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(shè)計的首選，其內(nèi)部可嵌入8051單片機內(nèi)核，大大擴展了其應(yīng)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(shè)計的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、外圍元件少、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
太陽能熱水器的控制結(jié)構(gòu)是根據(jù)熱水器的上水通道與熱水通道設(shè)計的，包括閥門控制、傳感器的配置等。
1．1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)
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(guān)功能的控制與管理。完整的水循環(huán)結(jié)構(gòu)及其閥門、傳感器的配置如圖1所示。
通常，系統(tǒng)中的3個電磁閥為關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)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(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)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(shè)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(nèi)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(jìn)電機精確控制節(jié)流閥實現(xiàn)的，同時保證用戶設(shè)定的淋浴溫度要求。當(dāng)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(nèi)核為核心控制單元。由于8051內(nèi)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(shè)(定時器、 UART等)，所以只需將8051內(nèi)核移植到FPGA內(nèi)部就能搭建一個完整的8051單片機。內(nèi)核包括8051內(nèi)核網(wǎng)表、內(nèi)部RAM、單片機ROM和 PLL四個子模塊。
8051內(nèi)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(shè)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。
8051內(nèi)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(jìn)行智能檢測和顯示，經(jīng)單片機內(nèi)部運算與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，通過控制節(jié)流閥的角度來調(diào)節(jié)水流量，從而來保證淋浴水溫與用戶設(shè)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(dá)到設(shè)置水溫下限)，則控制繼電器啟動輔助加熱裝置；當(dāng)水溫達(dá)到加熱溫度上限時，則關(guān)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(guān)閉。
1．3 液位傳感器的設(shè)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(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。
圖3(a)中，H為鋁板總高度，h為液位高度。設(shè)板間距為l，鋁板的寬度為b。上下兩部分的介質(zhì)分別為空氣和水，等效電容為C1和C2分別為：
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。總電容C總為：
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(shè)計了一款方波發(fā)生器，用于實現(xiàn)水位-電容值-頻率的轉(zhuǎn)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：
這里，R1、R2均取為1．43 kΩ。
當(dāng)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(diào)節(jié)流量，需要控制節(jié)流閥。本文采用節(jié)流閥和步進(jìn)電機組成流量控制方案，通過控制步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)來控制節(jié)流閥的開啟角，從而控制流量。選用步進(jìn)電機驅(qū)動器BY一2HB03M，控制二相四拍步進(jìn)電機的步進(jìn)及正反轉(zhuǎn)。其驅(qū)動器接線如圖4所示。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)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(nèi)部嵌入 8051內(nèi)核完成。控制器軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(diào)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(hù)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(yù)置最低水位和最高水位，并根據(jù)時間系統(tǒng)預(yù)置自動上水時段。程序中設(shè)有計時器，檢測上水時的水位變化與上水時間關(guān)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。
2．2 淋浴溫度控制
淋浴溫度控制是熱水器控制器的關(guān)鍵，是舒適度的重要指標(biāo)。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(jìn)電機控制的增量式PID控制算法。其差分方程式如下：
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：
根據(jù)預(yù)置的溫度和采集的淋浴溫度進(jìn)行參數(shù)正定，確定PID參數(shù)q0、q1、q2，其調(diào)節(jié)方法可參考相關(guān)文獻(xiàn)。具體流程如圖6所示，實際的淋浴水溫可控制在設(shè)置溫度的上下2℃范圍內(nèi)。
結(jié)語
采用Actel公司usion系列的AFS600芯片，通過嵌入8051內(nèi)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(diào)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(guān)產(chǎn)品的不足，有一定的推廣和經(jīng)濟價值。本設(shè)計得到了 Actel公司、廣州致遠(yuǎn)電子有限公司及其武漢辦事處的資助和技術(shù)指導(dǎo)，在此特表感謝。