基于AFS600的太陽能熱水器通用控制器設(shè)計

摘要：采用數(shù)?；旌峡删幊绦酒?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/AFS600">AFS600，通過配置其嵌入的8051軟核和內(nèi)置資源構(gòu)造了最小控制系統(tǒng)；完成了太陽能熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了溫度、水位等參數(shù)的采集、處理和控制等功能；采用增量式PID控制算法實現(xiàn)了淋浴水溫的自動控制，使水溫保持在設(shè)定溫度的上下2℃范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：太陽能熱水器；FPGA；Core8051；PID控制

引言
AFS600是Actel公司推出的混合信號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)計的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、外圍元件少、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

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，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，實現(xiàn)主控制器對相關(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，此時電動節(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，電動節(jié)流閥根據(jù)設(shè)定的淋浴溫度自動開啟合適的角度。
太陽能熱水器一般來說配有輔助控制裝置，例如水箱內(nèi)增加一個電加熱器來輔助加熱，水位、水溫探測器安裝在水箱中以檢測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)流閥實現(xiàn)的，同時保證用戶設(shè)定的淋浴溫度要求。當(dāng)水位過低時，一方面報警，另一方面可根據(jù)實際需要自啟動上水操作。
1．2 控制器的配置
整個控制系統(tǒng)采用Fusion StartKit開發(fā)平臺，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)及簡單的外設(shè)(定時器、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四個子模塊。