太陽熱水器水位控制的EDA實現

　1??????? 引言

　　[1]目前，我國太陽能熱水器的產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“全自動控制”不可或缺的環節。所謂水位控制，是通過設定來實現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。現有的控制方案多由水位傳感器根據缺水或滿水時發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，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混水狀態[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[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集成開發環境下進行綜合、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出提示音樂，此時用戶若想繼續間斷用水，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工業標準硬件描述語言，是隨著可編程邏輯器件（PLD）的發展而發展起來的。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“level= 3”，即半箱水；強制補水水位設定在“level= 1”，即滿水箱的八分之一。

　　4??????? 仿真結果

　　為了驗證設計的正確性，在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成開發環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，是否繼續補水則與當前水位有關：若低于補水水位則繼續補水（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出報警（約0.2us~1.0us間）。可見，電路滿足了設計要求。

5???? 結語

　　該設計采用了用于電子產品設計中比較先進的EDA技術，該技術具有設計靈活、修改快捷、調試方便、研制周期短等優點[4]，且設計出的電子產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。本設計實現的智能型水位控制器，既可以單獨用以實現水位控制，也可以與其他太陽熱水器控制環節（如水溫控制）有機地結合為一個整體，構成真正意義上的“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量。