基于SOPC的太陽能熱水器智能控制系統設計

劉艷萍，仲會娟

（河北工業大學 信息工程學院，天津 300401）

能源危機日益加劇，環境污染已經威脅到自然界的生態平衡。因此節約能源、提高能源利用效率，盡可能多地開發利用潔凈新能源，已經成為我國經濟建設的基本國策。太陽能以其清潔安全、源源不斷、無需開采和運輸等諸多優勢，已經成為關注重點[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，國內太陽能熱水器控制器卻一直處于研究與開發階段，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行設計，為新一代太陽能熱水器溫度控制系統提供了參考。

SOPC設計方法以功能組裝為基礎，涵蓋了嵌入式系統設計技術的全部內容。該技術采用自頂向下的設計方法，首先對系統進行方案設計和功能劃分，系統核心電路采用高端系統級FPGA芯片實現，硬件描述語言則實現系統行為級設計，最終由綜合器和適配器生成目標器件[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SOPC系統成為可能。該方法把處理機制、模型算法、軟件、電路直至器件的設計緊密結合起來，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，構成一個可編程的片上系統，使系統在規模、可靠性、功能、開發周期、開發成本、產品維護及其硬件升級等多方面實現最優化，所以被廣泛應用到汽車、軍事、航空航天、測試和測量、無線通信等領域[3]，是半導體產業未來發展的方向。

1 熱水器系統結構及測試需求分析

太陽能熱水系統一般由三部分構成：智能控制部分、集熱循環部分和供水循環部分[4]，如圖1所示。水箱中的冷水通過集熱循環水泵、集熱器最后返回水箱，實現冷水的加熱。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實現自動化和智能化運行的關鍵所在。

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

圖1 太陽能熱水器系統結構Fig.1 Structure of solar energy water heater system

2 控制器的硬件電路設計

2.1 控制器系統總體設計

太陽能熱水器控制系統總體結構如圖2所示[5]。本設計利用SOPC技術在FPGA芯片上 建立NIOSⅡ處理器系統，該系統負責接收PC機生成的下載文件，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，并對輸入數據信號進行處理，最后將控制信號通過繼電器輸出，實現對電磁閥、集熱循環水泵、供水水泵、電加熱、LCD等執行部件的控制。

圖2 控制系統總體結構Fig.2 The totality structure of control system

設計選用cycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8Q208C8為控制器核心。該芯片支持IP核復用技術，支持2個鎖相環，擁有 8 256個邏輯單元，182個可用的 I/O管腳和 165888位RAM。系統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設計難度。

以單總線數字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件，該元件直接將采集的溫度值轉換為數字量輸出，不需要A/D轉換，簡化了控制電路設計。其測溫范圍為-55～+125℃，測溫分辨率可達0.062 5℃，將測溫精度提高到0.1℃；水位檢測模塊通過電導式液位傳感器將非電量的水位數據轉換為 0，1這樣的二進制數據輸出電路設計簡單，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對電加熱模塊的智能控制；按鍵模塊進行水位、溫度及自動上水時間的設定；LCD1602顯示采集到的信號值。

2.2 人性化水箱回水設計

使用過太陽能熱水器的人都知道，實際生活中當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果，所以必須排空供水管道內的涼水后才能正常給用戶供應熱水，而且供水管道越長管道內儲存的冷水越多。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，設計對現有的太陽能熱水器供水管道進行改造，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測量管道內水溫；以及回水電磁閥。水箱上水的時候補水電磁閥打開，自來水經過補水電磁閥進入水箱，當水箱的水位達到設定值時補水電磁閥自動關閉。若水流繼電器檢測到用戶沒有用水的情況下，控制系統根據溫度傳感器檢測的管道內水溫T3信號對供水管道水溫實現自動控制。即當溫度值T3小于設定值（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水流倒流。

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

3 軟件設計

根據控制系統功能，系統軟件設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。眾所周知，水溫低時真空管轉換效率高、升溫快，能提高太陽能的轉換效率。目前大多數熱水器由用戶根據天氣情況自行設定上水量，一旦加水太多，若天氣轉涼，則水溫不夠無法滿足要求，用輔助電加熱又達不到節能的本意；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水電磁閥自動上水，當水箱內水溫低于設定溫度值時進行輔助電加熱。為了實現水溫達到可用的前提下（50℃）提供更多的熱水，更好的滿足人們生活需要，令輔助電加熱和補水電磁閥協調工作，即熱水器上水時為了確保水箱中水溫不會過低應分段進行。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%），當檢測到水箱缺水（即水位低于20%）時，開啟補水電磁閥上水，但當水位每增加一級則暫停上水并檢測水箱水溫T2，滿足要求則繼續補水，若低于允許補水的最低溫度，則補水電磁閥關閉停止上水。如此，有效的實現了在日照微弱的情況下，熱水器系統既可以保證水箱中水溫，同時滿足水箱處于富水狀態，實現了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，一般技術要求其應能承受不高于0℃的冰水混合體與不低于90℃熱水交替反復沖擊3次而不損壞。然而，集熱器的真空管干曬后溫度可達200℃以上，因此當系統長時間斷電的情況下，真空管干燒可能達到很高溫度。所以，一旦電力恢復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生，本設計從以下2個方面入手進行軟件設計。一方面，保持熱水器內水量充足，以防止真空管干曬。通過集熱循環水泵和人性化智能上水設計的自動控制保證玻璃管內永遠不缺水；另一方面，必須確保系統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，若其高于設定值則延時等待，直到集熱器溫度滿足要求。高溫防炸設計的流程圖如圖5所示。所以，當系統突然上電，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水泵給集熱器上水。這樣的溫度在集熱器承受范圍之內有效的防止炸管的發生，此后系統進入正常的工作狀態。

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

4 結果分析

實驗中用戶的設定溫度值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℃升至設定溫度值平均耗時5 min 40 s。加熱過程中，當水溫度值超過設定溫度后電加熱立即停止。雖然加熱過程中存在0.1℃左右超調現象，不過很快降至設定溫度值并一直保持該溫度。

5 結 論

針對目前太陽能熱水系統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。通過簡單的系統改造，本設計實現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成的舒適性、高效性、安全性的要求，具有重大戰略意義，值得推廣。

[1]黨學立.基于FPGA太陽能熱水器智能控制器的設計[D].陜西：西北農林科技大學，2008.

[2]張先臣.一種實用的太陽能熱水器單片機控制器的設計[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.

[3]解學佳.SOPC技術在太陽能照明控制器中的應用研究[D].保定:華北電力大學，2009.

[4]王懷龍.太陽能熱水器全功能控制儀的開發設計 [D].大連：大連理工大學，2010.

[5]李蘭英.NIOSⅡ嵌入式軟核SOPC設計原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

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