基于SOPC的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)設(shè)計

劉艷萍，仲會娟

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

能源危機(jī)日益加劇，環(huán)境污染已經(jīng)威脅到自然界的生態(tài)平衡。因此節(jié)約能源、提高能源利用效率，盡可能多地開發(fā)利用潔凈新能源，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基本國策。太陽能以其清潔安全、源源不斷、無需開采和運輸?shù)戎T多優(yōu)勢，已經(jīng)成為關(guān)注重點[1]。同時，隨著人們生活水平的不斷提高，對太陽能熱水器使用過程中方便性、安全性、操作界面的友好性提出了更高的要求。然而，國內(nèi)太陽能熱水器控制器卻一直處于研究與開發(fā)階段，智能化程度不夠難以滿足要求[2]。本文從硬件軟件兩個方面著手對保持供水管道水溫、智能輔助加熱和防止集熱器干燒等進(jìn)行設(shè)計，為新一代太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)提供了參考。

SOPC設(shè)計方法以功能組裝為基礎(chǔ)，涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容。該技術(shù)采用自頂向下的設(shè)計方法，首先對系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計和功能劃分，系統(tǒng)核心電路采用高端系統(tǒng)級FPGA芯片實現(xiàn)，硬件描述語言則實現(xiàn)系統(tǒng)行為級設(shè)計，最終由綜合器和適配器生成目標(biāo)器件[3]。低成本、大容量FPGA芯片不斷增加IP（intellectual property）核以及CAD工具使實現(xiàn)SOPC系統(tǒng)成為可能。該方法把處理機(jī)制、模型算法、軟件、電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來，在單個芯片將處理器、存儲器、I/O端口等功能模塊集成到一個可編程器件上，構(gòu)成一個可編程的片上系統(tǒng)，使系統(tǒng)在規(guī)模、可靠性、功能、開發(fā)周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及其硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化，所以被廣泛應(yīng)用到汽車、軍事、航空航天、測試和測量、無線通信等領(lǐng)域[3]，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。

1 熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測試需求分析

太陽能熱水系統(tǒng)一般由三部分構(gòu)成：智能控制部分、集熱循環(huán)部分和供水循環(huán)部分[4]，如圖1所示。水箱中的冷水通過集熱循環(huán)水泵、集熱器最后返回水箱，實現(xiàn)冷水的加熱。水箱中的熱水通過供水水泵、單向電磁閥、水流開關(guān)和混水閥后提供給用戶使用。智能控制部分是整個熱水器系統(tǒng)實現(xiàn)自動化和智能化運行的關(guān)鍵所在。

為了實現(xiàn)熱水器即開即熱、智能電加熱和集熱器防炸等功能，經(jīng)過分析，智能控制部分的控制信號主要有：數(shù)字溫度傳感器Tl、T2、T3和電導(dǎo)式液位傳感器H檢測水溫和水位，并將檢測結(jié)果加以顯示；用水流開關(guān)S采集用戶用水信號。其中，Tl、T2信號控制集熱循環(huán)水泵的啟停，實現(xiàn)集熱循環(huán)的溫差強(qiáng)制控制；H和T2信號控制補(bǔ)水電磁閥Vl和輔助電加熱器，達(dá)到熱水器自動補(bǔ)水、補(bǔ)溫的智能控制；使用S和T3信號控制供水水泵和回水電磁閥V2，實現(xiàn)供水水泵的自動啟停控制，同時保證供水管道內(nèi)水溫不低于一定的值，即實現(xiàn)了熱水器使用時水流即開即熱的功能。

圖1 太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of solar energy water heater system

2 控制器的硬件電路設(shè)計

2.1 控制器系統(tǒng)總體設(shè)計

太陽能熱水器控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。本設(shè)計利用SOPC技術(shù)在FPGA芯片上 建立NIOSⅡ處理器系統(tǒng)，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收PC機(jī)生成的下載文件，接收溫度傳感器、水位傳感器、水流傳感器和按鍵提供的信號，并對輸入數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理，最后將控制信號通過繼電器輸出，實現(xiàn)對電磁閥、集熱循環(huán)水泵、供水水泵、電加熱、LCD等執(zhí)行部件的控制。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The totality structure of control system

設(shè)計選用cycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8Q208C8為控制器核心。該芯片支持IP核復(fù)用技術(shù)，支持2個鎖相環(huán)，擁有 8 256個邏輯單元，182個可用的 I/O管腳和 165888位RAM。系統(tǒng)配置芯片選用與主芯片相匹配的EPCS4SI8芯片；存儲器模塊選用16位的K4S641632h芯片，它的容量為64 Mb；外接50 MHz晶振作為時鐘。設(shè)計中使用了大量免費的IP核，如NIOSⅡ核、JTAG UART核、PIO核、SDRAM控制器核，LCD控制器核等，這些IP核的使用大大降低了系統(tǒng)設(shè)計難度。

以單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件，該元件直接將采集的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，不需要A/D轉(zhuǎn)換，簡化了控制電路設(shè)計。其測溫范圍為-55～+125℃，測溫分辨率可達(dá)0.062 5℃，將測溫精度提高到0.1℃；水位檢測模塊通過電導(dǎo)式液位傳感器將非電量的水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 0，1這樣的二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出電路設(shè)計簡單，10%，20%，40%，60%，80%，90%六檔測溫，測溫精度高；采用模糊控制算法實現(xiàn)對電加熱模塊的智能控制；按鍵模塊進(jìn)行水位、溫度及自動上水時間的設(shè)定；LCD1602顯示采集到的信號值。

2.2 人性化水箱回水設(shè)計

使用過太陽能熱水器的人都知道，實際生活中當(dāng)你打開用水閥想用熱水的時候，剛開始流出的卻是冷水。這是由于管道的保溫性能差，容易受外界溫度影響變冷的結(jié)果，所以必須排空供水管道內(nèi)的涼水后才能正常給用戶供應(yīng)熱水，而且供水管道越長管道內(nèi)儲存的冷水越多。如今人們都生活在高樓大廈中，太陽能熱水器一般都安裝在樓頂，所以供水管道很長，涼水排空的過程中，造成大量水資源的浪費。另一方面，由于管道的保溫性能不好，用水間隔超過約3 min供水管道中的熱水又變冷，下次使用時又需要排空冷水不能即開即熱，給用戶帶來不必要的麻煩。為了部分解決這一問題，設(shè)計對現(xiàn)有的太陽能熱水器供水管道進(jìn)行改造，原理如圖3所示。

供水管道中添加水流繼電器檢測用戶是否用水；溫度傳感器T3測量管道內(nèi)水溫；以及回水電磁閥。水箱上水的時候補(bǔ)水電磁閥打開，自來水經(jīng)過補(bǔ)水電磁閥進(jìn)入水箱，當(dāng)水箱的水位達(dá)到設(shè)定值時補(bǔ)水電磁閥自動關(guān)閉。若水流繼電器檢測到用戶沒有用水的情況下，控制系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器檢測的管道內(nèi)水溫T3信號對供水管道水溫實現(xiàn)自動控制。即當(dāng)溫度值T3小于設(shè)定值（15℃）時，啟動供水水泵，啟動回水電磁閥，使管道中的冷水流回太陽能熱水器蓄熱水箱，以便管道中的冷水被加熱再次利用，而水箱中熱水則通過供水水泵和單向電磁閥進(jìn)入供水管道，直到T3值等于水箱水溫T2或者大于等于30℃時停止，這樣就實現(xiàn)了太陽能熱水器供水管道即開即熱的功能。其中圖3單向閥門的作用是防止供水管道內(nèi)水流倒流。

圖3 回水原理圖Fig.3 Backwater schematic diagram

3 軟件設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計可劃分為自動上水模塊、加熱模塊、按鍵模塊、顯示模塊、溫度檢測模塊等[6]。

3.1 人性化智能上水設(shè)計

陰雨天日照量不足，如何保證熱水器儲存足夠的熱水是一項重要指標(biāo)。眾所周知，水溫低時真空管轉(zhuǎn)換效率高、升溫快，能提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。目前大多數(shù)熱水器由用戶根據(jù)天氣情況自行設(shè)定上水量，一旦加水太多，若天氣轉(zhuǎn)涼，則水溫不夠無法滿足要求，用輔助電加熱又達(dá)不到節(jié)能的本意；加水量太少，若天氣晴朗，則不能充分利用光照生產(chǎn)更多的可用熱水。智能上水模塊流程圖如圖4所示。

圖4 智能上水流程圖Fig.4 Schematic flow diagram of intelligent add water

水箱儲水量不足時開啟補(bǔ)水電磁閥自動上水，當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于設(shè)定溫度值時進(jìn)行輔助電加熱。為了實現(xiàn)水溫達(dá)到可用的前提下（50℃）提供更多的熱水，更好的滿足人們生活需要，令輔助電加熱和補(bǔ)水電磁閥協(xié)調(diào)工作，即熱水器上水時為了確保水箱中水溫不會過低應(yīng)分段進(jìn)行。本控制儀水位測量模塊測得的水位 H分為六級 （10%，20%，40%，60%，80%，90%），當(dāng)檢測到水箱缺水（即水位低于20%）時，開啟補(bǔ)水電磁閥上水，但當(dāng)水位每增加一級則暫停上水并檢測水箱水溫T2，滿足要求則繼續(xù)補(bǔ)水，若低于允許補(bǔ)水的最低溫度，則補(bǔ)水電磁閥關(guān)閉停止上水。如此，有效的實現(xiàn)了在日照微弱的情況下，熱水器系統(tǒng)既可以保證水箱中水溫，同時滿足水箱處于富水狀態(tài)，實現(xiàn)了24小時供水。

3.2 人性化高溫防炸

太陽能集熱器炸管的主要原因是集熱器干曬。由于全玻璃真空管耐熱沖擊性很差，一般技術(shù)要求其應(yīng)能承受不高于0℃的冰水混合體與不低于90℃熱水交替反復(fù)沖擊3次而不損壞。然而，集熱器的真空管干曬后溫度可達(dá)200℃以上，因此當(dāng)系統(tǒng)長時間斷電的情況下，真空管干燒可能達(dá)到很高溫度。所以，一旦電力恢復(fù)若立即給集熱器加水，此時高溫的玻璃管突然受冷很容易引起炸管，給用戶使用帶來隱患。

為了有效的防止集熱器炸管的發(fā)生，本設(shè)計從以下2個方面入手進(jìn)行軟件設(shè)計。一方面，保持熱水器內(nèi)水量充足，以防止真空管干曬。通過集熱循環(huán)水泵和人性化智能上水設(shè)計的自動控制保證玻璃管內(nèi)永遠(yuǎn)不缺水；另一方面，必須確保系統(tǒng)上電后初次給集熱器上水時真空管的溫度不會太高。即系統(tǒng)長時間斷電后，在突然上電的情況下，首先讀取集熱器溫度值，若其高于設(shè)定值則延時等待，直到集熱器溫度滿足要求。高溫防炸設(shè)計的流程圖如圖5所示。所以，當(dāng)系統(tǒng)突然上電，控制儀初始化后讀取集熱器溫度T1，只有在T1低于90℃的情況下才能第一次啟動集熱循環(huán)水泵給集熱器上水。這樣的溫度在集熱器承受范圍之內(nèi)有效的防止炸管的發(fā)生，此后系統(tǒng)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。

圖5 高溫防炸程序設(shè)計流程圖Fig.5 Schematic flow diagram of anti-bombing programming in high temperature

4 結(jié)果分析

實驗中用戶的設(shè)定溫度值3次分別為45℃、43℃、41℃，而溫度采集模塊的實時檢測溫度值為25℃，通過實驗水溫從25℃升至設(shè)定溫度值平均耗時5 min 40 s。加熱過程中，當(dāng)水溫度值超過設(shè)定溫度后電加熱立即停止。雖然加熱過程中存在0.1℃左右超調(diào)現(xiàn)象，不過很快降至設(shè)定溫度值并一直保持該溫度。

5 結(jié) 論

針對目前太陽能熱水系統(tǒng)中存在的測溫精度低、水箱儲水得不到保證、集熱器炸管隱患，分別提出了解決方案。通過簡單的系統(tǒng)改造，本設(shè)計實現(xiàn)了熱水器即開即熱功能，減少水資源浪費；再通過軟件升級增加智能上水和高溫防炸功能，使得太陽能熱水器效率提升，安全系數(shù)提高，為太陽能熱水器的普及掃除了障礙。滿足了使用者對太陽能熱水器使用構(gòu)成的舒適性、高效性、安全性的要求，具有重大戰(zhàn)略意義，值得推廣。

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

[2]張先臣.一種實用的太陽能熱水器單片機(jī)控制器的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2005（6）:19-21.

ZHANG Xian-chen.A practical design for solar energy water heater SCM controller[J].Automation& Instrumentation，2005（6）:19-21.

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[4]王懷龍.太陽能熱水器全功能控制儀的開發(fā)設(shè)計 [D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

[5]李蘭英.NIOSⅡ嵌入式軟核SOPC設(shè)計原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[6]吳厚航.愛上FPGA開發(fā)—特權(quán)和你一起學(xué)NIOSⅡ[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.