毕业论文-基于FPGA的太阳能热水器智能控制系统设计与实现

1、大连东软信息学院本科毕业设计（论文）论文题目论文题目：基于FPGA的太阳能热水器智能控制系统设计与实现系 所： 电子工程系 专 业：电子信息工程（集成电路设计与系统方向） 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 导师职称： 讲师 完成日期： 2014年 4月 28日 大连东软信息学院Dalian 大连东软信息学院毕业设计（论文） 摘要 V基于FPGA的太阳能热水器智能控制系统设计与实现摘 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己经走进了千家万户，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

2、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。基于上述原因，采用以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。硬件设计中，主要包括：温度检测模块、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，并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。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

3、套稳定、可靠的系统。关键词：太阳能热水器，辅助电加热，自动转换，FPGA大连东软信息学院毕业设计（论文） AbstractThe Design and Implementation of Solar Water Heater Intelligent Control System Based on FPGAAbstractThe energy problem and environmental problem have drawn more attention of countries and people. The solar water heater which uses solar ene

4、rgy to produce hot water has already walked into thousands of households. And it was one of products which were with the most rapid development and the most mature technology in renewable energy market. However, current domestic solar water heater controller adopts microcontroller chip, achieve inst

5、ant heating shortcomings have single function, poor real-time performance, poor anti-interference ability and not the system.Based on the above reason, taking the FPGA chip as the main body, designing a set to have the solar heating and the electric heating union constant temperature fuzzy control s

6、ystem. This set of systems have the following merits: may had custom-made the instruction, the online revision hardware circuit to be possible, the exterior expansion ability to be strong, the easy to operate, the development cycle is short, the development cost is low.In the hardware design, includ

7、ing: temperature detection module, display module, A/D module, FPGA module, the water level detection module, water control, heating control module, and simulated in function and timing of all sub modules, and finally the integral optimization design of hardware system in the top.This paper reconstr

8、ucted the system of thermostatic control by adopting intellectual technology, the main task is that designing a system of reliable and steady Thermostatic control on condition that economical efficiency, practicability, Scientificalness. As the result of test, applying this system made the work tran

9、quilization and trustiness, arriving at a demand of high precision and short time.Key words: Solar heater, Auxiliary electric heating, Automatic conversion, FPGA大连东软信息学院毕业设计（论文） 目录目 录 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc387622353 h IAbstract PAGEREF _Toc387622354 h II第1章绪 论 PAGEREF _Toc387622355 h 11.1 太阳能热

10、水器的发展背景 PAGEREF _Toc387622356 h 11.1.1 太阳能热水器的政治与法律环境 PAGEREF _Toc387622357 h 11.1.2 太阳能热水器的社会经济环境 PAGEREF _Toc387622358 h 11.1.3 太阳能热水器的市场环境 PAGEREF _Toc387622359 h 11.2 太阳能热水器的发展现状 PAGEREF _Toc387622360 h 21.2.1 太阳能热水器的国内发展现状 PAGEREF _Toc387622361 h 21.2.2 太阳能热水器的国外发展现状 PAGEREF _Toc387622362 h 3第2

11、章太阳能热水器控制系统 PAGEREF _Toc387622363 h 42.1 课题来源及研究主要内容 PAGEREF _Toc387622364 h 42.2 课题研究的目的及意义 PAGEREF _Toc387622365 h 42.3 太阳能热水器的基本原理 PAGEREF _Toc387622366 h 42.4 太阳能热水器的系统结构 PAGEREF _Toc387622367 h 52.5太阳能热水器电气控制 PAGEREF _Toc387622368 h 6第3章太阳能热水器控制系统总体方案设计 PAGEREF _Toc387622369 h 73.1 系统整体方案设计 PAG

12、EREF _Toc387622370 h 73.2 温度测量设计 PAGEREF _Toc387622371 h 73.3 水位检测设计 PAGEREF _Toc387622372 h 83.4 显示模块设计 PAGEREF _Toc387622373 h 83.5 上水模块设计 PAGEREF _Toc387622374 h 93.6 电加热模块设计 PAGEREF _Toc387622375 h 9第4章系统硬件介绍及电路设计 PAGEREF _Toc387622376 h 114.1 关键性开发技术的介绍 PAGEREF _Toc387622377 h 114.1.1 FPGA及Quar

13、tus II的简介 PAGEREF _Toc387622378 h 114.1.2 FPGA的设计流程 PAGEREF _Toc387622379 h 124.1.3 ModelSim简介 PAGEREF _Toc387622380 h 134.1.4 Microsoft Office Visio PAGEREF _Toc387622381 h 144.1.5 开发板布局和组件 PAGEREF _Toc387622382 h 154.2 系统开发环境 PAGEREF _Toc387622383 h 164.3 系统任务的可行性分析 PAGEREF _Toc387622384 h 164.4 中

14、央控制芯片的选型 PAGEREF _Toc387622385 h 164.5 A/D芯片的选型及接口设计 PAGEREF _Toc387622386 h 174.5.1 A/D芯片选型 PAGEREF _Toc387622387 h 174.5.2芯片接口设计 PAGEREF _Toc387622388 h 174.6 显示终端选择及接口设计 PAGEREF _Toc387622389 h 174.6.1 显示终端选择 PAGEREF _Toc387622390 h 174.6.2 译码方式 PAGEREF _Toc387622391 h 184.6.3 芯片接口设计 PAGEREF _Toc

15、387622392 h 184.7 温度、水位传感器的选择和设计 PAGEREF _Toc387622393 h 184.7.1 温度传感器的选择 PAGEREF _Toc387622394 h 184.7.2 水位传感器的选择 PAGEREF _Toc387622395 h 194.8 加热控制的电路的设计 PAGEREF _Toc387622396 h 20第5章系统软件设计 PAGEREF _Toc387622397 h 215.1 软件设计需求 PAGEREF _Toc387622398 h 215.2 软件功能模块的划分 PAGEREF _Toc387622399 h 215.2.1

16、 显示模块 PAGEREF _Toc387622400 h 225.2.2 温度、水位检测模块 PAGEREF _Toc387622401 h 245.2.3 上水模块 PAGEREF _Toc387622402 h 265.2.4 电加热模块 PAGEREF _Toc387622403 h 27第6章结论与展望 PAGEREF _Toc387622404 h 296.1 结论 PAGEREF _Toc387622405 h 296.2 展望 PAGEREF _Toc387622406 h 29参考文献 PAGEREF _Toc387622407 h 30致 谢 PAGEREF _Toc387

17、622408 h 32大连东软信息学院毕业设计（论文）- 第1章绪 论1.1 太阳能热水器的发展背景1.1.1 太阳能热水器的政治与法律环境近年来，我国能源危机和环境污染问题日益严峻，清洁能源的开发利用受到了越来越多的重视。而我国太阳能资源特别丰富，有着非常大的利用价值空间，太阳热水器已经被列入国家重点推广项目。中华人民共和国可再生能源法于2006年1月1日施行，其中第十七条规定：国家鼓励单位、个人安装和使用太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能热水系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。今后，国家还将进一步出台一些有利政策来鼓励太阳能的推广应用。这些政策不仅为太阳热水器的生产和安装提供了有利的社

18、会法律环境，还为太阳热水器的推广应用提供了法律保障。1.1.2 太阳能热水器的社会经济环境近年来，中国经济飞速发展，人民的生活水平稳步提升。据预测，到2010年我国GDP将达到21.5万亿元人民币左右，人均GDP也将达到1900美元。从人们的收入水平来看，价格在15002500元的太阳热水器完全可以被绝大多数的中国家庭所接受，特别是在中国广阔的农村市场，尤其是先富起来的村镇，热水器已经成为了绝大多数居民家庭中必备的家庭用品之一。当越来越多的人开始关注环保问题时，绿色、环保、健康成为消费者购买商品时优先考虑的因素。而太阳热水器具有无污染、节能、环保、安全的特点。随着我国燃煤、电力、燃气等能源的日

19、趋紧张，能源价格不断攀升，人们对新能源的需求越来越迫切。我国有近13亿人口，3亿多家庭，太阳热水器的消费受到年龄因素的影响很小，已经成为大众化的家庭用品。1.1.3 太阳能热水器的市场环境太阳热水器产品类型主要分为真空管型、平板型和闷晒型三大板块类型。目前比较成熟的太阳热水器技术主要分为：壁挂式太阳热水器技术、分体式太阳热水器技术、承压式太阳热水器技术和太阳能热泵热水器技术，还有正在研究中的太阳能热水空调系统技术，当夏天不怎么需要热水时，利用太阳能热水器产的热水来带动空调制冷；而到冬天则利用太阳能热水器产的热水来给房间供暖或洗浴，这种高能高效的综合利用太阳能技术是今后的发展的趋势。中国的太阳能

20、热水器市场目前拥有良好的发展环境，处于产品周期的上升期，市场需求和潜在用户量迅速增长，因目前没有更好的替代品威胁，又有国家政策的扶持，太阳能热水器市场前景十分广阔。但是，目前国内的太阳能热水器行业准入门槛较低，导致生产厂家非常多，市场竞争异常激烈，大部分又是生产质量次、价格低廉的小作坊式生产企业，这也导致了许多消费者受到这种质量次、价格低的产品的危害，随着市场的不断成熟，这些小作坊式的企业将逐步被市场淘汰。而目前规模较大的企业中还没很好的产品品牌，没有形龙头企业带动不断竞争的格局。因此，中国的太阳能热水器企业想要立足于当前的市场状况，就必须注重科研技术的开发，在市场竞争中用不断革新技术的战略，

21、生产出高品质、高质量的产品满足用户的需求，这样才能拥有广阔的市场发展。1.2 太阳能热水器的发展现状1.2.1 太阳能热水器的国内发展现状中国的太阳能热水器市场发展非常迅猛，保有量和年生产能力居全世界第一。但主要产品以非承压单循环直插式真空管产品为主。中国的太阳能厂商生产的产品种类很多，为了追求全面，许多生产厂商不仅要生产水箱、支架还生产真空管。中国太阳能市场运作主要是以制造商发展经销商，以加盟连锁专卖形式销售产品。制造商不仅制造产品还负责市场及品牌的运作、工程安装和售后服务。中国的太阳能产品开发主要由各个厂商的技术部负责，各自为政。由于各个厂商的专业技术人员数量有限，导致了中国太阳能热水器的

22、利用没有大的突破。近年来，光伏产业在我国迅猛发展，从1970年后就开始开发利用家用太阳能热水器。到了1990年，太阳能热水器不仅为家庭、机关、旅社、医院等单位场所提供所需的热水，还可用于了农业种植、水产养殖、海水淡化等领域。随着科技的不断发展，太阳能热水器也在不断的改进，集热、贮热合一的产品正逐步改进为集热、贮热分开并已实现了全年运行，大大提高了太阳能的利用效率。目前，太阳能热水器是新能源技术领域中商业化程度最高，推广应用最广的技术产品之一。太阳能热水器技术发展：利用水箱自动上水，无须人工操作，特别适用于电力紧张的地区。当出现水压不足、停电上不了水等突发状况时，只要满足上水条件，它就能自动上水

23、，水满即停，可靠性高，使用寿命长。在智能化是方面，大多数厂商采用电脑线控式产品，线控的主要目是控制板可以与主机分离，便于操作。电脑控制能够实现更精确的温度控制和热水预约功能，具有自动记忆功能，能够记录使用者的用水时段、用水次数、用水量和用水温度，到时提前自动加热，充分的满足使用者用水的要求。在节能方面，各大厂商已经开始从产品高效率方面来革新技术，利用良好的保温技术，使热水能够更持久保持温度。例如：比力奇、前锋、西门子等品牌的双内胆结构，两个内胆相互连通，上下放置，下胆进冷水，上胆出热水，减少了热水与冷水的接触面，提高了热能的利用效率，节能节电。1.2.2 太阳能热水器的国外发展现状太阳能热水器

24、是一种清洁、环保、节能的产品。世界各国对太阳热水器的开发十分重视。各国纷纷制定太阳热水器技术产业的发展规划，大大地加速了该行业的发展。美国的“百万太阳能屋顶计划”、欧盟的“太阳热水系统热能供给保证体制”，这些措施的实施都带动大批相关工业的发展并取得了良好的效果。以色列是一个化石能源少而太阳能资源丰富的国家。政府对太阳能的开发利用进行直接干预。韩国，东南亚各国也制定了支持开发利用太阳能的优惠政策，纷纷吸引外资发展光伏产业。随着科学技术的进步，太阳能热水器也在不断改进。在政府的支持下，以色列85%的居民住宅都安装了太阳能热水器等光伏产品，美国也有130多万个游泳池装上了太阳能集热装置。太阳能热水器

25、在国外的应用：城市住宅的安装使用，适用不同用户需要的、满足各种建筑物结构和外观要求具有个性化的产品，满足各种行业的应用，如：餐饮、洗浴等对热水需求大的行业；在农牧业方面，可以将太阳能热水循环系统与沼气池结合起来，提高发酵温度和产气率，这些都会带来很好的经济效益。大连东软信息学院毕业设计（论文）第2章太阳能热水器控制系统本文通过对太阳能热水器进行基本原理、太阳能热水器电器控制、基于FPGA技术原理，设计出太阳能热水器的总设计方案，并对温度检测、水位检测、显示模块、上水和加热模块进行设计。2.1 课题来源及研究主要内容目前，市场上出现了许多太阳能热水器控制器，但大多数控制器存在着诸如性能不稳定，容

26、易产生误操作：温度、水位检测、控制误差大；显示器有时出现乱码；没有电辅助加热装置，即便具有辅助加热的功能，由于不能对加热时间进行良好的控制，常常会产生加热不足或过烧，从而浪费了大量的电能，给安全带来了隐患，这与为节能而使用太阳能热水器的初衷背径而驰。由此产生了本课题。本课题研究的主要内容：(1)在 FPGA 上进行太阳能热水器智能系统的设计。(2)进行其它硬件电路及软件的设计。(3)通过Verilog语言实现热水器智能控制。2.2 课题研究的目的及意义随着科学技术的不断进步，光伏产业的蓬勃发展，新型能源的前景十分广阔，太阳能热水器已走进了千家万户，但是在人们生活水平不断提高的同时，消费者的需求

27、越来越高，现有的太阳能热水器已经不能很好的满足消费者的需求。人们在关注产品质量的同时，越来越注重在使用过程中的方便性、安全性以及操作界面的人机互动。本课题设计的太阳能热水器智能控制系统主要有两个方面的目的：一方面，实现电加热与太阳能加热的自动转换。另一方面，实现水温智能控制，防止加热不足或温度过高。课题的研究意义也有两方面：一方面，节约化石资源，这些化石资源有限，不可再生，而太阳能是人类可利用最丰富的新型能源。另一方面，保护环境，节能减排。环境保护问题是目前世界上的主流话题，我国又是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭的大量开采利用，必然会造成大气等环境污染及生态破坏。这对人类的生存和可持续发

28、展构成了严重威胁。而太阳能是一种绿色能源，不会排放任何污染大气和其他类型环境的有害物，是与生态环境相协调的清洁能源。2.3 太阳能热水器的基本原理太阳能热水器就是利用太阳能加热冷水，并向外提供热水的装置。其基本工作原理是利用温室原理把太阳能转变为热能，然后利用这些转换得到的热能实现对冷水的加热。而温室原理是指，当相对密闭的环境里热辐射、热对流损失减少，热量快速大量的聚积，积聚的热量使温度逐渐升高的过程。具体来说，全玻璃真空管集热器内部覆盖了一层黑色的吸收体，所以当太阳光透过真空管玻璃进人密闭的集热器内部时，大部分能量被集热器保存，然后沿肋片和管壁传递给吸热管内的冷水。冷水加热后变轻而上升，自动

29、流入水箱上部，构成一个热虹吸系统，热水不断上移同时下循环管不断补充冷水。依照此过程周而复始，一段时间后蓄热水箱内的冷水就被加热到设定的温度。2.4 太阳能热水器的系统结构如图2.1所示，从总体结构上看，太阳能热水器系统由太阳能热水器和热水器控制器两个部分构成。其中，太阳能热水器又是通过太阳能集热器、蓄热水箱、辅助电加热装置、循环连接管道等部件构成。首先集热器将太阳能传递给传热工质实现太阳能到热能的转换，热能将集热器里的冷水加热成热水，集热器里的热水通过集热循环管道送入蓄热水箱里，同时通过供水管提供给用户。在控制系统中，补水电磁阀提供的自来水通过通过控制阀、控制仪等送至太阳能热水器，从而实现热水

30、器的自动化控制功能。而热水器的辅助电加热负责在太阳能不足的时候将蓄水箱的冷水加热到设定温度。图2.1 太阳能热水器系统结构框图集热器是太阳能热水器系统中的集热器件，实现热水器光热转换，它是利用太阳辐射的热量加热冷水，所以只能在有白天时候使用。国外以平板型集热器为主，平板集热器具有能源利用率高、稳定性高、可承压等优点。但由于其成本高、抗冷性能差、国产的性能不好等因素，目前我国市场上普及的是全玻璃真空管太阳能集热器。蓄热水箱是热水器中储存热水的装置，是太阳能热水器主要的储能设备由于太阳能热水器只能在有太阳光的白天工作，而人们白天工作所以晚上才是用热水的高峰期，所以有必要将白天产生的热水储存起来。一

31、般它包含最里面的内胆、中间的保温层以及最外面的外壳。支架是支撑集热器和蓄水箱的，一般要求结构牢固、不生锈、耐老化且使用寿命应达到20年。2.5太阳能热水器电气控制(1)对太阳能热水器水箱进行上水，使太阳能集热板处于满水状态，这时太阳能集热板工作。(2)自动上水。通过温度传感器实时收集太阳能集热板和太阳能蓄热水箱内的水温信号。通过信号转换，使温度的模拟信号转换成电压值的数字信号在控制电路中进行比较，当温度差值达到设定值时，控制器发出启动信号，启动循环水泵。将热水放入太阳能蓄水箱，冷水进入太阳能集热板。反之则循环泵停止工作，太阳能集热板正常加热。(3)太阳能热水器物理保护。当天气晴好时，由于太阳能

32、热水器可以正常进行工作，因此出于热水器合理化工作需求，太阳能热水器内水箱内的加热管停止工作，通过太阳能热水器正常物理加热就可以。当遇到阴天或者下雨天时，太阳能热水器失去了其本可以通过物理特性加热的功能，而由于热水器还要满足于人们生活或者工作的正常需求，因此本系统设置了电加热功能，通过用户对加热管进行上电加热，完成热水器水箱内水的加热，保证人们的恒温要求。(4)太阳能热水器系统中设置了四个按键，它们是用于温度和水位的显示切换按键，上水按键、加热按键、复位按键。第3章太阳能热水器控制系统总体方案设计本设计太阳能热水器预实现自动补水、补温控制，热水器防冻、防炸控制以及热水器即开即热等控制功能，所以将

33、整个系统划分为温度测量设计、水位检测设计、显示模块、上水模块设计、加热模块设计。控制系统可以用硬件或软件方式实现，目前市场上多采用二种设计方案。方案一：可以使用单片机完成控制、显示、键盘、检测等功能，成本比较低，是一种可选的方案但单片机内部电路结构固定不能更改，所以系统的扩展、升级等方面差，在电子行业发展迅猛的今天这是很重要的。方案二：可以使用FPGA实现控制功能。电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易的实现控制、新算法处理、显示、键盘、检测等功能。系统不仅具有较强的扩展能力和升级能力，而且系统设计周期短，开发费用低，系统的稳定性高，所以最终选用FPGA实现控制系统。3.1 系统整体

34、方案设计本文通过根据用户的合理需求，进行分析，设计一套基于FPGA为控制核心的系统，该系统通过太阳能水位、温度控制物理特性，分别设置了温度和水位控制单元、数码管显示温度、水位模块。温度加热、上水控制模块等对系统进行控制，如图3.1所示。图3.1 太阳能控制系统结构框图3.2 温度测量设计本文通过采用ADC0809对太阳能热水器采集的温度和水位对应输出的电压值进行模拟至数字的转换，ADC0808如图3.2所示，为8位有效位，传输速度为100k即可。图3.2 温度测量电路图3.3 水位检测设计水位检测设计，主要是通过水下压力传感器，对太阳能热水器水箱内的水位进行测量。该模块的设计必须保证测试的高精

35、度和高稳定性，从而当水箱内水位低于设定警戒水位时，打开上水阀门，完成上水功能，本系统设置了最低上水水位值为总水量的40%，低于此值，实现自动上水，水位测量示意图3.3所示。图3.3 水位测量示意图3.4 显示模块设计LED数码管显示的方式有两种：一种是静态显示方式，一种是动态显示方式。对于多位LED显示单元，通常是采用动态扫描的方法进行显示，即逐个的循环点亮各位显示器，这样不仅可以简化硬件电路，还可以显示更多的字符。由于人的眼睛具有延迟性，因此虽然数码管是逐一被点亮，但由于时间在毫秒级，速度太快，导致人们所看到是连续性显示，跟8个数码管一起显示效果是一样的。另外，本系统采用数码管共阳极动态扫描

36、显示。分为段控制和位控制模式。段控制模式，是控制数码管8个小数码管，也就是可以控制显示的具体内容。而位控制模式则是选择性点亮LED数码管，使其开始工作。3.5 上水模块设计这一功能模块要实现的是否进行上水和上多少水量的功能。首先要检测水箱中有多少水量，并用实际水量与设定水量进行比较，判断是否需要上水，如果水量不小于设定值即符合要求，系统则运行下一个功能模块；如果水量小于设定值，则运行上水模块对水箱实现上水。在上水模块运行过程中，实际水量实时与设定水量进行比较，直到水箱水量与设定水量相等停止上水，系统运行下一个功能模块。上水模块作为程序的一部分，上水流程如图3.4所示：图3.4 上水模块的设计流

37、程图3.6 电加热模块设计太阳能热水器利用太阳产生的热能在集热板对水进行加热，但是，也具有很大的局限性，由于早晚太阳辐射强度不恒定，水箱内温度波动性较大，当遇到阴雨雪天气或在夜晚是，不能达到用户要求，这就需要进行辅助电加热。本设计用寄存器的低两位作为控制位，当其值为00时，表示不进行电加热控制；当其值为11时，表示进行电加热控制。如图3.5所示，为电加热模块的流程。图3.5 电加热模块的流程图第4章系统硬件介绍及电路设计4.1 关键性开发技术的介绍4.1.1 FPGA及Quartus II的简介FPGA是一种带有可编程互连和逻辑功能的门阵列，采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Ar

38、ray），内部包括逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静

39、态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。市场上FPGA的主要器件供应商有Altera，Xilinx，Lattice，Actel等。在本设计中使用的FPGA是Altera的FPGA，因此下面我们将简要的介绍一下其相应的开发工具Quartos II特点：Quartus II是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图，VHDL，Verilog HDL等多种设计输入形式，内部自带有综合以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的整过设计流程。具有运行速度

40、快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。QuartusII第一次启动时出现的图形用户界面，如图4.1所示：图4.1 Quartus II图形界面4.1.2 FPGA的设计流程一般来说，基于FPGA芯片来设计和开发数字通信系统都有一个通用的设计流程。具体流程图如图4.2所示：图4.2 FPGA设计流程图4.1.3 ModelSim简介ModelSim是作FPGA设计的RTL级和门级电路仿真的首选，采用直接优化的编译技术和单一内核仿真技术，具有编译速度快，编译的代码与仿真平台无关，便于保护IP核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段。支持VHDL和Verilog语言的IEEE

41、标准，支持C/C+功能调用和调试，被认为是业界最优秀的HDL语言仿真器。其主要特点为：RTL和门级优化，本地编译仿真速度快；单内核VHDL和Verilog混合仿真；源代码模版和助手，项目管理；集成了性能分析、波形比较、代码覆盖等功能。ModelSim的最大特点是其强大的调试功能，可以迅速追踪到产生不定或者错误状态的原因；性能分析工具帮助分析性能瓶颈，加速仿真；代码覆盖率检查确保测试的完备。通过Modelsim开发工具进行仿真，其基本步骤为：建立Modelsim库：(1)启动Modelsim。(2)更改当前的目录为要仿真文件所在的路径。(3)创建工作库。编译源代码：(1)打开源文件编译窗口。(2

42、)在源文件编译窗口中选择要编译的源文件，然后编译源文件。(3)若编译无误，则单击Done按钮，关闭源文件对话框。启动仿真器：双击work库下面双击单元的激励源文件就可以加载设计仿真了。执行仿真：(1)在Models im的主窗口中选择View菜单下All Windows命令，打开所有的Modelsim窗口。(2)在信号窗口中使用菜单Add中的Wave项里面的Signals in Region命令，将所有层次信号添加到波形窗口。(3)在波形窗口单击“运行”按钮，进行仿真并观察显示的仿真波形。Modelsim具有良好的交互图形界面，可以根据作用的不同分为主用户界面、结构界面、源程序界面、信号界面、

43、进程界面、变量界面、数据流界面、波形界列表界面等。主用户界面，是整个交互图形界面的所有其他界面运行的基础，如图4.3所示：图4.3 Modelsim主界面4.1.4 Microsoft Office VisioOffice Visio是一款功能强大的绘图软件，对于IT和商务专业人员就复杂信息、系统和流程进行可视化处理、分析和交流。Microsoft Office Visio能创建具有专业外观图表，能记录分析信息、数据、系统和过程。Visio与其他图形软件相比具有更高的可视性与直观性，并且操作简单对使用者无技能基础要求。应用此软件，可以绘制多钟图表，包括组织结构图、日程表、日历和甘特图。在进行项

44、目设计过程时，通过Visio可以方便快捷的完成系统框图、流程图和状态机等各种图形的绘制工作，是学习、工作人员拥护的优秀绿色软件。该软件具有标准图标，可以使用现有的数据生成各种标准图标，如组织结构图、日程表、日历等。并且自带帮助文件Office Visio 2007便于IT和商务专业人员就复杂的信息、系统和流程进行可视化操作，通过这种图标，可以促进对系统以及流程的深入认知。最为客观的是，Office Visio 2007具有两个独立的版本：professional与standard两个版本。虽然他们的基本功能一致，但是professional版本包含的功能模块在standard版本里都有。不想其

45、他软件，Office Visio 2007可以通过编程或跟其他程序集成的方式拓展，用以满足不同情况下的需求。这一功能使得软件更具人性化，受到广大软件工作者的爱好。在Visio 2007的软件开发工具包（SDK）中，有可以满足人们需要的各种自定义应用程序开发示例、工具和文档，同时提供了普遍适用的可重用函数、类和过程，而且支持多种语言开发，其中就包括了Microsoft Visual Basic、Visual Basic.NET、Microsoft Visual C#.NET和Microsoft Visual C+。4.1.5 开发板布局和组件DE2-115开发板拥有能够为用户实现广泛设计的特征，

46、包括从简单的设计到各种多媒体电路的设计。图4.4 DE2-115开发板Altera配置芯片-EPCS64 板上USB Blaster下载电同时支持JTAG模式和AS模式 2MBSRAM 2片64MB SDRAM 8MB闪存 SD卡插槽 4个按钮开关 18个动开关 18个红色LEDs 9个绿色LEDs 50MHz晶振提供给时钟源4.2 系统开发环境 硬件配置：320GB硬盘；3GB内存；1.8GHz英特尔CPU操作系统：Windows7 旗舰版编程语言：Verilog HDL（硬件描述语言）软件环境：Quartus II 12.1、ModelSim6.54.3 系统任务的可行性分析太阳能热水器智

47、能控制系统的设计与实现采用Verilog编写，根据EDA工具自动生成。要设计完成该项目需要懂得数字电路，SoC，高级数字系统设计与验证，硬件编程语言等软硬件相关知识。并且，能够较为熟练的使用Visio，Xilinx ISE，ModelSim，Quartus II等硬件设计及仿真验证相关软件工具，然后要对各种比赛赛制有一定了解与清晰的设计思路，并具备相应的开发器件与设备。4.4 中央控制芯片的选型FPGA是可编程门阵列的意思，它的英文全称为Field Programmable Gate Array。它的出现可以说是将可编程控制器提高到了一个新的时代和标准水平。FPGA最基本的单元是LED，一个L

48、ED包括了四个输入LUT，每个LUT有四个地址线和1个RAM，主要的典型的特点是实现门电路运行和数据的存储，完成系统控制功能。本项目结合太阳能热水器实际工作需要，采用了cyclone II器件的 EP2CF484C6 芯片。该芯片足可以满足太阳能热水器控制器的实际需求。cyclone II器件的EP2CF484C6芯片不仅可以采用查表技术，还就有整合功能，常用功能的硬核模块。如图4.5所示，为FPGA内部单元图。图4.5 EP2CF484C6内部单元图4.5 A/D芯片的选型及接口设计4.5.1 A/D芯片选型本系统采用AD，它的功能是将热水器内温度和水位模拟量转换对应的数字量，即处理器系统只

49、能识别二进制数据，传送给系统控制单元。ADC0809芯片的技术指标内容如下：具有8路模拟量输入通道。 = 2 * GB3 分辨率为8位。 = 3 * GB3 模拟输入电压范围05伏。 = 4 * GB3 使用5V电源，转换时间为100s。 = 5 * GB3 有转换起停控制。 = 6 * GB3 转换温度4085；4.5.2芯片接口设计下面对ADC0809与EP2C5F256C6的接口电路进行介绍，ADC0809的START，ALE引脚，分别为开始工作和地址锁存有效功能。AD0809转换器的地址锁存器将ADDA，ADDB，ADDC所组成的有效地址信号锁存起来。在ADC0809的START引脚下

50、降沿有效时，实现模拟数据转换，并输出对应的数字信号。当ADC0809完成所有转换时，此时ADC0809的EOC引脚会自动置高电平，传送给FPGA引脚，告诉CPU控制器 ，ADC0809将模拟量转换完毕，请将数据取走，此时，控制器取走ADC0809生成的数据，完成数据采集。图4.6 FPGA 与 ADC0809 接口简图4.6 显示终端选择及接口设计4.6.1 显示终端选择显示模块采用7段LED数码管。通过8个条状发光二极管控制和对应的字模表进行查找，显示出系统所要显示的数字。在设计中使用4个7段LED数码管。在设计中，采用了LED的共阴极接法，共阴极LED数码管的发光二极管的阴极共地，当二极管

51、的阳极电压为高电平时，二极管发光。4.6.2 译码方式本系统是通过软件译码方式，将太阳能热水器的温度值和水位值显示在数码管上的，是通过软件译码程序来得到要显示的字符的字段码。由于使用FPGA芯片，在FPGA内部构建硬件电路，不会增加成本。故本设计采用硬件译码。4.6.3 芯片接口设计系统需要4位LED显示器，分别对实际水位和实际水温(各使用2位LED)进行显示。在系统设计中，我们选取8个引脚对应设计图引脚7LED_Da7LED_Dh,选取8个引脚对应设计图引脚7LED_C07LED_C7，完成数码管的工作开启和内容显示功能，EP2C5F256C6与LED数码管芯片接口设计如图4.7所示：图4.

52、7 LED数码管接口图4.7 温度、水位传感器的选择和设计4.7.1 温度传感器的选择本系统通过网上资料查询和在淘宝网上多家淘宝店查找相关温度传感器，发现市场上的水下温度传感器种类不是很多。因此，结合系统自身需求和测试可靠性要求较高等因素，我们选用铂传感器pt100。由于铂电阻的测试稳定性较高、其相应的阻值对应温度值的变化很小，因此对应测得后的电压值稳定性、精确度比较高。Pt100温度传感器采集太阳能水箱内水的温度值，输出对应的电压值，范围在02.5V，具体实物见图4.8所示。图4.8 pt100温度传感器实物图如图4.7所示，Pt100温度传感器主要是通过两个用来测量温度差的子传感器组成，通

53、过两个传感器的温度差，实现温度变量之间的函数相关性。4.7.2 水位传感器的选择Water Sensor水位传感器是是一款防水、稳定性、精确度较高的水位检测传感器，该传感器主要是通过平行导线线迹完成水量的判断，从而实现太阳能热水箱内水位的判断，实现模拟电压值的输出，通过FPGA控制器的读取和控制，实现水位显示和报警的功能，如图4.9所示。图4.9 水位传感器水位传感器规格参数：产品名称：水位传感器工作电压：DC3-5V工作电流：小于20mA传感器类型：模拟检测面积：40mm16mm制作工艺：FR4双面喷锡工作温度：10-30工作湿度：10%-90%无凝结产品重量：3.5g产品尺寸：62mm20

54、mm8mm4.8 加热控制的电路的设计太阳能热水器水温加热模块，主要是通过加热电阻丝来完成的。系统通过控制大功率交流元件组成相应的控制电路，通过功率放大元件利用220V的交流电来实现对水温的加热，电路如图4.10所示。实现太阳能热水器的加热控制。图4.10水温加热电路图大连东软信息学院毕业设计（论文）第5章系统软件设计5.1 软件设计需求软件设计是太阳能热水器系统的设计主要部分也是重要部分。因此，确定太阳能热水器的工作控制原理，搞清楚系统需求分析要求，才能设计出合理的软件流程。在热水器实际应用中，当阳光充足时，热水器会利用太阳能将蓄水箱内的水加热到系统设计的给定温度，控制器将不启动辅助加热装置

55、。当遇到阴天或者下雨天，太阳能热水器为了保证输出恒温热水，系统自动打开加热管加热阀门，将热水器内水加热到预设定温度。这样，热水器不论在什么样的天气里，都能够向用户提供设定温度的热水。另外，系统还设定有自动上水功能。但热水箱内的水量低于警戒温度量时，则系统自动上水，水位数据实时显示在数码管上。5.2 软件功能模块的划分整个太阳能控制系统按照系统功能需求，主要为采集太阳能水箱里水的温度和容量，通过比较水箱内水的温度和水的容量警戒值，控制水箱内上水阀门和加热管工作，达到整个太阳能热水器水箱内水的恒温和适度水量的一个平衡，如图5.1所示：图5.1 太阳能热水器FPGA设计RTL级框图太阳能热水器的智能

56、控制器的软件设计，根据其系统功能分为显示模块，水位检测模块，温度检测模块，上水模块，电加热模块，在各个程序模块连接成一个完整的程序进行数据采集、显示和控制。本节对各个模块之间的数据传输，进行介绍：1数据采集部分：该部分主要由shuju_caiji模块来实现，主要通过AD_CS,AD_CLK引脚使能AD模拟数字转换器，让其按照要求通过ad_data引脚转换采集温度和水位传感器后传输到AD的电压，通过AD转换器将模拟电压信号转化成对应的数字电压信号，通过readdata_shuiwei,readdata_wendu引脚，传输给下级显示控制模块。2显示部分：该部分主要由shuiwei_weindu_

57、xianshi模块来实现。主要将太阳能热水器箱内水温度值和水位值进行显示。Choice模块主要是用来显示温度和水位值的一个切换作用，通过irq_shuiwei,irq_wendu引脚，控制显示内容。而shuiwei_weindu_xianshi模块的seg_data7:0,seg_com7:0决定了显示数据的内容。 3阀门控制部分：该部分分为wendu_control,shuiwei_control两个模块，主要是根据太阳能热水器水箱内温度和水位的不同值，来进行控制。如果低于警戒温度和水位，通过wendu_control,shuiwei_control引脚，开启加热管和上水阀门，对热水器内进行

58、温度加热或者上水措施，实现太阳能热水器的智能化控制系统时钟信号的仿真，如图图5.2所示：图5.2 时钟信号的仿真图5.2.1 显示模块该模块主要完成将实际水位和温度进行显示，实际水位和温度是测量获得的数值。但无论是水位还是实际温度在 FPGA 中都是以十进制数的方式进行数据处理和比较，比较后的数据，通过数码管显示字模表转化，输出对应的显示数字，在系统实现时，通过转换开关实现对温度和水位显示的切换，如图5.3所示：图5.3 热水器水位、温度显示端口框图显示模块的程序：always (negedge reset_n or posedge clk)beginif(!reset_n)begindata

59、in0=8b00000000;datain1=8b00000000;datain2=8b00000000;datain3=8b00000000;datain4=8b00000000;datain5=8b00000000;datain6=8b00000000;datain7=8b00000000;end else if(!write_n)begin writedata_r = writedata*12d2500/13d4096;datain0=writedata_r%4d10;datain1=writedata_r/4d10%4d10;datain2=writedata_r/7d100%4d10

60、;datain3=writedata_r/10d1000%4d10;if(datain32) begin red_control=0; endelse begin red_control=1; endendend显示模块的仿真，如图图5.4所示：图5.4 显示模块的仿真图5.2.2 温度、水位检测模块温度检测模块是用来采集太阳能热水器内水的水位和温度。而采集太阳能热水器内的水位和温度需要AD模拟数字转换器来完成，具体模块见图5.5所示：图5.5热水器水位、温度采集模数转换端口框图检测模块的程序：module shuju_caiji (AD_CS,AD_CLK,irq,readdata_shui