(1)液位傳感器采用ATS173型霍爾元件^[2]，若干霍爾元件固定在一個垂直導(dǎo)槽上，浮子帶動磁鋼沿導(dǎo)槽運動，霍爾元件的輸出經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成不同電壓，經(jīng)ADC送入智能控制模塊中。溫度傳感器采用負(fù)溫度(NTC)型通用熱敏電阻，信號經(jīng)一路ADC送入智能控制部分。
　　(2)FPGA控制部分根據(jù)檢測到的水位信號、溫度信號以及用戶的設(shè)定或操作，通過必要的邏輯運算，以確定當(dāng)前應(yīng)該進(jìn)行的操作，并通過輸出口送至執(zhí)行部件，進(jìn)而控制進(jìn)水閥、加熱泵的狀態(tài)，以實現(xiàn)所要求的控制功能。
　　(3)水泵、電磁閥、加熱器組成了上水、加熱執(zhí)行部件，該部件與輸出通道的繼電器相連以接受FPGA的控制命令，完成系統(tǒng)上水、加熱、循環(huán)上水、循環(huán)加熱功能。
　　(4)鍵盤輸入主要由S1、S2、S3和S4組成，S1用來切換操作狀態(tài)?？刂破饔小?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/直接控制" title="直接控制" target="_blank">直接控制”和“參數(shù)修改”兩種工作狀態(tài)。按S1鍵顯示“00”，控制器進(jìn)入“直接控制”狀態(tài)；顯示“01”、“02”、“03”和“04”分別表示“設(shè)定上限水位”、“設(shè)定定時上水時間”、“設(shè)定定時加熱時間”和“設(shè)定加熱溫度”。
　　進(jìn)入“參數(shù)修改”狀態(tài)后，S2、S3用來修改規(guī)定的參數(shù)；S1接受本次修改，并切換到下一個參數(shù)；S4取消本次修改。進(jìn)入“直接控制”后，S2用來手動上水，S3用來手動加熱，S4用來停止加熱或上水。若水位已經(jīng)超過設(shè)定上限水位，或水溫已經(jīng)超過設(shè)定溫度，“直接控制”將不起作用。
　　設(shè)定水位上限：控制器可以監(jiān)測到6個水位，上限水位可以由用戶設(shè)置，水位上限設(shè)置范圍為03、04、05、06。
　　設(shè)定定時上水時間：每天在規(guī)定時間檢查水位，并上滿。若設(shè)定時間是00或大于等于24，則取消自動定時上水。
　　設(shè)定定時加熱時間：每天在規(guī)定時間檢查水溫。若水溫低于設(shè)定溫度，則接通電加熱器，將水溫加熱到設(shè)定溫度；若設(shè)定時間為00或大于等于24，則取消自動定時加熱。
　　設(shè)定加熱溫度：定時加熱溫度可以由用戶設(shè)定，范圍為20℃～60℃。
3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
3.1 設(shè)計思想
　　在設(shè)計過程中，采用自頂向下的方法。首先從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分，然后對各模塊進(jìn)行VHDL設(shè)計并仿真，再進(jìn)一步綜合，進(jìn)行門級仿真，如果順利，便可下載，實現(xiàn)電路?？刂颇K的頂層方框圖如圖2所示。

　　在頂層設(shè)計中加入了定時器模塊和液位、水溫信號共同完成控制功能，實現(xiàn)分時段控制，進(jìn)而實現(xiàn)在自動補(bǔ)水的同時不影響使用熱水，在自動開啟電加熱器補(bǔ)溫的同時不造成能源浪費，從而解決了定時補(bǔ)水、加熱的問題。
3.2 模塊設(shè)計
　　FPGA控制器分為以下幾個模塊：
　　(1)譯碼器模塊：接收鍵盤的輸入，并且根據(jù)系統(tǒng)要求，將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的代碼。
　　(2)狀態(tài)選擇模塊：接收經(jīng)過譯碼后的信號，完成狀態(tài)的控制和參數(shù)接收功能。
　　(3)移位存儲器模塊：將設(shè)定參數(shù)存儲起來，以備在后面的控制模塊調(diào)用，完成整個控制模塊的控制功能。
　　(4)比較控制模塊：將根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和當(dāng)前的水位、水溫，輸出上水、加熱、報警等相關(guān)信號給調(diào)理電路。
　　(5)定時器模塊：根據(jù)實際需要，實現(xiàn)定時補(bǔ)水、加熱功能。
　　(6)調(diào)理電路模塊：根據(jù)狀態(tài)選擇電路和比較控制電路的輸出，自動完成上水、加熱、報警等相關(guān)操作。
　　由于篇幅的原因，在此僅給出部分頂層電路的VHDL源代碼^[3]：
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；
ENTITY taiyang IS
? PORT(s1s2，s3，s4：INSTD_LOGIC)；-tp，level：IN? STD_
　　　　　　　　　　　LOGIC_VECTOR(2 downto 0)；
tm：??IN STD_LOGIC_VECTER(7 DOWNTO 0)；
??s，j：out?STD_LOGIC；
??alarm：out STD_LOGIC；)；
END taiyang
ARCHITECTURE one OFtaiyang IS
COMPONENT? state
　PORT
　(? q0：IN STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0)；
??? qs：IN STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；
??? tp，level：IN STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；
??? s2，s3，s4：IN STD_LOGIC；
??? s，j：out? STD_LOGIC；
??? load1，load2，load3，load4：OUT? STD_LOGIC；
??? i1，i2，i3，i4：OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；
END COMPONENT
……
COMPONENT? compare
? PORT(r1，r2，r3，r4：IN STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；
tp，level：INSTD_LOGIC_VECTOR(7downto 0)；
tm：IN STD_LOGIC_VECTER(7DOWNTO 0)；
s，j：out?STD_LOGIC；
larm：out STD_LOGIC；)；
END compare；
BIGEN
……
U3：register
PORT(load1=>load1，load2=>load2，load3=>load3，load4=>
load4，i1=>i1，i2=>i2，i3=>i3，i4=>i4)；
……
END
3.3 系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)
　　在EDA工具Quartus II環(huán)境下對上述各個模塊VHDL源程序進(jìn)行編譯、選配、優(yōu)化、邏輯綜合，自動把VHDL描述轉(zhuǎn)變成門級電路，進(jìn)而完成電路分析、糾錯、驗證、自動布局布線、仿真等各種測試工作^[4]。
3.4 仿真結(jié)果
　　在Quartus II環(huán)境下,運用其自身的仿真工具完成仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。

　　從仿真結(jié)果中可以看出，通過FPGA實現(xiàn)的太陽能控制系統(tǒng)，能很好地滿足實際要求，并且較以往傳統(tǒng)的設(shè)計方法而言，采用分時段控制，即“用水時段”和“非用水時段”，避免了頻繁啟動和用水安全，能源得到了有效利用。
　　該系統(tǒng)已在一些賓館、寫字樓投入運行，通過FPGA智能控制，采用溫差跟蹤循環(huán)方式充分利用太陽能進(jìn)行加熱，并及時啟動輔助能源補(bǔ)充加熱，在為用戶提供不間斷的開水供應(yīng)的同時，節(jié)約了能源。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)。在以后的設(shè)計改進(jìn)中可加入壓力控制模塊，進(jìn)而在整個熱水器構(gòu)成中添加加壓模塊，使得上水順利完成^[5]。

參考文獻(xiàn)
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[3] 潘松，黃繼業(yè).EDAj技術(shù)與VHDL[M].北京：清華大學(xué)出版社.2005.
[4] 于楓.ALTERA可編程邏輯器件應(yīng)用技術(shù).北京：科學(xué)出版社.2004.
[5] 馬敏，孫寅聰，張煒宇.太陽能熱水器控制器的設(shè)計[J].河南科學(xué)，2003(21)．