基于FPGA控制的太阳能热水器水位水温智能控制仪

南华大学船山学院毕业设计论文目 录引言2第1 章 太阳能热水器现状分析及本设计的任务31.1 太阳能热水器的发展背景31.2 太阳能热水器国内外发展现状41.3 太阳能热水器的分类61.4 太阳能热水器的优缺点71.5 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112.1水位水温控制112.2安全控制122.3水循环控制142.4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153.1 主控硬件电路芯片的选型153.2电源电路的设计163.3实时时钟电路的设计183.4人机界面电路设计203.4.1 12864液晶引脚功能213.4.2 液晶显示器的原理213.4.3 液晶显示器的优点223.5电磁阀和电加热棒控制电路设计233.6温度和液位信号采集电路设计26第4 章 软件的设计304.1主程序流程图314.2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:At present, domestic solar water heater for single function and complicated to operate and control the characteristics of the inconvenience they may face, this paper presents a new type of solar water heater control system design. Solar water heater in accordance with the requirements of the control system to FPGA as the central control unit, the DS1302 real time clock, the design of a solar water heater water temperature control device, given the system hardware design and software implementation. The system has the time, temperature, water level settings and control functions, and has a good anti-interference performance.Key words: Solar water heater，Fpga，Hardware design，Software Design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15002500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: 1200mm47mm 1500 mm47mm。 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0.6，平均热损Uct0.9W/真空度P5103pa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：81520 （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，CO 2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9.37106千焦，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TN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，就很难起到防雷作用。另外，要做好热水器水箱与避雷针或接地等电位连接，一般在距水箱3米范围内设置独立的避雷针，避雷针的下引线用钢筋与避雷带焊接，水箱底座与房顶面及避雷带用钢筋做等电位连接并焊牢。如果无条件设独立的避雷针，可将其水箱底座在房顶面做等电位连接。同样是用钢筋与避雷带进行连接，这样也能起到防雷作用。水管防冻控制，在水管上加装电加热带，防止在室外因温度过低导致水管冻结影响系统的正常运作。2.3 水循环控制水循环控制根据运行方式的不同可分为三种方式：（1）自然循环型。装置中集热器内的水经太阳辐射，与储水箱内未被太阳辐射的水便产生温差效应，利用热水上浮冷水下沉的原理使水产生循环，而不借助外力来使水进行循环的过程。自然循环的密度差愈大，循环的速度愈快，反之循环的速度愈慢。这种循环方式能使储水箱的水持续升温，太阳辐射停止，循环也渐渐终止。此系统分为两种使用方式，一种是自动上水靠太阳用水，一种是与其他辅助能源（电、气、油等）相配接，实现全天候供热水。此种运行方式设备投资和运行成本较低，结构简单、故障率低，运行稳定可靠。但系统不够灵活。（2）强迫循环型。顾名思义是通过外力（水泵）将集热器接收太阳辐射后产生的热水与储水箱的冷水进行循环，是储水箱内的水温逐渐增高。此循环模式的特点是储水箱的位置不受集热器位置制约，可任意设置。该系统可与其他辅助能源（电、气、油等）相匹配，实现智能控制全天候供热水。此种运行方式达到了智能控制、经济实用、布置灵活、可靠稳定的设计要求，但使用时控制设置较复杂。（3）自动化恒温型。结合了自然循环与强迫循环方式，另配有辅助加热（电、气、油、热泵）方式，全自动化控制，让储水箱与用水终端全天候保持在设定温度，一开阀门就有热水。此系统的自动化程度高，运行更方便，最适合24小时用热水的场所。此种运行方式达到了人性化设计，智能控制，傻瓜式运行，使用方便，即开即有热水。但相应成本较高。经综合考虑，本系统的水循环控制采用自动化恒温型。此款热水器控制系统还设计了一个机械按钮，用于切换集热器和电加热器的工作，这样更便于用户在任何想使用热水的时候能够快速的加热水温，而不避拘泥于智能测控仪的控制。综上所述，在本款智能测控仪的控制下，太阳能热水器可实现环保、节能、高度智能化，方便省事，不论是日常家居，还是对宾馆、学校等场所都是最佳选择。2.4总体方案的确定 本设计采用EP2C5F256C6为主控制芯片，6个独立式键盘作为控制仪的输入控制信号，液位传感器和温度传感器采用市场上常见的型号，应用环形振荡器电路对太阳能热水器的温度和液位信号进行采集。选用性价比较高的实时时钟芯片DS1302，具有中文显示的LCD12864液晶显示器作为整个控制仪的显示器，显示太阳能热水器当前的水位和水温，以及时间的显示。当水位低于报警水位时，蜂鸣器通过报警提示当前用户。系统控制框图如图2-2所示。 图2-2 系统控制模块框图第3章 太阳能热水器智能控制仪的功能模块设计3.1 主控硬件电路芯片的选型当前大多数应用系统的控制芯片是由MCU(单片机系统)，DSP(数字信号处理器)，或者FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程逻辑器件构成的。而这些控制芯片各有特点：(1)结构上，MCU的存储器采用哈佛结构1；DSP芯片采用改进的哈佛结构2，程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，大大地提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理；FPGA的结构是基于查找表3。查找表(Look-up-Table)简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，每一个LUT可以看成一个有4位地址线的RAM。(2)内部资源使用上，MCU，DSP通过用特殊功能寄存器的形式来访问内部资源，然而它们的特殊功能寄存器不多；而FPGA的寄存器相当丰富。(3)指令系统上，MCU采用面向控制的指令系统；DSP指令系统是流水线操作。在流水线操作中，一个任务被分解为若干个子任务，各个任务可以在执行时相互重叠。DSP指令系统的流水线操作是与哈佛结构相配合的，增加了处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量；FPGA的指令系统依赖用户选用的处理器。(4)外部扩展能力，因为MCU，DSP的引脚较少，故扩展能力没有FPGA强。(5)特有的应硬件资源，DSP有专用硬件乘法器；MCU用软件来实现乘除法；FPGA可以由用户来自制指令，极大的提高创建系统的灵活性。(6)系统的升级能力，MCU，DSP内部电路结构固定，一旦设计完成，内部电路不能更改，而FPGA内部电路可由用户根据需要来配置，内部电路可修改。综合MCU，DSP，FPGA的分析，可以得出：单片机在简单的控制和人机接口方面处于领先地位；DSP的优势体现在数据处理上；FPGA处于的优势体现在控制及新算法处理上4。同时考虑以后系统的扩展，系统的升级，设计周期，开发费用，系统的稳定性以及软件设计的繁易程度等各项指标，最终选用FPGA芯片。本设计选用cyclone II器件的EP2C5F256C6芯片，EP2C5F256C6芯片的主要特性为：(1)拥有4608个逻辑单元。(2)RAM位数为119808.9(3)支持2个锁相环。(4)158个可用的I/O脚。(5)支持通过低成本串行配置器件配置。(6)全面支持LVTTL，LVCMOS，SSTL2和SSTL3 I/O标准。(7)支持66MHz，32位的PCI标准。(8)支持低速LVDS I/O。(9)最高支持8个全局时钟线。(10)支持外部存储器，包括DDR，SDRAM，FCRAM，SDRAM。(11)支持IP核复用设计，包括Altera MegaCore。3.2电源电路的设计如图3-1所示为太阳能热水器智能控制仪的电源电路，图3-2为直流稳压电源框图。与直流稳压电源框图对应，本电源电路也是有四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。这四部分功能分述如下：（1）电源变压器它的任务是把电源电压220V变压到合适的大小。如果U1的值太大，会造成集成三端稳压器的功耗太大，温度升高，且浪费电能。反之，如果U1的值小到一定的程度，三端稳压器不能正常工作，失去稳压作用 。因此U1的值应大小合适，这个值应该使三端稳压器在交流电网电压最低和输出电流最大时能正常工作。而且在正常稳压的前提下，它的压降尽可能小，以减少功耗。（2） 整流电路它的任务是将正弦波变换成直流电压。这里一般采用桥式整流电路来实现，即可用四个二极管来组成，也可用整流桥堆来完成，只是参数一定要选择合理。（3） 滤波电路它的任务是将全滤波形通过 RC 滤波网络以后变成更平坦的直流电压，减小脉动，提高整流的效果。这时整流管中通过的电流的瞬时值要比平均值大得多，特别在接通电源瞬间有相当大的冲击电流（即充电电流）通过整流管，这一点要引起注意。（4） 稳压电路使输出电压为恒定的直流电压，且要达到提出的要求。 图3-1 电源电路 图3-2 直流稳压电源框图对于图3-1电源电路中元件参数确定如下：（1）U1和C1的计算查阅集成三端稳压器的知识可知，对输出电压在5V12V之间的稳压器，其输入端的电压一般要比输出端电压高5V。而输出电压在15V24V的稳压器，其两端电压差达到7V9V左右。在此，如果1，2两端的电压为12V，那么可以求得U1为10V。从电容滤波出发，C1的容量应足够大，但C1的容量也不能太大，否则整流元件的瞬时电流太大，而且容量越大，电容器的体积越大，价格越贵，根据经验综合各方面情况，取C1=3300uF.(2) 整流元件的参数反向耐压 根据桥式整流电路的性能可知，每个整流二级管在交流电网最高时承受的最大反向峰植电压为： 为了安全，整流管的反向耐压应比上述植高50%以上，因此选择整流管时，其耐压应按下式考虑：正向电流 桥式整流电路中,每个整流二极管的正向电流平均值是输出电流的一半，其最大值为：由于整流管在接通电源瞬间有相当大的冲击电流（即充电电流）通过，因此，整流管的参数IF（正向电流平均值）应比上述值大（0.52）倍。若按IF比上述值大1.8倍考虑，则IF = 1.8(IDAV)MAX = (1.8*0.55)A1A目前，市场上有各种规格的整流桥堆出售，它有两个交流输入端和两个直流输出端。由于它体积小，使用方便，价格较低，已成为常用整流元件。根据上面的计算，本电源可选用1A/25V的整流桥堆。（3） 变压器二次绕组的电流由于电容滤波整流电路中，整流管的电流不是正弦波，变压器二次绕组电流的有效值Ia要比输出电流Io大，一般情况下，前者是后者的（1.13）倍。这里我们取 因此，变压器二次绕组的额定电流（交流有效值）Ia应按2A设计。在本设计中，对电磁阀的直流电源的要求不不高，又因为1，2两端的电压为12V，为节省资源，故可直接取用1，2两端的电压作为电磁阀的直流电压，无需再另行设计12V稳压电源。3.3实时时钟电路的设计为实现热水器24小时供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间，在软件设计上则要求实时地读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统工作状态。本系统采用美国DALLAS半导体公司推出的涓流充电时钟芯片DS1302，它具有实时时钟/日历和31字节的静态RAM，实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24/12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：RES（复位）、I/O（数据线）和SCLK（串行时钟）。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。双电源管脚用于主电源和备份电源供应，VCC1（备份电源）为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。如图3-5所示：图3-5 实时时钟电路DS1302芯片介绍如下：DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。图3-6示出DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc10.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK始终是输入端。图3-6 DS1302引脚图3.4人机界面电路设计人机界面电路分为输入电路和输出电路。输入电路采用独立式键盘，其各个按键相互独立地连接一条输入数据线。这种键盘的优点是结构简单、结构清楚。输出电路采用128*64的LCD显示，FYD12864是一种具有4/8位并行、2/3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。接口电路如图3-7所示：图3-7 人机界面电路3.4.1 12864液晶引脚功能12864液晶引脚功能描述如下：管脚号管脚名称LEVER管脚功能描述1VSS0电源地2VDD+5.0V电源电压3VO-液晶显示器驱动电压4D/I(RS)H/LD/I=“H”，表示DB7DB0为显示数据D/I=“L”，表示DB7DB0为显示指令数据5R/WH/LR/W=“H”，E=“H”数据被读到DB7DB0R/W=“L”，E=“HL”数据被写到IR或DR6EH/LR/W=“L”，E信号下降沿锁存DB7DB0R/W=“H”，E=“H”DDRAM数据读到DB7DB07DB0H/L数据线8DB1H/L数据线9DB2H/L数据线10DB3H/L数据线11DB4H/L数据线12DB5H/L数据线13DB6H/L数据线14DB7H/L数据线15CS1H/LH:选择芯片(右半屏)信号16CS2H/LH:选择芯片(左半屏)信号17RETH/L复位信号,低电平复位18VOUT-10VLCD驱动负电压19LED+-LED背光板电源20LED-LED背光板电源3.4.2 液晶显示器的原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。3.4.3 液晶显示器的优点在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1.显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2.数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。3.体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。4.功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。3.5电磁阀和电加热棒控制电路设计如图3-8所示为用继电器控制电磁阀的电路图，图3-9为继电器的驱动芯片，直接与单片机I/O口相连。二极管D4的作用是在继电器断开的时候防止继电器中线圈的感应电流倒灌。图3-8 继电器电路 图3-9 继电器驱动电路继电器介绍：继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。ULN2003功能介绍：ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。在大型仪器仪表系统中，经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。如图3-10所示为ULN2003的引脚图，引脚功能如表3-1所示：图3-10 ULN2003引脚图表3-1 ULN2003引脚功能管脚号符号功能11B输入22B输入33B输入44B输入55B输入66B输入77B输入8E发射极9COM公共端107C输出116C输出125C输出134C输出143C输出152C输出161C输出电磁阀介绍：追溯电磁阀的发展史，到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类（即：直动式、分步直动式、先导式），而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构）。直动式电磁阀。通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。其特点为：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过25mm。分步直动式电磁阀。它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口压差0.05Mpa，通电时，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口压差0.05Mpa，通电时，电磁力先打开先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀和主阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。其特点为：在零压差或真空、高压时亦能可靠工作，但功率较大，要求竖直安装。先导式电磁阀。通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭周围形成上低下高的压差，推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通控迅速进入上腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，推动关闭件向下移动，关闭阀门。其特点为：流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件。常用电磁阀多为隔膜阀，其工作原理是：阀体分为上下两个室，中间为隔膜，在水压相同的条件下，由于隔膜上下受力面积不同而产生压力差，达到切断水流的目的。电磁阀开启状态当通过远程控制器给电信号或手动旋转电磁头，排水通道打开，上隔膜室内水排出，室内压强减少，作用在上隔膜的压力变小，在上游压力作用下推动隔膜向上运动，打开管路通道。电磁阀关闭状态手动关闭或断开电磁头信号，使排水通道关闭，上隔膜室内慢慢充满水，等到横隔膜上下压强一致时，由于横隔膜上侧受力面积较大，使隔膜向下运动，关闭管路通道。在选取电磁阀时，需谨慎、小心。一只电磁阀在整个自控系统中在整个自控系统中乃至生产线中所占成本微乎其微，如果贪图小便宜而错选则造成损害是巨大的。因此选用时应综合考虑电磁阀的安全性、适用性、可靠性和经济性。结合本系统的各项特性，选用的电磁阀主要技术参数为：额定电压：9V220V；控制方式：交直流单稳态式；工作压力：0.0Mpa0.02Mpa（无压阀）、0.02Mpa0.8Mpa（有压阀）；介质温度：190（根据用户设定）；响应时间：开0.15s、关0.30s；抗电强度：导体和非导体之间能承受AC2000V电压，1s无击穿现象；流量特性：0.02Mpa5L/min、0.1Mpa16L/min、0.8Mpa35L/min；使用寿命： 15万次；阀体材料：增强尼龙、ABS等（可根据用户需要选用）；管接口尺寸：进水口和出水口均为1/2英寸外螺纹铜管接头。3.6温度和液位信号采集电路设计如图3-11所示为环形振荡器电路，本设计可选选用具有负温度系数的热敏电阻来测水温，热敏电阻与普通电阻不同，它具有负的温度特性，当温度升高时，电阻值减小，它的应用是为了感知温度。图3-11 温度和液位信号采集电路温度测量原理： 图3-12水温测量示意图如图3-12所示，在设定好合适的参数（RT、Rs、C）后，对应每个热敏电阻阻值，环形振荡器便能产生一个特定周期的矩形波。T2.2(RS+RT)*CT可通过单片机的T0外部计数和T1内部定时的方式确定。故RT = T/2.2C - RS然后通过下列公式求温度： t = T0 - KRT其中 t-被测温度 T0-与热敏电阻特性有关的参数 K-与热敏电阻特性有关的系数 RT-热敏电阻阻值如果选用的温度传感器是负温度系数的，并且阻值在10K20K范围内变化，当温度在0时，温度传感器的阻值是20K；当温度在100时，温度传感器的阻值变为10K。由此可以算出T0 = 200 ，K = 0.01 ,温度的计算公式为：t = 200 0.01RT ;液位测量原理：图3-13 水位测量示意图如图3-13所示，设定好合适的参数（R、RS、C），随着液位的变化，液位传感器的阻值也相应的发生改变，环形振荡器电路能产生一个特定的周期方波信号。T = 2.2(R+RS)*CT可通过单片机