基于FPGA的太阳能热水器全功能控制器的研究
发布时间：2020-07-29 23:13
【摘要】：能源问题、环境问题日益受到国家和人民的重视。利用太阳能产生热水的太阳能热水器已经走进了千家万户，成为我国可再生能源市场上发展最迅速、技术最成熟、需求量最大的产品之一。然而，目前家用太阳能热水器控制器多采用微控制器芯片，这种系统存在功能单一、实时性差、抗干扰能力较差以及不能实现即开即热等缺点。 针对以上不足，本文根据模糊控制算法，给出了一种以FPGA芯片为主体SOPC技术为核心的具有太阳能加热和电辅助加热协调工作的二维模糊温度控制系统。系统设计整体上采用了自底向上的设计方法，在QuartusII、SOPC Builder集成开发环境下进行系统硬件设计，同时在NiosIIIDE软件平台进行软件设计。本文对FPGA技术和SOPC技术及开发环境、开发流程进行了研究。首先，利用自顶向下的设计方法，在FPGA内部研究NiosII定制、定时模块、模糊控制模块、SDRAM控制器模块、LCD控制器模块、EPCS控制器模块以及输入输出模块的电路设计。其次，对温度检测模块、水位检测模块、水流检测模块、键盘模块、液晶显示模块及继电器输出模块等外围电路模块进行设计。同时，对主控模块中系统时钟、电源、复位模块、配置模块、SDRAM模块、JTAG接口模块电路进行设计。然后，对各个功能模块进行功能仿真和板级调试。最后，在顶层文件中完成硬件系统整体设计并实施优化。 本设计系统控制量较多，软件设计较复杂，所以根据对控制系统的功能要求，将软件设计划分为键盘模块、模糊控制模块、LCD显示模块、温度检测模块、水位检测模块、水流检测模块、上水模块等，对各个功能模块分别进行设计。
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK515;TP273
【图文】：
手按 键可 以满 足用 户在 特 殊 情况 下 的 需要 。 阀的 启 停 控 制 。太 阳能 热 水 器的 用户 可 能 都有 这内 的 冷 水， 然 后才 能正 常使 用 热 水。 又 因为 循环 热 水又 变 冷 ，再 次使 用 必 须又 放冷 水 ，不 能 即 开太 阳 能 热水 器供 水 管 道进 行改 造 。原 理 如 图 2 .3 和 回 水 电磁 阀。
可 以看 作 一 个有 4 位 地址 线的 1 6* 1 的 RA M ，L U T 原 理电 路如 图 3 . 1[2 2] 所 示 。用 户进 行 逻 辑电 路 设 计过 程 中， Q u a rt u s 软 件 自 动计 算逻 辑 电 路全 部可 能 的 结果 ，并 保 存 到查 询表 中 。 所以 ，给 系 统 一个 输入 信号 实 际 上 就 是 给 系 统 一 个 地 址 ， 系 统 只 要 根 据 地 址 进 行 查 表 得 到 该 地 址 对 应 的 内 容[2 1 ]， 最 后 将 信 号 输出 。 查 找表 单 独设 计 可 以 实 现组 合逻 辑 电 路； 而 LU T 和 触 发 器 连 接 共 同 设 计 则 既 可 以 实 现组 合逻 辑电 路又 能设 计 时 序逻 辑电 路。 这 是因 为 ，查 找 表 的 输 出端 与触 发 器 的输 入端 相 连 ，所 以外 部 逻 辑电 路或 驱 动 I/ O 是 由触 发器 驱动 实 现的 。2 . 内 部连 线。 可 编程 连 线 上有 很多 用 存 储器 控制 的链 接点 ，通 过改 写对 应 存 储器 的值 就 可 以确 定哪 些 线是 连 上 的而 哪些 线是 断开 的， 利 用 金 属连 线互 相连 接或 连接 到 I/ O 模 块。 3 . 输 入输 出 模 块 IO B（I n p u t O u tp u t B lo c k ）可 编 程 输入 输 出 模 块 是 FP G A 芯 片 与 外 围 电 路实 现 通 信 、连 接的 部分 。设 计者 在电 路设 计 过 程中 ，可 以 通 过软 件 编 程 对 通用 I/ O 口 的 电 气标 准与 物 理 特性 进 行设 置 ，以 适应 不同 情 况 下对 I/ O 信 号 的驱 动 与 匹 配 要求 。 如： 驱 动电 流的 大小 和 上 、下 拉电 阻等 。
ALON总线模块P I O (温 度 检 测 )P I O (水 位 检 测 )P I O (水 流 检 测 )S D R A M 控 制 器L C D 控 制 器P I O( 电 加 热) P I O( 回 水 阀) P I O( 补 水 阀) P I O( 供 水 水 泵 )P I O( 循 环 水 泵 )P I O( 键 盘) T I M E2 图 4 . 2 FP G A 内 部电 路 总 体框 图Fi g . 4 . 2 Th e o ve ra ll c ir c u it d ia gr a m o f in te ri o r2 系 统模 块 电 路设 计FP G A 内 部电 路 设 计 中 大量 采用 免 费 IP 软 核[3 0 ]。所 谓 IP 软 核， 就 是用 硬件 描 述 语言 编写 的 ， 算 法 级 描 述 或 功 能 级 描 述 。 该 程 序 一 般 与 集 成 电 路 工 艺 无 关 ， 可 以 移 植 到 不 同 的 半 导 体 工 艺所 以 具 有很 高的 灵 活 性。 采 用自 底向 上 的 设计 方 法 ，在 SO P C Bu il d e r 开 发工 具中 搭建 N io s 系添 加处 理 器 和各 IP 核 外设 ，并 给 各 硬件 模块 设置 属 性 ，分 配物 理 地 址， 配置 存 储 空 间 的大 小所 需的 各 功 能模 块通 过 Av a lo n 总 线集 成 ，最 终 生 成 N io s 处 理器 系 统 。利 用打 包 的 、经 过调 试行 系统 设计 可 以 大大 减少 系 统 设 计 的工 作量 ，缩 短开 发周 期 且 系统 的稳 定性 更 高。 内 部电 路 系O P C Bu il d e r 将 各 个 功能 模 块 集成 到一 个系 统下 ，如 图 4 . 3 所 示。
本文编号：2774626
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK515;TP273
【图文】：
手按 键可 以满 足用 户在 特 殊 情况 下 的 需要 。 阀的 启 停 控 制 。太 阳能 热 水 器的 用户 可 能 都有 这内 的 冷 水， 然 后才 能正 常使 用 热 水。 又 因为 循环 热 水又 变 冷 ，再 次使 用 必 须又 放冷 水 ，不 能 即 开太 阳 能 热水 器供 水 管 道进 行改 造 。原 理 如 图 2 .3 和 回 水 电磁 阀。
可 以看 作 一 个有 4 位 地址 线的 1 6* 1 的 RA M ，L U T 原 理电 路如 图 3 . 1[2 2] 所 示 。用 户进 行 逻 辑电 路 设 计过 程 中， Q u a rt u s 软 件 自 动计 算逻 辑 电 路全 部可 能 的 结果 ，并 保 存 到查 询表 中 。 所以 ，给 系 统 一个 输入 信号 实 际 上 就 是 给 系 统 一 个 地 址 ， 系 统 只 要 根 据 地 址 进 行 查 表 得 到 该 地 址 对 应 的 内 容[2 1 ]， 最 后 将 信 号 输出 。 查 找表 单 独设 计 可 以 实 现组 合逻 辑 电 路； 而 LU T 和 触 发 器 连 接 共 同 设 计 则 既 可 以 实 现组 合逻 辑电 路又 能设 计 时 序逻 辑电 路。 这 是因 为 ，查 找 表 的 输 出端 与触 发 器 的输 入端 相 连 ，所 以外 部 逻 辑电 路或 驱 动 I/ O 是 由触 发器 驱动 实 现的 。2 . 内 部连 线。 可 编程 连 线 上有 很多 用 存 储器 控制 的链 接点 ，通 过改 写对 应 存 储器 的值 就 可 以确 定哪 些 线是 连 上 的而 哪些 线是 断开 的， 利 用 金 属连 线互 相连 接或 连接 到 I/ O 模 块。 3 . 输 入输 出 模 块 IO B（I n p u t O u tp u t B lo c k ）可 编 程 输入 输 出 模 块 是 FP G A 芯 片 与 外 围 电 路实 现 通 信 、连 接的 部分 。设 计者 在电 路设 计 过 程中 ，可 以 通 过软 件 编 程 对 通用 I/ O 口 的 电 气标 准与 物 理 特性 进 行设 置 ，以 适应 不同 情 况 下对 I/ O 信 号 的驱 动 与 匹 配 要求 。 如： 驱 动电 流的 大小 和 上 、下 拉电 阻等 。
ALON总线模块P I O (温 度 检 测 )P I O (水 位 检 测 )P I O (水 流 检 测 )S D R A M 控 制 器L C D 控 制 器P I O( 电 加 热) P I O( 回 水 阀) P I O( 补 水 阀) P I O( 供 水 水 泵 )P I O( 循 环 水 泵 )P I O( 键 盘) T I M E2 图 4 . 2 FP G A 内 部电 路 总 体框 图Fi g . 4 . 2 Th e o ve ra ll c ir c u it d ia gr a m o f in te ri o r2 系 统模 块 电 路设 计FP G A 内 部电 路 设 计 中 大量 采用 免 费 IP 软 核[3 0 ]。所 谓 IP 软 核， 就 是用 硬件 描 述 语言 编写 的 ， 算 法 级 描 述 或 功 能 级 描 述 。 该 程 序 一 般 与 集 成 电 路 工 艺 无 关 ， 可 以 移 植 到 不 同 的 半 导 体 工 艺所 以 具 有很 高的 灵 活 性。 采 用自 底向 上 的 设计 方 法 ，在 SO P C Bu il d e r 开 发工 具中 搭建 N io s 系添 加处 理 器 和各 IP 核 外设 ，并 给 各 硬件 模块 设置 属 性 ，分 配物 理 地 址， 配置 存 储 空 间 的大 小所 需的 各 功 能模 块通 过 Av a lo n 总 线集 成 ，最 终 生 成 N io s 处 理器 系 统 。利 用打 包 的 、经 过调 试行 系统 设计 可 以 大大 减少 系 统 设 计 的工 作量 ，缩 短开 发周 期 且 系统 的稳 定性 更 高。 内 部电 路 系O P C Bu il d e r 将 各 个 功能 模 块 集成 到一 个系 统下 ，如 图 4 . 3 所 示。
【参考文献】
相关期刊论文 前9条
1 李春杏;;谈谈太阳能热水器的发展与其基本原理[J];东方企业文化;2010年14期
2 陈静;周志锋;;基于Nios处理器的模糊控制器设计[J];电子科技;2006年06期
3 刘庆雪;刘宁;公茂法;;控制感应加热电源功率稳定的模糊控制方法[J];电子质量;2007年08期
4 周俊;;浅析检测系统中的光电耦合技术[J];装备制造技术;2011年10期
5 李绪泉,陈江平,陈芝久;轿车空调蒸发器风量实时控制研究[J];机电设备;2004年02期
6 韩斌;;西门子PLC在新型太阳能热水器中的应用[J];可编程控制器与工厂自动化;2010年05期
7 严军;;热管真空管集热器及太阳能热水系统[J];可再生能源;2008年05期
8 汤光华;;水箱水位控制器的设计与实现[J];自动化仪表;2006年12期
9 木子;;太阳能热水器的使用[J];大众用电;2010年08期
本文编号：2774626
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