基于Quartus II和FPGA的太阳能热水器控制系统

摘要：  太阳能热水器是目前最为“干净”的能源之一。随着消费者环保和绿色意识的提高，太阳能热水器已经走进了千家万户。目前，太阳能热水器控制器还一直处于研究与开发阶段，市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能，不具备温度水位的自动控制功能。

关键字：  热水器控制系统，  FPGA，  A/D转换电路

虽然有的控制器配有电加热辅助装置，但都不是自动的，给用户使用带来许多不便。而且，在人类生活水平日益提高的今天，智能化家庭住宅模式将成为新的家庭住宅模式的发展趋势，目前市场上的太阳能热水器智能化程度不高，主要以手动或半自动实现对太阳能热水器的操作，在与用户的交互性方面也不够理想。

针对目前市场上热水器控制系统的不足，本文设计了一种基于FPGA的控制系统，实现对太阳能热水器的水位、补水方式、补水时间的自动控制，提高了系统的智能化;利用液晶显示与用户建立良好的交互界面。

1 系统主要功能

(1)当水位低于规定值时报警并自动上水，上水到规定水位时自动停水(水位的上限可以由用户自行设定，所设定参数具有断电保护功能;重新上电则不需要用户再设定)。

(2)可实现手动/自动控制切换。

(3)自动加热，定时加热控制。

(4)采用分时段控制，即“用水时段”和“非用水时段”。

(5)采用全自动温度控制，禁止高温空晒后进水，可以防止真空管因突然注入冷水而爆裂。

2 系统组成结构及工作原理

本系统由温度传感器及调理电路、水位传感器及调理电路、A/D转换电路、液晶显示电路、FPGA控制模块、按键输入和继电器执行部件组成，其中FPGA控制模块是本系统的核心。系统结构如图1所示。

(1)液位传感器采用ATSl73型霍尔元件121，若干霍尔元件固定在一个垂直导槽上，浮子带动磁钢沿导槽运动，霍尔元件的输出经电阻网络转换成不同电压，经ADC送入智能控制模块中。温度传感器采用负温度(NTC)型通用热敏电阻，信号经一路ADC送入智能控制部分。

(2)FPGA控制部分根据检测到的水位信号、温度信号以及用户的设定或操作，通过必要的逻辑运算，以确定当前应该进行的操作，并通过输出口送至执行部件，进而控制进水阀、加热泵的状态，以实现所要求的控制功能。

图1 系统结构示意图

(3)水泵、电磁阀、加热器组成了上水、加热执行部件，该部件与输出通道的继电器相连以接受FPGA的控制命令，完成系统上水、加热、循环上水、循环加热功能。

(4)键盘输入主要由S1、S2、S3和S4组成，S1用来切换操作状态。控制器有“直接控制”和“参数修改”两种工作状态。按S1键显示“00”，控制器进入“直接控制”状态;显示“01”、“02”、“03”和“04”分别表示“设定上限水位”、“设定定时上水时间”、“设定定时加热时间”和“设定加热温度”。

进入“参数修改”状态后，s2、S3用来修改规定的参数;S1接受本次修改，并切换到下一个参数;S4取消本次修改。进入“直接控制”后，S2用来手动上水，S3用来手动加热，s4用来停止加热或上水。若水位已经超过设定上限水位，或水温已经超过设定温度，“直接控制”将不起作用。

设定水位上限：控制器可以监测到6个水位，上限水位可以由用户设置，水位上限设置范围为03、04、05、06。

设定定时上水时间：每天在规定时间检查水位，并上满。若设定时间是00或大于等于24，则取消自动定时上水。

设定定时加热时间：每天在规定时间检查水温。若水温低于设定温度，则接通电加热器，将水温加热到设定温度;若设定时间为00或大予等于24，则取消自动定时加热。

设定加热温度：定时加热温度可以由用户设定，范围为20℃一60℃。

3 系统软件实现

3.1 设计思想

在设计过程中，采用自顶向下的方法。首先从设计入手，在顶层进行功能方框图的划分，然后对各模块进行VHDL设计并仿真，再进一步综合，进行门级仿真，如果顺利，便可下载，实现电路。控制模块的顶层方框图如图2所示。

图2 控制模块顶层方框图

在顶层设计中加入了定时器模块和液位、水温信号共同完成控制功能，实现分时段控制，进而实现在自动补水的同时不影响使用热水，在自动开启电加热器补温的同时不造成能源浪费，从而解决了定时补水、加热的问题。

3.2 模块设计

FPGA控制器分为以下几个模块：

(1)译码器模块：接收键盘的输入，并且根据系统要求，将其转换成系统需要的代码。

(2)状态选择模块：接收经过译码后的信号，完成状态的控制和参数接收功能。

(3)移位存储器模块：将设定参数存储起来，以备在后面的控制模块调用，完成整个控制模块的控制功能。

(4)比较控制模块：将根据设定的参数和当前的水位、水温，输出上水、加热、报警等相关信号给调理电路。

(5)定时器模块：根据实际需要，实现定时补水、加热功能。

(6)调理电路模块：根据状态选择电路和比较控制电路的输出，自动完成上水、加热、报警等相关操作。由于篇幅的原因，在此仅给出部分顶层电路的VHDL源代码：

3.3 系统仿真与实现

在EDA工具Quartus II环境下对上述各个模块VHDL源程序进行编译、选配、优化、逻辑综合，自动把VHDL描述转变成门级电路，进而完成电路分析、纠错、验证、自动布局布线、仿真等各种测试工作。

3.4 仿真结果

在Quartus II环境下，运用其自身的仿真工具完成仿真，仿真结果如图3所示。

图3 仿真结果

从仿真结果中可以看出，通过FPGA实现的太阳能控制系统，能很好地满足实际要求，并且较以往传统的设计方法而言，采用分时段控制，即“用水时段”和“非用水时段”，避免了频繁启动和用水安全，能源得到了有效利用。

该系统已在一些宾馆、写字楼投入运行，通过FPGA智能控制，采用温差跟踪循环方式充分利用太阳能进行加热，并及时启动辅助能源补充加热，在为用户提供不问断的开水供应的同时，节约了能源。该系统运行稳定，抗干扰性强。在以后的设计改进中可加入压力控制模块，进而在整个热水器构成中添加加压模块，使得上水顺利完成。