基于FPGA太陽能熱水器的優(yōu)化控制及實(shí)現(xiàn)

文 珣, 林 聰, 陳卿冶, 蔡劍華

?

基于FPGA太陽能熱水器的優(yōu)化控制及實(shí)現(xiàn)

文 珣*1,2, 林 聰1,2, 陳卿冶1, 蔡劍華1

(1. 湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 常德, 415000; 2. 湖南文理學(xué)院 芙蓉學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

設(shè)計(jì)了一種以FPGA芯片為控制器的太陽能熱水器控制系統(tǒng), 系統(tǒng)具有太陽能加熱與電加熱結(jié)合的恒溫控制功能. 以DS18B20和水位檢測模塊為傳感器, 信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后同主芯片控制數(shù)據(jù)同時(shí)顯示在液晶LCD1602上; 系統(tǒng)還可用鍵盤輸入模式或紅外遙控模式進(jìn)行更改設(shè)置, 給客戶的使用帶來了方便.

太陽能熱水器; FPGA; 恒溫控制; 紅外遙控

我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展, 能源危機(jī)日益加劇, 環(huán)境污染問題也逐漸被關(guān)注. 因此節(jié)約能源、開發(fā)潔凈新能源已成為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基本國策之一. 太陽能以其清潔安全、處處皆是、無需開采和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢, 成為人們關(guān)注的焦點(diǎn). 近年來, 隨著人們生活水平的提高, 太陽能熱水器已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶, 由此越來越多的人們對太陽能熱水器使用的方便性、安全性、功耗性、操作界面友好性等方面提出了更高的要求. 面對我國太陽能熱水器控制器一直處于研究和開發(fā)階段, 智能化程度還不足以滿足人們的需求[1—4]. 本文采用高速、高密度FPGA芯片來作為系統(tǒng)的控制芯片, 設(shè)計(jì)了一套具有太陽能加熱與電輔助加熱兩者相結(jié)合的控制系統(tǒng), 這套系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn): 具有清晰的數(shù)據(jù)顯示器、兩種更改設(shè)置模式、加熱定時(shí)控制模塊、溫度過高保護(hù)、外部擴(kuò)展能力強(qiáng)、使用方便、開發(fā)周期短、開發(fā)費(fèi)用低等.

1 太陽能熱水器系統(tǒng)基本原理

太陽能熱水器系統(tǒng)是由太陽能熱水器硬件框架和軟件控制系統(tǒng)組成. 而太陽能熱水器硬件框架由集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)連接管道、支架及其輔助部件(加熱等)組成. 而軟件控制系統(tǒng)是由輸入、顯示、檢測、外部控制組成, 外部控制結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 外部控制結(jié)構(gòu)

太陽能熱水器智能控制部分是熱水器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化、智能化運(yùn)行的關(guān)鍵. 熱水器控制系統(tǒng)是根據(jù)溫度傳感器T1、T2采集的溫度信號, 水位傳感器H采集的水位數(shù)據(jù)和外部水流開關(guān)采集的用戶用水信息, 實(shí)現(xiàn)對集熱循環(huán)水泵、供水水泵、上水電磁閥的啟?？刂萍皩﹄娂訜岬耐〝嗫刂? 控制器根據(jù)T2、H信號控制上水電磁閥和電加熱的啟停, 完成熱水器補(bǔ)水、補(bǔ)溫的自動控制; 根據(jù)T1、T2信號控制循環(huán)水泵啟停, 實(shí)現(xiàn)集熱循環(huán)部分的自動控制. 太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[2—3].

圖2 太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 FPGA內(nèi)部硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊的電路設(shè)計(jì)在Quartus II平臺下, 采用SOPC設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn). 根據(jù)控制器設(shè)計(jì)要求, 首先創(chuàng)建系統(tǒng)頂層原理圖文件, 然后根據(jù)處理器系統(tǒng)模塊、PLL模塊和模糊控制模塊的結(jié)構(gòu), 采用自下而上的設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)各個(gè)子功能模塊. 所有的子模塊設(shè)計(jì)完成之后, 再利用自上而下的設(shè)計(jì)方法在頂層模塊設(shè)計(jì)中調(diào)用它們, 最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊間的通信并確定I/O端口.

①CPU電路設(shè)計(jì). CPU電路是FPGA內(nèi)部處理器系統(tǒng)的核心, 設(shè)計(jì)選用32位Nios處理器, 由它實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的讀寫訪問. 軟件設(shè)計(jì)中通過控制器發(fā)出讀寫操作指令, 產(chǎn)生時(shí)序指令和其它一些控制指令, 實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的讀寫操作, 在本設(shè)計(jì)中 Nios處理器就是基于AVALON總線標(biāo)準(zhǔn)的主設(shè)備. 電路配置如圖3所示.

②SDRAM控制器電路設(shè)計(jì). 引腳配置如圖4所示. SDRAM 是同步動態(tài)隨機(jī)存儲器, 因其是動態(tài)的, 所以必須周期性的刷新以保持內(nèi)部數(shù)據(jù)的有效性. 選用的K4S641632H芯片設(shè)置1 6位; 在Timing頁面中根據(jù)芯片K4S 641632H的datasheet對SDRAM時(shí)序參數(shù)進(jìn)行配置(圖5).

圖3 CPU電路配置圖

圖4 SDRAM引腳配置

③定時(shí)器電路的設(shè)計(jì). time0定時(shí)器與time1定時(shí)器主要是實(shí)現(xiàn)看門狗與定時(shí), 并能利用讀寫控制器進(jìn)行控制; TIME_2(看門狗)定時(shí)器主要用做監(jiān)控系統(tǒng), 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí), 快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位操作.

④模糊控制部分設(shè)計(jì). 通過用VHDL語言在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了模糊控制模塊電路, 生成的原理圖如圖6所示.

圖5 SDRAM時(shí)序參數(shù)進(jìn)行配置

⑤ROM查詢電路的設(shè)計(jì). ROM存儲器是用來存儲模糊控制器采集的信息, 通過查表法來實(shí)現(xiàn)這一模糊控制, 利用查詢電路讀出控制數(shù)據(jù). 其電路的原理圖如圖7所示.

⑥紅外遙控設(shè)計(jì). 這部分有紅外遙控專用芯片PT2248及外圍電路作為編碼及發(fā)送部分, PT2248最大可用作18路紅外遙控系統(tǒng)的編碼, 其內(nèi)部以集成了38 kHz的紅外載波震蕩及相應(yīng)的數(shù)字脈碼調(diào)制電路, 只需要外接3×6的矩陣式按鍵、紅外發(fā)光二極管及其驅(qū)動電路等少數(shù)元器件便可完成編碼發(fā)送功能. 這個(gè)模塊的加入, 為用戶提高了更加快捷的使用方式.

圖6 模糊控制器原理圖

圖7 ROM 查詢電路原理圖

⑦顯示器設(shè)計(jì). 采用目前使用較多的專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊LCD 1602, 能讓用戶比較直觀的看到各器件的狀況, 并且此模塊微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧, 更好的體現(xiàn)了實(shí)用性. 圖8為LCD1602驅(qū)動顯示原理簡圖.

⑧溫度檢測設(shè)計(jì). 采用使用廣泛的傳感器DS18B20, 在接到控制器的測量信號后, 傳感器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集. 溫度檢測原理簡圖如圖9所示.

圖8 顯示部分原理簡圖

圖9 溫度檢測原理簡圖

⑨水位控制設(shè)計(jì). 水位控制是采用簡單的電導(dǎo)式液位傳感器來完成檢測的, 電導(dǎo)式液位傳感器通過輸出6位開關(guān)信號(1或0)來檢測液位的深度, 這種測量方法具有較高的精確度和可靠性. 在生活中的用水電阻率大約為每米十幾歐到幾十歐, 其電導(dǎo)性很容易引起液位傳感器的輸出變化. 當(dāng)6位開關(guān)全為電平1時(shí), 蓄水箱處于缺水狀態(tài), 當(dāng)6位開關(guān)全為電平0時(shí), 蓄水箱滿水. 水位測量簡圖見圖10[1—3, 5].

⑩輔助加熱電路設(shè)計(jì). 水溫加熱是通過平時(shí)使用的加熱電阻絲來實(shí)現(xiàn)的[5—6], 對于電阻絲這種大功率器件, EP2C8Q 208C8N不能利用自身的引腳來實(shí)現(xiàn), 而是通過一種功率放大元件, 再利用交流220 V電來完成對水溫的加熱, 當(dāng)給控制端口一個(gè)高電平, 此時(shí)光耦器件導(dǎo)通, 打開了一個(gè)三極管, 從而接通了電阻絲, 實(shí)現(xiàn)了對水的加熱.

通過fuzzy電路, 仿真得到如圖11所示信息.

圖10 水位控制電路簡

圖 11 fuzzy 電路仿真圖

2.2 軟件部分

系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境是Altera公司推出的NIOS II IDE, 此環(huán)境提供了一個(gè)功能齊全的源代碼編輯器, NIOS II IDE編譯器可以自動的生成一個(gè)基于用戶特定系統(tǒng)配置的makefile文件. 運(yùn)用此環(huán)境可大大加快開發(fā)進(jìn)度[7].

主程序?qū)Χ〞r(shí)器、顯示器進(jìn)行了初始化, 并且啟動了定時(shí)器, 然后對鍵盤進(jìn)行掃描, 判斷是否有按鍵按下操作, 接著通過主芯片獲取傳感器傳來的信號進(jìn)行處理, 最后將部分信息數(shù)字化到顯示器上. 程序基本設(shè)計(jì)框架如圖12所示[3-4].

圖12 程序設(shè)計(jì)流程

3 結(jié)語

通過FPGA實(shí)現(xiàn)了太陽能熱水器控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 能很好地滿足實(shí)際要求. 對比以往的設(shè)計(jì)方法, 本系統(tǒng)采用分時(shí)段控制, 即“用水時(shí)段”和“非用水時(shí)段”, 避免了頻繁啟動和用水安全, 能源得到了有效的利用; 而且用溫差跟蹤循環(huán)方式充分利用太陽能進(jìn)行加熱并及時(shí)啟動輔助能源補(bǔ)充加熱, 為用戶提供不間斷開水供應(yīng)的同時(shí), 節(jié)約了能源. 且在很多方面都設(shè)計(jì)了保護(hù)電路、選用了許多功耗低的器件, 使得該系統(tǒng)有更好的利用與發(fā)展空間.

[1] 陳靜, 周志峰. 基于Nios處理器的模糊控制器設(shè)計(jì)[J]. 電子科技, 2006(6): 81—85.

[2] 徐志軍, 徐光輝. CPLD/FPGA 的開發(fā)與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002: 53—55.

[3] 黨學(xué)立. 基于FPGA太陽能熱水器智能控制器的設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2008.

[4] 黃智偉, 王彥. FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 106—109.

[5] 李向陽, 莫鴻. 太陽能熱水器中輔助電熱水裝置控制器的開發(fā)[J]. 自動化與儀器儀表, 2004(2): 23—26.

[6] 湯光華. 水箱水位控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動化儀表, 2006, 27: 34—36.

[7] 楊久河. 基于DS18B20的多點(diǎn)式無線溫度測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2010.

Optimization control and its implementation of a solar water heater based on FPGA

WEN Xun1,2, CAI JianHua1, LIN Cong1,2, CHEN QingYe1

(1. Department of Physics and Electronics, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China? 2. FuRong College, Hunan college of Arts and Science, Changde 415000, China)

A control system of solar water heater was designed based on FPGA. It has the functions combining solar heating with electric heating. Taking the temperature sensor DS18B20 and water detection sensor module as sensor, the signal, after converted by the A/D module, together with the main chip control data are simultaneously displayed on the LCD1602. Furthermore, the system can use the keyboard input mode or infrared remote control mode to change settings.

solar water heater; FPGA; constant temperature control; infrared remote control

TP 202.3

1672-6146(2014)02-0062-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.013

通訊作者email: wenx168c@163.com.

2014-03-25.

常德市科技局產(chǎn)學(xué)研重點(diǎn)項(xiàng)目(2013ZX08); 常德市科技局博士創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(2013BS01); 常德市科技局項(xiàng)目(2011JC02); 湖南省大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目; 湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

(責(zé)任編校:劉曉霞)