基于SOPC的太阳能热水器智能控制系统设计

刘艳萍，仲会娟

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

能源危机日益加剧，环境污染已经威胁到自然界的生态平衡。因此节约能源、提高能源利用效率，尽可能多地开发利用洁净新能源，已经成为我国经济建设的基本国策。太阳能以其清洁安全、源源不断、无需开采和运输等诸多优势，已经成为关注重点[1]。同时，随着人们生活水平的不断提高，对太阳能热水器使用过程中方便性、安全性、操作界面的友好性提出了更高的要求。然而，国内太阳能热水器控制器却一直处于研究与开发阶段，智能化程度不够难以满足要求[2]。本文从硬件软件两个方面着手对保持供水管道水温、智能辅助加热和防止集热器干烧等进行设计，为新一代太阳能热水器温度控制系统提供了参考。

SOPC设计方法以功能组装为基础，涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容。该技术采用自顶向下的设计方法，首先对系统进行方案设计和功能划分，系统核心电路采用高端系统级FPGA芯片实现，硬件描述语言则实现系统行为级设计，最终由综合器和适配器生成目标器件[3]。低成本、大容量FPGA芯片不断增加IP（intellectual property）核以及CAD工具使实现SOPC系统成为可能。该方法把处理机制、模型算法、软件、电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片将处理器、存储器、I/O端口等功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统，使系统在规模、可靠性、功能、开发周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化，所以被广泛应用到汽车、军事、航空航天、测试和测量、无线通信等领域[3]，是半导体产业未来发展的方向。

1 热水器系统结构及测试需求分析

太阳能热水系统一般由三部分构成：智能控制部分、集热循环部分和供水循环部分[4]，如图1所示。水箱中的冷水通过集热循环水泵、集热器最后返回水箱，实现冷水的加热。水箱中的热水通过供水水泵、单向电磁阀、水流开关和混水阀后提供给用户使用。智能控制部分是整个热水器系统实现自动化和智能化运行的关键所在。

为了实现热水器即开即热、智能电加热和集热器防炸等功能，经过分析，智能控制部分的控制信号主要有：数字温度传感器Tl、T2、T3和电导式液位传感器H检测水温和水位，并将检测结果加以显示；用水流开关S采集用户用水信号。其中，Tl、T2信号控制集热循环水泵的启停，实现集热循环的温差强制控制；H和T2信号控制补水电磁阀Vl和辅助电加热器，达到热水器自动补水、补温的智能控制；使用S和T3信号控制供水水泵和回水电磁阀V2，实现供水水泵的自动启停控制，同时保证供水管道内水温不低于一定的值，即实现了热水器使用时水流即开即热的功能。

图1 太阳能热水器系统结构Fig.1 Structure of solar energy water heater system

2 控制器的硬件电路设计

2.1 控制器系统总体设计

太阳能热水器控制系统总体结构如图2所示[5]。本设计利用SOPC技术在FPGA芯片上 建立NIOSⅡ处理器系统，该系统负责接收PC机生成的下载文件，接收温度传感器、水位传感器、水流传感器和按键提供的信号，并对输入数据信号进行处理，最后将控制信号通过继电器输出，实现对电磁阀、集热循环水泵、供水水泵、电加热、LCD等执行部件的控制。

图2 控制系统总体结构Fig.2 The totality structure of control system

设计选用cycloneⅡ系列FPGA芯片EP2C8Q208C8为控制器核心。该芯片支持IP核复用技术，支持2个锁相环，拥有 8 256个逻辑单元，182个可用的 I/O管脚和 165888位RAM。系统配置芯片选用与主芯片相匹配的EPCS4SI8芯片；存储器模块选用16位的K4S641632h芯片，它的容量为64 Mb；外接50 MHz晶振作为时钟。设计中使用了大量免费的IP核，如NIOSⅡ核、JTAG UART核、PIO核、SDRAM控制器核，LCD控制器核等，这些IP核的使用大大降低了系统设计难度。

以单总线数字温度传感器DS18B20作为测温元件，该元件直接将采集的温度值转换为数字量输出，不需要A/D转换，简化了控制电路设计。其测温范围为-55～+125℃，测温分辨率可达0.062 5℃，将测温精度提高到0.1℃；水位检测模块通过电导式液位传感器将非电量的水位数据转换为 0，1这样的二进制数据输出电路设计简单，10%，20%，40%，60%，80%，90%六档测温，测温精度高；采用模糊控制算法实现对电加热模块的智能控制；按键模块进行水位、温度及自动上水时间的设定；LCD1602显示采集到的信号值。

2.2 人性化水箱回水设计

使用过太阳能热水器的人都知道，实际生活中当你打开用水阀想用热水的时候，刚开始流出的却是冷水。这是由于管道的保温性能差，容易受外界温度影响变冷的结果，所以必须排空供水管道内的凉水后才能正常给用户供应热水，而且供水管道越长管道内储存的冷水越多。如今人们都生活在高楼大厦中，太阳能热水器一般都安装在楼顶，所以供水管道很长，凉水排空的过程中，造成大量水资源的浪费。另一方面，由于管道的保温性能不好，用水间隔超过约3 min供水管道中的热水又变冷，下次使用时又需要排空冷水不能即开即热，给用户带来不必要的麻烦。为了部分解决这一问题，设计对现有的太阳能热水器供水管道进行改造，原理如图3所示。

供水管道中添加水流继电器检测用户是否用水；温度传感器T3测量管道内水温；以及回水电磁阀。水箱上水的时候补水电磁阀打开，自来水经过补水电磁阀进入水箱，当水箱的水位达到设定值时补水电磁阀自动关闭。若水流继电器检测到用户没有用水的情况下，控制系统根据温度传感器检测的管道内水温T3信号对供水管道水温实现自动控制。即当温度值T3小于设定值（15℃）时，启动供水水泵，启动回水电磁阀，使管道中的冷水流回太阳能热水器蓄热水箱，以便管道中的冷水被加热再次利用，而水箱中热水则通过供水水泵和单向电磁阀进入供水管道，直到T3值等于水箱水温T2或者大于等于30℃时停止，这样就实现了太阳能热水器供水管道即开即热的功能。其中图3单向阀门的作用是防止供水管道内水流倒流。

图3 回水原理图Fig.3 Backwater schematic diagram

3 软件设计

根据控制系统功能，系统软件设计可划分为自动上水模块、加热模块、按键模块、显示模块、温度检测模块等[6]。

3.1 人性化智能上水设计

阴雨天日照量不足，如何保证热水器储存足够的热水是一项重要指标。众所周知，水温低时真空管转换效率高、升温快，能提高太阳能的转换效率。目前大多数热水器由用户根据天气情况自行设定上水量，一旦加水太多，若天气转凉，则水温不够无法满足要求，用辅助电加热又达不到节能的本意；加水量太少，若天气晴朗，则不能充分利用光照生产更多的可用热水。智能上水模块流程图如图4所示。

图4 智能上水流程图Fig.4 Schematic flow diagram of intelligent add water

水箱储水量不足时开启补水电磁阀自动上水，当水箱内水温低于设定温度值时进行辅助电加热。为了实现水温达到可用的前提下（50℃）提供更多的热水，更好的满足人们生活需要，令辅助电加热和补水电磁阀协调工作，即热水器上水时为了确保水箱中水温不会过低应分段进行。本控制仪水位测量模块测得的水位 H分为六级 （10%，20%，40%，60%，80%，90%），当检测到水箱缺水（即水位低于20%）时，开启补水电磁阀上水，但当水位每增加一级则暂停上水并检测水箱水温T2，满足要求则继续补水，若低于允许补水的最低温度，则补水电磁阀关闭停止上水。如此，有效的实现了在日照微弱的情况下，热水器系统既可以保证水箱中水温，同时满足水箱处于富水状态，实现了24小时供水。

3.2 人性化高温防炸

太阳能集热器炸管的主要原因是集热器干晒。由于全玻璃真空管耐热冲击性很差，一般技术要求其应能承受不高于0℃的冰水混合体与不低于90℃热水交替反复冲击3次而不损坏。然而，集热器的真空管干晒后温度可达200℃以上，因此当系统长时间断电的情况下，真空管干烧可能达到很高温度。所以，一旦电力恢复若立即给集热器加水，此时高温的玻璃管突然受冷很容易引起炸管，给用户使用带来隐患。

为了有效的防止集热器炸管的发生，本设计从以下2个方面入手进行软件设计。一方面，保持热水器内水量充足，以防止真空管干晒。通过集热循环水泵和人性化智能上水设计的自动控制保证玻璃管内永远不缺水；另一方面，必须确保系统上电后初次给集热器上水时真空管的温度不会太高。即系统长时间断电后，在突然上电的情况下，首先读取集热器温度值，若其高于设定值则延时等待，直到集热器温度满足要求。高温防炸设计的流程图如图5所示。所以，当系统突然上电，控制仪初始化后读取集热器温度T1，只有在T1低于90℃的情况下才能第一次启动集热循环水泵给集热器上水。这样的温度在集热器承受范围之内有效的防止炸管的发生，此后系统进入正常的工作状态。

图5 高温防炸程序设计流程图Fig.5 Schematic flow diagram of anti-bombing programming in high temperature

4 结果分析

实验中用户的设定温度值3次分别为45℃、43℃、41℃，而温度采集模块的实时检测温度值为25℃，通过实验水温从25℃升至设定温度值平均耗时5 min 40 s。加热过程中，当水温度值超过设定温度后电加热立即停止。虽然加热过程中存在0.1℃左右超调现象，不过很快降至设定温度值并一直保持该温度。

5 结 论

针对目前太阳能热水系统中存在的测温精度低、水箱储水得不到保证、集热器炸管隐患，分别提出了解决方案。通过简单的系统改造，本设计实现了热水器即开即热功能，减少水资源浪费；再通过软件升级增加智能上水和高温防炸功能，使得太阳能热水器效率提升，安全系数提高，为太阳能热水器的普及扫除了障碍。满足了使用者对太阳能热水器使用构成的舒适性、高效性、安全性的要求，具有重大战略意义，值得推广。

[1]党学立.基于FPGA太阳能热水器智能控制器的设计[D].陕西：西北农林科技大学，2008.

[2]张先臣.一种实用的太阳能热水器单片机控制器的设计[J].自动化与仪器仪表，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]解学佳.SOPC技术在太阳能照明控制器中的应用研究[D].保定:华北电力大学，2009.

[4]王怀龙.太阳能热水器全功能控制仪的开发设计 [D].大连：大连理工大学，2010.

[5]李兰英.NIOSⅡ嵌入式软核SOPC设计原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[6]吴厚航.爱上FPGA开发—特权和你一起学NIOSⅡ[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011.