引言

　　AFS600是Actel公司推出的混合信號(hào)FPGA芯片,，它將模擬ADC,、DAC、RC振蕩器等嵌入到數(shù)字FPGA中,。AFS600是片上系統(tǒng) (SoC)設(shè)計(jì)的首選,，其內(nèi)部可嵌入8051單片機(jī)內(nèi)核，大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍,。本文以AFS600為核心,，實(shí)現(xiàn)了太陽能熱水器的控制器系統(tǒng)。與目前采用微處理器,、PLC或FPGA芯片設(shè)計(jì)的系統(tǒng)相比,，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外圍元件少,、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　太陽能熱水器的控制結(jié)構(gòu)是根據(jù)熱水器的上水通道與熱水通道設(shè)計(jì)的，包括閥門控制,、傳感器的配置等,。

　　1．1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

　　太陽能熱水器的控制系統(tǒng)分為主控制器和水箱控制兩部分。主控制器完成水溫水位的顯示,、控制操作,，以及熱／冷水的溫度、壓力參數(shù)的采集,、處理與控制,；水箱控制部分完成水箱水位、水溫的檢測(cè),，以及電加熱控制器的控制,。水箱控制部分通過數(shù)據(jù)線與主控制器的串口連接，實(shí)現(xiàn)主控制器對(duì)相關(guān)功能的控制與管理,。完整的水循環(huán)結(jié)構(gòu)及其閥門,、傳感器的配置如圖1所示。

　　通常,，系統(tǒng)中的3個(gè)電磁閥為關(guān)閉狀態(tài),；當(dāng)接受上水指令后,，上水電磁閥打開,，自來水經(jīng)過三通由上水電磁閥流向水箱，此時(shí)電動(dòng)節(jié)流閥和熱水電磁閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)接受淋浴指令后,，熱水電磁閥打開,，熱水流出，電動(dòng)節(jié)流閥根據(jù)設(shè)定的淋浴溫度自動(dòng)開啟合適的角度,。

　　太陽能熱水器一般來說配有輔助控制裝置,，例如水箱內(nèi)增加一個(gè)電加熱器來輔助加熱，水位,、水溫探測(cè)器安裝在水箱中以檢測(cè)水箱中的水位高度和水溫,，并通過纜線接人控制器顯示。水流量的大小控制是通過步進(jìn)電機(jī)精確控制節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)的,，同時(shí)保證用戶設(shè)定的淋浴溫度要求,。當(dāng)水位過低時(shí)，一方面報(bào)警,，另一方面可根據(jù)實(shí)際需要自啟動(dòng)上水操作,。

　　1．2 控制器的配置

　　整個(gè)控制系統(tǒng)采用Fusion StartKit開發(fā)平臺(tái)，嵌入的8051內(nèi)核為核心控制單元,。由于8051內(nèi)核以網(wǎng)表的形式提供,，而且只有其控制部分(CPU)及簡(jiǎn)單的外設(shè)(定時(shí)器、 UART等),，所以只需將8051內(nèi)核移植到FPGA內(nèi)部就能搭建一個(gè)完整的8051單片機(jī),。內(nèi)核包括8051內(nèi)核網(wǎng)表、內(nèi)部RAM,、單片機(jī)ROM和 PLL四個(gè)子模塊,。

　　8051內(nèi)核和Flash之間的通信由接口模塊控制，接口模塊由HDL語言在Libero集成開發(fā)環(huán)境下描述得到,。系統(tǒng)硬件接口電路包括：水箱溫度和水位檢測(cè)接口電路,、設(shè)定鍵和并行顯示接口電路、節(jié)流閥的控制接口電路,、光電隔離與輔助加熱電路,，以及繼電器輸出接口電路等。這些模塊的I／O口分配如圖2所示,。水箱溫度,、水位檢測(cè)、水溫控制,、上水控制,、輔助加熱等模塊的I／O口分配到Mini接口上。

　　8051內(nèi)核的P0口為液晶的數(shù)據(jù)口,，P2．O～P2．2為液晶的使能控制端,，P2．3～P2．5分別為3個(gè)電磁閥的控制端,。對(duì)淋浴水溫進(jìn)行智能檢測(cè)和顯示，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算與設(shè)定溫度進(jìn)行比較,，通過控制節(jié)流閥的角度來調(diào)節(jié)水流量,，從而來保證淋浴水溫與用戶設(shè)定水溫相一致。P1．O為數(shù)字溫度傳感器DSl8820的專用端,，用于檢測(cè)水箱溫度并顯示在液晶上,；P1．1也是溫度傳感器專用端，用于檢測(cè)淋浴水溫,。如果水箱溫度不足 (達(dá)到設(shè)置水溫下限),，則控制繼電器啟動(dòng)輔助加熱裝置；當(dāng)水溫達(dá)到加熱溫度上限時(shí),，則關(guān)閉輔助加熱裝置,。水位用5段LED燈顯示。若水位不足,，則報(bào)警蜂鳴器響,；若沒使用，則上水繼電器動(dòng)作,，電磁閥開通,，自動(dòng)上水至水位上限后關(guān)閉。

　　1．3 液位傳感器的設(shè)計(jì)

　　由于目前常用的垂子式液位傳感器易受水垢的影響,，本文利用浸入水中的兩個(gè)極板組成電容,，電容值大小反映了水位的高低。其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示,。

　　圖3(a)中,，H為鋁板總高度，h為液位高度,。設(shè)板間距為l,，鋁板的寬度為b。上下兩部分的介質(zhì)分別為空氣和水,，等效電容為C1和C2分別為：

   式中：空氣的介電常數(shù)ε空氣為l,，水的介電常數(shù)ε水為80?？傠娙軨總為：

   顯然,，電容的大小與水位的高度成正比。實(shí)際制作的電容傳感器,，測(cè)試電容值C為0．1～2．2μF,。

　　本傳感器采用定時(shí)器NE555設(shè)計(jì)了一款方波發(fā)生器，用于實(shí)現(xiàn)水位-電容值-頻率的轉(zhuǎn)換,，輸出的頻率可反映水位的變化,，取中心工作頻率為1 kHz,。具體電路如圖3(b)所示。輸出頻率f為：
  
這里,，R1、R2均取為1．43 kΩ,。

　　當(dāng)水位發(fā)生變化引起電容的變化,，經(jīng)多諧振蕩器輸出的方波頻率f也隨之發(fā)生變化，根據(jù)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0捕捉到的時(shí)鐘的個(gè)數(shù),，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理判斷水位,。

 　　1．4 節(jié)流閥的控制

　　為了控制淋浴水溫、調(diào)節(jié)流量,，需要控制節(jié)流閥,。本文采用節(jié)流閥和步進(jìn)電機(jī)組成流量控制方案，通過控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來控制節(jié)流閥的開啟角,，從而控制流量,。選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器BY一2HB03M，控制二相四拍步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)及正反轉(zhuǎn),。其驅(qū)動(dòng)器接線如圖4所示,。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)要求，除了需要實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示水箱溫度和水位外,，還需要控制淋浴溫度,、上水閥、節(jié)流閥,、輔助加熱控制裝置等,，所有這些功能由AFS600內(nèi)部嵌入 8051內(nèi)核完成?？刂破鬈浖O(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu),，除主程序外，還包括鍵盤與顯示子程序,、溫度與液位采集子程序,、以及淋浴水溫控制子程序和上水控制子程序等。系統(tǒng)的主程序接收控制指令,，調(diào)用子程序完成溫度,、水位檢測(cè)等。下面重點(diǎn)介紹淋浴溫度控制和上水控制子程序流程,。

　　2．1 上水控制

　　熱水器控制器具有智能化上水控制功能,，可以起到保護(hù)熱水器的作用。例如,，水位較低時(shí),，淋浴時(shí)或高溫日照下禁止自動(dòng)上水,；居家長時(shí)間無人時(shí)，需要考慮自動(dòng)上水問題,；水位傳感器失靈時(shí),，防止上水溢出等。對(duì)此,，系統(tǒng)預(yù)置最低水位和最高水位,，并根據(jù)時(shí)間系統(tǒng)預(yù)置自動(dòng)上水時(shí)段。程序中設(shè)有計(jì)時(shí)器,，檢測(cè)上水時(shí)的水位變化與上水時(shí)間關(guān)系,，以此檢測(cè)水位傳感器失效問題，并可防止上水溢出問題,。具體流程如圖5所示,。

　　2．2 淋浴溫度控制

　　淋浴溫度控制是熱水器控制器的關(guān)鍵，是舒適度的重要指標(biāo),。本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的手動(dòng)控制改為自動(dòng)控制,，并引入了適合步進(jìn)電機(jī)控制的增量式PID控制算法。其差分方程式如下：
  
式中：u(k)是控制量,；e(k)是系統(tǒng)的控制偏差,；Kp是比例增益；Ti是積分時(shí)間,；Td是微分時(shí)間,；T為采樣周期。PID運(yùn)算的輸出增量為相鄰兩次采樣時(shí)刻所計(jì)算的位置值之差,，綜合式（5）,、（6）有：
  
根據(jù)預(yù)置的溫度和采集的淋浴溫度進(jìn)行參數(shù)正定，確定PID參數(shù)q0,、q1,、q2，其調(diào)節(jié)方法可參考相關(guān)文獻(xiàn),。具體流程如圖6所示,，實(shí)際的淋浴水溫可控制在設(shè)置溫度的上下2℃范圍內(nèi)。

　　結(jié)語

　　采用Actel公司usion系列的AFS600芯片,，通過嵌入8051內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器控制器功能,。該太陽能熱水器具有集成度高、成本低和操作方便的優(yōu)點(diǎn),，特別是淋浴溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié),，以及上水過程的智能化、人性化控制等功能，較好地彌補(bǔ)了目前相關(guān)產(chǎn)品的不足,，有一定的推廣和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,。本設(shè)計(jì)得到了 Actel公司、廣州致遠(yuǎn)電子有限公司及其武漢辦事處的資助和技術(shù)指導(dǎo),，在此特表感謝,。