基于FPGA太阳能热水器智能控制器的设计

论文摘要

随着人民生活水平的提高以及公众环保意识的增强,家用太阳能热水器己走进了千家万户。可以说,太阳能热水器产品己成为中国可再生能源市场上需求量最大、发展最为迅速的产品之一。然而,目前我国市场上的太阳能热水器控制系统大多采用微控器芯片,这种系统功能单一,操作复杂,控制不方便,抗干扰能力差,而且不能够对水温进行良好的控制,即便具有辅助加热的功能,也常常会出现加热不足或过烧,这不仅会造成很大的安全隐患,还会浪费了大量的电能。基于上述原因,本文依据模糊控制算法,以FPGA芯片为主体,设计了一套具有太阳能加热与电加热结合的恒温模糊控制系统。这套系统具有以下优点:可以自定制指令、可在线修改硬件电路、外部扩展能力强、使用方便、开发周期短、开发费用低。本系统利用集成开发工具quartus、sopc、NIOS II IDE,采用自底向上的设计方法,从硬件和软件两部分对FPGA进行设计。硬件部分设计中,首先,设计了外围硬件电路模块,主要包括:温度检测模块、键盘输入模块、显示模块、A/D模块、FPGA模块、水位检测模块、上水控制、加热控制模块;其次,采用自下向上的设计方法,在FPGA内部设计了硬件电路模块,主要包括:定时模块,处理器模块,各种功能的输入输出模块,模糊控制模块,模糊查询模块;再次,对各个子模块进行功能与时序的仿真;最后,在顶层进行硬件系统整体优化设计。软件部分设计中,依照设计要求划分了几个功能模块,进行各个子模块设计。主要包括:模糊控制算法过程、模糊查询表格、以及模糊控制子程序以及键盘扫描子程序几部分。本文采取智能化控制技术对恒温控制系统进行改造,为建立精确数学模型的被控对象提供了一种有效方法,力求在满足经济性、实用性、科学性的条件下设计一套稳定、可靠的系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳能热水器的发展背景
• 1.2 太阳能热水器国内外发展现状
• 1.3 课题来源及研究主要内容
• 1.4 本课题主要研究方法及技术路线
• 1.5 本课题研究的目的及意义
• 1.6 本章小结
• 第二章 太阳能热水器系统
• 2.1 太阳能热水器的基本原理
• 2.2 太阳能热水器系统的结构
• 2.3 太阳能热水器电气控制
• 2.4 本章小结
• 第三章 硬件电路设计
• 3.1 硬件电路总体设计
• 3.2 硬件电路芯片的选型
• 3.2.1 FPGA 选用
• 3.2.2 IP 核的选用
• 3.2.3 处理器选用
• 3.2.4 片上系统总线选用
• 3.2.5 A/D 芯片的选型及接口设计
• 3.2.6 晶闸管的选型
• 3.2.7 显示器件的选型及接口设计
• 3.2.8 EPCS 的选型及接口设计
• 3.2.9 锁存器的选型及接口设计
• 3.3 FPGA 外部硬件电路的设计
• 3.3.1 温度测量电路的设计
• 3.3.2 水位检测电路的设计
• 3.3.3 上水控制电路的设计
• 3.3.4 加热控制的电路的设计
• 3.3.5 键盘电路的设计
• 3.4 FPGA 内部硬件电路的设计
• 3.4.1 FPGA 内部硬件电路结构
• 3.4.2 FPGA 内部硬件电路各模块分析
• 3.4.3 FPGA 内部各模块电路的设计
• 3.4.4 NIOS 系统的顶层设计
• 3.5 系统的可靠性设计
• 3.5.1 硬件抗干扰措施
• 3.5.2 软件抗干扰措施
• 3.6 本章小结
• 第四章 软件设计
• 4.1 软件设计需求和功能规划
• 4.1.1 软件设计需求
• 4.1.2 软件功能模块的划分
• 4.2 软件开发工具
• 4.2.1 NIOS II IDE
• 4.2.2 NIOS II IDE 开发流程
• 4.3 软件设计的流程
• 4.4 系统模块的软件设计
• 4.4.1 键盘模块
• 4.4.2 显示模块
• 4.4.3 温度检测模块
• 4.4.4 水位检测模块
• 4.4.5 上水模块
• 4.4.6 电加热模块
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 致谢
• 作者简介