太陽熱水器水位控制的EDA實現(xiàn)

　1??????? 引言

　　[1]目前，我國太陽能熱水器的產(chǎn)量和使用量均居世界首位[1][2]。隨著人們生活水平的提高，對太陽能熱水器的品質(zhì)要求越來越高。智能控制型太陽能熱水器越來越受到人們的歡迎。水位控制是智能控制型太陽能熱水器的基本功能之一，是實現(xiàn)“全自動控制”不可或缺的環(huán)節(jié)。所謂水位控制，是通過設定來實現(xiàn)太陽能熱水器水箱里缺水時自動補水、水滿時自動停水的功能。現(xiàn)有的控制方案多由水位傳感器根據(jù)缺水或滿水時發(fā)出的不同信號控制半導體器件的通斷，從而進一步控制繼電器、電磁閥的開合狀態(tài)，來進行補水與否。水滿后自動停水功能一般都能做到。但“缺水”的定義往往會造成用戶的使用不便。如把缺水定義為水箱無水，當晚上仍有少量余水時不能及時補水，會造成第二天用水不便；而若把缺水定義為一特定水位，則會在低于此水位用水時出現(xiàn)混水狀態(tài)[3]。

　　本文設計了一種新型的水位控制器，并采用了電子設計自動化（EDA）技術(shù)[4][5]，用目前廣泛應用的VHDL硬件電路描述語言，在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成開發(fā)環(huán)境下進行綜合、仿真，并下載到可編程邏輯器件EPF10K10TC144-3中，以實現(xiàn)控制功能。

　　2??????? 水位控制的主要功能

　　智能型水位控制要求補水及時且不影響正常使用。此處設計的智能化水位控制器可以實現(xiàn)水滿后自動停水、條件補水和強制補水及顯示、報警等功能。如圖1所示。

　　圖1? 水位控制示意圖

　　其中“水位”由水箱中的水位傳感器提供。分三個檔位：滿水水位、條件補水水位和強制補水水位。滿水水位用于實現(xiàn)水滿后自動停水功能；條件補水水位可設置在一定水位如半箱水，當水箱水位低于此設置（高于強制補水水位）時實現(xiàn)有條件補水：當用水指示位有效（正在用水）時禁止補水，否則予以補水；強制補水水位可設置為水箱無水（或設置在較低水位），此時實現(xiàn)強制補水功能。為使用方便，控制器提供報警、指示功能：補水時補水指示燈亮，用戶此時不能用水；水箱水位低于條件水位時發(fā)出提示音樂，此時用戶若想繼續(xù)間斷用水，可通過鍵盤設置“補水禁止”，這樣，即便不用水也不會補水，以便短時間內(nèi)仍有熱水可用，因此時有音樂提示，用戶可在用水完畢及時撤銷“補水禁止”位，為水箱補水；水箱水位到達強制補水水位而又被禁止補水時，發(fā)出報警信號，以便撤銷補水禁止位及時補水，防止水箱長時間缺水。

　　3??????? 水位控制器的VHDL代碼

　　VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)是IEEE工業(yè)標準硬件描述語言，是隨著可編程邏輯器件（PLD）的發(fā)展而發(fā)展起來的。這種用語言描述硬件電路的方式，容易修改和保存，且具有很強的行為描述能力，所以在電路設計中得到了廣泛應用。以下是描述水位控制的VHDL代碼。

　　LIBRARY IEEE;

　　USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

　　ENTITY bushui IS

　　??? PORT (ply,forbid : IN STD_LOGIC;???? --用水標示，用水禁止

　　????????????? level : IN INTEGER RANGE 0 TO 7;??? --水位

　　???? valve,alm,music : OUT STD_LOGIC;??? --補水電磁閥，報警，提示音樂

　　?????????????? fil_l : BUFFER STD_LOGIC);??? --補水指示燈

　　END bushui;

　　ARCHITECTURE behav OF bushui IS

　　BEGIN

　　PROCESS(ply,forbid,level)

　　? BEGIN

　　???? CASE forbid IS

WHEN '1' => valve <= '0';fil_l <= '0';??? --禁止補水

　　???????? IF level <= 3 AND level > 1 THEN

　　music <= '1';alm <= '0';??? --音樂提示水位低于條件補水水位

　　???????? ELSIF level <= 1 THEN

　　?alm <= '1';music <= '0';?? --水位低于強制補水水位報警

　　???????? ELSE music <= '0'; alm <= '0';?

　　?END IF;

　　????? WHEN '0' => alm <= '0';??????

　　???????? IF level = 7 THEN

　　valve <= '0';fil_l <= '0';music <= '0';? 水滿時停止補水

　　???????? ELSIF level<= 3 AND level > 1 THEN

　　alm <= '0';music <= '1';???? --音樂提示水位低于條件補水水位

　　valve <= not ply; fil_l <= not ply;? --不用水時予以補水

　　???????? ELSIF level <= 1 THEN

　　valve <= '1';fil_l <= '1';music <= '0';?? --強制補水

　　??????????? ELSE music <= '0'; valve <= fil_l;fil_l <= fil_l;

　　END IF;

　　????????? WHEN OTHERS => null;

　　??? END CASE;

　　? END PROCESS;

　　END behav;

　　代碼中，水位設為0～7八個級別，綜合后，水位以三位二進制碼表示，即最小可分辯的水位為滿水箱的八分之一。條件補水水位設定在“l(fā)evel= 3”，即半箱水；強制補水水位設定在“l(fā)evel= 1”，即滿水箱的八分之一。

　　4??????? 仿真結(jié)果

　　為了驗證設計的正確性，在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成開發(fā)環(huán)境下對以上代碼描述進行綜合、仿真，以下是該設計的仿真結(jié)果。

　　由圖2可以看出，forbid(用水禁止)具有強制性，不論水位在何位置，該位都可隨時停止補水；當該位被撤銷時，是否繼續(xù)補水則與當前水位有關(guān)：若低于補水水位則繼續(xù)補水（約1.0us、8.0us處），否則不予補水（約3.4us處）。forbid無效時，補水按預先設定正常進行：水箱水位低于強制補水水位時強制補水（約1.0us處），水位介于強制補水水位與條件補水水位之間時進行有條件補水（約5.25us~5.75us間），水滿則停止補水（約9.7us處）。補水指示燈fil_l與補水value一致。Music及時提供音樂提示。Alm在水位低于強制補水水位而又被禁止補水時發(fā)出報警（約0.2us~1.0us間）。可見，電路滿足了設計要求。

5???? 結(jié)語

　　該設計采用了用于電子產(chǎn)品設計中比較先進的EDA技術(shù)，該技術(shù)具有設計靈活、修改快捷、調(diào)試方便、研制周期短等優(yōu)點[4]，且設計出的電子產(chǎn)品具有高可靠性和較高的性能價格比，極具市場競爭力。如本設計中的設定水位的改變、水位級別的增多、報警方式的調(diào)整等均可以不需要硬件電路的支持而方便地直接從VHDL源程序中進行修改。本設計實現(xiàn)的智能型水位控制器，既可以單獨用以實現(xiàn)水位控制，也可以與其他太陽熱水器控制環(huán)節(jié)（如水溫控制）有機地結(jié)合為一個整體，構(gòu)成真正意義上的“全自動控制”太陽能熱水器，全天候為用戶提供熱水，克服了因補水帶來的使用上的不方便，讓使用太陽能熱水器成為一種享受，從而提高人們的生活質(zhì)量。