畢業(yè)論文-基于FPGA的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、大連東軟信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論文題目論文題目：基于FPGA的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系 所： 電子工程系 專 業(yè)：電子信息工程（集成電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)方向） 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 導(dǎo)師職稱： 講師 完成日期： 2014年 4月 28日 大連東軟信息學(xué)院Dalian 大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 V基于FPGA的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要能源問題、環(huán)境問題日益受到國家和人民的重視。利用太陽能產(chǎn)生熱水的太陽能熱水器己經(jīng)走進(jìn)了千家萬戶，成為我國可再生能源市場上發(fā)展最迅速、技術(shù)最成熟、需求量最大的產(chǎn)品之一。然而，目前家用太陽能熱水器控制器多采用微控制

2、器芯片，這種系統(tǒng)存在功能單一、實(shí)時(shí)性差、抗干擾能力較差以及不能實(shí)現(xiàn)即開即熱等缺點(diǎn)?；谏鲜鲈?，采用以FPGA芯片為主體，設(shè)計(jì)了一套具有太陽能加熱與電加熱結(jié)合的控制系統(tǒng)。這套系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以自定制指令、可在線修改硬件電路、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。硬件設(shè)計(jì)中，主要包括：溫度檢測模塊、顯示模塊、A/D模塊、FPGA模塊、水位檢測模塊、上水控制、加熱控制模塊，并對各個(gè)子模塊進(jìn)行功能與時(shí)序的仿真，最后在頂層進(jìn)行硬件系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采取智能化控制技術(shù)對恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，為建立精確數(shù)學(xué)模型的被控對象提供了一種有效方法，力求在滿足經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、科學(xué)性的條件下設(shè)計(jì)一

3、套穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：太陽能熱水器，輔助電加熱，自動轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） AbstractThe Design and Implementation of Solar Water Heater Intelligent Control System Based on FPGAAbstractThe energy problem and environmental problem have drawn more attention of countries and people. The solar water heater which uses solar ene

4、rgy to produce hot water has already walked into thousands of households. And it was one of products which were with the most rapid development and the most mature technology in renewable energy market. However, current domestic solar water heater controller adopts microcontroller chip, achieve inst

5、ant heating shortcomings have single function, poor real-time performance, poor anti-interference ability and not the system.Based on the above reason, taking the FPGA chip as the main body, designing a set to have the solar heating and the electric heating union constant temperature fuzzy control s

6、ystem. This set of systems have the following merits: may had custom-made the instruction, the online revision hardware circuit to be possible, the exterior expansion ability to be strong, the easy to operate, the development cycle is short, the development cost is low.In the hardware design, includ

7、ing: temperature detection module, display module, A/D module, FPGA module, the water level detection module, water control, heating control module, and simulated in function and timing of all sub modules, and finally the integral optimization design of hardware system in the top.This paper reconstr

8、ucted the system of thermostatic control by adopting intellectual technology, the main task is that designing a system of reliable and steady Thermostatic control on condition that economical efficiency, practicability, Scientificalness. As the result of test, applying this system made the work tran

9、quilization and trustiness, arriving at a demand of high precision and short time.Key words: Solar heater, Auxiliary electric heating, Automatic conversion, FPGA大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目 錄 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc387622353 h IAbstract PAGEREF _Toc387622354 h II第1章緒 論 PAGEREF _Toc387622355 h 11.1 太陽能熱

10、水器的發(fā)展背景 PAGEREF _Toc387622356 h 11.1.1 太陽能熱水器的政治與法律環(huán)境 PAGEREF _Toc387622357 h 11.1.2 太陽能熱水器的社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境 PAGEREF _Toc387622358 h 11.1.3 太陽能熱水器的市場環(huán)境 PAGEREF _Toc387622359 h 11.2 太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc387622360 h 21.2.1 太陽能熱水器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc387622361 h 21.2.2 太陽能熱水器的國外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc387622362 h 3第2

11、章太陽能熱水器控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc387622363 h 42.1 課題來源及研究主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc387622364 h 42.2 課題研究的目的及意義 PAGEREF _Toc387622365 h 42.3 太陽能熱水器的基本原理 PAGEREF _Toc387622366 h 42.4 太陽能熱水器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc387622367 h 52.5太陽能熱水器電氣控制 PAGEREF _Toc387622368 h 6第3章太陽能熱水器控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622369 h 73.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) PAG

12、EREF _Toc387622370 h 73.2 溫度測量設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622371 h 73.3 水位檢測設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622372 h 83.4 顯示模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622373 h 83.5 上水模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622374 h 93.6 電加熱模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622375 h 9第4章系統(tǒng)硬件介紹及電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622376 h 114.1 關(guān)鍵性開發(fā)技術(shù)的介紹 PAGEREF _Toc387622377 h 114.1.1 FPGA及Quar

13、tus II的簡介 PAGEREF _Toc387622378 h 114.1.2 FPGA的設(shè)計(jì)流程 PAGEREF _Toc387622379 h 124.1.3 ModelSim簡介 PAGEREF _Toc387622380 h 134.1.4 Microsoft Office Visio PAGEREF _Toc387622381 h 144.1.5 開發(fā)板布局和組件 PAGEREF _Toc387622382 h 154.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 PAGEREF _Toc387622383 h 164.3 系統(tǒng)任務(wù)的可行性分析 PAGEREF _Toc387622384 h 164.4 中

14、央控制芯片的選型 PAGEREF _Toc387622385 h 164.5 A/D芯片的選型及接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622386 h 174.5.1 A/D芯片選型 PAGEREF _Toc387622387 h 174.5.2芯片接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622388 h 174.6 顯示終端選擇及接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622389 h 174.6.1 顯示終端選擇 PAGEREF _Toc387622390 h 174.6.2 譯碼方式 PAGEREF _Toc387622391 h 184.6.3 芯片接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc

15、387622392 h 184.7 溫度、水位傳感器的選擇和設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622393 h 184.7.1 溫度傳感器的選擇 PAGEREF _Toc387622394 h 184.7.2 水位傳感器的選擇 PAGEREF _Toc387622395 h 194.8 加熱控制的電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622396 h 20第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc387622397 h 215.1 軟件設(shè)計(jì)需求 PAGEREF _Toc387622398 h 215.2 軟件功能模塊的劃分 PAGEREF _Toc387622399 h 215.2.1

16、 顯示模塊 PAGEREF _Toc387622400 h 225.2.2 溫度、水位檢測模塊 PAGEREF _Toc387622401 h 245.2.3 上水模塊 PAGEREF _Toc387622402 h 265.2.4 電加熱模塊 PAGEREF _Toc387622403 h 27第6章結(jié)論與展望 PAGEREF _Toc387622404 h 296.1 結(jié)論 PAGEREF _Toc387622405 h 296.2 展望 PAGEREF _Toc387622406 h 29參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc387622407 h 30致 謝 PAGEREF _Toc387

17、622408 h 32大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）- 第1章緒 論1.1 太陽能熱水器的發(fā)展背景1.1.1 太陽能熱水器的政治與法律環(huán)境近年來，我國能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，清潔能源的開發(fā)利用受到了越來越多的重視。而我國太陽能資源特別豐富，有著非常大的利用價(jià)值空間，太陽熱水器已經(jīng)被列入國家重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。中華人民共和國可再生能源法于2006年1月1日施行，其中第十七條規(guī)定：國家鼓勵(lì)單位、個(gè)人安裝和使用太陽能供熱采暖和制冷系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)。今后，國家還將進(jìn)一步出臺一些有利政策來鼓勵(lì)太陽能的推廣應(yīng)用。這些政策不僅為太陽熱水器的生產(chǎn)和安裝提供了有利的社

18、會法律環(huán)境，還為太陽熱水器的推廣應(yīng)用提供了法律保障。1.1.2 太陽能熱水器的社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境近年來，中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民的生活水平穩(wěn)步提升。據(jù)預(yù)測，到2010年我國GDP將達(dá)到21.5萬億元人民幣左右，人均GDP也將達(dá)到1900美元。從人們的收入水平來看，價(jià)格在15002500元的太陽熱水器完全可以被絕大多數(shù)的中國家庭所接受，特別是在中國廣闊的農(nóng)村市場，尤其是先富起來的村鎮(zhèn)，熱水器已經(jīng)成為了絕大多數(shù)居民家庭中必備的家庭用品之一。當(dāng)越來越多的人開始關(guān)注環(huán)保問題時(shí)，綠色、環(huán)保、健康成為消費(fèi)者購買商品時(shí)優(yōu)先考慮的因素。而太陽熱水器具有無污染、節(jié)能、環(huán)保、安全的特點(diǎn)。隨著我國燃煤、電力、燃?xì)獾饶茉吹娜?/p>

19、趨緊張，能源價(jià)格不斷攀升，人們對新能源的需求越來越迫切。我國有近13億人口，3億多家庭，太陽熱水器的消費(fèi)受到年齡因素的影響很小，已經(jīng)成為大眾化的家庭用品。1.1.3 太陽能熱水器的市場環(huán)境太陽熱水器產(chǎn)品類型主要分為真空管型、平板型和悶曬型三大板塊類型。目前比較成熟的太陽熱水器技術(shù)主要分為：壁掛式太陽熱水器技術(shù)、分體式太陽熱水器技術(shù)、承壓式太陽熱水器技術(shù)和太陽能熱泵熱水器技術(shù)，還有正在研究中的太陽能熱水空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，當(dāng)夏天不怎么需要熱水時(shí)，利用太陽能熱水器產(chǎn)的熱水來帶動空調(diào)制冷；而到冬天則利用太陽能熱水器產(chǎn)的熱水來給房間供暖或洗浴，這種高能高效的綜合利用太陽能技術(shù)是今后的發(fā)展的趨勢。中國的太陽能

20、熱水器市場目前擁有良好的發(fā)展環(huán)境，處于產(chǎn)品周期的上升期，市場需求和潛在用戶量迅速增長，因目前沒有更好的替代品威脅，又有國家政策的扶持，太陽能熱水器市場前景十分廣闊。但是，目前國內(nèi)的太陽能熱水器行業(yè)準(zhǔn)入門檻較低，導(dǎo)致生產(chǎn)廠家非常多，市場競爭異常激烈，大部分又是生產(chǎn)質(zhì)量次、價(jià)格低廉的小作坊式生產(chǎn)企業(yè)，這也導(dǎo)致了許多消費(fèi)者受到這種質(zhì)量次、價(jià)格低的產(chǎn)品的危害，隨著市場的不斷成熟，這些小作坊式的企業(yè)將逐步被市場淘汰。而目前規(guī)模較大的企業(yè)中還沒很好的產(chǎn)品品牌，沒有形龍頭企業(yè)帶動不斷競爭的格局。因此，中國的太陽能熱水器企業(yè)想要立足于當(dāng)前的市場狀況，就必須注重科研技術(shù)的開發(fā)，在市場競爭中用不斷革新技術(shù)的戰(zhàn)略，

21、生產(chǎn)出高品質(zhì)、高質(zhì)量的產(chǎn)品滿足用戶的需求，這樣才能擁有廣闊的市場發(fā)展。1.2 太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 太陽能熱水器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀中國的太陽能熱水器市場發(fā)展非常迅猛，保有量和年生產(chǎn)能力居全世界第一。但主要產(chǎn)品以非承壓單循環(huán)直插式真空管產(chǎn)品為主。中國的太陽能廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品種類很多，為了追求全面，許多生產(chǎn)廠商不僅要生產(chǎn)水箱、支架還生產(chǎn)真空管。中國太陽能市場運(yùn)作主要是以制造商發(fā)展經(jīng)銷商，以加盟連鎖專賣形式銷售產(chǎn)品。制造商不僅制造產(chǎn)品還負(fù)責(zé)市場及品牌的運(yùn)作、工程安裝和售后服務(wù)。中國的太陽能產(chǎn)品開發(fā)主要由各個(gè)廠商的技術(shù)部負(fù)責(zé)，各自為政。由于各個(gè)廠商的專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量有限，導(dǎo)致了中國太陽能熱水器的

22、利用沒有大的突破。近年來，光伏產(chǎn)業(yè)在我國迅猛發(fā)展，從1970年后就開始開發(fā)利用家用太陽能熱水器。到了1990年，太陽能熱水器不僅為家庭、機(jī)關(guān)、旅社、醫(yī)院等單位場所提供所需的熱水，還可用于了農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海水淡化等領(lǐng)域。隨著科技的不斷發(fā)展，太陽能熱水器也在不斷的改進(jìn)，集熱、貯熱合一的產(chǎn)品正逐步改進(jìn)為集熱、貯熱分開并已實(shí)現(xiàn)了全年運(yùn)行，大大提高了太陽能的利用效率。目前，太陽能熱水器是新能源技術(shù)領(lǐng)域中商業(yè)化程度最高，推廣應(yīng)用最廣的技術(shù)產(chǎn)品之一。太陽能熱水器技術(shù)發(fā)展：利用水箱自動上水，無須人工操作，特別適用于電力緊張的地區(qū)。當(dāng)出現(xiàn)水壓不足、停電上不了水等突發(fā)狀況時(shí)，只要滿足上水條件，它就能自動上水

23、，水滿即停，可靠性高，使用壽命長。在智能化是方面，大多數(shù)廠商采用電腦線控式產(chǎn)品，線控的主要目是控制板可以與主機(jī)分離，便于操作。電腦控制能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的溫度控制和熱水預(yù)約功能，具有自動記憶功能，能夠記錄使用者的用水時(shí)段、用水次數(shù)、用水量和用水溫度，到時(shí)提前自動加熱，充分的滿足使用者用水的要求。在節(jié)能方面，各大廠商已經(jīng)開始從產(chǎn)品高效率方面來革新技術(shù)，利用良好的保溫技術(shù)，使熱水能夠更持久保持溫度。例如：比力奇、前鋒、西門子等品牌的雙內(nèi)膽結(jié)構(gòu)，兩個(gè)內(nèi)膽相互連通，上下放置，下膽進(jìn)冷水，上膽出熱水，減少了熱水與冷水的接觸面，提高了熱能的利用效率，節(jié)能節(jié)電。1.2.2 太陽能熱水器的國外發(fā)展現(xiàn)狀太陽能熱水器

24、是一種清潔、環(huán)保、節(jié)能的產(chǎn)品。世界各國對太陽熱水器的開發(fā)十分重視。各國紛紛制定太陽熱水器技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，大大地加速了該行業(yè)的發(fā)展。美國的“百萬太陽能屋頂計(jì)劃”、歐盟的“太陽熱水系統(tǒng)熱能供給保證體制”，這些措施的實(shí)施都帶動大批相關(guān)工業(yè)的發(fā)展并取得了良好的效果。以色列是一個(gè)化石能源少而太陽能資源豐富的國家。政府對太陽能的開發(fā)利用進(jìn)行直接干預(yù)。韓國，東南亞各國也制定了支持開發(fā)利用太陽能的優(yōu)惠政策，紛紛吸引外資發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽能熱水器也在不斷改進(jìn)。在政府的支持下，以色列85%的居民住宅都安裝了太陽能熱水器等光伏產(chǎn)品，美國也有130多萬個(gè)游泳池裝上了太陽能集熱裝置。太陽能熱水器

25、在國外的應(yīng)用：城市住宅的安裝使用，適用不同用戶需要的、滿足各種建筑物結(jié)構(gòu)和外觀要求具有個(gè)性化的產(chǎn)品，滿足各種行業(yè)的應(yīng)用，如：餐飲、洗浴等對熱水需求大的行業(yè)；在農(nóng)牧業(yè)方面，可以將太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)與沼氣池結(jié)合起來，提高發(fā)酵溫度和產(chǎn)氣率，這些都會帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第2章太陽能熱水器控制系統(tǒng)本文通過對太陽能熱水器進(jìn)行基本原理、太陽能熱水器電器控制、基于FPGA技術(shù)原理，設(shè)計(jì)出太陽能熱水器的總設(shè)計(jì)方案，并對溫度檢測、水位檢測、顯示模塊、上水和加熱模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1 課題來源及研究主要內(nèi)容目前，市場上出現(xiàn)了許多太陽能熱水器控制器，但大多數(shù)控制器存在著諸如性能不穩(wěn)定，容

26、易產(chǎn)生誤操作：溫度、水位檢測、控制誤差大；顯示器有時(shí)出現(xiàn)亂碼；沒有電輔助加熱裝置，即便具有輔助加熱的功能，由于不能對加熱時(shí)間進(jìn)行良好的控制，常常會產(chǎn)生加熱不足或過燒，從而浪費(fèi)了大量的電能，給安全帶來了隱患，這與為節(jié)能而使用太陽能熱水器的初衷背徑而馳。由此產(chǎn)生了本課題。本課題研究的主要內(nèi)容：(1)在 FPGA 上進(jìn)行太陽能熱水器智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(2)進(jìn)行其它硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)。(3)通過Verilog語言實(shí)現(xiàn)熱水器智能控制。2.2 課題研究的目的及意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，新型能源的前景十分廣闊，太陽能熱水器已走進(jìn)了千家萬戶，但是在人們生活水平不斷提高的同時(shí)，消費(fèi)者的需求

27、越來越高，現(xiàn)有的太陽能熱水器已經(jīng)不能很好的滿足消費(fèi)者的需求。人們在關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，越來越注重在使用過程中的方便性、安全性以及操作界面的人機(jī)互動。本課題設(shè)計(jì)的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)方面的目的：一方面，實(shí)現(xiàn)電加熱與太陽能加熱的自動轉(zhuǎn)換。另一方面，實(shí)現(xiàn)水溫智能控制，防止加熱不足或溫度過高。課題的研究意義也有兩方面：一方面，節(jié)約化石資源，這些化石資源有限，不可再生，而太陽能是人類可利用最豐富的新型能源。另一方面，保護(hù)環(huán)境，節(jié)能減排。環(huán)境保護(hù)問題是目前世界上的主流話題，我國又是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭的大量開采利用，必然會造成大氣等環(huán)境污染及生態(tài)破壞。這對人類的生存和可持續(xù)發(fā)

28、展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。而太陽能是一種綠色能源，不會排放任何污染大氣和其他類型環(huán)境的有害物，是與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的清潔能源。2.3 太陽能熱水器的基本原理太陽能熱水器就是利用太陽能加熱冷水，并向外提供熱水的裝置。其基本工作原理是利用溫室原理把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后利用這些轉(zhuǎn)換得到的熱能實(shí)現(xiàn)對冷水的加熱。而溫室原理是指，當(dāng)相對密閉的環(huán)境里熱輻射、熱對流損失減少，熱量快速大量的聚積，積聚的熱量使溫度逐漸升高的過程。具體來說，全玻璃真空管集熱器內(nèi)部覆蓋了一層黑色的吸收體，所以當(dāng)太陽光透過真空管玻璃進(jìn)人密閉的集熱器內(nèi)部時(shí)，大部分能量被集熱器保存，然后沿肋片和管壁傳遞給吸熱管內(nèi)的冷水。冷水加熱后變輕而上升，自動

29、流入水箱上部，構(gòu)成一個(gè)熱虹吸系統(tǒng)，熱水不斷上移同時(shí)下循環(huán)管不斷補(bǔ)充冷水。依照此過程周而復(fù)始，一段時(shí)間后蓄熱水箱內(nèi)的冷水就被加熱到設(shè)定的溫度。2.4 太陽能熱水器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，從總體結(jié)構(gòu)上看，太陽能熱水器系統(tǒng)由太陽能熱水器和熱水器控制器兩個(gè)部分構(gòu)成。其中，太陽能熱水器又是通過太陽能集熱器、蓄熱水箱、輔助電加熱裝置、循環(huán)連接管道等部件構(gòu)成。首先集熱器將太陽能傳遞給傳熱工質(zhì)實(shí)現(xiàn)太陽能到熱能的轉(zhuǎn)換，熱能將集熱器里的冷水加熱成熱水，集熱器里的熱水通過集熱循環(huán)管道送入蓄熱水箱里，同時(shí)通過供水管提供給用戶。在控制系統(tǒng)中，補(bǔ)水電磁閥提供的自來水通過通過控制閥、控制儀等送至太陽能熱水器，從而實(shí)現(xiàn)熱水

30、器的自動化控制功能。而熱水器的輔助電加熱負(fù)責(zé)在太陽能不足的時(shí)候?qū)⑿钏涞睦渌訜岬皆O(shè)定溫度。圖2.1 太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖集熱器是太陽能熱水器系統(tǒng)中的集熱器件，實(shí)現(xiàn)熱水器光熱轉(zhuǎn)換，它是利用太陽輻射的熱量加熱冷水，所以只能在有白天時(shí)候使用。國外以平板型集熱器為主，平板集熱器具有能源利用率高、穩(wěn)定性高、可承壓等優(yōu)點(diǎn)。但由于其成本高、抗冷性能差、國產(chǎn)的性能不好等因素，目前我國市場上普及的是全玻璃真空管太陽能集熱器。蓄熱水箱是熱水器中儲存熱水的裝置，是太陽能熱水器主要的儲能設(shè)備由于太陽能熱水器只能在有太陽光的白天工作，而人們白天工作所以晚上才是用熱水的高峰期，所以有必要將白天產(chǎn)生的熱水儲存起來。一

31、般它包含最里面的內(nèi)膽、中間的保溫層以及最外面的外殼。支架是支撐集熱器和蓄水箱的，一般要求結(jié)構(gòu)牢固、不生銹、耐老化且使用壽命應(yīng)達(dá)到20年。2.5太陽能熱水器電氣控制(1)對太陽能熱水器水箱進(jìn)行上水，使太陽能集熱板處于滿水狀態(tài)，這時(shí)太陽能集熱板工作。(2)自動上水。通過溫度傳感器實(shí)時(shí)收集太陽能集熱板和太陽能蓄熱水箱內(nèi)的水溫信號。通過信號轉(zhuǎn)換，使溫度的模擬信號轉(zhuǎn)換成電壓值的數(shù)字信號在控制電路中進(jìn)行比較，當(dāng)溫度差值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出啟動信號，啟動循環(huán)水泵。將熱水放入太陽能蓄水箱，冷水進(jìn)入太陽能集熱板。反之則循環(huán)泵停止工作，太陽能集熱板正常加熱。(3)太陽能熱水器物理保護(hù)。當(dāng)天氣晴好時(shí)，由于太陽能

32、熱水器可以正常進(jìn)行工作，因此出于熱水器合理化工作需求，太陽能熱水器內(nèi)水箱內(nèi)的加熱管停止工作，通過太陽能熱水器正常物理加熱就可以。當(dāng)遇到陰天或者下雨天時(shí)，太陽能熱水器失去了其本可以通過物理特性加熱的功能，而由于熱水器還要滿足于人們生活或者工作的正常需求，因此本系統(tǒng)設(shè)置了電加熱功能，通過用戶對加熱管進(jìn)行上電加熱，完成熱水器水箱內(nèi)水的加熱，保證人們的恒溫要求。(4)太陽能熱水器系統(tǒng)中設(shè)置了四個(gè)按鍵，它們是用于溫度和水位的顯示切換按鍵，上水按鍵、加熱按鍵、復(fù)位按鍵。第3章太陽能熱水器控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)太陽能熱水器預(yù)實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)水、補(bǔ)溫控制，熱水器防凍、防炸控制以及熱水器即開即熱等控制功能，所以將

33、整個(gè)系統(tǒng)劃分為溫度測量設(shè)計(jì)、水位檢測設(shè)計(jì)、顯示模塊、上水模塊設(shè)計(jì)、加熱模塊設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)可以用硬件或軟件方式實(shí)現(xiàn)，目前市場上多采用二種設(shè)計(jì)方案。方案一：可以使用單片機(jī)完成控制、顯示、鍵盤、檢測等功能，成本比較低，是一種可選的方案但單片機(jī)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)固定不能更改，所以系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級等方面差，在電子行業(yè)發(fā)展迅猛的今天這是很重要的。方案二：可以使用FPGA實(shí)現(xiàn)控制功能。電路設(shè)計(jì)比較簡單，通過相應(yīng)的編程設(shè)計(jì)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)控制、新算法處理、顯示、鍵盤、檢測等功能。系統(tǒng)不僅具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力和升級能力，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短，開發(fā)費(fèi)用低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，所以最終選用FPGA實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。3.1 系統(tǒng)整體

34、方案設(shè)計(jì)本文通過根據(jù)用戶的合理需求，進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一套基于FPGA為控制核心的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過太陽能水位、溫度控制物理特性，分別設(shè)置了溫度和水位控制單元、數(shù)碼管顯示溫度、水位模塊。溫度加熱、上水控制模塊等對系統(tǒng)進(jìn)行控制，如圖3.1所示。圖3.1 太陽能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2 溫度測量設(shè)計(jì)本文通過采用ADC0809對太陽能熱水器采集的溫度和水位對應(yīng)輸出的電壓值進(jìn)行模擬至數(shù)字的轉(zhuǎn)換，ADC0808如圖3.2所示，為8位有效位，傳輸速度為100k即可。圖3.2 溫度測量電路圖3.3 水位檢測設(shè)計(jì)水位檢測設(shè)計(jì)，主要是通過水下壓力傳感器，對太陽能熱水器水箱內(nèi)的水位進(jìn)行測量。該模塊的設(shè)計(jì)必須保證測試的高精

35、度和高穩(wěn)定性，從而當(dāng)水箱內(nèi)水位低于設(shè)定警戒水位時(shí)，打開上水閥門，完成上水功能，本系統(tǒng)設(shè)置了最低上水水位值為總水量的40%，低于此值，實(shí)現(xiàn)自動上水，水位測量示意圖3.3所示。圖3.3 水位測量示意圖3.4 顯示模塊設(shè)計(jì)LED數(shù)碼管顯示的方式有兩種：一種是靜態(tài)顯示方式，一種是動態(tài)顯示方式。對于多位LED顯示單元，通常是采用動態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示，即逐個(gè)的循環(huán)點(diǎn)亮各位顯示器，這樣不僅可以簡化硬件電路，還可以顯示更多的字符。由于人的眼睛具有延遲性，因此雖然數(shù)碼管是逐一被點(diǎn)亮，但由于時(shí)間在毫秒級，速度太快，導(dǎo)致人們所看到是連續(xù)性顯示，跟8個(gè)數(shù)碼管一起顯示效果是一樣的。另外，本系統(tǒng)采用數(shù)碼管共陽極動態(tài)掃描

36、顯示。分為段控制和位控制模式。段控制模式，是控制數(shù)碼管8個(gè)小數(shù)碼管，也就是可以控制顯示的具體內(nèi)容。而位控制模式則是選擇性點(diǎn)亮LED數(shù)碼管，使其開始工作。3.5 上水模塊設(shè)計(jì)這一功能模塊要實(shí)現(xiàn)的是否進(jìn)行上水和上多少水量的功能。首先要檢測水箱中有多少水量，并用實(shí)際水量與設(shè)定水量進(jìn)行比較，判斷是否需要上水，如果水量不小于設(shè)定值即符合要求，系統(tǒng)則運(yùn)行下一個(gè)功能模塊；如果水量小于設(shè)定值，則運(yùn)行上水模塊對水箱實(shí)現(xiàn)上水。在上水模塊運(yùn)行過程中，實(shí)際水量實(shí)時(shí)與設(shè)定水量進(jìn)行比較，直到水箱水量與設(shè)定水量相等停止上水，系統(tǒng)運(yùn)行下一個(gè)功能模塊。上水模塊作為程序的一部分，上水流程如圖3.4所示：圖3.4 上水模塊的設(shè)計(jì)流

37、程圖3.6 電加熱模塊設(shè)計(jì)太陽能熱水器利用太陽產(chǎn)生的熱能在集熱板對水進(jìn)行加熱，但是，也具有很大的局限性，由于早晚太陽輻射強(qiáng)度不恒定，水箱內(nèi)溫度波動性較大，當(dāng)遇到陰雨雪天氣或在夜晚是，不能達(dá)到用戶要求，這就需要進(jìn)行輔助電加熱。本設(shè)計(jì)用寄存器的低兩位作為控制位，當(dāng)其值為00時(shí)，表示不進(jìn)行電加熱控制；當(dāng)其值為11時(shí)，表示進(jìn)行電加熱控制。如圖3.5所示，為電加熱模塊的流程。圖3.5 電加熱模塊的流程圖第4章系統(tǒng)硬件介紹及電路設(shè)計(jì)4.1 關(guān)鍵性開發(fā)技術(shù)的介紹4.1.1 FPGA及Quartus II的簡介FPGA是一種帶有可編程互連和邏輯功能的門陣列，采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Ar

38、ray），內(nèi)部包括邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（161RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜

39、態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。市場上FPGA的主要器件供應(yīng)商有Altera，Xilinx，Lattice，Actel等。在本設(shè)計(jì)中使用的FPGA是Altera的FPGA，因此下面我們將簡要的介紹一下其相應(yīng)的開發(fā)工具Quartos II特點(diǎn)：Quartus II是Altera公司的綜合性PLD開發(fā)軟件，支持原理圖，VHDL，Verilog HDL等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)部自帶有綜合以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的整過設(shè)計(jì)流程。具有運(yùn)行速度

40、快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。QuartusII第一次啟動時(shí)出現(xiàn)的圖形用戶界面，如圖4.1所示：圖4.1 Quartus II圖形界面4.1.2 FPGA的設(shè)計(jì)流程一般來說，基于FPGA芯片來設(shè)計(jì)和開發(fā)數(shù)字通信系統(tǒng)都有一個(gè)通用的設(shè)計(jì)流程。具體流程圖如圖4.2所示：圖4.2 FPGA設(shè)計(jì)流程圖4.1.3 ModelSim簡介ModelSim是作FPGA設(shè)計(jì)的RTL級和門級電路仿真的首選，采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù)和單一內(nèi)核仿真技術(shù)，具有編譯速度快，編譯的代碼與仿真平臺無關(guān)，便于保護(hù)IP核，個(gè)性化的圖形界面和用戶接口，為用戶加快調(diào)錯(cuò)提供強(qiáng)有力的手段。支持VHDL和Verilog語言的IEEE

41、標(biāo)準(zhǔn)，支持C/C+功能調(diào)用和調(diào)試，被認(rèn)為是業(yè)界最優(yōu)秀的HDL語言仿真器。其主要特點(diǎn)為：RTL和門級優(yōu)化，本地編譯仿真速度快；單內(nèi)核VHDL和Verilog混合仿真；源代碼模版和助手，項(xiàng)目管理；集成了性能分析、波形比較、代碼覆蓋等功能。ModelSim的最大特點(diǎn)是其強(qiáng)大的調(diào)試功能，可以迅速追蹤到產(chǎn)生不定或者錯(cuò)誤狀態(tài)的原因；性能分析工具幫助分析性能瓶頸，加速仿真；代碼覆蓋率檢查確保測試的完備。通過Modelsim開發(fā)工具進(jìn)行仿真，其基本步驟為：建立Modelsim庫：(1)啟動Modelsim。(2)更改當(dāng)前的目錄為要仿真文件所在的路徑。(3)創(chuàng)建工作庫。編譯源代碼：(1)打開源文件編譯窗口。(2

42、)在源文件編譯窗口中選擇要編譯的源文件，然后編譯源文件。(3)若編譯無誤，則單擊Done按鈕，關(guān)閉源文件對話框。啟動仿真器：雙擊work庫下面雙擊單元的激勵(lì)源文件就可以加載設(shè)計(jì)仿真了。執(zhí)行仿真：(1)在Models im的主窗口中選擇View菜單下All Windows命令，打開所有的Modelsim窗口。(2)在信號窗口中使用菜單Add中的Wave項(xiàng)里面的Signals in Region命令，將所有層次信號添加到波形窗口。(3)在波形窗口單擊“運(yùn)行”按鈕，進(jìn)行仿真并觀察顯示的仿真波形。Modelsim具有良好的交互圖形界面，可以根據(jù)作用的不同分為主用戶界面、結(jié)構(gòu)界面、源程序界面、信號界面、

43、進(jìn)程界面、變量界面、數(shù)據(jù)流界面、波形界列表界面等。主用戶界面，是整個(gè)交互圖形界面的所有其他界面運(yùn)行的基礎(chǔ)，如圖4.3所示：圖4.3 Modelsim主界面4.1.4 Microsoft Office VisioOffice Visio是一款功能強(qiáng)大的繪圖軟件，對于IT和商務(wù)專業(yè)人員就復(fù)雜信息、系統(tǒng)和流程進(jìn)行可視化處理、分析和交流。Microsoft Office Visio能創(chuàng)建具有專業(yè)外觀圖表，能記錄分析信息、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和過程。Visio與其他圖形軟件相比具有更高的可視性與直觀性，并且操作簡單對使用者無技能基礎(chǔ)要求。應(yīng)用此軟件，可以繪制多鐘圖表，包括組織結(jié)構(gòu)圖、日程表、日歷和甘特圖。在進(jìn)行項(xiàng)

44、目設(shè)計(jì)過程時(shí)，通過Visio可以方便快捷的完成系統(tǒng)框圖、流程圖和狀態(tài)機(jī)等各種圖形的繪制工作，是學(xué)習(xí)、工作人員擁護(hù)的優(yōu)秀綠色軟件。該軟件具有標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)，可以使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)生成各種標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)，如組織結(jié)構(gòu)圖、日程表、日歷等。并且自帶幫助文件Office Visio 2007便于IT和商務(wù)專業(yè)人員就復(fù)雜的信息、系統(tǒng)和流程進(jìn)行可視化操作，通過這種圖標(biāo)，可以促進(jìn)對系統(tǒng)以及流程的深入認(rèn)知。最為客觀的是，Office Visio 2007具有兩個(gè)獨(dú)立的版本：professional與standard兩個(gè)版本。雖然他們的基本功能一致，但是professional版本包含的功能模塊在standard版本里都有。不想其

45、他軟件，Office Visio 2007可以通過編程或跟其他程序集成的方式拓展，用以滿足不同情況下的需求。這一功能使得軟件更具人性化，受到廣大軟件工作者的愛好。在Visio 2007的軟件開發(fā)工具包（SDK）中，有可以滿足人們需要的各種自定義應(yīng)用程序開發(fā)示例、工具和文檔，同時(shí)提供了普遍適用的可重用函數(shù)、類和過程，而且支持多種語言開發(fā)，其中就包括了Microsoft Visual Basic、Visual Basic.NET、Microsoft Visual C#.NET和Microsoft Visual C+。4.1.5 開發(fā)板布局和組件DE2-115開發(fā)板擁有能夠?yàn)橛脩魧?shí)現(xiàn)廣泛設(shè)計(jì)的特征，

46、包括從簡單的設(shè)計(jì)到各種多媒體電路的設(shè)計(jì)。圖4.4 DE2-115開發(fā)板Altera配置芯片-EPCS64 板上USB Blaster下載電同時(shí)支持JTAG模式和AS模式 2MBSRAM 2片64MB SDRAM 8MB閃存 SD卡插槽 4個(gè)按鈕開關(guān) 18個(gè)動開關(guān) 18個(gè)紅色LEDs 9個(gè)綠色LEDs 50MHz晶振提供給時(shí)鐘源4.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 硬件配置：320GB硬盤；3GB內(nèi)存；1.8GHz英特爾CPU操作系統(tǒng)：Windows7 旗艦版編程語言：Verilog HDL（硬件描述語言）軟件環(huán)境：Quartus II 12.1、ModelSim6.54.3 系統(tǒng)任務(wù)的可行性分析太陽能熱水器智

47、能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)采用Verilog編寫，根據(jù)EDA工具自動生成。要設(shè)計(jì)完成該項(xiàng)目需要懂得數(shù)字電路，SoC，高級數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，硬件編程語言等軟硬件相關(guān)知識。并且，能夠較為熟練的使用Visio，Xilinx ISE，ModelSim，Quartus II等硬件設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證相關(guān)軟件工具，然后要對各種比賽賽制有一定了解與清晰的設(shè)計(jì)思路，并具備相應(yīng)的開發(fā)器件與設(shè)備。4.4 中央控制芯片的選型FPGA是可編程門陣列的意思，它的英文全稱為Field Programmable Gate Array。它的出現(xiàn)可以說是將可編程控制器提高到了一個(gè)新的時(shí)代和標(biāo)準(zhǔn)水平。FPGA最基本的單元是LED，一個(gè)L

48、ED包括了四個(gè)輸入LUT，每個(gè)LUT有四個(gè)地址線和1個(gè)RAM，主要的典型的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)門電路運(yùn)行和數(shù)據(jù)的存儲，完成系統(tǒng)控制功能。本項(xiàng)目結(jié)合太陽能熱水器實(shí)際工作需要，采用了cyclone II器件的 EP2CF484C6 芯片。該芯片足可以滿足太陽能熱水器控制器的實(shí)際需求。cyclone II器件的EP2CF484C6芯片不僅可以采用查表技術(shù)，還就有整合功能，常用功能的硬核模塊。如圖4.5所示，為FPGA內(nèi)部單元圖。圖4.5 EP2CF484C6內(nèi)部單元圖4.5 A/D芯片的選型及接口設(shè)計(jì)4.5.1 A/D芯片選型本系統(tǒng)采用AD，它的功能是將熱水器內(nèi)溫度和水位模擬量轉(zhuǎn)換對應(yīng)的數(shù)字量，即處理器系統(tǒng)只

49、能識別二進(jìn)制數(shù)據(jù)，傳送給系統(tǒng)控制單元。ADC0809芯片的技術(shù)指標(biāo)內(nèi)容如下：具有8路模擬量輸入通道。 = 2 * GB3 分辨率為8位。 = 3 * GB3 模擬輸入電壓范圍05伏。 = 4 * GB3 使用5V電源，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。 = 5 * GB3 有轉(zhuǎn)換起?？刂?。 = 6 * GB3 轉(zhuǎn)換溫度4085；4.5.2芯片接口設(shè)計(jì)下面對ADC0809與EP2C5F256C6的接口電路進(jìn)行介紹，ADC0809的START，ALE引腳，分別為開始工作和地址鎖存有效功能。AD0809轉(zhuǎn)換器的地址鎖存器將ADDA，ADDB，ADDC所組成的有效地址信號鎖存起來。在ADC0809的START引腳下

50、降沿有效時(shí)，實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并輸出對應(yīng)的數(shù)字信號。當(dāng)ADC0809完成所有轉(zhuǎn)換時(shí)，此時(shí)ADC0809的EOC引腳會自動置高電平，傳送給FPGA引腳，告訴CPU控制器 ，ADC0809將模擬量轉(zhuǎn)換完畢，請將數(shù)據(jù)取走，此時(shí)，控制器取走ADC0809生成的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集。圖4.6 FPGA 與 ADC0809 接口簡圖4.6 顯示終端選擇及接口設(shè)計(jì)4.6.1 顯示終端選擇顯示模塊采用7段LED數(shù)碼管。通過8個(gè)條狀發(fā)光二極管控制和對應(yīng)的字模表進(jìn)行查找，顯示出系統(tǒng)所要顯示的數(shù)字。在設(shè)計(jì)中使用4個(gè)7段LED數(shù)碼管。在設(shè)計(jì)中，采用了LED的共陰極接法，共陰極LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陰極共地，當(dāng)二極管

51、的陽極電壓為高電平時(shí)，二極管發(fā)光。4.6.2 譯碼方式本系統(tǒng)是通過軟件譯碼方式，將太陽能熱水器的溫度值和水位值顯示在數(shù)碼管上的，是通過軟件譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼。由于使用FPGA芯片，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建硬件電路，不會增加成本。故本設(shè)計(jì)采用硬件譯碼。4.6.3 芯片接口設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要4位LED顯示器，分別對實(shí)際水位和實(shí)際水溫(各使用2位LED)進(jìn)行顯示。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選取8個(gè)引腳對應(yīng)設(shè)計(jì)圖引腳7LED_Da7LED_Dh,選取8個(gè)引腳對應(yīng)設(shè)計(jì)圖引腳7LED_C07LED_C7，完成數(shù)碼管的工作開啟和內(nèi)容顯示功能，EP2C5F256C6與LED數(shù)碼管芯片接口設(shè)計(jì)如圖4.7所示：圖4.

52、7 LED數(shù)碼管接口圖4.7 溫度、水位傳感器的選擇和設(shè)計(jì)4.7.1 溫度傳感器的選擇本系統(tǒng)通過網(wǎng)上資料查詢和在淘寶網(wǎng)上多家淘寶店查找相關(guān)溫度傳感器，發(fā)現(xiàn)市場上的水下溫度傳感器種類不是很多。因此，結(jié)合系統(tǒng)自身需求和測試可靠性要求較高等因素，我們選用鉑傳感器pt100。由于鉑電阻的測試穩(wěn)定性較高、其相應(yīng)的阻值對應(yīng)溫度值的變化很小，因此對應(yīng)測得后的電壓值穩(wěn)定性、精確度比較高。Pt100溫度傳感器采集太陽能水箱內(nèi)水的溫度值，輸出對應(yīng)的電壓值，范圍在02.5V，具體實(shí)物見圖4.8所示。圖4.8 pt100溫度傳感器實(shí)物圖如圖4.7所示，Pt100溫度傳感器主要是通過兩個(gè)用來測量溫度差的子傳感器組成，通

53、過兩個(gè)傳感器的溫度差，實(shí)現(xiàn)溫度變量之間的函數(shù)相關(guān)性。4.7.2 水位傳感器的選擇Water Sensor水位傳感器是是一款防水、穩(wěn)定性、精確度較高的水位檢測傳感器，該傳感器主要是通過平行導(dǎo)線線跡完成水量的判斷，從而實(shí)現(xiàn)太陽能熱水箱內(nèi)水位的判斷，實(shí)現(xiàn)模擬電壓值的輸出，通過FPGA控制器的讀取和控制，實(shí)現(xiàn)水位顯示和報(bào)警的功能，如圖4.9所示。圖4.9 水位傳感器水位傳感器規(guī)格參數(shù)：產(chǎn)品名稱：水位傳感器工作電壓：DC3-5V工作電流：小于20mA傳感器類型：模擬檢測面積：40mm16mm制作工藝：FR4雙面噴錫工作溫度：10-30工作濕度：10%-90%無凝結(jié)產(chǎn)品重量：3.5g產(chǎn)品尺寸：62mm20

54、mm8mm4.8 加熱控制的電路的設(shè)計(jì)太陽能熱水器水溫加熱模塊，主要是通過加熱電阻絲來完成的。系統(tǒng)通過控制大功率交流元件組成相應(yīng)的控制電路，通過功率放大元件利用220V的交流電來實(shí)現(xiàn)對水溫的加熱，電路如圖4.10所示。實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器的加熱控制。圖4.10水溫加熱電路圖大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件設(shè)計(jì)需求軟件設(shè)計(jì)是太陽能熱水器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要部分也是重要部分。因此，確定太陽能熱水器的工作控制原理，搞清楚系統(tǒng)需求分析要求，才能設(shè)計(jì)出合理的軟件流程。在熱水器實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)陽光充足時(shí)，熱水器會利用太陽能將蓄水箱內(nèi)的水加熱到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的給定溫度，控制器將不啟動輔助加熱裝置

55、。當(dāng)遇到陰天或者下雨天，太陽能熱水器為了保證輸出恒溫?zé)崴?，系統(tǒng)自動打開加熱管加熱閥門，將熱水器內(nèi)水加熱到預(yù)設(shè)定溫度。這樣，熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠向用戶提供設(shè)定溫度的熱水。另外，系統(tǒng)還設(shè)定有自動上水功能。但熱水箱內(nèi)的水量低于警戒溫度量時(shí)，則系統(tǒng)自動上水，水位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在數(shù)碼管上。5.2 軟件功能模塊的劃分整個(gè)太陽能控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)功能需求，主要為采集太陽能水箱里水的溫度和容量，通過比較水箱內(nèi)水的溫度和水的容量警戒值，控制水箱內(nèi)上水閥門和加熱管工作，達(dá)到整個(gè)太陽能熱水器水箱內(nèi)水的恒溫和適度水量的一個(gè)平衡，如圖5.1所示：圖5.1 太陽能熱水器FPGA設(shè)計(jì)RTL級框圖太陽能熱水器的智能

56、控制器的軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)其系統(tǒng)功能分為顯示模塊，水位檢測模塊，溫度檢測模塊，上水模塊，電加熱模塊，在各個(gè)程序模塊連接成一個(gè)完整的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示和控制。本節(jié)對各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行介紹：1數(shù)據(jù)采集部分：該部分主要由shuju_caiji模塊來實(shí)現(xiàn)，主要通過AD_CS,AD_CLK引腳使能AD模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，讓其按照要求通過ad_data引腳轉(zhuǎn)換采集溫度和水位傳感器后傳輸?shù)紸D的電壓，通過AD轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的數(shù)字電壓信號，通過readdata_shuiwei,readdata_wendu引腳，傳輸給下級顯示控制模塊。2顯示部分：該部分主要由shuiwei_weindu_

57、xianshi模塊來實(shí)現(xiàn)。主要將太陽能熱水器箱內(nèi)水溫度值和水位值進(jìn)行顯示。Choice模塊主要是用來顯示溫度和水位值的一個(gè)切換作用，通過irq_shuiwei,irq_wendu引腳，控制顯示內(nèi)容。而shuiwei_weindu_xianshi模塊的seg_data7:0,seg_com7:0決定了顯示數(shù)據(jù)的內(nèi)容。 3閥門控制部分：該部分分為wendu_control,shuiwei_control兩個(gè)模塊，主要是根據(jù)太陽能熱水器水箱內(nèi)溫度和水位的不同值，來進(jìn)行控制。如果低于警戒溫度和水位，通過wendu_control,shuiwei_control引腳，開啟加熱管和上水閥門，對熱水器內(nèi)進(jìn)行

58、溫度加熱或者上水措施，實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器的智能化控制系統(tǒng)時(shí)鐘信號的仿真，如圖圖5.2所示：圖5.2 時(shí)鐘信號的仿真圖5.2.1 顯示模塊該模塊主要完成將實(shí)際水位和溫度進(jìn)行顯示，實(shí)際水位和溫度是測量獲得的數(shù)值。但無論是水位還是實(shí)際溫度在 FPGA 中都是以十進(jìn)制數(shù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和比較，比較后的數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼管顯示字模表轉(zhuǎn)化，輸出對應(yīng)的顯示數(shù)字，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)對溫度和水位顯示的切換，如圖5.3所示：圖5.3 熱水器水位、溫度顯示端口框圖顯示模塊的程序：always (negedge reset_n or posedge clk)beginif(!reset_n)begindata

59、in0=8b00000000;datain1=8b00000000;datain2=8b00000000;datain3=8b00000000;datain4=8b00000000;datain5=8b00000000;datain6=8b00000000;datain7=8b00000000;end else if(!write_n)begin writedata_r = writedata*12d2500/13d4096;datain0=writedata_r%4d10;datain1=writedata_r/4d10%4d10;datain2=writedata_r/7d100%4d10

60、;datain3=writedata_r/10d1000%4d10;if(datain32) begin red_control=0; endelse begin red_control=1; endendend顯示模塊的仿真，如圖圖5.4所示：圖5.4 顯示模塊的仿真圖5.2.2 溫度、水位檢測模塊溫度檢測模塊是用來采集太陽能熱水器內(nèi)水的水位和溫度。而采集太陽能熱水器內(nèi)的水位和溫度需要AD模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器來完成，具體模塊見圖5.5所示：圖5.5熱水器水位、溫度采集模數(shù)轉(zhuǎn)換端口框圖檢測模塊的程序：module shuju_caiji (AD_CS,AD_CLK,irq,readdata_shui