基于FPGA的智能熱水器設(shè)計(jì)

郝云剛，劉 玲，祝本明

（1.中國兵器工業(yè)第五八研究所 投資管理處，四川 綿陽 621000；2.中國兵器工業(yè)第五八研究所 數(shù)控事業(yè)部，四川 綿陽 621000；）

基于FPGA的智能熱水器設(shè)計(jì)

郝云剛1，劉 玲2，祝本明2

（1.中國兵器工業(yè)第五八研究所 投資管理處，四川 綿陽 621000；2.中國兵器工業(yè)第五八研究所 數(shù)控事業(yè)部，四川 綿陽 621000；）

傳統(tǒng)電熱水器系統(tǒng)大多采用單片機(jī)作為控制核心，僅具有加熱和保溫功能，水溫不可見，水量不易控制，大多熱水器在保溫時(shí)采用開關(guān)控制，給電力系統(tǒng)帶來巨大沖擊。本系統(tǒng)選用現(xiàn)場可編程邏輯器件Actel Fusion系列FPGA作為控制核心，充分利用其內(nèi)部模數(shù)混合的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)水溫?cái)?shù)字可視化、可預(yù)約時(shí)間等等功能，運(yùn)用PID算法實(shí)現(xiàn)水的加熱和保溫，使電力系統(tǒng)受到很小的沖擊，且該系統(tǒng)具有安全可靠、節(jié)能、高效能、性能穩(wěn)定、簡易操作的特性。

智能；模數(shù)混合；FPGA；低功耗；PID算法

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，家庭生活的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高，人們更加追求家庭生活的高度信息化、智能化。熱水器是常見的家用電器，是提供家庭沐浴用水、熱水或飲用水的電熱家電。目前市場上主要有電熱水器、太陽能熱水器、燃?xì)鉄崴鞯热N。就我國的國情而言，太陽能熱水器的使用受天氣影響較大，使用范圍較窄；燃?xì)鉄崴魇褂萌剂希画h(huán)保；而電熱水器具有安全、無污染、使用方便、節(jié)能節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，越來越受消費(fèi)者的青睞[1]。目前市場上的電熱水器分為兩種，即熱式和貯水式，前者用水浪費(fèi)較少，但由于功率太大，使用成本高，因此實(shí)際應(yīng)用較少；傳統(tǒng)的貯水式電熱水器控制功能不完善、精度低、可靠性差，僅能實(shí)現(xiàn)燒水和保溫功能，并且會(huì)造成大量能源浪費(fèi)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能電熱水器控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制，主要功能有水溫測(cè)量、用于人工設(shè)定參數(shù)按鍵、水溫顯示、控制電加熱管通斷電的功率控制單元、漏電報(bào)警及安保措施等。系統(tǒng)以ACTEL FUSION系列的AS600為控制核心，外接水溫，室溫傳感器和遠(yuǎn)程通訊控制設(shè)備，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)Fig.1 design of System schemem

其中限流保護(hù)電路是為了避免傳感器絕緣層破損漏電或熱水器漏電對(duì)核心芯片造成損害。而整流電路是為了把移動(dòng)通訊的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為更容易被識(shí)別的高電平直流信號(hào)。水位傳感器為浮球傳感器，主要為系統(tǒng)提供5升和8升的水位信號(hào)以供確定注水時(shí)間。液晶顯示器用于顯示溫度、時(shí)間和用戶設(shè)置信息。四路驅(qū)動(dòng)分別用于驅(qū)動(dòng)加熱裝置和注水開關(guān)。功率放大器放大的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)音器發(fā)出水量過少的警告。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示及時(shí)鐘模塊、用戶信息與加熱時(shí)間計(jì)算模塊、水溫水位控制模塊四個(gè)大的模塊組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of system

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的功能主要是完成模數(shù)轉(zhuǎn)換以輸出較精確的溫度和是否有電話通知燒水的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四路驅(qū)動(dòng)的控制，包括ADC模塊、ADC配置模塊、ADC數(shù)據(jù)分離模塊、溫度變送器和遠(yuǎn)程控制響應(yīng)判斷模塊。ADC及其配置模塊完成對(duì)三路模擬信號(hào)的采樣，由數(shù)據(jù)分離模塊把各路數(shù)據(jù)分開，然后由溫度變送器傳出當(dāng)前精確的室溫和水溫，最后由遠(yuǎn)程控制響應(yīng)模塊判斷是否有遠(yuǎn)程控制通知的信號(hào)[2]。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用TLC0831，使用LM358放大模擬信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大原理圖如圖3所示。

圖3 模數(shù)變換、信號(hào)放大原理圖Fig.3 ADC、schematic diagram of signal amplifier

溫度傳感器測(cè)量電熱水器水箱的溫度變化，通過靈敏電阻將溫度變化變換為電信號(hào)輸送到測(cè)量電路，將信號(hào)放大到可以處理的信號(hào)，然后進(jìn)行ADC。ADC將連續(xù)的模擬量通過取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，將可處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)數(shù)字化是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)字近似。模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個(gè)過程。采樣是信號(hào)在時(shí)間上的離散化，按照一定的時(shí)間間隔在模擬信號(hào)上逐點(diǎn)采取瞬時(shí)值；量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào)；編碼是將量化后的信號(hào)編碼成二進(jìn)制代碼輸出。

編碼后二進(jìn)制代碼傳輸給處理器。處理器對(duì)接收到信號(hào)與設(shè)定信號(hào)比較，采用PID控制方式進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱量的控制。當(dāng)設(shè)置溫度低于水箱內(nèi)溫度，根據(jù)溫度變化的速率，減少加熱量，當(dāng)設(shè)置溫度高于水箱內(nèi)溫度，增加加熱量。溫度傳感器將水箱內(nèi)的溫度變化經(jīng)ADC送到處理器，重新判斷下一步如何調(diào)節(jié)水溫。

2.2 顯示及時(shí)鐘模塊

顯示電路主要用來設(shè)定溫度、顯示溫度、顯示水位等功能，采用液晶顯示鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)LCD顯示和接收鍵盤輸入信號(hào)。液晶顯示及鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片使用MSM6786驅(qū)動(dòng)芯片。電源由主控板提供，采用三線（DATA、LOAD、CLK）串行通行模式，最大限度地減少了LCD顯示、鍵盤板與主控電路連線的數(shù)目。DATA引腳為串口通訊端口，用于輸入控制命令和需要顯示的數(shù)據(jù)或者輸出鍵盤信號(hào)；LOAD引腳用于輸入變換DATE引腳輸入／輸出狀態(tài)所需的脈沖信號(hào)；CLK引腳用于輸入串口通訊的同步時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)的輸入或輸出都必須與時(shí)鐘型號(hào)的上升沿同步。當(dāng)按鍵狀態(tài)改變時(shí)，MSM6786自動(dòng)掃描輸入狀態(tài)，INT引腳的低電平信號(hào)變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)，向處理器請(qǐng)求外部中斷[3]。電路圖如圖4所示。

時(shí)間模塊功能就是一個(gè)數(shù)字計(jì)時(shí)器，它由FPGA通過記錄基準(zhǔn)頻率的次數(shù)決定，主要包括時(shí)間設(shè)置和時(shí)間運(yùn)行計(jì)時(shí)兩個(gè)功能。

2.3 用戶信息模塊

用戶信息模塊主要完成用戶信息得設(shè)置、儲(chǔ)存和讀取并聯(lián)合時(shí)間模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)算與控制，包括用戶信息設(shè)置和RAM寫操作模塊、RAM模塊、信息讀操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和時(shí)間計(jì)算模塊。本模塊的實(shí)現(xiàn)方法為，信息設(shè)置模塊把用戶信息儲(chǔ)存在RAM內(nèi)，信息讀取模塊在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出加熱所需要的時(shí)間，并在加熱時(shí)間到來時(shí)，輸出有有效信號(hào)和當(dāng)前的有用信息給與控制模塊。

圖4 顯示及驅(qū)動(dòng)Fig.4 Display ＆ drive

2.4 水溫水位控制模塊

水位控制包括3種水位狀態(tài)，根據(jù)不同輸出電平信號(hào)判斷水箱水位，然后根據(jù)比較語句判斷結(jié)果，執(zhí)行水位狀態(tài)程序，輸出相應(yīng)的操作控制信號(hào)，啟動(dòng)或者暫停執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。水位控制流程圖如圖5所示。

圖5 位控制流程圖Fig.5 Flow chart of water level control

在常規(guī)PID的應(yīng)用中，P、I、D 3個(gè)參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定的，通過調(diào)試參數(shù)以改變控制性能。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法結(jié)構(gòu)清晰，參數(shù)可調(diào)，算法簡單高效，可在現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際來調(diào)節(jié)比例、積分、微分3個(gè)參數(shù)來達(dá)到較好的控制效果，在溫度控制系統(tǒng)中被廣泛采用[4]。PID控制系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 PID控制系統(tǒng)原理Fig.6 Schematic diagram of PID control

完整的模擬PID算法表達(dá)式為：

（1）式中，u（t）為控制量，e（t）為偏差，即設(shè)定值與反饋值之差，Kp為比例常數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。PID算法的原理即調(diào)節(jié)Kp，Ti，Td3個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

FPGA對(duì)信號(hào)處理前，必須將（1）式數(shù)字化，當(dāng)采樣周期足夠短時(shí)，用累加求和替代積分、用向后差分代替微分，于是就得到差分方程：

式（2）、式（3）中T位采樣周期，K為采樣序列。由式（1）、（2）、（3）可得數(shù)字式PID算法公式為：

式（5）即為數(shù)字PID算法公式[5]。

Ziegler-Nichols（齊格勒一尼柯爾斯）參數(shù)整定它是在實(shí)驗(yàn)階躍響應(yīng)的基礎(chǔ)上，或者是在僅采用比例控制作用的條件下，根據(jù)臨界穩(wěn)定性中的Kp值建立起來的。當(dāng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)可以近似為帶延遲的一階系統(tǒng)：

齊格勒.尼柯爾斯給出了用表1中的公式確定kp、Ti、Td的值的方法。

表1 參數(shù)表Tab.1 Parameter

用Ziegler-Nichols法則調(diào)整PID控制器，給出下列公式：

由電熱水器溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得：K＝1.25， T＝120秒，τ＝122秒。

得Ti＝2τ=244秒，Td=61秒

根據(jù)齊格勒—尼柯爾斯參數(shù)調(diào)整法則得PID 3個(gè)參數(shù)為：

由于FPGA不好處理浮點(diǎn)數(shù)，對(duì)離散信號(hào)作近似處理后得：

仿真時(shí)序如圖7：

圖7 PID控制時(shí)序圖Fig.7 Timing diagram of PID control

3 結(jié)束語

基于Actel Fuions FPGA的智能熱水器控制系統(tǒng)[9]，實(shí)現(xiàn)了水溫、水位的檢測(cè)和智能控制，能夠適時(shí)加熱從而達(dá)到保溫效果，還可以根據(jù)水位自動(dòng)上水，實(shí)現(xiàn)熱水器的智能控制。該系統(tǒng)也可用在太陽能熱水器上用來實(shí)現(xiàn)水溫顯示和液位控制，具有體積小，成本低的特點(diǎn)。本系統(tǒng)不但自身具有很好的穩(wěn)定性，由于其使用PID算法實(shí)現(xiàn)加熱保溫控制，也使得整個(gè)家庭電力系統(tǒng)受其沖擊很小。本文的最大創(chuàng)新點(diǎn)在于可以預(yù)設(shè)時(shí)間、可以遠(yuǎn)程控制燒水、可以自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫和水位，這樣可以為家庭甚至國家節(jié)約很多能源和水資源。

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Design of Intelligence water heater based on FPGA

HAO Yun-gang1，LIU ling2，ZHU Ben-ming2
（1.Dept.Of Investment Management，No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China；2.Dept.of CNC Engineering，No.58 Research institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China；）

Most of traditional electric water heater adopts MCU as control core，and only have function of heating and thermal insulation.But the water temperature is not visible and water is difficult to control.Most of water heater adopts switch control when keeping temperature and have great impact on power system.The system adopts Actel Fusion FPGA as control core and makes full use of the characteristics of analogue-digital mixed to materialize these function，such as digital visualization，booking time and so on，and uses PID algorithm to finish water heating and thermal insulation，and brings small impact to power system.The system has characteristics of safety，energy-saving，high performance，stability and simple operation.

intelligence；analogue-digital mixed；FPGA；low power consumption；PID algorithm

TN0

A

1674-6236（2014）11-0096-04

2014-02-21 稿件編號(hào)：201402125

國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金支持項(xiàng)目（11C26215105683）

郝云剛（1982—），男，江蘇鹽城人，碩士，工程師。研究方向：投資管理。