《電子技術應用》
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基于AFS600的太陽能熱水器通用控制器設計
摘要: 采用數(shù)?;旌峡删幊绦酒珹FS600,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。
Abstract:
Key words :

  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(jù)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(jù)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。

系統(tǒng)控制結構

  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(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(jù)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(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內核為核心控制單元。由于8051內核以網(wǎng)表的形式提供,而且只有其控制部分(CPU)及簡單的外設(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(wǎng)表、內部RAM、單片機ROM和 PLL四個子模塊。

  8051內核和Flash之間的通信由接口模塊控制,接口模塊由HDL語言在Libero集成開發(fā)環(huán)境下描述得到。系統(tǒng)硬件接口電路包括:水箱溫度和水位檢測接口電路、設定鍵和并行顯示接口電路、節(jié)流閥的控制接口電路、光電隔離與輔助加熱電路,以及繼電器輸出接口電路等。這些模塊的I/O口分配如圖2所示。水箱溫度、水位檢測、水溫控制、上水控制、輔助加熱等模塊的I/O口分配到Mini接口上。

模塊的I

  8051內核的P0口為液晶的數(shù)據(jù)口,P2.O~P2.2為液晶的使能控制端,P2.3~P2.5分別為3個電磁閥的控制端。對淋浴水溫進行智能檢測和顯示,經(jīng)單片機內部運算與設定溫度進行比較,通過控制節(jié)流閥的角度來調節(jié)水流量,從而來保證淋浴水溫與用戶設定水溫相一致。P1.O為數(shù)字溫度傳感器DSl8820的專用端,用于檢測水箱溫度并顯示在液晶上;P1.1也是溫度傳感器專用端,用于檢測淋浴水溫。如果水箱溫度不足 (達到設置水溫下限),則控制繼電器啟動輔助加熱裝置;當水溫達到加熱溫度上限時,則關閉輔助加熱裝置。水位用5段LED燈顯示。若水位不足,則報警蜂鳴器響;若沒使用,則上水繼電器動作,電磁閥開通,自動上水至水位上限后關閉。

  1.3 液位傳感器的設計

  由于目前常用的垂子式液位傳感器易受水垢的影響,本文利用浸入水中的兩個極板組成電容,電容值大小反映了水位的高低。其結構如圖3(a)所示。

液位傳感器的設計

  圖3(a)中,H為鋁板總高度,h為液位高度。設板間距為l,鋁板的寬度為b。上下兩部分的介質分別為空氣和水,等效電容為C1和C2分別為:

等效電容
   式中:空氣的介電常數(shù)ε空氣為l,水的介電常數(shù)ε水為80??傠娙軨總為:

總電容C
   顯然,電容的大小與水位的高度成正比。實際制作的電容傳感器,測試電容值C為0.1~2.2μF。

  本傳感器采用定時器NE555設計了一款方波發(fā)生器,用于實現(xiàn)水位-電容值-頻率的轉換,輸出的頻率可反映水位的變化,取中心工作頻率為1 kHz。具體電路如圖3(b)所示。輸出頻率f為:
   輸出頻率f
這里,R1、R2均取為1.43 kΩ。

  當水位發(fā)生變化引起電容的變化,經(jīng)多諧振蕩器輸出的方波頻率f也隨之發(fā)生變化,根據(jù)單片機的計數(shù)器T0捕捉到的時鐘的個數(shù),再經(jīng)數(shù)據(jù)處理判斷水位。

   1.4 節(jié)流閥的控制

  為了控制淋浴水溫、調節(jié)流量,需要控制節(jié)流閥。本文采用節(jié)流閥和步進電機組成流量控制方案,通過控制步進電機的旋轉來控制節(jié)流閥的開啟角,從而控制流量。選用步進電機驅動器BY一2HB03M,控制二相四拍步進電機的步進及正反轉。其驅動器接線如圖4所示。

 

其驅動器接線

  2 系統(tǒng)軟件設計

  根據(jù)系統(tǒng)要求,除了需要實時檢測和顯示水箱溫度和水位外,還需要控制淋浴溫度、上水閥、節(jié)流閥、輔助加熱控制裝置等,所有這些功能由AFS600內部嵌入 8051內核完成。控制器軟件設計采用模塊化結構,除主程序外,還包括鍵盤與顯示子程序、溫度與液位采集子程序、以及淋浴水溫控制子程序和上水控制子程序等。系統(tǒng)的主程序接收控制指令,調用子程序完成溫度、水位檢測等。下面重點介紹淋浴溫度控制和上水控制子程序流程。

  2.1 上水控制

  熱水器控制器具有智能化上水控制功能,可以起到保護熱水器的作用。例如,水位較低時,淋浴時或高溫日照下禁止自動上水;居家長時間無人時,需要考慮自動上水問題;水位傳感器失靈時,防止上水溢出等。對此,系統(tǒng)預置最低水位和最高水位,并根據(jù)時間系統(tǒng)預置自動上水時段。程序中設有計時器,檢測上水時的水位變化與上水時間關系,以此檢測水位傳感器失效問題,并可防止上水溢出問題。具體流程如圖5所示。

具體流程

  2.2 淋浴溫度控制

  淋浴溫度控制是熱水器控制器的關鍵,是舒適度的重要指標。本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的手動控制改為自動控制,并引入了適合步進電機控制的增量式PID控制算法。其差分方程式如下:
   差分方程式
式中:u(k)是控制量;e(k)是系統(tǒng)的控制偏差;Kp是比例增益;Ti是積分時間;Td是微分時間;T為采樣周期。PID運算的輸出增量為相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之差,綜合式(5)、(6)有:位置值之差
  
根據(jù)預置的溫度和采集的淋浴溫度進行參數(shù)正定,確定PID參數(shù)q0、q1、q2,其調節(jié)方法可參考相關文獻。具體流程如圖6所示,實際的淋浴水溫可控制在設置溫度的上下2℃范圍內。

具體流程

  結語

  采用Actel公司usion系列的AFS600芯片,通過嵌入8051內核來實現(xiàn)太陽能熱水器控制器功能。該太陽能熱水器具有集成度高、成本低和操作方便的優(yōu)點,特別是淋浴溫度的自動調節(jié),以及上水過程的智能化、人性化控制等功能,較好地彌補了目前相關產(chǎn)品的不足,有一定的推廣和經(jīng)濟價值。本設計得到了 Actel公司、廣州致遠電子有限公司及其武漢辦事處的資助和技術指導,在此特表感謝。

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