摘要：传统电热水器体系大多选用单片机作为操控中心，仅具有加热和保温功用，水温不行见，水量不易操控，大多热水器在保温时选用开关操控，给电力体系带来巨大冲击。本体系选用现场可编程逻辑器件Actel Fusion系列FPGA作为操控中心，充分利用其炔磕Ｊ混合的特色完结水温数字可视化、可预定时刻等等功用，运用PID算法完结水的加热和保兀使电力体系遭到很小的冲击，且该体系具有安全可靠、节能、高效能、功用安稳、简易操作的特性。
跟着社会的前进与开展，家庭生活的规范也在不断提高，人们愈加寻求家庭生活的高度信息化、智能化。热水器是常见的家用电器，是供给家庭沐浴用水、热水或饮用水的电热家电。现在市场上首要有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器等三种。就我国的国情而言，太阳能热水器的运用受气候影响较大，运用范围较窄;燃气热水器运用燃料，不环保;而电热水器具有安全、无污染、运用方便、节能节水等长处，越来越受顾客的喜爱。现在市场上的电热水器分为两种，即热式和贮水式，前者用水糟蹋较少，但因为功率太大，运用本钱高，因而实践运用较少;传统的贮水式电热水器操控功用不完善、精度低、可靠性差，仅能完结烧水和保温功用，并且会形成许多动力糟蹋。
1 体系方案规划
智能电热水器操控体系的首要任务是完结对水温的操控，首要功用有水温丈量、用于人工设定参数按键、水温显现、操控电加热管通断电的功率操控单元、漏电报警及安保办法等。体系以ACTEL FUSION系列的AS600为操控中心，外接水温，室温传感器和长途通讯操控设备，体系整体方案规划如图1所示。
其间限流维护电路是为了防止传感器绝缘层破损漏电或热水器漏电对中心芯片形成危害。而整流电路是为了把移动通讯的模仿信号转化为更简略被辨认的高电平直流信号。水位传感器为浮球传感器，首要为体系供给5升和8升的水位信号以供确认灌水时刻。液晶显现器用于显现温度、时刻和用户设置信息。四路驱动别离用于驱动加热设备和灌水开关。功率扩大器扩大的模仿信号驱动扩音器宣布水量过少的正告。
2 体系规划
本规划首要由模数转化模块、显现及时钟模块、用户信息与加热时刻核算模块、水温水位操控模块四个大的模块组成。其结构框图如图2所示。
2.1 模数转化模块
模数转化模块的功用首要是完结模数转化以输出较准确的温度和是否有电话告诉烧水的信号，完结对四路驱动的操控，包含ADC模块、ADC装备模块、ADC数据别离模块、温度变送器和长途操控呼应判别模块。ADC及其装备模块完结对三路模仿信号的采样，由数据别离模块把各路数据分隔，然后由温度变送器传出当时准确的室温文水温，最后由长途操控呼应模块判别是否有长途操控告诉的信号。模数转化模块选用TLC0831，运用LM358扩大模仿信号，模数转化、信号扩大原理图如图3所示。
温度传感器丈量电热水器水箱的温度改动，经过活络电阻将温度改动改换为电信号输送到丈量电路，将信号扩大到能够处理的信号，然后进行ADC。ADC将接连的模仿量经过取样转化成离散的数字量，将可处理的模仿信号转化为数字信号，信号数字化是对原始信号进行数字近似。模数转化包含采样、量化和编码三个进程。采样是信号在时刻上的离散化，依照必定的时刻间隔在模仿信号上逐点采纳瞬时值;量化是将接连起伏的抽样信号转化成离散时刻、离散起伏的数字信号;编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。
编码后二进制代码传输给处理器。处理器对接纳到信号与设定信号比较，选用PID操控办法进行操控，以完结对加热量的操控。当设置温度低于水箱内温度，依据温度改动的速率，削减加热量，当设置温度高于水箱内温度，添加加热量。温度传感器将水箱内的温度改动经ADC送到处理器，从头判别下一步怎么调理水温。
2.2 显现及时钟模块
显现电路首要用来设定温度、显现温度、显现水位等功用，选用液晶显现键盘驱动芯片来驱动LCD显现和接纳键盘输入信号。液晶显现及键盘驱动芯片运用MSM6786驱动芯片。电源由主控板供给，选用三线(DATA、LOAD、CLK)串行通行形式，最大极限地削减了LCD显现、键盘板与主控电路连线的数目。DATA引脚为串口通讯端口，用于输入操控指令和需求显现的数据或许输出键盘信号;LOAD引脚用于输入改换DATE引脚输入/输出状况所需的脉冲信号;CLK引脚用于输入串口通讯的同步时钟信号，数据的输入或输出都必须与时钟类型的上升沿同步。当按键状况改动时，MSM6786主动扫描输入状况，INT引脚的低电平信号变为高电平信号，向处理器恳求外部中止。电路图如图4所示。
时刻模块功用便是一个数字计时器，它由FPGA经过记载基准频率的次数决议，首要包含时刻设置和时刻运转计时两个功用。
2.3 用户信息模块
用户信息模块首要完结用户信息得设置、贮存和读取并联合时刻模块完结时刻核算与操控，包含用户信息设置和RAM写操作模块、RAM模块、信息读操作和数据转化模块和时刻核算模块。本模块的完结办法为，信息设置模块把用户信息贮存在RAM内，信息读取模块在恰当的时刻读取相应数据，依据数据核算出加热所需求的时刻，并在加热时刻到来时，输出有有用信号和当时的有用信息给与操控模块。
2.4 水温水位操控模块
水位操控包含]种水位状况，依据不同输出电平信号判别水箱水位，然后依据比较句子判别成果，履行水位状况程序，输出相应的操作操控信号，发动或许暂停履行元件完结水位的主动操控。水位操控流程图如图5所示。
在惯例PID的运用中，P、I、D 3个参数往往依据现场设备状况或调试经历人工设定的，经过调试参数以改动操控功用。PID操控是最早开展起来的操控战略之一，因为其算法结构明晰，参数可调，算法简略高效，可在现场依据实践来调理份额、积分、微分3个参数来到达较好的操控作用，在温度操控体系中被广泛选用。PID操控体系原理如图6所示。
完好的模仿PID算法表达式为：
(1)式中，u(t)为操控量，e(t)为误差，即设定值与反应值之差，Kp为份额常数，Ti为积分时刻常数，Td为微分时刻常数。PID算法的原理即调理Kp，Ti，Td3个参数使体系到达安稳。
FPGA对信号处理前，必须将(1)式数字化，当采样周期满足短时，用累加求和替代积分、用向后差分替代微分，于是就得到差分方程：
式(5)即为数字PID算法公式。
Ziegler-Nichols(齐格勒-尼柯尔斯)参数整定它是在试验阶跃呼应的基础上，或许是在仅选用份额操控作用的条件下，依据临界安稳性中的Kp值建立起来的。当被控目标的传递函数能够近似为带推迟的一阶体系：
齐格勒-尼柯尔斯给出了用表1中的公式确认kp、Ti、Td的值的办法。
用Ziegler-Nichols规律调整PID操控器，给出下列公式：
由电热水器温度操控体系的传递函数得：K=1.25，T=120秒，τ=122秒。
得Ti=2’=244秒，Td=61秒
依据齐格勒-尼柯尔斯参数调整规律得PID 3个参数为：
Kp=1.2T/τ=1.2 x 120/122=1.180 3
Ki=Kp/Ti=1.180 3/244=0.004 84
Kd=Kpx Td=1.180 3×61=71.998
因为FPGA欠好处理浮点数，对离散信号作近似处理后得：
仿真时序如图7：
3 结束语
依据Actel Fuions FPGA的智能热水器操控体系，完结了水温、水位的检测和智能操控，能够当令加热然后到达保温作用，还能够依据水位主动上水，完结热水器的智能操控。该体系也可用在太阳能热水器上用来完结水温显现和液位操控，具有体积小，本钱低的特色。本体系不光本身具有很好的安稳性，因为其运用PID算法完结加热保温操控，也使得整个家庭电力体系受其冲击很小。本文的最大立异点在于能够预设时刻、能够长途操控烧水、能够主动调理水温文水位，这样能够为家庭乃至国家节省许多动力和水资源。
