基于FPGA的太阳能集热系统智能控制器的开发

郑红峰， 李 博

（浙江工业职业技术学院，浙江绍兴312000）

随着人民生活水平的提高及公众环保意识的增强，太阳能热水器已走进了千家万户。太阳能热水器产品已成为中国可再生能源市场上需求量最大、发展最为迅速的产品之一，中国也已成为最大的太阳能热水器生产、消费国，总的保有量和年生产能力世界第一。

但中国太阳能热水器控制器却一直处于低端水平，智能化程度低，人机界面过于简单，可靠性不高，给热水器用户带来不便，产品难以占领高端用户市场。鉴于国内外太阳能热水器市场不断扩大，我们研制了这款太阳能热水器控制器系统，使太阳能热水器实现智能化控制。

智能型太阳能热水器控制器可通过按键设定温度、水量值，可在液晶屏上显示设定值，并能实时显示温度、水量值。通过对电磁阀的控制，在水位低时可实现自动上水；在水温低时，可根据水温值自动控制继电器的通断，调节加热电功率，保证温度达到设定值。智能化的设计保证用户可以全天候随时用上温度合适、水量充足的热水。

太阳能热水器功能结构如图1所示［1］。集热器收集太阳能热量并加热水温，水流回水箱后向用户供水。

图1 太阳能热水器功能结构图

太阳能热水器控制器主要的工作就是通过人机界面确定用户所需水位及水温，通过对冷水入口电磁阀和电加热器的控制，调整实际水箱水温及水位，并将实时水温水位信息通过人机界面显示。

太阳能热水器控制器以现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）为控制器核心，由水温、水位检测器、电辅助加热器、电磁阀及电子继电器、液晶屏、按键及电源等部分组成。其原理结构图如图2所示。

图2 太阳能热水器控制器原理图

温度传感器电路如图3所示［2］。

图3 温度传感器电路图

运算放大器为精度高、稳定性好的单电源满摆幅运放。理想状态下运算放大器，令R2＝R3，其输出电压为

式中，R0与B为常数，10～100℃范围内热敏电阻的阻值如表1所示。温度传感器的输出电压Vo经A／D变换后，变为00H～0FFH二进制码。程序根据这个二进制码采用查表和线性插值的算法，可求得实时温度值。

对于水位的检测则是采用电导式液位传感器来实现的，传感器输出5位开关信号，具有较高的精确度和可靠性。生活中的用水其电阻率约为每米十分之几到几十欧，其电导性足以引起传感器的输出变化。5位开关量通过容器壁上的导电电极来输出1或是0，并接到FPGA的引脚上。不同的开关位代表不同的水量，如图4所示。

图4 水位测量电路

上水控制电路的设计如图5所示［3］，从FPGA输出控制电平，经光耦隔离，由达林顿复合管驱动控制微型继电器线圈，从而控制其触电，使电磁阀工作。

图5 上水控制电路

表1 热敏电阻的阻值与温度对应关系

热水器通过加热电阻丝加热水温，电阻丝是大功率交流元件，需要通过功率放大元件利用220V的交流电来实现加热。控制及驱动电路与上水控制电路类似，使用晶闸管，在门极上加入很小的控制电流即可控制阳极和阴极的导通。

智能型太阳能热水器控制器程序流程图如图6所示［4］。与传统的处理器软件流程图不同的是，基于FPGA的程序流程图并不是单纯的串行执行方式，而是一个并行工作模式。各个模块并行地执行，执行效率高，工作可靠性好［5］。

智能型太阳能热水器控制器的面板设计如图7所示，面板设计充分考虑功能性与舒适性的高度统一，功能清晰，指示简明，操作方便。

图6 控制器程序流程图

图7 太阳能热水器控制器面板

本文介绍的基于FPGA的智能型太阳能热水器控制器具有实用性强、电路可靠性高、控制便捷、智能化的优点，对升级目前太阳能控制器市场上的产品具有非常现实的意义。

［1］郑红峰，方红彬，刘燕军，等.基于AT89S52的太阳能集热系统智能控制仪的开发［J］.湘潭师范学院学报，2006（3）：66－68.

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［3］袁堂青，张玉璘.基于FPGA的VGA汉字显示系统设计与实现［J］.济南大学学报：自然科学版，2011（1）：36－39.

［4］李 飞，曾以成，安超群，等.基于 MA型分布式算法的高阶FIR滤波器设计及其FPGA实现［J］.计算机应用，2011（2）：533－536.

［5］梅文超，谭冠政.基于FPGA的超声诊断仪动态滤波器的设计［J］.世界电子元器件，2011（1）：50－51.