摘要：傳統(tǒng)電熱水器系統(tǒng)大多采用單片機(jī)作為控制核心，僅具有加熱和保溫功能，水溫不可見(jiàn)，水量不易控制，大多熱水器在保溫時(shí)采用開關(guān)控制，給電力系統(tǒng)帶來(lái)巨大沖擊。本系統(tǒng)選用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件Actel Fusion系列FPGA作為控制核心，充分利用其內(nèi)部模數(shù)混合的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)水溫?cái)?shù)字可視化、可預(yù)約時(shí)間等等功能，運(yùn)用PID算法實(shí)現(xiàn)水的加熱和保溫，使電力系統(tǒng)受到很小的沖擊，且該系統(tǒng)具有安全可靠、節(jié)能、高效能、性能穩(wěn)定、簡(jiǎn)易操作的特性。

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，家庭生活的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高，人們更加追求家庭生活的高度信息化、智能化。熱水器是常見(jiàn)的家用電器，是提供家庭沐浴用水、熱水或飲用水的電熱家電。目前市場(chǎng)上主要有電熱水器、太陽(yáng)能熱水器、燃?xì)鉄崴鞯热N。就我國(guó)的國(guó)情而言，太陽(yáng)能熱水器的使用受天氣影響較大，使用范圍較窄;燃?xì)鉄崴魇褂萌剂?，不環(huán)保;而電熱水器具有安全、無(wú)污染、使用方便、節(jié)能節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受消費(fèi)者的青睞。目前市場(chǎng)上的電熱水器分為兩種，即熱式和貯水式，前者用水浪費(fèi)較少，但由于功率太大，使用成本高，因此實(shí)際應(yīng)用較少;傳統(tǒng)的貯水式電熱水器控制功能不完善、精度低、可靠性差，僅能實(shí)現(xiàn)燒水和保溫功能，并且會(huì)造成大量能源浪費(fèi)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能電熱水器控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制，主要功能有水溫測(cè)量、用于人工設(shè)定參數(shù)按鍵、水溫顯示、控制電加熱管通斷電的功率控制單元、漏電報(bào)警及安保措施等。系統(tǒng)以ACTEL FUSION系列的AS600為控制核心，外接水溫，室溫傳感器和遠(yuǎn)程通訊控制設(shè)備，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中限流保護(hù)電路是為了避免傳感器絕緣層破損漏電或熱水器漏電對(duì)核心芯片造成損害。而整流電路是為了把移動(dòng)通訊的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為更容易被識(shí)別的高電平直流信號(hào)。水位傳感器為浮球傳感器，主要為系統(tǒng)提供5升和8升的水位信號(hào)以供確定注水時(shí)間。液晶顯示器用于顯示溫度、時(shí)間和用戶設(shè)置信息。四路驅(qū)動(dòng)分別用于驅(qū)動(dòng)加熱裝置和注水開關(guān)。功率放大器放大的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)音器發(fā)出水量過(guò)少的警告。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示及時(shí)鐘模塊、用戶信息與加熱時(shí)間計(jì)算模塊、水溫水位控制模塊四個(gè)大的模塊組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的功能主要是完成模數(shù)轉(zhuǎn)換以輸出較精確的溫度和是否有電話通知燒水的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四路驅(qū)動(dòng)的控制，包括ADC模塊、ADC配置模塊、ADC數(shù)據(jù)分離模塊、溫度變送器和遠(yuǎn)程控制響應(yīng)判斷模塊。ADC及其配置模塊完成對(duì)三路模擬信號(hào)的采樣，由數(shù)據(jù)分離模塊把各路數(shù)據(jù)分開，然后由溫度變送器傳出當(dāng)前精確的室溫和水溫，最后由遠(yuǎn)程控制響應(yīng)模塊判斷是否有遠(yuǎn)程控制通知的信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用TLC0831，使用LM358放大模擬信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大原理圖如圖3所示。

溫度傳感器測(cè)量電熱水器水箱的溫度變化，通過(guò)靈敏電阻將溫度變化變換為電信號(hào)輸送到測(cè)量電路，將信號(hào)放大到可以處理的信號(hào)，然后進(jìn)行ADC。ADC將連續(xù)的模擬量通過(guò)取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，將可處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)數(shù)字化是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)字近似。模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個(gè)過(guò)程。采樣是信號(hào)在時(shí)間上的離散化，按照一定的時(shí)間間隔在模擬信號(hào)上逐點(diǎn)采取瞬時(shí)值;量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào);編碼是將量化后的信號(hào)編碼成二進(jìn)制代碼輸出。

編碼后二進(jìn)制代碼傳輸給處理器。處理器對(duì)接收到信號(hào)與設(shè)定信號(hào)比較，采用PID控制方式進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱量的控制。當(dāng)設(shè)置溫度低于水箱內(nèi)溫度，根據(jù)溫度變化的速率，減少加熱量，當(dāng)設(shè)置溫度高于水箱內(nèi)溫度，增加加熱量。溫度傳感器將水箱內(nèi)的溫度變化經(jīng)ADC送到處理器，重新判斷下一步如何調(diào)節(jié)水溫。

2.2 顯示及時(shí)鐘模塊

顯示電路主要用來(lái)設(shè)定溫度、顯示溫度、顯示水位等功能，采用液晶顯示鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD顯示和接收鍵盤輸入信號(hào)。液晶顯示及鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片使用MSM6786驅(qū)動(dòng)芯片。電源由主控板提供，采用三線(DATA、LOAD、CLK)串行通行模式，最大限度地減少了LCD顯示、鍵盤板與主控電路連線的數(shù)目。DATA引腳為串口通訊端口，用于輸入控制命令和需要顯示的數(shù)據(jù)或者輸出鍵盤信號(hào);LOAD引腳用于輸入變換DATE引腳輸入/輸出狀態(tài)所需的脈沖信號(hào);CLK引腳用于輸入串口通訊的同步時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)的輸入或輸出都必須與時(shí)鐘型號(hào)的上升沿同步。當(dāng)按鍵狀態(tài)改變時(shí)，MSM6786自動(dòng)掃描輸入狀態(tài)，INT引腳的低電平信號(hào)變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)，向處理器請(qǐng)求外部中斷。電路圖如圖4所示。

時(shí)間模塊功能就是一個(gè)數(shù)字計(jì)時(shí)器，它由FPGA通過(guò)記錄基準(zhǔn)頻率的次數(shù)決定，主要包括時(shí)間設(shè)置和時(shí)間運(yùn)行計(jì)時(shí)兩個(gè)功能。

2.3 用戶信息模塊

用戶信息模塊主要完成用戶信息得設(shè)置、儲(chǔ)存和讀取并聯(lián)合時(shí)間模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)算與控制，包括用戶信息設(shè)置和RAM寫操作模塊、RAM模塊、信息讀操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和時(shí)間計(jì)算模塊。本模塊的實(shí)現(xiàn)方法為，信息設(shè)置模塊把用戶信息儲(chǔ)存在RAM內(nèi)，信息讀取模塊在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出加熱所需要的時(shí)間，并在加熱時(shí)間到來(lái)時(shí)，輸出有有效信號(hào)和當(dāng)前的有用信息給與控制模塊。

2.4 水溫水位控制模塊

水位控制包括]種水位狀態(tài)，根據(jù)不同輸出電平信號(hào)判斷水箱水位，然后根據(jù)比較語(yǔ)句判斷結(jié)果，執(zhí)行水位狀態(tài)程序，輸出相應(yīng)的操作控制信號(hào)，啟動(dòng)或者暫停執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。水位控制流程圖如圖5所示。

在常規(guī)PID的應(yīng)用中，P、I、D 3個(gè)參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定的，通過(guò)調(diào)試參數(shù)以改變控制性能。PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法結(jié)構(gòu)清晰，參數(shù)可調(diào)，算法簡(jiǎn)單高效，可在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際來(lái)調(diào)節(jié)比例、積分、微分3個(gè)參數(shù)來(lái)達(dá)到較好的控制效果，在溫度控制系統(tǒng)中被廣泛采用。PID控制系統(tǒng)原理如圖6所示。

完整的模擬PID算法表達(dá)式為：

(1)式中，u(t)為控制量，e(t)為偏差，即設(shè)定值與反饋值之差，Kp為比例常數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。PID算法的原理即調(diào)節(jié)Kp，Ti，Td3個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

FPGA對(duì)信號(hào)處理前，必須將(1)式數(shù)字化，當(dāng)采樣周期足夠短時(shí)，用累加求和替代積分、用向后差分代替微分，于是就得到差分方程：

式(5)即為數(shù)字PID算法公式。

Ziegler-Nichols(齊格勒-尼柯?tīng)査?參數(shù)整定它是在實(shí)驗(yàn)階躍響應(yīng)的基礎(chǔ)上，或者是在僅采用比例控制作用的條件下，根據(jù)臨界穩(wěn)定性中的Kp值建立起來(lái)的。當(dāng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)可以近似為帶延遲的一階系統(tǒng)：

齊格勒-尼柯?tīng)査菇o出了用表1中的公式確定kp、Ti、Td的值的方法。

用Ziegler-Nichols法則調(diào)整PID控制器，給出下列公式：

由電熱水器溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得：K=1.25，T=120秒，τ=122秒。

得Ti=2’=244秒，Td=61秒

根據(jù)齊格勒-尼柯?tīng)査箙?shù)調(diào)整法則得PID 3個(gè)參數(shù)為：

Kp=1.2T/τ=1.2 x 120/122=1.180 3

Ki=Kp/Ti=1.180 3/244=0.004 84

Kd=Kpx Td=1.180 3x61=71.998

由于FPGA不好處理浮點(diǎn)數(shù)，對(duì)離散信號(hào)作近似處理后得：

仿真時(shí)序如圖7：

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Actel Fuions FPGA的智能熱水器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水溫、水位的檢測(cè)和智能控制，能夠適時(shí)加熱從而達(dá)到保溫效果，還可以根據(jù)水位自動(dòng)上水，實(shí)現(xiàn)熱水器的智能控制。該系統(tǒng)也可用在太陽(yáng)能熱水器上用來(lái)實(shí)現(xiàn)水溫顯示和液位控制，具有體積小，成本低的特點(diǎn)。本系統(tǒng)不但自身具有很好的穩(wěn)定性，由于其使用PID算法實(shí)現(xiàn)加熱保溫控制，也使得整個(gè)家庭電力系統(tǒng)受其沖擊很小。本文的最大創(chuàng)新點(diǎn)在于可以預(yù)設(shè)時(shí)間、可以遠(yuǎn)程控制燒水、可以自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫和水位，這樣可以為家庭甚至國(guó)家節(jié)約很多能源和水資源。