太陽(yáng)能熱水器水位自動(dòng)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p>　　太陽(yáng)能熱水器水位自動(dòng)控制系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　太陽(yáng)能熱水器，作為三大熱水器之一，因其無(wú)污染，使用方便，長(zhǎng)期投入成本低等特點(diǎn)，而越來(lái)越受到人們的青睞，其使用已相當(dāng)普及。但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開(kāi)發(fā)階段。目前，市面上已有很多太陽(yáng)能熱水器的控制器具有溫度和水位的顯示功能，并且很多通過(guò)溫度傳感器以

2、及安裝電磁閥進(jìn)行電輔助加熱，已經(jīng)能解決水溫的自動(dòng)控制。然而，在水位自動(dòng)控制的方面依然不是那么完美，在很多時(shí)候，消費(fèi)者在使用的過(guò)程中，往往會(huì)因水箱中水量不足并且不知情的情況下洗澡時(shí)遭受到突然沒(méi)水的尷尬場(chǎng)面，從而影響人們的心情，生活和正常的工作。本設(shè)計(jì)通過(guò)利用溫度傳感器和液位傳感器的結(jié)合，使我們理想中的既能自動(dòng)控制溫度，也能自動(dòng)控制水位，溫度和水位利用開(kāi)關(guān)按扭轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能熱水器實(shí)現(xiàn)，方便廣大消費(fèi)群眾。</p><p>

3、;　　關(guān)鍵詞: 太陽(yáng)能熱水器;水位;自動(dòng)控制</p><p>　　The automatic control system of water level for Soler Water Heater</p><p><b>　　Abstrct</b></p><p>　　Solar water heaters, as

4、 one of the three water heaters, because of its clean, easy to use, low cost long-term investment, more and more people of all ages, their use has become quite common. However, accompanying the supporting controller stil

5、l has been in research and development stage. At present, there are already many solar water heater controller with temperature and water level display, and many through the temperature sensor and solenoid valves were in

6、stalled auxiliary electric heating, h</p><p>　　Keywords: Soler Water Heater; water level;automatic control</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要………………………………………………………………………………

7、……………1</p><p>　　Abstrct……………………………………………………………………………………………1</p><p>　　第一章 緒論…………………………………………………………………………………5</p><p>　　1.1太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展背景5</p><p>　　1.1.1太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的政治法律環(huán)境5

8、</p><p>　　1.1.2太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境5</p><p>　　1.1.3太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的社會(huì)文化環(huán)境5</p><p>　　1.1.4太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的技術(shù)環(huán)境5</p><p>　　1.2太陽(yáng)能熱水器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀6</p><p>　　1.2.1國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀6</p>

9、<p>　　1.2.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r7</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容8</p><p>　　1.4本課題研究的目的及意義8</p><p><b>　　1.5本章小結(jié)9</b></p><p>　　第二章 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)……………………………………………………………………..10&l

10、t;/p><p>　　2.1太陽(yáng)能熱水器的基本原理10</p><p>　　2.2太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)10</p><p>　　2.3太陽(yáng)能熱水器電氣控制11</p><p>　　2.4本章小結(jié)11</p><p>　　第三章 傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用…………………………………………………………………..12<

11、/p><p>　　3.1傳感器的特點(diǎn)、作用12</p><p>　　3.1.1傳感器電子學(xué)的特點(diǎn)12</p><p>　　3.1.2傳感器的重要作用13</p><p>　　3.1.3傳感器技術(shù)的展望13</p><p>　　3.2傳感器的特性14</p><p>　　3.2.1傳感器的靜

12、態(tài)特性14</p><p>　　3.2.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性18</p><p>　　3.3 信號(hào)處理方式19</p><p>　　3.3.1特性補(bǔ)償20</p><p>　　3.3.2運(yùn)算處理21</p><p>　　3.3本章小結(jié)21</p><p>　　第四章 硬件組成及電路

13、設(shè)計(jì)………………………………………………………………..22</p><p>　　4.1硬件電路總體設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.2硬件電路芯片的選型23</p><p>　　4.2.1 FPGA選用23</p><p>　　4.2.2 IP核的選用24</p><p>　　4.2.3處理器選用25&l

14、t;/p><p>　　4.2.4 A/D芯片的選型及接口設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.2.5顯示器件的選型及接口設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.2.6 EPCS的選型及接口設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2.7鎖存器的選型及接口設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.3 FPGA外部硬件電路的設(shè)計(jì)31</

15、p><p>　　4.3.1溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.3.2水位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.3.3上水控制電路的設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.3.4加熱控制的電路的設(shè)計(jì)34</p><p>　　4.3.5鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)35</p><p>　　4.4

16、 FPGA內(nèi)部硬件電路的設(shè)計(jì)35</p><p>　　4.4.1 FPGA內(nèi)部硬件電路結(jié)構(gòu)35</p><p>　　4.4.2 FPGA內(nèi)部硬件電路各模塊分析36</p><p>　　4.4.3 FPGA內(nèi)部各模塊電路的設(shè)計(jì)37</p><p>　　4.5系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)40</p><p>　　4.5.1硬

17、件抗干擾措施40</p><p>　　4.5.2軟件抗干擾措施41</p><p>　　4.6本章小結(jié)42</p><p>　　第五章 軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………..43</p><p>　　5.1軟件設(shè)計(jì)需求43</p><p>　　5.2軟件功能模塊的劃分43&l

18、t;/p><p>　　5.3系統(tǒng)模塊的軟件設(shè)計(jì)43</p><p>　　5.3.1鍵盤(pán)模塊43</p><p>　　5.3.2顯示模塊48</p><p>　　5.3.3溫度檢測(cè)模塊49</p><p>　　5.3.4水位檢測(cè)模塊52</p><p>　　5.3.5上水模塊53</

19、p><p>　　5.3.6電加熱模塊54</p><p>　　5.4 本章小結(jié)56</p><p>　　總結(jié)………………………………………………………………………………………………..57</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………………..58</p><p>　　致謝

20、………………………………………………………………………………………………..61</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展背景</p><p>　　1.1.1太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的政治法律環(huán)境</p><p>　　近年來(lái)，為緩解我國(guó)能源危機(jī)及環(huán)境污染問(wèn)題，新能源和可

21、再生能源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到重視。而我國(guó)太陽(yáng)能資源極為豐富，有很大的利用價(jià)值空間，太陽(yáng)熱水器已被國(guó)家列為重點(diǎn)推廣的項(xiàng)目?！吨腥A人民共和國(guó)可再生能源法》已于2006年1月1日施行，其中第十七條規(guī)定：國(guó)家鼓勵(lì)單位和個(gè)人安裝和使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、太陽(yáng)能供熱采暖和制冷系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽(yáng)能利用系統(tǒng)。今后，國(guó)家還將出臺(tái)一些有利政策來(lái)鼓勵(lì)太陽(yáng)熱水器的推廣應(yīng)用。這些不僅為太陽(yáng)熱水器的生產(chǎn)與安裝提供了一個(gè)很有利的政治法律環(huán)境，而且為太陽(yáng)熱水器

22、的推廣應(yīng)用提供了法律保障。</p><p>　　1.1.2太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境</p><p>　　在最近20年，中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人民逐漸富裕起來(lái)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年我國(guó)GDP將達(dá)到21.5萬(wàn)億元左右，人均GDP將達(dá)到1900美元。從人們的收入來(lái)看，價(jià)格為1500～2500元的太陽(yáng)熱水器完全可以成為大多數(shù)中國(guó)居民的家用耐用品之一，尤其是在中國(guó)廣闊的農(nóng)村市場(chǎng)，特別是先富起來(lái)的小城鎮(zhèn)

23、。</p><p>　　1.1.3太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的社會(huì)文化環(huán)境</p><p>　　隨著人們生活水平的提高，熱水器已成為大部分居民家庭中的必備家用耐用品之一。近年來(lái)，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注環(huán)境污染，綠色、環(huán)保、健康成為消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)商品時(shí)的重點(diǎn)考慮因素。太陽(yáng)熱水器無(wú)污染、節(jié)能、環(huán)保、安全。隨著我國(guó)煤電氣等能源的日趨緊張，價(jià)格不斷調(diào)高，人們對(duì)太陽(yáng)熱水器的需求越來(lái)越迫切。我國(guó)有近13億人口，3億多

24、家庭，而太陽(yáng)熱水器的消費(fèi)受年齡層次的影響很小，是大眾化的家庭耐用品。</p><p>　　1.1.4太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的技術(shù)環(huán)境</p><p>　　太陽(yáng)熱水器產(chǎn)品類(lèi)型主要有真空管型、平板型和悶曬型三大類(lèi)型技術(shù)板塊。目前比較先進(jìn)的太陽(yáng)熱水器技術(shù)有分體式太陽(yáng)熱水器技術(shù)、壁掛式太陽(yáng)熱水器技術(shù)、承壓式太陽(yáng)熱水器技術(shù)、太陽(yáng)能熱泵熱水器，還有正在研究中的太陽(yáng)能熱水空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，夏天在不太需要熱水的時(shí)候

25、，利用熱水器產(chǎn)的熱水帶動(dòng)空調(diào)制冷，冬天利用熱水器產(chǎn)的熱水供暖或洗浴，這種高效率的綜合利用太陽(yáng)熱水器的技術(shù)是今后發(fā)展的趨勢(shì)。從政治法律環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)文化環(huán)境、技術(shù)環(huán)境幾個(gè)方面綜合分析來(lái)看，中國(guó)太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)目前具有良好的發(fā)展環(huán)境，處于產(chǎn)品生命周期的成長(zhǎng)期，市場(chǎng)需求量和潛在用戶迅速增長(zhǎng)，目前沒(méi)有新的替代品的威脅，又有國(guó)家政策的鼓勵(lì)，市場(chǎng)前景十分廣闊。但是，目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家很多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，大部分是生產(chǎn)質(zhì)次價(jià)低的小作坊式的生產(chǎn)

26、企業(yè)，許多消費(fèi)者也意識(shí)到了這種質(zhì)次價(jià)低的產(chǎn)品的危害，隨著市場(chǎng)的成熟，這些小企業(yè)將逐步被淘汰。而目前實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)中還沒(méi)有占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的品牌，沒(méi)有形成寡頭壟斷競(jìng)爭(zhēng)的格局。因此，中國(guó)太陽(yáng)能熱水器企業(yè)立足目前這種市場(chǎng)狀況，注重科研技術(shù)開(kāi)發(fā)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中采取技術(shù)領(lǐng)先的差異化戰(zhàn)略，生產(chǎn)出高質(zhì)量的滿足用戶需要的產(chǎn)品，必將有廣闊的</p><p>　　1.2太陽(yáng)能熱水器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　

27、1.2.1國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　中國(guó)的太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)發(fā)展很快，總的保有量和年生產(chǎn)能力世界第一。但主要是以真空管直插式的簡(jiǎn)易產(chǎn)品為主，工程也以非承壓?jiǎn)窝h(huán)為主。中國(guó)的太陽(yáng)能廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品很多，追求全面，主要生產(chǎn)廠家不僅生產(chǎn)水箱、支架還生產(chǎn)真空。中國(guó)太陽(yáng)能市場(chǎng)運(yùn)作主要是以制造商發(fā)展經(jīng)銷(xiāo)商，以專賣(mài)店形式銷(xiāo)售產(chǎn)品。制造商不僅制造產(chǎn)品還負(fù)責(zé)市場(chǎng)及品牌運(yùn)作、工程安裝和售后服務(wù)。中國(guó)的太陽(yáng)能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)主要由各個(gè)制造

28、廠的技術(shù)部負(fù)責(zé)，各自為政，包括工程系統(tǒng)應(yīng)用也是如此。由于各個(gè)廠所能聘用的專業(yè)研發(fā)人員數(shù)量和質(zhì)量有限，導(dǎo)致了中國(guó)太陽(yáng)能的利用沒(méi)有大的突破。近年來(lái)，太陽(yáng)能熱水器在我國(guó)迅猛發(fā)展，從20世紀(jì)70年代后期就開(kāi)始了開(kāi)發(fā)家用太陽(yáng)能熱水器。到20世紀(jì)90年，它不僅可為家庭和機(jī)關(guān)、旅社、醫(yī)院等提供洗澡、洗衣、炊事等所需熱水同時(shí)還可用于空調(diào)、干燥、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海水淡化等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽(yáng)能熱水器也隨之不斷改進(jìn)，由集熱和貯熱合為一體逐步改進(jìn)為

29、集熱和貯熱部分分開(kāi)，采用先進(jìn)的太陽(yáng)能集熱器，先進(jìn)的保溫材料和冬季防凍技術(shù)及其他輔助裝置等。現(xiàn)如今生產(chǎn)的先進(jìn)的太陽(yáng)能熱水器已實(shí)現(xiàn)了全年運(yùn)行，大大提高了太陽(yáng)能熱水器的熱效率和利用效率。目前，太</p><p>　　1.2.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 太陽(yáng)能熱水器是一種清潔，

30、環(huán)保，節(jié)能的產(chǎn)品。世界各國(guó)對(duì)太陽(yáng)熱水器的開(kāi)發(fā)十分重視。各國(guó)紛紛制定太陽(yáng)熱水器技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，大大地加速了該行業(yè)的發(fā)展。美國(guó)的“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”實(shí)施將帶動(dòng)大批相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。歐共體提出了“太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱能供給保證體制”，以合同的形式對(duì)用戶實(shí)現(xiàn)供熱水的承諾。先后在法國(guó)、西班牙和德國(guó)加以實(shí)施，已取得了良好的效果。以色列是一個(gè)化石能源資源較少而太陽(yáng)能資源十分豐富的國(guó)家。政府對(duì)太陽(yáng)熱水器的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了直接干預(yù)。韓國(guó)，東南亞各國(guó)也制定了支

31、持開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)熱水器的優(yōu)惠政策，紛紛吸收外資到本國(guó)開(kāi)辦太陽(yáng)能企業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽(yáng)能熱水器也隨之不斷改進(jìn)。以色列農(nóng)民在政府的支持下85%的住宅都村安裝了太陽(yáng)能熱水器。美國(guó)有130多萬(wàn)個(gè)游泳池都裝上了太陽(yáng)能集源熱器，成為環(huán)保型的太陽(yáng)能游泳池。太陽(yáng)能熱水器在國(guó)外的應(yīng)用：</p><p>　　其一、針對(duì)城市住宅的安裝使用，集體組裝、分戶使用的、全天候運(yùn)行的、具有自動(dòng)控制的、每戶裝有熱水表的太陽(yáng)熱水系統(tǒng)。<

32、/p><p>　　其二、適用不同用戶需要的、滿足各種建筑物結(jié)構(gòu)和外觀要求具有個(gè)性化的產(chǎn)品。</p><p>　　其三、滿足各種行業(yè)的應(yīng)用。商業(yè)與服務(wù)業(yè)的洗車(chē)、餐飲、洗浴、洗染、美容、賓館和飯店以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室加熱、畜禽養(yǎng)殖等都需要大量的熱水；太陽(yáng)熱水系統(tǒng)與沼氣池結(jié)合起來(lái)，可以提高發(fā)酵溫度，大大地提高其產(chǎn)氣率；在工業(yè)生產(chǎn)中也有不少使用熱水的場(chǎng)所，如皮革加工、機(jī)械零件的清洗以及預(yù)熱等。太陽(yáng)熱水

33、器和被動(dòng)太陽(yáng)房相結(jié)合進(jìn)行采暖是一種值得推廣的技術(shù)。另外，主動(dòng)太陽(yáng)房利用太陽(yáng)熱水器和其它能源相結(jié)合，進(jìn)行地板采暖也有很好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題研究的主要內(nèi)容：</p><p>　　(1)在FPGA上進(jìn)行處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　(2)進(jìn)行芯片的選型及接口設(shè)計(jì)。<

34、/p><p>　　(3)進(jìn)行其它硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.4本課題研究的目的及意義</p><p>　　太陽(yáng)能熱水器已走進(jìn)千家萬(wàn)戶，太陽(yáng)能熱水器行業(yè)蓬勃發(fā)展，前景廣闊，但是消費(fèi)者的需求越來(lái)越高，現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱水器并不能很好的滿足消費(fèi)者需求。隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、生活水平的提高，人們?cè)缂翰辉贊M足于只有使用功能的產(chǎn)品，人們?cè)陉P(guān)注產(chǎn)品保證一

35、定物質(zhì)功能的同時(shí)，越來(lái)越注重在使用過(guò)程中的舒適、高效、安全的操作。對(duì)太陽(yáng)能熱水器的使用方便性、安全性、操作界面的人機(jī)友好性提出了更高的要求。本文設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)水溫自動(dòng)控制哦的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。本文研究的意義也有兩方面：一方面，節(jié)省能源：我們現(xiàn)在所消費(fèi)的能源，主要是煤炭、石油和天然氣等化石燃料，這些常規(guī)的化石燃料資源有限，不可再生。而太陽(yáng)能是人類(lèi)可以利用的，最豐富的新能源。另一方面，保護(hù)環(huán)境

36、，減少污染：環(huán)境問(wèn)題是目前全世界都關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，煤炭的大量開(kāi)采與利用，必將造成大氣和其他類(lèi)型環(huán)境污染及生態(tài)破壞。這對(duì)人類(lèi)的生存和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。而太陽(yáng)能是一種綠色能源，不會(huì)排放任何污染大氣和其他類(lèi)型環(huán)境的有害物，是與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的清潔能源。</p><p><b>　　1.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過(guò)政治

37、法律環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)文化環(huán)境、技術(shù)環(huán)境幾個(gè)方面綜合分析，概述了中國(guó)太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)目前具有良好的發(fā)展環(huán)境，處于產(chǎn)品生命周期的成長(zhǎng)期，市場(chǎng)需求量和潛在用戶迅速增長(zhǎng)，又有國(guó)家政策的鼓勵(lì)，市場(chǎng)前景十分廣闊。同時(shí)從太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀入手，通過(guò)國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)熱水器在制造產(chǎn)品，生產(chǎn)方式，市場(chǎng)運(yùn)作方式，新產(chǎn)品研發(fā)方式比較，指出了我國(guó)在太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)方面的不足，提出了今后努力方向：注重科研技術(shù)開(kāi)發(fā)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中采取技術(shù)領(lǐng)先的差異化戰(zhàn)略，生產(chǎn)出高質(zhì)量的滿

38、足用戶需要的產(chǎn)品。概括地介紹了研究的內(nèi)容及研究方法。闡述了研究太陽(yáng)能熱水器的目的及意義。</p><p>　　第二章 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)</p><p>　　2.1太陽(yáng)能熱水器的基本原理</p><p>　　太陽(yáng)能熱水器就是利用溫室原理，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種裝置。所謂溫室原理就是指由于對(duì)流、輻射損失減少，使熱量聚積，溫度逐漸升高

39、的一種自然現(xiàn)象。具體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)光透過(guò)玻璃進(jìn)人密封的集熱器內(nèi)，大部分能量被集熱器內(nèi)的黑色吸收體吸收，然后將熱量傳給冷水，冷水加熱后重量變輕，自動(dòng)流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自動(dòng)流入吸熱體繼續(xù)獲得熱量，周而復(fù)始，水箱內(nèi)的全部冷水將被加熱。</p><p>　　2.2太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)是由太陽(yáng)能熱水器和控制器組成。而太陽(yáng)熱水器由集熱器、蓄熱水

40、箱、循環(huán)連接管道、支架及其輔助部件(加熱等)組成。而控制器是由輸入，顯示，檢測(cè)，控制電路組成。太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3太陽(yáng)能熱水器電氣控制</p><p>　　(1)首先加水，使太陽(yáng)能集熱板處于滿水狀態(tài)，這時(shí)太陽(yáng)能集熱板工作。</p><p>　　(2)

41、自動(dòng)上冷水及蓄熱水。通過(guò)分別安裝在太陽(yáng)能集熱板和太陽(yáng)能蓄熱水箱內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)收集兩個(gè)容器內(nèi)的水溫信號(hào)。通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換，使溫度值轉(zhuǎn)換成電壓值在控制電路中進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的溫度差值達(dá)到預(yù)先給定的設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)循環(huán)水泵。將熱水放入太陽(yáng)能蓄水箱，冷水進(jìn)入太陽(yáng)能集熱板。由于溫度信號(hào)的檢測(cè)是實(shí)時(shí)的，所以當(dāng)溫度差小于給定值后，控制器的啟動(dòng)信號(hào)消失，循環(huán)泵停止工作，太陽(yáng)能集熱板的水進(jìn)入加熱過(guò)程。</p><p&

42、gt;　　(3)單獨(dú)控制蓄熱水箱中的電加熱器的工作。水溫也是通過(guò)安裝在水箱中的溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的。溫度信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換以后，跟控制器內(nèi)設(shè)定的可以代表相應(yīng)溫度的電壓值進(jìn)行差值比較。如果溫度差(給定值—測(cè)量值)為零值或者負(fù)值，說(shuō)明水箱中的水溫達(dá)到要求，不需要加熱。如果為正值，說(shuō)明水溫未達(dá)到要求，控制器產(chǎn)生的執(zhí)行信號(hào)，經(jīng)放大電路放大產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，開(kāi)啟電加熱器。</p><p>　　(4)太陽(yáng)能熱水器的電氣

43、保護(hù)。當(dāng)太陽(yáng)輻射量很大時(shí)(即在太陽(yáng)能蓄熱水箱中的水溫過(guò)高，已經(jīng)滿足使用需要，不需要再經(jīng)過(guò)蓄熱水箱中的電加熱器加熱)，蓄熱水箱中的電加熱器關(guān)閉，電蓄熱水箱作為太陽(yáng)能熱水器的備用水箱。相反，在冬天或者連續(xù)陰雨天輻射量很小時(shí)，控制器通過(guò)控制電路使太陽(yáng)能蓄熱水箱中的電加熱器開(kāi)啟，給蓄熱水箱中的水加熱，通過(guò)熱傳遞保證了水管不會(huì)在寒冷的天氣中被凍壞。</p><p>　　(5)熱水器中一些輸入按鍵，用于熱水器水位，溫度的設(shè)置

44、。</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章先介紹了太陽(yáng)能熱水器的基本工作原理；然后畫(huà)出了太陽(yáng)能熱水器的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖，既用FPGA來(lái)構(gòu)建處理器系統(tǒng)，來(lái)完成數(shù)據(jù)采集與控制；最后闡述了太陽(yáng)能熱水器電氣控制過(guò)程。</p><p>　　第三章 傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　

45、3.1傳感器的特點(diǎn)、作用</p><p>　　3.1.1傳感器電子學(xué)的特點(diǎn)</p><p>　　傳感器就是一種能感知某一物理量的信息，并能將該信息轉(zhuǎn)化為有用信號(hào)的裝置。它能代替人的五感，還能檢測(cè)人的五官所不能感覺(jué)到的現(xiàn)象(如紅外線等電磁波、能量小的超聲波)。傳感器電子學(xué)是研究傳感器的學(xué)科。傳感器電子學(xué)有如下特點(diǎn):</p><p><b>　　一、學(xué)科的邊緣

46、性</b></p><p>　　傳感器電子學(xué)是以各種材料的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物傳感機(jī)理作為理論基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)新的功能材料，并使材料功能實(shí)用化而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新學(xué)科。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)的綜合性</b></p><p>　　人類(lèi)社會(huì)中，光、聲、熱、濕度、位移、距離、角度、重量、速度等信息千變?nèi)f化，所用材料名目繁多，工

47、作環(huán)境與技術(shù)要求形形色色，傳感器與計(jì)算機(jī)要相互匹配。這一切決定了傳感器設(shè)計(jì)的綜合。</p><p><b>　　三、功能的潛在性</b></p><p>　　傳感器是人的五官功能的擴(kuò)展，其功能各種各樣。它能代替人的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等五官感覺(jué)的功能，它能檢測(cè)人的五官不能感覺(jué)的現(xiàn)象。</p><p><b>　　四、應(yīng)用的廣泛性</

48、b></p><p>　　傳感器功能的潛在性決定了應(yīng)用的廣泛性。它既可用于軍事工程，又可用于工農(nóng)業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)。它被譽(yù)為“八十年代最具有時(shí)代性的大量生產(chǎn)的商品。”</p><p><b>　　五、測(cè)試的精確性</b></p><p>　　非電量測(cè)試技術(shù)是傳感器計(jì)量檢測(cè)的核心，與通用性強(qiáng)的信息、科學(xué)技術(shù)相比，傳感器技術(shù)是一門(mén)因檢測(cè)對(duì)象不

49、同而技術(shù)各異的專門(mén)技術(shù)。各類(lèi)信息的量程寬，如溫度:一273一40000k，壓力:133.322Pa/emZ一lo6kPa，加速度1~100009。測(cè)試精度高，多數(shù)產(chǎn)品的精度為0.25%、0.1%，個(gè)別產(chǎn)品精度可優(yōu)于0.001%。動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)難度大，如感應(yīng)濕度的響應(yīng)時(shí)間，力學(xué)量傳感器的頻響特性與靈敏度測(cè)試等。</p><p><b>　　六、工藝的復(fù)雜性</b></p><

50、p>　　傳感器的工藝復(fù)雜。如微型傳感器要求直徑為1二的精加工技術(shù)，硅應(yīng)變片傳感器要求厚度小于1pm的超薄加工技術(shù):耐壓大于106kPa的壓力傳感器要求密封技術(shù);智能傳感器必須解決“三維”結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)。</p><p><b>　　七、生產(chǎn)的分散性</b></p><p>　　多數(shù)傳感器都是多品種小批量生產(chǎn)，故傳感器的生產(chǎn)是一種分散型的工業(yè)。</p>

51、<p>　　3.1.2傳感器的重要作用</p><p><b>　　(l)信息的收集</b></p><p>　　科學(xué)研究中的計(jì)量測(cè)試，產(chǎn)品制造與銷(xiāo)售中所需的計(jì)量等都要由測(cè)量而獲得準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù);對(duì)某種特定要求，需檢測(cè)目標(biāo)物的存在狀態(tài)，把某狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換位數(shù)據(jù);判斷產(chǎn)品是否合格，或人體各部分的異常診斷等都需要由傳感器來(lái)測(cè)量。</p><

52、p>　　(2)信息數(shù)據(jù)的交換。</p><p>　　把以文字、符號(hào)、代碼、圖形等各種形式記錄在紙上或膠片上的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)等易處理的信號(hào)數(shù)據(jù)，或者讀出記錄在各種媒介體上的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如，磁盤(pán)與光盤(pán)的信息讀出磁頭就是一種傳感器。</p><p>　　(3)控制信息的采集</p><p>　　檢測(cè)控制系統(tǒng)處于某種狀態(tài)的信息，并由此控制系統(tǒng)的狀態(tài)

53、，或者跟蹤系統(tǒng)變化的目標(biāo)值。</p><p>　　3.1.3傳感器技術(shù)的展望</p><p>　　傳感器技術(shù)的應(yīng)用范圍非常之廣。它會(huì)隨著不斷滿足社會(huì)性的需求而不斷增加。新傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，要求傳感器技術(shù)的三大支柱即“檢測(cè)原理”、“生產(chǎn)技術(shù)”和“現(xiàn)場(chǎng)(試驗(yàn))數(shù)據(jù)”協(xié)調(diào)發(fā)展。傳感器必然走向全數(shù)字化。傳感器系統(tǒng)將集成在一個(gè)芯片上，其中包括為傳感器處理器和位執(zhí)行器，它們構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)工作為系統(tǒng)。有

54、數(shù)字與更高級(jí)的計(jì)算機(jī)控制相連，通過(guò)利用專家系統(tǒng)中得到的算法對(duì)基本微傳感器部分提供更好的校正與補(bǔ)償。傳感器的功能會(huì)更多，精度和可靠性會(huì)更高，智能化的程度也將不斷的提高，優(yōu)點(diǎn)會(huì)越來(lái)越明顯。</p><p><b>　　3.2傳感器的特性</b></p><p>　　3.2.1傳感器的靜態(tài)特性</p><p>　　對(duì)傳感器靜態(tài)特性的基本要求有:輸入位

55、0時(shí)，輸出也為0;輸出相對(duì)輸入應(yīng)保持一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如圖3一1所示: </p><p>　　圖3—1 輸入與輸出的關(guān)系</p><p>　　若傳感器的輸入量為(x)，輸出量為(y)，則y=f(x)，最好x/y為恒定的比例關(guān)系。</p><p>　　l、靈敏度與信噪比(S/N)</p><p>　　選用傳感器首先考慮的是靈敏度。如果達(dá)不到測(cè)

56、量時(shí)所必須的靈敏度，這種傳感器不能采用。但靈敏度高的傳感器不一定是最好的傳感器。這是因?yàn)樗资茉肼暤挠绊?。除環(huán)境噪聲外，還有來(lái)自傳感器本身輸出的噪聲。必須用信號(hào)與噪聲的相互關(guān)系全面來(lái)衡量傳感器。傳感器輸出信號(hào)中的信號(hào)分量與噪聲分量二次方的平均值之比，稱為信噪比(S/N)與噪聲。S/N小，信號(hào)與噪聲就難以分清，若S/N=l，就完全分辨不出信號(hào)因此，S/N至少也要大于10。</p><p><b>　　2、

57、線性</b></p><p>　　在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程</p><p>　　圖3—2 傳感器的線性度</p><p>　?。‵.S）輸出值的百分比稱為線性度（見(jiàn)圖3-2）</p><p><b>　　用表示線性度，則</b></p><p>　　式

58、中——校準(zhǔn)曲線與擬合曲線間最大偏差；</p><p>　?。骸獋鞲衅鳚M量程輸出；</p><p><b>　　。</b></p><p>　　由此可知，非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準(zhǔn)直線其出來(lái)的。因而，基淮直線不同，所得線性度也不同。</p><p>　　應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)同一傳感器，在相同條件下做校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)得

59、出的非線性誤差不會(huì)完全一樣，因而不能籠統(tǒng)地說(shuō)線性度或非線性誤差，必須同時(shí)說(shuō)明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于擬合直線的計(jì)算方法不盡相同，下面僅介紹兩種常用的擬合基準(zhǔn)直線方法。</p><p><b>　　(一)端基法</b></p><p>　　把傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值a。和滿量程輸出平均值b。連成的直線氏b。作為傳感器特性的擬合直線(見(jiàn)圖3一3)。其方程式為

60、</p><p>　　Y=a0+kx (I-1)</p><p>　　式中Y——輸出量；x——輸入量；a0——y軸上截距；k——直線a0b0的斜率。由此得到端基法擬合直線方程，按(I-1)式可算出端基線性度。這種擬合方法簡(jiǎn)單直觀，但是未考慮所有校淮點(diǎn)數(shù)據(jù)的分布，擬合精度較低，一般用在特性曲線非線性度較小的情況。</p><p>　　圖3—3

61、 端基線性度擬合曲線</p><p><b>　　(二)最小二乘法</b></p><p>　　用最小二乘法原則擬合直線，可使擬合精度最高。其計(jì)算方法如下:</p><p>　　今擬合直線方程為Y=a0+kx。假定實(shí)際校準(zhǔn)點(diǎn)有n個(gè)，在n個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中，任何一個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Y1與擬合直線上對(duì)應(yīng)的理想值a0+kx間誤差為</p><p

62、>　　L1=Y1- （a0+kx1） （I-2）</p><p>　　最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使為最小值，亦即使對(duì)k和a0的一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，從而求出k和a0的表達(dá)式。</p><p>　　聯(lián)立求解以上二式，可求出k和a0，即</p><p><b>　　n 為校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)。</b></p>

63、;<p>　　由此得到最佳擬合直線方程，由（I-1）式可算得最小二乘法線性度。</p><p>　　通常采用差動(dòng)測(cè)顯方法來(lái)減小傳感器的非線性誤差。例如某位移傳感器特性方程式為</p><p>　　另一個(gè)與之完全相同的位移傳感器，但是它受相反方向位移，則特性方程式為</p><p>　　在差動(dòng)輸出情況下，其特性方程式可寫(xiě)成</p><

64、p>　　可見(jiàn)采用此方法后，由于消除了X偶次項(xiàng)濃非線性誤差大大減小，靈敏度提高一倍，零點(diǎn)偏移也消除了。因此差動(dòng)式傳感器已得到廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　3、時(shí)滯</b></p><p>　　輸入量增加到x1，如果輸出量為yl，再繼續(xù)增加輸入量然后減少到xl，這時(shí)其輸出量為y2。實(shí)際上輸出量yl和y2不相等，有一定的差值，即為時(shí)滯(回差)。這樣，輸入與

65、輸出不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，要盡量選用時(shí)滯小的傳感器</p><p><b>　　4、環(huán)境特性</b></p><p>　　周?chē)h(huán)境對(duì)傳感器影響最大的是溫度。目前，很多傳感器材料采用靈敏度高，而信號(hào)易處理的半導(dǎo)體。然而，半導(dǎo)體對(duì)溫度最敏感，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要特別注意。除溫度之外，還有氣壓、濕度、振動(dòng)、電源點(diǎn)壓及頻率等都影響傳感器的特性。</p><p&

66、gt;<b>　　5、穩(wěn)定性</b></p><p>　　理想特性的傳感器是加相同大小輸入量時(shí)，輸出量總是大小相同。然而，實(shí)際上傳感器特性隨著時(shí)間而變化，因此，對(duì)于相同大小的輸入量，其輸出量是變化的。連續(xù)工作時(shí)，即使輸入量恒定，傳感器輸出量也會(huì)朝著一個(gè)方向偏移，這種現(xiàn)象稱為溫漂。需要注意的是，除傳感器本身的溫漂外，還有安裝傳感器元件的機(jī)構(gòu)的溫漂，以及電子電路的溫漂。</p>&

67、lt;p><b>　　6、精度</b></p><p>　　精度是評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)良程度的。精度分為準(zhǔn)確度和精密度。</p><p>　　所謂準(zhǔn)確度就是測(cè)量值與真值偏離的程度，為修正這種偏差需要進(jìn)行校正，完全校正是很麻煩的。因此，使用時(shí)盡可能地減少誤差。</p><p>　　所謂精密度就是即使測(cè)量相同對(duì)象，每次測(cè)量也會(huì)得到不同測(cè)量值，即離散偏差

68、。</p><p>　　3.2.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　傳感器要檢測(cè)的輸入信號(hào)是隨著時(shí)間而變化的，傳感器的特性應(yīng)能跟蹤這輸入信號(hào)的</p><p>　　圖3—4 輸入與響應(yīng)的關(guān)系</p><p>　　變化，這樣可以獲得準(zhǔn)確的輸出信號(hào)。如果變化太快，就可能跟蹤不上。這就是響應(yīng)特性，即動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性是傳感器的重要

69、特性之一。傳感器輸入與響應(yīng)的關(guān)系上圖所示。</p><p>　　3.3 信號(hào)處理方式</p><p>　　圖3—5 測(cè)量控制系統(tǒng)信號(hào)處理流程圖</p><p>　　傳感器測(cè)量控制系統(tǒng)框圖如圖3一5所示。傳感器檢測(cè)變化的信號(hào)送往計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)指令把處理結(jié)果送到控制、顯示及記錄裝置等。</p><p>　　傳感

70、器系統(tǒng)的信息處理流程如3一7所示。傳感器輸出信號(hào)通過(guò)輸入接口電路變換為計(jì)算機(jī)易處理的數(shù)字信號(hào)，然后輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)把該信號(hào)處理為控制等裝置所要求的信號(hào)格式，通過(guò)輸出接口電路輸出，驅(qū)動(dòng)控制裝置，并顯示與記錄。</p><p>　　計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器輸入的數(shù)據(jù)要進(jìn)行特性補(bǔ)償，運(yùn)算處理，格式化以及組編程適合于控制的數(shù)據(jù)，根據(jù)控制指令輸送到外設(shè)。</p><p><b>　　3.3.1特

71、性補(bǔ)償</b></p><p><b>　　輸入輸出特性補(bǔ)償</b></p><p>　　圖3—6 模擬傳感器的輸入輸出特性</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，傳感器的輸入輸出特性是非線性的，不能直接顯示與記錄，必須進(jìn)行非線性校正，即補(bǔ)償。模擬信號(hào)輸出傳感器的典型輸入輸出特性如圖3一6所示。圖3一6a表示通過(guò)原點(diǎn)的直線，線性度好。輸出

72、值乘以系數(shù)即可直接顯示其真值。圖3一6b表示不通過(guò)原點(diǎn)的直線，需要進(jìn)行減去B值處理。圖3一6c是平方特性，需要求二次方根運(yùn)算以及系數(shù)補(bǔ)償。圖3一6d是指數(shù)形式的特性，需要對(duì)數(shù)變換處理。</p><p>　　另外還有各種形式的輸入輸出特性。因此，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件極易實(shí)現(xiàn)。有效輸出量的獲取，有時(shí)要消除傳感器輸出量中的無(wú)效物理量。例如，為了能在很寬溫度范圍內(nèi)測(cè)量物體的應(yīng)變時(shí)就要采用應(yīng)變傳感器，而應(yīng)變傳

73、感器輸出量中就有因溫度變化而引起的輸出量，這種輸出量是無(wú)效的，但往往又不能消除。因此，就要把溫度傳感器與應(yīng)變傳感器組合在一起，測(cè)量氣溫度，基于此值補(bǔ)償應(yīng)變傳感器的輸出值。輸出量只是有效的物理量。</p><p><b>　　3.3.2運(yùn)算處理</b></p><p>　　傳感器的輸出信號(hào)要經(jīng)過(guò)各種運(yùn)算處理、變成有效信號(hào)。</p><p>　　傳

74、感器輸出信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，成為計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)，使用運(yùn)算處理的信號(hào)有兩種方式:</p><p>　　一種方式是輸入計(jì)算機(jī)信號(hào)(傳感器輸出信號(hào))僅某個(gè)時(shí)刻使用有效。例如:根據(jù)輸入信號(hào)挑選產(chǎn)品的優(yōu)劣，即僅到某設(shè)定值(例如產(chǎn)品合格參數(shù))輸入信號(hào)有效。另一種方式是記錄輸入數(shù)據(jù)，綜合利用積累的信息。典型形式有采用直方圖、數(shù)字記錄、暫時(shí)記錄、取平均值等形式。</p><p>　　直方圖形式是根據(jù)傳感器輸

75、出數(shù)據(jù)信息，來(lái)了解產(chǎn)品加工精度的分布情況。它用于大批量生產(chǎn)管理與大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　數(shù)字記錄形式是以一系列的時(shí)效數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)傳感器輸出的數(shù)據(jù)，用于以后檢查生產(chǎn)產(chǎn)品的狀態(tài)。</p><p>　　暫存記錄形式是把傳感器輸出數(shù)據(jù)作為周期性時(shí)效數(shù)據(jù)，用于推斷與預(yù)測(cè)</p><p><b>　　事故。</b></p>&

76、lt;p>　　取平均方式是把傳感器檢測(cè)次數(shù)累加，取平均數(shù)據(jù)，用于提高測(cè)量精度。</p><p><b>　　3.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了傳感器的特點(diǎn),作用,特性以及其信號(hào)處理方式 </p><p>　　第四章 硬件組成及電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1硬件電路總體設(shè)計(jì)</p

77、><p>　　硬件設(shè)計(jì)指應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，包括主機(jī)、控制電路、存儲(chǔ)器、I/O接口、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路等。硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮留有充分余量，要為系統(tǒng)擴(kuò)展預(yù)留一些接口。外圍電路設(shè)計(jì)力求正確無(wú)誤，因?yàn)橥鈬布娐芬坏┰O(shè)計(jì)完成，就很難修改其外部硬件結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能熱水器加水位自動(dòng)控制功能，主要是增加一個(gè)采集，顯示及控制系統(tǒng)。本文以FPGA芯片為核心，組成處理器測(cè)控系統(tǒng)。總體硬件電路的接口設(shè)計(jì)如圖4-1所示。</p>

78、;<p>　　圖4-1 硬件電路接口簡(jiǎn)圖</p><p>　　控制系統(tǒng)中ADC0809芯片主要是將傳感器檢測(cè)出來(lái)的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，傳送到處理器內(nèi)進(jìn)行處理；FPGA模塊主要是建立處理器系統(tǒng)，接收PC機(jī)生成的下載文件，接收檢測(cè)的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)的顯示，開(kāi)關(guān)量的控制；顯示模塊主要是溫度，水位的顯示；32按鍵模塊是用來(lái)進(jìn)行水位設(shè)定，溫度設(shè)定，及自動(dòng)時(shí)間上水時(shí)間;水位檢測(cè)模塊是通過(guò)電

79、導(dǎo)式液位傳感器將非電量的水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字0，1這樣的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；上水控制及加熱控制是通過(guò)光電隔離元件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。</p><p>　　4.2硬件電路芯片的選型</p><p>　　4.2.1 FPGA選用</p><p>　　當(dāng)前大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的控制芯片是由MCU(單片機(jī)系統(tǒng))，DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)，或者FPGA(Field Programmable Gat

80、e Array)即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件構(gòu)成的。而這些控制芯片各有特點(diǎn)：</p><p>　　(1)結(jié)構(gòu)上，MCU的存儲(chǔ)器采用哈佛結(jié)構(gòu)；DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),程序和數(shù)據(jù)具有獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，有著各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，由于可以同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行尋址，大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理；FPGA的結(jié)構(gòu)是基于查找表。查找表(Look-up-Table)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)UT，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)R

81、AM。目前FPGA中多使用4輸入的LU，每一個(gè)LUT可以看成一個(gè)有4位地址線的RAM。</p><p>　　(2)內(nèi)部資源使用上，MCU，DSP通過(guò)用特殊功能寄存器的形式來(lái)訪問(wèn)內(nèi)部資源，然而它們的特殊功能寄存器不多；而FPGA的寄存器相當(dāng)豐富。</p><p>　　(3)指令系統(tǒng)上，MCU采用面向控制的指令系統(tǒng)；DSP指令系統(tǒng)是流水線操作。在流水線操作中，一個(gè)任務(wù)被分解為若干個(gè)子任務(wù)，各個(gè)

82、任務(wù)可以在執(zhí)行時(shí)相互重疊。DSP指令系統(tǒng)的流水線操作是與哈佛結(jié)構(gòu)相配合的，增加了處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值，同時(shí)也就增加了信號(hào)處理器的吞吐量；FPGA的指令系統(tǒng)依賴用戶選用的處理器。</p><p>　　(4)外部擴(kuò)展能力，因?yàn)镸CU，DSP的引腳較少，故擴(kuò)展能力沒(méi)有FPGA強(qiáng)。</p><p>　　(5)特有的應(yīng)硬件資源，DSP有專用硬件乘法器；MCU用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)乘除法；F

83、PGA可以由用戶來(lái)自制指令，極大的提高創(chuàng)建系統(tǒng)的靈活性。</p><p>　　(6)系統(tǒng)的升級(jí)能力，MCU，DSP內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)固定，一旦設(shè)計(jì)完成，內(nèi)部電路不能更改，而FPGA內(nèi)部電路可由用戶根據(jù)需要來(lái)配置，內(nèi)部電路可修改。綜合MCU，DSP，F(xiàn)PGA的分析，可以得出：?jiǎn)纹瑱C(jī)在簡(jiǎn)單的控制和人機(jī)接口方面處于領(lǐng)先地位；DSP的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理上；FPGA處于的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在控制及新算法處理上。同時(shí)考慮以后系統(tǒng)的擴(kuò)展，系統(tǒng)

84、的升級(jí)，設(shè)計(jì)周期，開(kāi)發(fā)費(fèi)用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及軟件設(shè)計(jì)的繁易程度等各項(xiàng)指標(biāo)，最終選用FPGA芯片。本設(shè)計(jì)選用cyclone II器件的EP2C5F256C6芯片，EP2C5F256C6芯片的主要特性為：</p><p>　　(1)擁有4608個(gè)邏輯單元。</p><p>　　(2)RAM位數(shù)為119808。</p><p>　　(3)支持2個(gè)鎖相環(huán)。</p>

85、;<p>　　(4)158個(gè)可用的I/O腳。</p><p>　　(5)支持通過(guò)低成本串行配置器件配置。</p><p>　　(6)全面支持LVTTL，LVCMOS，SSTL2和SSTL3 I/O標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　(7)支持66MHz，32位的PCI標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　(8)支持低速LVDS I/O。</

86、p><p>　　(9)最高支持8個(gè)全局時(shí)鐘線。</p><p>　　(10)支持外部存儲(chǔ)器，包括DDR，SDRAM，F(xiàn)CRAM，SDRAM。</p><p>　　(11)支持IP核復(fù)用設(shè)計(jì)，包括Altera MegaCore。</p><p>　　4.2.2 IP核的選用</p><p>　　IP(Intellectual

87、 Property)核則是一段具有特定電路功能的硬件描述語(yǔ)言程序，該程序與集成電路工藝無(wú)關(guān)，可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中去生產(chǎn)集成電路芯片。將一些在數(shù)字電路中常用，但比較復(fù)雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設(shè)計(jì)成可修改參數(shù)的模塊。本文設(shè)計(jì)中使用了大量免費(fèi)的IP核(NIOS核，JTAG UART核，PIO核，TIME核，RAM核，ROM核)，極大降低設(shè)計(jì)的難度。使用這些IP核設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p>

88、;<p>　　(1)修改元件的功能容易。</p><p>　　(2)使用方便，開(kāi)發(fā)周期短。</p><p>　　(3)避免重復(fù)勞動(dòng)，大大減輕設(shè)計(jì)的工作量。</p><p>　　(4)保證模塊的性能。</p><p>　　4.2.3處理器選用 </p><p>　　目前常見(jiàn)的處理器是微處理器，數(shù)字信號(hào)處理器

89、，以及軟核處理器。這些處理器性能有很大的差別：</p><p>　　(1)工作效率微處理器以及數(shù)字信號(hào)處理器都采用排隊(duì)式串行指令執(zhí)行方式，從而使其工作速度和效率低。它們的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)固定，它們的速度不能滿足不斷出現(xiàn)的新算法對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求。而軟核處理器采用5級(jí)流水線技術(shù)，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，提高了處理器的運(yùn)算速度。</p><p>　　(2)系統(tǒng)升級(jí)能力每個(gè)系統(tǒng)都是針對(duì)某一

90、個(gè)具體的微處理器設(shè)計(jì)，因此其硬件、軟件具有專用的特點(diǎn)。一旦需要硬件升級(jí)，尤其是微處理器的升級(jí)，必須硬件、軟件全部重新設(shè)計(jì)，微處理器以及數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)固定，硬件很難再升級(jí)。而軟核處理器是一個(gè)軟件內(nèi)核，只要芯片上有空間，它就可以不斷進(jìn)行升級(jí)而不用修改電路結(jié)構(gòu)。</p><p>　　(3)開(kāi)發(fā)周期由于微處理器以及數(shù)字信號(hào)處理器是以執(zhí)行軟件指令方式來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能的器件，不同的功能環(huán)境需要不同的微處理器，而不同的微處理

91、器通常又具有不同的匯編語(yǔ)言。此外，在微處理器開(kāi)發(fā)軟件編程中需要時(shí)時(shí)顧及特定的微處理器硬件結(jié)構(gòu)和外圍接口。程序的移植性差導(dǎo)致了每一新系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的軟件重復(fù)勞動(dòng)一再發(fā)生，成功的微處理器開(kāi)發(fā)智力成果難以實(shí)現(xiàn)直接的再應(yīng)用。所有這一切導(dǎo)致了微處理器應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率低下和產(chǎn)品上市周期的延長(zhǎng)。而軟核處理器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RISC處理器。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的C源代碼，程序的可移植性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)人員不必為它的兼容性擔(dān)心，可以重復(fù)使用以前開(kāi)發(fā)的代碼，在較短時(shí)期內(nèi)研發(fā)出成熟的產(chǎn)

92、品來(lái)。通過(guò)比較，本文選用軟核處理器。軟核處理器的軟IP核，設(shè)計(jì)者可以將它放入FPGA中，它只占芯片內(nèi)部很少的一部分邏輯單元，成本很低。NIOS軟核處理器是一個(gè)基于流水線的精簡(jiǎn)指令集通用微處理器，其指令集的大部分指令均可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，它具有以下一些特點(diǎn)：</p><p>　　(1)是一種可配置的IP核，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)開(kāi)發(fā)工具對(duì)其參數(shù)進(jìn)行配以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要。</p><p>　　(

93、2)具有16位和32位兩種可自由選擇的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　(3)16位的指令寬度，減少了代碼的長(zhǎng)度以及指令存儲(chǔ)器的寬度。</p><p>　　(4)通過(guò)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行配置，可具有512個(gè)通用寄存器。編譯器可以使用這些寄存器來(lái)加速函數(shù)調(diào)用以及對(duì)本地變量的訪問(wèn)。</p><p>　　4.2.4 A/D芯片的選型及接口設(shè)計(jì)</p><p>

94、　　4.2.4.1芯片選型</p><p>　　由于處理器系統(tǒng)只能識(shí)別二進(jìn)制數(shù)據(jù)，故需要模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。本文采用通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809[32]，該芯片的技術(shù)指標(biāo)為：</p><p>　　(1)具有8路模擬量輸入通道。</p><p>　　(2)分辨率為8位。</p><p>　　(3)模擬輸入電壓范圍0～

95、5伏。</p><p>　　(4)使用＋5V電源，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μS。</p><p>　　(5)有轉(zhuǎn)換起停控制。</p><p>　　(6)轉(zhuǎn)換溫度－40℃～＋85℃；</p><p>　　4.2.4.2芯片接口設(shè)計(jì)</p><p>　　芯片的接口如圖3-2中，當(dāng)EP2C5F256C6的A5和B4引線端上信號(hào)均為高

96、電平時(shí)，啟動(dòng)脈沖START和地址鎖存允許脈沖ALE信號(hào)有效，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)的地址鎖存器把地址信號(hào)ADDA，ADDB和ADDC鎖存起來(lái)，選通通道并進(jìn)行采樣和保持。在START下降沿的作用下開(kāi)始逐次逼近的模-數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。讓ADC0809工作在查詢方式下，轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束，ADC0809的EOC變?yōu)楦唠娖?，由NIOS檢測(cè)B3口是否為‘1’，為‘1’即表示該次轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)由NIOS向A/D轉(zhuǎn)換器取出檢測(cè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，即完成數(shù)據(jù)的采集。</p&g

97、t;<p>　　圖4-2 FPGA與ADC0809接口簡(jiǎn)圖</p><p>　　4.2.5顯示器件的選型及接口設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.5.1芯片選型</p><p>　　顯示模塊采用7段LED數(shù)碼管HDSP-G153。通過(guò)控制七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片亮滅來(lái)實(shí)現(xiàn)0-9的顯示[7]。在系統(tǒng)中使用4個(gè)7段LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管有共陰極和共陽(yáng)極

98、兩類(lèi)。共陰極LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陰極共地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極電壓為高電平時(shí)，二極管發(fā)光；而共陽(yáng)極LED數(shù)碼管是發(fā)光二極管的陽(yáng)極共接，當(dāng)某個(gè)二極管的陰極電壓為低電平時(shí)，二極管發(fā)光。在設(shè)計(jì)中，采用了LED的共陰極接法，其字形與代碼對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。</p><p>　　表4-1 字形與代碼對(duì)應(yīng)關(guān)系表</p><p>　　4.2.5.2 LED譯碼方式</p><p&

99、gt;　　LED數(shù)碼管顯示器的譯碼方式有硬件譯碼方式和軟件譯碼方式。所謂硬件譯碼方式是利用專門(mén)的硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示字符到字段碼的轉(zhuǎn)換；所謂軟件譯碼方式是通過(guò)軟件譯碼程序來(lái)得到要顯示的字符的字段碼。由于使用FPGA芯片，在FPGA內(nèi)部構(gòu)建硬件電路，不會(huì)增加成本。故本設(shè)計(jì)采用硬件譯碼。</p><p>　　4.2.5.3 LED顯示方式</p><p>　　LED數(shù)碼管的顯示方式有兩種可以選擇

100、：一種是靜態(tài)顯示方式，一種是動(dòng)態(tài)顯示方式。對(duì)于多位LED顯示單元，通常是采用動(dòng)態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示，即逐個(gè)的循環(huán)點(diǎn)亮各位顯示器，這樣不僅可以簡(jiǎn)化硬件電路，還可以顯示更多的字符。雖然在任意時(shí)刻只有一位顯示器被點(diǎn)亮，但是由于人眼具有視覺(jué)殘留效應(yīng)，看起來(lái)去全部顯示器持續(xù)點(diǎn)亮的效果完全一樣。為了實(shí)現(xiàn)LED顯示器的動(dòng)態(tài)掃描，除了要給顯示器提供(字形代碼)的輸入之外，還要對(duì)各位顯示器分別進(jìn)行控制，也就是所謂的段控和位控。因此多位LED顯示器接口電路

101、粗要有兩個(gè)輸出口，其中一個(gè)用于輸出8位段控線；另一個(gè)用于輸出位控線，位控線的數(shù)目等于LED顯示器的數(shù)目。采用靜態(tài)顯示則需要的連接的I/O引腳較多，增加設(shè)計(jì)的難度，故本設(shè)計(jì)的LED數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方式。</p><p>　　4.2.5.4芯片接口設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)需要4位LED顯示器，分別對(duì)實(shí)際水位和實(shí)際水溫(各使用2位LED)進(jìn)行顯示。在設(shè)計(jì)中，選用FPGA作為4位LED顯示

102、器的接口電路。用FPGA的引腳D13～D16作為輸出口，即位控口。R7引腳用作鎖存允許控制端。R8引腳用作三態(tài)允許控制端。T7～T14作為輸出口，即段控口。EP2C5F256C6與LED數(shù)碼管芯片接口設(shè)計(jì)如圖4-3所示。</p><p>　　4.2.6 EPCS的選型及接口設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.6.1芯片選型</p><p>　　本文選用Altera公司

103、提供了一種基于FLASH存儲(chǔ)器的專用串行配置器件EPCS4SI8. EPCS4系列的器件都具有串行接口，能夠存儲(chǔ)Stratix系列、Cyclone系列的FPGA的配置信息，并在系統(tǒng)上電或者需要重新配置FPGA時(shí)，向FPGA發(fā)送配置信息。EPCS4SI8的技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　(1)簡(jiǎn)單易用，接口只需要四個(gè)引腳。</p><p>　　(2)存儲(chǔ)容量為4M。</p>&

104、lt;p>　　(3)配置電流比較小。</p><p>　　圖4-3 FPGA與LED數(shù)碼管接口簡(jiǎn)圖</p><p>　　(4)在AS模式下，CPU能夠直接訪問(wèn)未用的空間。</p><p>　　(5)低成本、引腳數(shù)少、存儲(chǔ)穩(wěn)定。</p><p>　　(6)可以通過(guò)狀態(tài)寄存器，將其置為寫(xiě)保護(hù)模式。</p><p>

105、;　　4.2.6.2芯片接口設(shè)計(jì)</p><p>　　EP2C5F256C6與EPCS4I8芯片接口設(shè)計(jì)如圖4-4所示</p><p>　　4.2.7鎖存器的選型及接口設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.7.1芯片選型</p><p>　　為了匹配處理器與軟件訪問(wèn)的速度，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不丟失，需要用鎖存器來(lái)鎖存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)的鎖存器選用74L

106、S373。74LS373的技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　(1)電源電壓：5.0V。</p><p>　　(2)輸入電壓：5.0～7V。</p><p>　　(3)輸出高阻態(tài)時(shí)高電平電壓：5.5V。</p><p>　　(4)工作環(huán)境溫度：0～70℃。</p><p>　　(5)存儲(chǔ)溫度：-65～150℃。</p

107、><p>　　圖4-4 FPGA與EPCS4I8接口簡(jiǎn)圖</p><p>　　4.2.7.2芯片接口設(shè)計(jì)</p><p>　　74LS373為三態(tài)輸出的8D透明鎖存器，74LS373的輸出端Q0-Q7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，Q0-Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，Q0-Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)

108、載。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時(shí)，Q被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。EP2C5F256C6與74LS373芯片接口設(shè)計(jì)如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 FPGA 與74LS373接口簡(jiǎn)圖</p><p>　　4.3 FPGA外部硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)</p><

109、p>　　4.3.1.1溫度傳感器的選型</p><p>　　目前的溫度傳感器種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的溫度傳感器主要有熱敏電阻、鉑電阻、熱電偶以及模擬集成溫度傳感器，數(shù)字溫度傳感器。每種傳感器有其各特點(diǎn)：</p><p>　　熱電偶：由于其靈敏度低，而且需要冷端補(bǔ)償，不適合在本系統(tǒng)中應(yīng)用。</p><p>　　鉑傳感器：鉑電阻的線性較好，只是在接近其范圍極限時(shí)呈非線性。

110、鉑電阻的阻值每攝氏度可以改變幾分之一歐姆，測(cè)溫范圍為-260～850℃。鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。</p><p>　　模擬集成溫度傳感器：可完成溫度測(cè)及模擬信號(hào)輸出功能的專用集成電路。它的特點(diǎn)是功能單一、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、線性好。其缺點(diǎn)是測(cè)溫范圍比較窄。</p><p>　　數(shù)字溫度傳感器：外圍元件極少，功耗

111、低、監(jiān)控參數(shù)精度高、可靠性高。但是價(jià)格高。</p><p>　　熱敏電阻：熱敏電阻具有高穩(wěn)定性、精密、小尺寸、靈敏和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，每攝氏度可以改變幾百歐姆，適合穩(wěn)定性超過(guò)0.01℃的系統(tǒng)。但熱敏電阻的電阻率是隨溫度的增加而非線性的減少的。這一特性以及窄的溫度敏感范圍(測(cè)溫范圍為-80～l50℃)是這種敏感元件的缺點(diǎn)。</p><p>　　綜合考慮性能，價(jià)格，實(shí)用性，設(shè)計(jì)要求等方面，本文選

112、用熱敏電阻。</p><p>　　4.3.1.2熱敏電阻的性能</p><p>　　熱敏電阻的特性如圖4-6所示，熱敏電阻的阻值-溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線熱敏電阻的阻值-溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線形度較大，因此在使用時(shí)要進(jìn)行線形化處理。線形化處理雖然能改善熱敏電阻的特性曲線，但比較復(fù)雜。為此常在要求不高的一般應(yīng)用中，作出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線形的假定，以簡(jiǎn)化計(jì)算。<