王曉利 寶雞文理學院 馬毓伯 電子科技大學

隨著生活節(jié)奏的加快，人們對生活的品質追求也朝著快捷、高效方向發(fā)展，各類家用電器，與日常生活關系密切。在南方，熱水器與居民的日常生活更是密不可分。通常從性價比考慮：燃氣熱水器、太陽能熱水器和電熱水器使用較多，其中燃氣熱水器的安全隱患較電熱水器高，使用中有一氧化碳泄漏、中途熄火等隱患問題；太陽能熱水器，多由天氣來決定使用情況，時間和空間上都具有一定的局限性。電熱水器可有效避免上述問題，其使用方便，且相對環(huán)保，熱水供應實時性較好。為了使電熱水器溫度控制更加便利、安全，考慮到FPGA具有豐富的邏輯單元，容易實現(xiàn)電路設計且可以實時完成計算，故提出基于FPGA的紅外遙控熱水器控制系統(tǒng)的設計。

1 基于FPGA的系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)FPGA主控控制模塊采用Altera公司的芯片EPF10K10LC84-4?；贔PGA的硬件設計原理框圖如圖1所示：硬件系統(tǒng)主要由前端溫度傳感器、A/D轉換電路、溫度LCD顯示電路、過溫控制報警電路以及FPGA控制主單元組成。其中，F(xiàn)PGA是控制核心。水溫的設定是通過操作紅外遙控器裝置進行設置的。當通電工作時，系統(tǒng)自動讀取上一次設定的溫度數(shù)據(jù)并顯示在LCD1602上，若需更新溫度數(shù)據(jù)，可通過紅外遙控器進行升溫或者降溫的調節(jié)，設置完畢，F(xiàn)PGA控制部分可根據(jù)用戶的設定或遙控操作，經過實時運算，假如溫度傳感器感應到溫度低于設定值時，系統(tǒng)進入到加熱工作狀態(tài)；當溫度高于設定值時，F(xiàn)PGA經過邏輯運算，判定是否繼續(xù)加熱，同時系統(tǒng)控制過溫報警電路發(fā)聲，此時停止加熱。

圖1 系統(tǒng)電路原理框圖

2 主要部件

2.1 溫度傳感器DS18B20

DS18B20溫度傳感器體積小，主要應用于狹小空間，安裝方便，其作用是感應當前熱水器中的水溫變化，具有較高的靈敏度。溫度傳感器的工作原理圖如圖2所示，其自身帶有對溫度的寄存裝置，便于前段數(shù)據(jù)采集，信號經由A/D轉換電路與FPGA之間進行傳輸。

圖2 溫度傳感器的工作原理框圖

2.2 ADC和DAC控制電路

FPGA模塊控制ADC0809的工作狀態(tài)，并接收來自ADC0809的數(shù)字信息，與按鍵輸入電路的預設信號進行比較后，將控制信息傳送給DAC0832轉換后輸送給后向控制電路；設計預設溫度為38℃，38℃對應的ADC0809輸出值為97，36℃對應的ADC0809輸出值為92，則VHDL程序中設定為ADC0809輸入值大于或等于97時，F(xiàn)PGA輸出到DAC0832的控制信號為0，即停止加熱；當ADC0809輸入值小于92時，F(xiàn)PGA輸出到DAC0832的控制信號為255，即以最大功率加熱；數(shù)值在92-96之間，輸出將細分為5個階段，即當數(shù)值為92時，對應輸出為5，當數(shù)值為96時，對應輸出為1，以逐次遞減的功率進行加熱。

圖3 ADC和DAC控制電路原理框圖

2.3 紅外遙控器的編碼和解碼

紅外遙控器因設計簡單，可靠性高，且能夠遠距離對電子設備參數(shù)進行設置，故得到廣泛應用。其主要由發(fā)射器和接收器兩部分構成。紅外線發(fā)射模塊選用IR Transmitter，紅外線接收模塊選用TSOP4838。在系統(tǒng)設計中使用紅外遙控器能夠靈活調整熱水器的預設溫度。紅外遙控系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

如圖4所示：紅外遙控器也是以FPGA控制器為核心部件，紅外接收器接收紅外信號，其模塊對信號進行放大、檢波、整形并解調出基帶信號。FPGA控制器實時存儲解調出的信號的高、低電平的時間寬度，當發(fā)射器按鍵按下發(fā)出紅外信號時，從FPGA存儲區(qū)還原出相應的紅外遙控編碼，即按鍵不同，發(fā)射出的遙控碼亦不同。該設計采用脈寬調制串行碼進行發(fā)送，即在相同脈沖寬度，不同間隔、周期的基礎上，設置代碼“0”或者“1”，發(fā)送相應的信息。

紅外遙控接收器主要任務是完成信號的接收，完成光電信號的轉換，調制出的控制信號驅動紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外信號，從而可實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的控制。

圖4 紅外遙控設計框圖

2.4 過溫保護控制電路

當正常加熱，溫度未達到上限時，繼電器不工作；當檢測到溫度過高時，繼電器產生動作，使系統(tǒng)電路進入警告狀態(tài)，并切斷電源，實現(xiàn)溫度過熱時對用戶的保護。過溫保護控制電路如圖5所示。

圖5 過溫保護控制電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)開始工作時，初始化進入到等待接收控制信息的狀態(tài)，若沒有通過紅外遙控器更新溫度數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)讀取上一次設定的溫度數(shù)據(jù)進行顯示，若需要更新溫度數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)等待溫度遞增或遞減的指令，若加1遞增則設置溫度上升，若減1遞減則設置溫度下降，設置完畢，系統(tǒng)顯示更新的溫度數(shù)據(jù)，并進入加熱或降溫工作狀態(tài)，這時系統(tǒng)準備接收判斷指令，當溫度低于設定值時則繼續(xù)加熱，當溫度高于設定值，系統(tǒng)控制繼電器斷開，停止加熱。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序的流程圖

3.2 紅外通信程序設計

3.2.1 紅外發(fā)射主要程序

library ieee；

use ieee.std_logic_1164.all；

entity hw_OUTPUT is

port(CLK：in std_logic；--50MHz

kin：in std_logic；

DATA：in std_logic_vector(31 downto 0)；

IROUT：out std_logic)；

end entity hw_OUTPUT；

architecture one of hw_OUTPUT is

type state is(s0,s1,s2,s3,s4)；

signal sta：state；

signal clk_1m：std_logic； --1MHz

signal clk_38k：std_logic； --38kHz

begin

process(CLK)

variable clk_counter：integer range 0 to 25；

begin

if(CLK'event and CLK='1')then

clk_counter：=clk_counter+1；

if(clk_counter=25)then

clk_counter：=0；

clk_1m<=not clk_1m；

end if；

end if；

end process；

process(CLK)

variable clk_counter：integer range 0 to 658；

begin

if(CLK'event and CLK='1')then

clk_counter：=clk_counter+1；

if(clk_counter=658)then

clk_counter：=0；

clk_38k<=not clk_38k；

end if；

end if；

end process；

......

3.2.2 紅外接收主要程序

library ieee；

use ieee.std_logic_1164.all；

entity hw_InfraredPort is

port(CLK：in std_logic；--50MHz

RST：in std_logic；IRIN：in std_logic；

RD：in std_logic；

CS：in std_logic；

led：out std_logic；DATA：out std_logic_vector(31 downto 0))；

end entity hw_InfraredPort；

architecture one of hw_InfraredPort is

type state is(s0,s1,s2,s3,s4)；

signal sta：state；

signal vData：std_logic_vector(31 downto 0)；

signal clk_1m：std_logic； --1MHz

begin

process(CLK)

variable clk_counter：integer range 0 to 25；

begin

if(CLK'event and CLK='1')then

clk_counter：=clk_counter+1；

if(clk_counter=25)then

clk_counter：=0；

clk_1m<=not clk_1m；

end if；

end if；

end process；

......

4 設計結果

系統(tǒng)設計利用硬件描述語言VHDL進行程序編寫，在QuarterII設計平臺進行原理圖繪制和仿真等工作。并能根據(jù)仿真結果分析設計存在的問題和缺陷，從而進行程序的調試和完善。結果驗證時以38℃作為預設溫度，觀察FPGAin與FPGAout兩端口。當預設溫度為38℃時，ADC模塊輸入數(shù)值為97時，對應DAC模塊輸出為0。同理，當數(shù)值為92時，對應輸出為5，當數(shù)值為96時，對應輸出為1，當輸入不在92-97之間，輸入大于等于97時，輸出為0，輸入小于92時，輸出為255。如圖7所示的系統(tǒng)仿真總圖和如圖8所示的溫度變化時的控制波形，經驗證符合設計要求。

圖7 系統(tǒng)仿真總圖

圖8 溫度增加仿真圖

通過設計，驗證了基于FPGA制作的可行性，達到了實時控制目的。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠，能夠滿足日常生活的基本要求。該溫度檢測器與傳統(tǒng)設計相比，具有測溫準確，讀數(shù)方便的特點，適用于對測溫要求準確的場所。

5 結語

通過對熱水器裝置的研究，設計出了基于FPGA控制核心的溫控系統(tǒng)和紅外遙控控制裝置，實現(xiàn)了預期控制功能，該設計不僅使用便捷，而且能夠對熱水進行實時供應，在日常生活中，該系統(tǒng)可在醫(yī)院、賓館、寫字樓等場所投入運行，有著較好的實用價值。