基于FPGA的太陽能集熱系統智能控制器的開發

鄭紅峰， 李 博

（浙江工業職業技術學院，浙江紹興312000）

隨著人民生活水平的提高及公眾環保意識的增強，太陽能熱水器已走進了千家萬戶。太陽能熱水器產品已成為中國可再生能源市場上需求量最大、發展最為迅速的產品之一，中國也已成為最大的太陽能熱水器生產、消費國，總的保有量和年生產能力世界第一。

但中國太陽能熱水器控制器卻一直處于低端水平，智能化程度低，人機界面過于簡單，可靠性不高，給熱水器用戶帶來不便，產品難以占領高端用戶市場。鑒于國內外太陽能熱水器市場不斷擴大，我們研制了這款太陽能熱水器控制器系統，使太陽能熱水器實現智能化控制。

智能型太陽能熱水器控制器可通過按鍵設定溫度、水量值，可在液晶屏上顯示設定值，并能實時顯示溫度、水量值。通過對電磁閥的控制，在水位低時可實現自動上水；在水溫低時，可根據水溫值自動控制繼電器的通斷，調節加熱電功率，保證溫度達到設定值。智能化的設計保證用戶可以全天候隨時用上溫度合適、水量充足的熱水。

太陽能熱水器功能結構如圖1所示［1］。集熱器收集太陽能熱量并加熱水溫，水流回水箱后向用戶供水。

圖1 太陽能熱水器功能結構圖

太陽能熱水器控制器主要的工作就是通過人機界面確定用戶所需水位及水溫，通過對冷水入口電磁閥和電加熱器的控制，調整實際水箱水溫及水位，并將實時水溫水位信息通過人機界面顯示。

太陽能熱水器控制器以現場可編程門陣列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）為控制器核心，由水溫、水位檢測器、電輔助加熱器、電磁閥及電子繼電器、液晶屏、按鍵及電源等部分組成。其原理結構圖如圖2所示。

圖2 太陽能熱水器控制器原理圖

溫度傳感器電路如圖3所示［2］。

圖3 溫度傳感器電路圖

運算放大器為精度高、穩定性好的單電源滿擺幅運放。理想狀態下運算放大器，令R2＝R3，其輸出電壓為

式中，R0與B為常數，10～100℃范圍內熱敏電阻的阻值如表1所示。溫度傳感器的輸出電壓Vo經A／D變換后，變為00H～0FFH二進制碼。程序根據這個二進制碼采用查表和線性插值的算法，可求得實時溫度值。

對于水位的檢測則是采用電導式液位傳感器來實現的，傳感器輸出5位開關信號，具有較高的精確度和可靠性。生活中的用水其電阻率約為每米十分之幾到幾十歐，其電導性足以引起傳感器的輸出變化。5位開關量通過容器壁上的導電電極來輸出1或是0，并接到FPGA的引腳上。不同的開關位代表不同的水量，如圖4所示。

圖4 水位測量電路

上水控制電路的設計如圖5所示［3］，從FPGA輸出控制電平，經光耦隔離，由達林頓復合管驅動控制微型繼電器線圈，從而控制其觸電，使電磁閥工作。

圖5 上水控制電路

表1 熱敏電阻的阻值與溫度對應關系

熱水器通過加熱電阻絲加熱水溫，電阻絲是大功率交流元件，需要通過功率放大元件利用220V的交流電來實現加熱。控制及驅動電路與上水控制電路類似，使用晶閘管，在門極上加入很小的控制電流即可控制陽極和陰極的導通。

智能型太陽能熱水器控制器程序流程圖如圖6所示［4］。與傳統的處理器軟件流程圖不同的是，基于FPGA的程序流程圖并不是單純的串行執行方式，而是一個并行工作模式。各個模塊并行地執行，執行效率高，工作可靠性好［5］。

智能型太陽能熱水器控制器的面板設計如圖7所示，面板設計充分考慮功能性與舒適性的高度統一，功能清晰，指示簡明，操作方便。

圖6 控制器程序流程圖

圖7 太陽能熱水器控制器面板

本文介紹的基于FPGA的智能型太陽能熱水器控制器具有實用性強、電路可靠性高、控制便捷、智能化的優點，對升級目前太陽能控制器市場上的產品具有非常現實的意義。

［1］鄭紅峰，方紅彬，劉燕軍，等.基于AT89S52的太陽能集熱系統智能控制儀的開發［J］.湘潭師范學院學報，2006（3）：66－68.

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