基于FPGA的太阳能热水器全功能控制器的研究

【摘要】：能源问题、环境问题日益受到国家和人民的重视。利用太阳能产生热水的太阳能热水器已经走进了千家万户，成为我国可再生能源市场上发展最迅速、技术最成熟、需求量最大的产品之一。然而，目前家用太阳能热水器控制器多采用微控制器芯片，这种系统存在功能单一、实时性差、抗干扰能力较差以及不能实现即开即热等缺点。 针对以上不足，本文根据模糊控制算法，给出了一种以FPGA芯片为主体SOPC技术为核心的具有太阳能加热和电辅助加热协调工作的二维模糊温度控制系统。系统设计整体上采用了自底向上的设计方法，在QuartusII、SOPC Builder集成开发环境下进行系统硬件设计，同时在NiosIIIDE软件平台进行软件设计。本文对FPGA技术和SOPC技术及开发环境、开发流程进行了研究。首先，利用自顶向下的设计方法，在FPGA内部研究NiosII定制、定时模块、模糊控制模块、SDRAM控制器模块、LCD控制器模块、EPCS控制器模块以及输入输出模块的电路设计。其次，对温度检测模块、水位检测模块、水流检测模块、键盘模块、液晶显示模块及继电器输出模块等外围电路模块进行设计。同时，对主控模块中系统时钟、电源、复位模块、配置模块、SDRAM模块、JTAG接口模块电路进行设计。然后，对各个功能模块进行功能仿真和板级调试。最后，在顶层文件中完成硬件系统整体设计并实施优化。 本设计系统控制量较多，软件设计较复杂，所以根据对控制系统的功能要求，将软件设计划分为键盘模块、模糊控制模块、LCD显示模块、温度检测模块、水位检测模块、水流检测模块、上水模块等，对各个功能模块分别进行设计。 【关键词】：太阳能热水器 FPGA 辅助电加热 SOPC 模糊控制
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK515;TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-13
• §1-1 太阳能热水器的发展背景及意义9-10
• 1-1-1 生态问题日益严峻9
• 1-1-2 太阳能资源的优势9-10
• 1-1-3 技术支持10
• 1-1-4 国家支持和鼓励10
• §1-2 太阳能热水器国内外发展状况10-12
• 1-2-1 太阳能热水器国内外发展史10-11
• 1-2-2 国内外发展现状及未来发展趋势11-12
• §1-3 课题研究主要内容12
• §1-4 本章小结12-13
• 第二章 太阳能热水器系统13-17
• §2-1 太阳能热水器系统基本工作原理13
• §2-2 太阳能热水器系统结构13-14
• §2-3 太阳能热水器控制系统14-16
• 2-3-1 太阳能热水器控制系统结构14
• 2-3-2 太阳能热水系统执行部件控制分析14-16
• §2-4 本章小结16-17
• 第三章 太阳能热水器智能控制系统总体方案设计17-22
• §3-1 基于 FPGA 的太阳能热水器控制器技术要求17
• 3-1-1 技术指标17
• 3-1-2 技术要求17
• §3-2 主控芯片选型17-18
• §3-3 FPGA 技术18-19
• 3-3-1 FPGA 概念18-19
• 3-3-2 FPGA 技术的特点19
• 3-3-3 FPGA 技术的发展趋势19
• §3-4 Nios 处理器19-20
• §3-5 基于 FPGA 的太阳能热水器控制器设计方案20-21
• §3-6 本章小结21-22
• 第四章 太阳能热水器智能控制系统硬件设计22-38
• §4-1 基于 FPGA 的控制器硬件设计方案22
• §4-2 FPGA 内部硬件电路设计22-29
• 4-2-1 主芯片内部电路结构22-23
• 4-2-2 系统模块电路设计23-27
• 4-2-3 顶层模块设计27-29
• §4-3 FPGA 外部硬件电路设计29-37
• 4-3-1 主控模块29-32
• 4-3-2 信号采集模块32-35
• 4-3-3 继电器输出电路设计35-36
• 4-3-4 按键及液晶显示电路设计36-37
• §4-4 本章小结37-38
• 第五章 太阳能热水器智能控制系统软件设计38-51
• §5-1 软件开发工具介绍38
• §5-2 软件设计需求分析38-39
• §5-3 主程序结构及流程图39
• §5-4 软件系统的模块设计39-50
• 5-4-1 键盘模块39-41
• 5-4-2 液晶显示模块41-43
• 5-4-3 水温检测模块43-45
• 5-4-4 水位检测模块45-46
• 5-4-5 水流检测模块46
• 5-4-6 补水补温模块程序设计46-47
• 5-4-7 模糊控制模块程序设计47-50
• §5-5 本章小结50-51
• 第六章 结论与展望51-52
• §6-1 结论51
• §6-2 展望51-52
• 参考文献52-54
• 致谢54-55
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果55

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