太陽(yáng)熱水器水位控制的EDA實(shí)現(xiàn)

　1??????? 引言

　　[1]目前，我國(guó)太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)能熱水器的品質(zhì)要求越來(lái)越高。智能控制型太陽(yáng)能熱水器越來(lái)越受到人們的歡迎。水位控制是智能控制型太陽(yáng)能熱水器的基本功能之一，是實(shí)現(xiàn)“全自動(dòng)控制”不可或缺的環(huán)節(jié)。所謂水位控制，是通過(guò)設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器水箱里缺水時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水、水滿時(shí)自動(dòng)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(shí)發(fā)出的不同信號(hào)控制半導(dǎo)體器件的通斷，從而進(jìn)一步控制繼電器、電磁閥的開合狀態(tài)，來(lái)進(jìn)行補(bǔ)水與否。水滿后自動(dòng)停水功能一般都能做到。但“缺水”的定義往往會(huì)造成用戶的使用不便。如把缺水定義為水箱無(wú)水，當(dāng)晚上仍有少量余水時(shí)不能及時(shí)補(bǔ)水，會(huì)造成第二天用水不便；而若把缺水定義為一特定水位，則會(huì)在低于此水位用水時(shí)出現(xiàn)混水狀態(tài)[3]。

　　本文設(shè)計(jì)了一種新型的水位控制器，并采用了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)[4][5]，用目前廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語(yǔ)言，在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行綜合、仿真，并下載到可編程邏輯器件EPF10K10TC144-3中，以實(shí)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(bǔ)水及時(shí)且不影響正常使用。此處設(shè)計(jì)的智能化水位控制器可以實(shí)現(xiàn)水滿后自動(dòng)停水、條件補(bǔ)水和強(qiáng)制補(bǔ)水及顯示、報(bào)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(gè)檔位：滿水水位、條件補(bǔ)水水位和強(qiáng)制補(bǔ)水水位。滿水水位用于實(shí)現(xiàn)水滿后自動(dòng)停水功能；條件補(bǔ)水水位可設(shè)置在一定水位如半箱水，當(dāng)水箱水位低于此設(shè)置（高于強(qiáng)制補(bǔ)水水位）時(shí)實(shí)現(xiàn)有條件補(bǔ)水：當(dāng)用水指示位有效（正在用水）時(shí)禁止補(bǔ)水，否則予以補(bǔ)水；強(qiáng)制補(bǔ)水水位可設(shè)置為水箱無(wú)水（或設(shè)置在較低水位），此時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制補(bǔ)水功能。為使用方便，控制器提供報(bào)警、指示功能：補(bǔ)水時(shí)補(bǔ)水指示燈亮，用戶此時(shí)不能用水；水箱水位低于條件水位時(shí)發(fā)出提示音樂，此時(shí)用戶若想繼續(xù)間斷用水，可通過(guò)鍵盤設(shè)置“補(bǔ)水禁止”，這樣，即便不用水也不會(huì)補(bǔ)水，以便短時(shí)間內(nèi)仍有熱水可用，因此時(shí)有音樂提示，用戶可在用水完畢及時(shí)撤銷“補(bǔ)水禁止”位，為水箱補(bǔ)水；水箱水位到達(dá)強(qiáng)制補(bǔ)水水位而又被禁止補(bǔ)水時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便撤銷補(bǔ)水禁止位及時(shí)補(bǔ)水，防止水箱長(zhǎng)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，是隨著可編程邏輯器件（PLD）的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。這種用語(yǔ)言描述硬件電路的方式，容易修改和保存，且具有很強(qiáng)的行為描述能力，所以在電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)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(biāo)示，用水禁止

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

　　???? valve,alm,music : OUT STD_LOGIC;??? --補(bǔ)水電磁閥，報(bào)警，提示音樂

　　?????????????? fil_l : BUFFER STD_LOGIC);??? --補(bǔ)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(bǔ)水

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

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

　　???????? ELSIF level <= 1 THEN

　　?alm <= '1';music <= '0';?? --水位低于強(qiáng)制補(bǔ)水水位報(bào)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(shí)停止補(bǔ)水

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

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

　　valve <= not ply; fil_l <= not ply;? --不用水時(shí)予以補(bǔ)水

　　???????? ELSIF level <= 1 THEN

　　valve <= '1';fil_l <= '1';music <= '0';?? --強(qiáng)制補(bǔ)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(shè)為0～7八個(gè)級(jí)別，綜合后，水位以三位二進(jìn)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(bǔ)水水位設(shè)定在“l(fā)evel= 3”，即半箱水；強(qiáng)制補(bǔ)水水位設(shè)定在“l(fā)evel= 1”，即滿水箱的八分之一。

　　4??????? 仿真結(jié)果

　　為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成開發(fā)環(huán)境下對(duì)以上代碼描述進(jìn)行綜合、仿真，以下是該設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果。

　　由圖2可以看出，forbid(用水禁止)具有強(qiáng)制性，不論水位在何位置，該位都可隨時(shí)停止補(bǔ)水；當(dāng)該位被撤銷時(shí)，是否繼續(xù)補(bǔ)水則與當(dāng)前水位有關(guān)：若低于補(bǔ)水水位則繼續(xù)補(bǔ)水（約1.0us、8.0us處），否則不予補(bǔ)水（約3.4us處）。forbid無(wú)效時(shí)，補(bǔ)水按預(yù)先設(shè)定正常進(jìn)行：水箱水位低于強(qiáng)制補(bǔ)水水位時(shí)強(qiáng)制補(bǔ)水（約1.0us處），水位介于強(qiáng)制補(bǔ)水水位與條件補(bǔ)水水位之間時(shí)進(jìn)行有條件補(bǔ)水（約5.25us~5.75us間），水滿則停止補(bǔ)水（約9.7us處）。補(bǔ)水指示燈fil_l與補(bǔ)水value一致。Music及時(shí)提供音樂提示。Alm在水位低于強(qiáng)制補(bǔ)水水位而又被禁止補(bǔ)水時(shí)發(fā)出報(bào)警（約0.2us~1.0us間）。可見，電路滿足了設(shè)計(jì)要求。

5???? 結(jié)語(yǔ)

　　該設(shè)計(jì)采用了用于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中比較先進(jìn)的EDA技術(shù)，該技術(shù)具有設(shè)計(jì)靈活、修改快捷、調(diào)試方便、研制周期短等優(yōu)點(diǎn)[4]，且設(shè)計(jì)出的電子產(chǎn)品具有高可靠性和較高的性能價(jià)格比，極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。如本設(shè)計(jì)中的設(shè)定水位的改變、水位級(jí)別的增多、報(bào)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(jìn)行修改。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的智能型水位控制器，既可以單獨(dú)用以實(shí)現(xiàn)水位控制，也可以與其他太陽(yáng)熱水器控制環(huán)節(jié)（如水溫控制）有機(jī)地結(jié)合為一個(gè)整體，構(gòu)成真正意義上的“全自動(dòng)控制”太陽(yáng)能熱水器，全天候?yàn)橛脩籼峁崴朔艘蜓a(bǔ)水帶來(lái)的使用上的不方便，讓使用太陽(yáng)能熱水器成為一種享受，從而提高人們的生活質(zhì)量。