全天候使用。

缺点是安装复杂，安装不当会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌；因要安装在室外，维护较麻烦。

1.5本设计的目的及意义

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。

本文设计了太阳能加热与电加热相结合的恒温控制系统。

设计这个系统有两方面的目的：

一方面，实现太阳能加热与电加热的自动转换。

另一方面，实现太阳能热水器水位和水温的精确控制。

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。

第2章新型太阳能热水器功能分析及总体方案设计

本系统由智能测控仪、热力站和供水管道系统组成。

智能测控仪根据用户设定值控制和监测整个系统的正常工作。

热力站负责采集太阳能并将其转化为热能，由高性能集热玻璃真空管、使用内层表面经过防结垢处理的或带防腐蚀正极的热水储水箱、水位水温传感器和电加热管组成。

供水管道系统为用户提供所需的热水和水箱冷水供应，由电子恒温阀、电磁阀和耐高温管道组成。

其系统框图如图2-1所示。

此款热水器在智能测控仪控制下主要实现以下几种功能：

水位水温预置，低水位报警，防高温、防漏水、防漏电保护，恒温加热、恒水位补水，手动控制，水管防冻控制，温水循环控制。

同时具有全天供水模式、低水压上水模式、日历时间显示。

图2-1太阳能热水器系统框图

2.1水位水温控制

用户可根据需要（沐浴人数、天气状况）进行水位水温的预置，以实现高效节水。

由于早晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。

为了提供用户所需的热水，测控仪控制热水器在清晨4-7点之间对水箱进行间歇式电加热。

首先，关闭冷水阀门和循环水阀门，然后测控仪开始进行水箱水位水温采集，同时与设定值比较，当水箱中的水位低于下限水位时，打开冷水阀门上水，当水位高于上限水位时，关闭冷水阀门停止上水；当水箱中的水温低于30℃时，电加热器接通进行加热，同时测控仪继续对水箱的水温进行采集，当温度高于30℃时，电加热器断开，如此反复间歇式加热保证了水温水位的稳定。

早晨水温控制之后，设定当日的水箱温度N，通过测控仪控制太阳能热水器系统对水箱加热以达到设定值N。

当水温高于N时，测控仪打开冷水阀门使冷水进入太阳能集热器。

此时水温为T，将其与当日设定的温度进行比较，若T>N则将已加热的水送入热水箱。

保证了在阳光比较充足时热水的供应。

如果当日没有日照或日照很弱时，到了晚上可能无法得到足够的热水，故可利用本系统的从系统（电加热器）进行加热。

由此，即使遇上没有日照的天气我们照样可以洗上热水澡了。

2.2安全控制

安全可靠性在当今产品设计中占据着至关重要的地位。

故在设计时综合考虑了系统的安全可靠性设计，主要考虑了防高温、防漏水、防漏电保护、防雷措施和水管防冻控制等五个方面。

防高温和漏水方面，采用防水垢的高精度传感器，结合测控仪的控制实现。

具体过程为：

当水箱内的温度超过上限温度时，测控仪控制上水阀门上冷水，使水箱的问题达到适当的恒定温度。

当水箱的水溢出，传感器给测控仪传送溢出信号，测控仪关闭上水阀门停止上水。

防漏电保护，当出现漏电现象时，测控仪自动切断电源。

防雷措施方面，为了达到防雷效果，太阳能热水器的采热部分必须安装在有效的防雷范围内，主要是房顶上的避雷针或避雷带的顶端必须高于热水器的顶端。

同时，热水器与避雷针或避雷带的距离最多不超过3米，否则，就很难起到防雷作