基于AFS600的太陽能熱水器通用控制器設計

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軟核和內置資源構造了最小控制系統(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，使水溫保持在設定溫度的上下2℃范圍內。
關鍵詞：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)設計的首選，其內部可嵌入8051單片機內核，大大擴展了其應用范圍。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芯片設計的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有結構簡單、外圍元件少、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結構
太陽能熱水器的控制結構是根據熱水器的上水通道與熱水通道設計的，包括閥門控制、傳感器的配置等。
1．1 系統(tǒng)控制結構
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)據線與主控制器的串口連接，實現(xiàn)主控制器對相關功能的控制與管理。完整的水循環(huán)結構及其閥門、傳感器的配置如圖1所示。

通常，系統(tǒng)中的3個電磁閥為關閉狀態(tài)；當接受上水指令后，上水電磁閥打開，自來水經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閉狀態(tài)；當接受淋浴指令后，熱水電磁閥打開，熱水流出，電動節(jié)流閥根據設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電機精確控制節(jié)流閥實現(xiàn)的，同時保證用戶設定的淋浴溫度要求。當水位過低時，一方面報警，另一方面可根據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內核為核心控制單元。由于8051內核以網表的形式提供，而且只有其控制部分(CPU)及簡單的外設(定時器、UART等)，所以只需將8051內核移植到FPGA內部就能搭建一個完整的8051單片機。內核包括8051內核網表、內部RAM、單片機ROM和PLL四個子模塊。