太陽能熱水器水位自動控制系統摘要太陽能熱水器，作為三大熱水器之一，因其無污染，使用方便，長期投入成本低等特點，而越來越受到人們的青睞，其使用已相當普及。但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開發階段。目前，市面上已有很多太陽能熱水器的控制器具有溫度和水位的顯示功能，并且很多通過溫度傳感器以及安裝電磁閥進行電輔助加熱，已經能解決水溫的自動控制。然而，在水位自動控制的方面依然不是那么完美，在很多時候，消費者在使用的過程中，往往會因水箱中水量不足并且不知情的情況下洗澡時遭受到突然沒水的尷尬場面，從而影響人們的心情，生活和正常的工作。本設計通過利用溫度傳感器和液位傳感器的結合，使我們理想中的既能自動控制溫度，也能自動控制水位，溫度和水位利用開關按扭轉換的太陽能熱水器實現，方便廣大消費群眾。關鍵詞: 太陽能熱水器;水位;自動控制the automatic control system of water level for soler water heaterabstrctsolar water heaters, as one of the three water heaters, because of its clean, easy to use, low cost long-term investment, more and more people of all ages, their use has become quite common. however, accompanying the supporting controller still has been in research and development stage. at present, there are already many solar water heater controller with temperature and water level display, and many through the temperature sensor and solenoid valves were installed auxiliary electric heating, has been able to solve the water temperature control. nevertheless, water level control of the area is still not so perfect, in many cases, consumers in the use of the process, often due to inadequate water tank, and without the knowledge of the water bath did not suffer from the embarrassing scene of a sudden, so influence peoples feelings, life and normal work. this design through the use of temperature sensors and liquid level sensor combination of both our ideal temperature control can also control the water level, temperature, and water use switch button conversion of solar water heaters to achieve, facilitate the broad consumer public.keywords: soler water heater; water level;automatic control目錄摘要1abstrct1第一章 緒論51.1太陽能熱水器的發展背景51.1.1太陽能熱水器發展的政治法律環境51.1.2太陽能熱水器發展的經濟環境51.1.3太陽能熱水器發展的社會文化環境51.1.4太陽能熱水器發展的技術環境51.2太陽能熱水器國內外發展現狀61.2.1國內發展現狀61.2.2 國外發展狀況71.3課題研究的主要內容81.4本課題研究的目的及意義81.5本章小結9第二章 太陽能熱水器系統.102.1太陽能熱水器的基本原理102.2太陽能熱水器系統的結構102.3太陽能熱水器電氣控制112.4本章小結11第三章 傳感器的特點及應用.123.1傳感器的特點、作用123.1.1傳感器電子學的特點123.1.2傳感器的重要作用133.1.3傳感器技術的展望133.2傳感器的特性143.2.1傳感器的靜態特性143.2.2 傳感器的動態特性183.3 信號處理方式193.3.1特性補償203.3.2運算處理213.3本章小結21第四章 硬件組成及電路設計.224.1硬件電路總體設計224.2硬件電路芯片的選型234.2.1 fpga選用234.2.2 ip核的選用244.2.3處理器選用254.2.4 a/d芯片的選型及接口設計264.2.5顯示器件的選型及接口設計274.2.6 epcs的選型及接口設計284.2.7鎖存器的選型及接口設計304.3 fpga外部硬件電路的設計314.3.1溫度測量電路的設計314.3.2水位檢測電路的設計334.3.3上水控制電路的設計334.3.4加熱控制的電路的設計344.3.5鍵盤電路的設計354.4 fpga內部硬件電路的設計354.4.1 fpga內部硬件電路結構354.4.2 fpga內部硬件電路各模塊分析364.4.3 fpga內部各模塊電路的設計374.5系統的可靠性設計404.5.1硬件抗干擾措施404.5.2軟件抗干擾措施414.6本章小結42第五章 軟件設計.435.1軟件設計需求435.2軟件功能模塊的劃分435.3系統模塊的軟件設計435.3.1鍵盤模塊435.3.2顯示模塊485.3.3溫度檢測模塊495.3.4水位檢測模塊525.3.5上水模塊535.3.6電加熱模塊545.4 本章小結56總結.57參考文獻.58致謝.61第一章 緒論1.1太陽能熱水器的發展背景1.1.1太陽能熱水器發展的政治法律環境近年來，為緩解我國能源危機及環境污染問題，新能源和可再生能源的開發利用越來越受到重視。而我國太陽能資源極為豐富，有很大的利用價值空間，太陽熱水器已被國家列為重點推廣的項目。中華人民共和國可再生能源法已于2006年1月1日施行，其中第十七條規定：國家鼓勵單位和個人安裝和使用太陽能熱水系統、太陽能供熱采暖和制冷系統、太陽能光伏發電系統等太陽能利用系統。今后，國家還將出臺一些有利政策來鼓勵太陽熱水器的推廣應用。這些不僅為太陽熱水器的生產與安裝提供了一個很有利的政治法律環境，而且為太陽熱水器的推廣應用提供了法律保障。1.1.2太陽能熱水器發展的經濟環境在最近20年，中國經濟迅速發展，人民逐漸富裕起來。據預測，到2010年我國gdp將達到21.5萬億元左右，人均gdp將達到1900美元。從人們的收入來看，價格為15002500元的太陽熱水器完全可以成為大多數中國居民的家用耐用品之一，尤其是在中國廣闊的農村市場，特別是先富起來的小城鎮。1.1.3太陽能熱水器發展的社會文化環境隨著人們生活水平的提高，熱水器已成為大部分居民家庭中的必備家用耐用品之一。近年來，越來越多的人開始關注環境污染，綠色、環保、健康成為消費者購買商品時的重點考慮因素。太陽熱水器無污染、節能、環保、安全。隨著我國煤電氣等能源的日趨緊張，價格不斷調高，人們對太陽熱水器的需求越來越迫切。我國有近13億人口，3億多家庭，而太陽熱水器的消費受年齡層次的影響很小，是大眾化的家庭耐用品。1.1.4太陽能熱水器發展的技術環境太陽熱水器產品類型主要有真空管型、平板型和悶曬型三大類型技術板塊。目前比較先進的太陽熱水器技術有分體式太陽熱水器技術、壁掛式太陽熱水器技術、承壓式太陽熱水器技術、太陽能熱泵熱水器，還有正在研究中的太陽能熱水空調系統技術，夏天在不太需要熱水的時候，利用熱水器產的熱水帶動空調制冷，冬天利用熱水器產的熱水供暖或洗浴，這種高效率的綜合利用太陽熱水器的技術是今后發展的趨勢。從政治法律環境、經濟環境、社會文化環境、技術環境幾個方面綜合分析來看，中國太陽能熱水器市場目前具有良好的發展環境，處于產品生命周期的成長期，市場需求量和潛在用戶迅速增長，目前沒有新的替代品的威脅，又有國家政策的鼓勵，市場前景十分廣闊。但是，目前國內的生產廠家很多，市場競爭十分激烈，大部分是生產質次價低的小作坊式的生產企業，許多消費者也意識到了這種質次價低的產品的危害，隨著市場的成熟，這些小企業將逐步被淘汰。而目前實力較強的企業中還沒有占絕對優勢的品牌，沒有形成寡頭壟斷競爭的格局。因此，中國太陽能熱水器企業立足目前這種市場狀況，注重科研技術開發，在市場競爭中采取技術領先的差異化戰略，生產出高質量的滿足用戶需要的產品，必將有廣闊的發展前景。1.2太陽能熱水器國內外發展現狀1.2.1國內發展現狀 中國的太陽能熱水器市場發展很快，總的保有量和年生產能力世界第一。但主要是以真空管直插式的簡易產品為主，工程也以非承壓單循環為主。中國的太陽能廠家生產的產品很多，追求全面，主要生產廠家不僅生產水箱、支架還生產真空。中國太陽能市場運作主要是以制造商發展經銷商，以專賣店形式銷售產品。制造商不僅制造產品還負責市場及品牌運作、工程安裝和售后服務。中國的太陽能產品開發主要由各個制造廠的技術部負責，各自為政，包括工程系統應用也是如此。由于各個廠所能聘用的專業研發人員數量和質量有限，導致了中國太陽能的利用沒有大的突破。近年來，太陽能熱水器在我國迅猛發展，從20世紀70年代后期就開始了開發家用太陽能熱水器。到20世紀90年，它不僅可為家庭和機關、旅社、醫院等提供洗澡、洗衣、炊事等所需熱水同時還可用于空調、干燥、農業種植、水產養殖、海水淡化等。隨著科學技術的進步，太陽能熱水器也隨之不斷改進，由集熱和貯熱合為一體逐步改進為集熱和貯熱部分分開，采用先進的太陽能集熱器，先進的保溫材料和冬季防凍技術及其他輔助裝置等。現如今生產的先進的太陽能熱水器已實現了全年運行，大大提高了太陽能熱水器的熱效率和利用效率。目前，太陽能熱水器是可再生能源技術領域商業化程度最高，推廣應用最普遍的技術之一。太陽能熱水器的技術發展: 其一、利用副水箱自動上水，無須人工操作，特別適用于供水供電不很正常的農村。當白天出現水壓不足，停電上不了水的情況時，到了深夜，它能自動上水，水滿自停，可靠性高，使用壽命長。 其二、自動控制方面，大多數廠家的產品采用電腦線控方式，線控的主要目的是控制面板能與主體分離，以利于操作。電腦控制能夠實現更精確的溫度控制和熱水預約功能，具有自動記憶功能，能夠記錄使用者的用水時段、用水次數、用水量和用水溫度，到時提前自動加熱，充分的滿足使用者用水的要求。 其三、節能方面，廠商已經開始從高效率方面來改進產品。利用良好的保溫技術，使熱水保持到第二天使用。比力奇、前鋒和西門子的雙內膽結構：兩個內膽上下放置，相互連通，下膽進冷水，上膽出熱水，減少了熱水與冷水的接觸面，提高了出熱水量，節能省電。海爾的分層加熱技術、西門子的接力式加熱管以及阿里斯頓的“z”型加熱管都能根據用水量充分的加熱特定區域。1.2.2國外發展現狀 太陽能熱水器是一種清潔，環保，節能的產品。世界各國對太陽熱水器的開發十分重視。各國紛紛制定太陽熱水器技術產業的發展規劃，大大地加速了該行業的發展。美國的“百萬太陽能屋頂計劃”實施將帶動大批相關工業的發展。歐共體提出了“太陽熱水系統熱能供給保證體制”，以合同的形式對用戶實現供熱水的承諾。先后在法國、西班牙和德國加以實施，已取得了良好的效果。以色列是一個化石能源資源較少而太陽能資源十分豐富的國家。政府對太陽熱水器的開發利用進行了直接干預。韓國，東南亞各國也制定了支持開發利用太陽熱水器的優惠政策，紛紛吸收外資到本國開辦太陽能企業。隨著科學技術的進步，太陽能熱水器也隨之不斷改進。以色列農民在政府的支持下85%的住宅都村安裝了太陽能熱水器。美國有130多萬個游泳池都裝上了太陽能集源熱器，成為環保型的太陽能游泳池。太陽能熱水器在國外的應用：其一、針對城市住宅的安裝使用，集體組裝、分戶使用的、全天候運行的、具有自動控制的、每戶裝有熱水表的太陽熱水系統。其二、適用不同用戶需要的、滿足各種建筑物結構和外觀要求具有個性化的產品。其三、滿足各種行業的應用。商業與服務業的洗車、餐飲、洗浴、洗染、美容、賓館和飯店以及農業生產中的溫室加熱、畜禽養殖等都需要大量的熱水；太陽熱水系統與沼氣池結合起來，可以提高發酵溫度，大大地提高其產氣率；在工業生產中也有不少使用熱水的場所，如皮革加工、機械零件的清洗以及預熱等。太陽熱水器和被動太陽房相結合進行采暖是一種值得推廣的技術。另外，主動太陽房利用太陽熱水器和其它能源相結合，進行地板采暖也有很好的經濟效益。1.3課題研究的主要內容本課題研究的主要內容：(1)在fpga上進行處理器系統的設計。(2)進行芯片的選型及接口設計。(3)進行其它硬件電路及軟件的設計。1.4本課題研究的目的及意義太陽能熱水器已走進千家萬戶，太陽能熱水器行業蓬勃發展，前景廣闊，但是消費者的需求越來越高，現有的太陽能熱水器并不能很好的滿足消費者需求。隨著社會生產的發展、科學技術的進步、生活水平的提高，人們早己不再滿足于只有使用功能的產品，人們在關注產品保證一定物質功能的同時，越來越注重在使用過程中的舒適、高效、安全的操作。對太陽能熱水器的使用方便性、安全性、操作界面的人機友好性提出了更高的要求。本文設計了太陽能水位自動控制系統。設計這個系統的目的是實現水溫自動控制哦的基礎上實現水位的自動控制。本文研究的意義也有兩方面：一方面，節省能源：我們現在所消費的能源，主要是煤炭、石油和天然氣等化石燃料，這些常規的化石燃料資源有限，不可再生。而太陽能是人類可以利用的，最豐富的新能源。另一方面，保護環境，減少污染：環境問題是目前全世界都關注的一個問題。我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，煤炭的大量開采與利用，必將造成大氣和其他類型環境污染及生態破壞。這對人類的生存和發展構成了嚴重威脅。而太陽能是一種綠色能源，不會排放任何污染大氣和其他類型環境的有害物，是與生態環境相協調的清潔能源。1.5本章小結本章通過政治法律環境、經濟環境、社會文化環境、技術環境幾個方面綜合分析，概述了中國太陽能熱水器市場目前具有良好的發展環境，處于產品生命周期的成長期，市場需求量和潛在用戶迅速增長，又有國家政策的鼓勵，市場前景十分廣闊。同時從太陽能熱水器的發展現狀入手，通過國內外太陽熱水器在制造產品，生產方式，市場運作方式，新產品研發方式比較，指出了我國在太陽能產業方面的不足，提出了今后努力方向：注重科研技術開發，在市場競爭中采取技術領先的差異化戰略，生產出高質量的滿足用戶需要的產品。概括地介紹了研究的內容及研究方法。闡述了研究太陽能熱水器的目的及意義。第二章 太陽能熱水器系統2.1太陽能熱水器的基本原理太陽能熱水器就是利用溫室原理，把太陽能轉變為熱能，并向水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種裝置。所謂溫室原理就是指由于對流、輻射損失減少，使熱量聚積，溫度逐漸升高的一種自然現象。具體來說，太陽光透過玻璃進人密封的集熱器內，大部分能量被集熱器內的黑色吸收體吸收，然后將熱量傳給冷水，冷水加熱后重量變輕，自動流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自動流入吸熱體繼續獲得熱量，周而復始，水箱內的全部冷水將被加熱。2.2太陽能熱水器系統的結構太陽能熱水器系統是由太陽能熱水器和控制器組成。而太陽熱水器由集熱器、蓄熱水箱、循環連接管道、支架及其輔助部件(加熱等)組成。而控制器是由輸入，顯示，檢測，控制電路組成。太陽能熱水器系統結構如圖2-1所示。圖2-1太陽能熱水器系統結構2.3太陽能熱水器電氣控制(1)首先加水，使太陽能集熱板處于滿水狀態，這時太陽能集熱板工作。(2)自動上冷水及蓄熱水。通過分別安裝在太陽能集熱板和太陽能蓄熱水箱內的溫度傳感器實時收集兩個容器內的水溫信號。通過信號轉換，使溫度值轉換成電壓值在控制電路中進行比較，當兩者的溫度差值達到預先給定的設定值時，控制器發出啟動信號，啟動循環水泵。將熱水放入太陽能蓄水箱，冷水進入太陽能集熱板。由于溫度信號的檢測是實時的，所以當溫度差小于給定值后，控制器的啟動信號消失，循環泵停止工作，太陽能集熱板的水進入加熱過程。(3)單獨控制蓄熱水箱中的電加熱器的工作。水溫也是通過安裝在水箱中的溫度傳感器實時檢測的。溫度信號通過轉換以后，跟控制器內設定的可以代表相應溫度的電壓值進行差值比較。如果溫度差(給定值測量值)為零值或者負值，說明水箱中的水溫達到要求，不需要加熱。如果為正值，說明水溫未達到要求，控制器產生的執行信號，經放大電路放大產生驅動信號驅動執行機構工作，開啟電加熱器。(4)太陽能熱水器的電氣保護。當太陽輻射量很大時(即在太陽能蓄熱水箱中的水溫過高，已經滿足使用需要，不需要再經過蓄熱水箱中的電加熱器加熱)，蓄熱水箱中的電加熱器關閉，電蓄熱水箱作為太陽能熱水器的備用水箱。相反，在冬天或者連續陰雨天輻射量很小時，控制器通過控制電路使太陽能蓄熱水箱中的電加熱器開啟，給蓄熱水箱中的水加熱，通過熱傳遞保證了水管不會在寒冷的天氣中被凍壞。(5)熱水器中一些輸入按鍵，用于熱水器水位，溫度的設置。2.4本章小結本章先介紹了太陽能熱水器的基本工作原理；然后畫出了太陽能熱水器的系統整體結構框圖，既用fpga來構建處理器系統，來完成數據采集與控制；最后闡述了太陽能熱水器電氣控制過程。第三章 傳感器的特點及應用3.1傳感器的特點、作用3.1.1傳感器電子學的特點傳感器就是一種能感知某一物理量的信息，并能將該信息轉化為有用信號的裝置。它能代替人的五感，還能檢測人的五官所不能感覺到的現象(如紅外線等電磁波、能量小的超聲波)。傳感器電子學是研究傳感器的學科。傳感器電子學有如下特點:一、學科的邊緣性傳感器電子學是以各種材料的物理效應、化學反應和生物傳感機理作為理論基礎，開發新的功能材料，并使材料功能實用化而發展起來的一門新學科。二、設計的綜合性人類社會中，光、聲、熱、濕度、位移、距離、角度、重量、速度等信息千變萬化，所用材料名目繁多，工作環境與技術要求形形色色，傳感器與計算機要相互匹配。這一切決定了傳感器設計的綜合。三、功能的潛在性傳感器是人的五官功能的擴展，其功能各種各樣。它能代替人的視覺、觸覺、聽覺等五官感覺的功能，它能檢測人的五官不能感覺的現象。四、應用的廣泛性傳感器功能的潛在性決定了應用的廣泛性。它既可用于軍事工程，又可用于工農業等國民經濟各部門。它被譽為“八十年代最具有時代性的大量生產的商品。”五、測試的精確性非電量測試技術是傳感器計量檢測的核心，與通用性強的信息、科學技術相比，傳感器技術是一門因檢測對象不同而技術各異的專門技術。各類信息的量程寬，如溫度:一273一40000k，壓力:133.322pa/emz一lo6kpa，加速度1100009。測試精度高，多數產品的精度為0.25%、0.1%，個別產品精度可優于0.001%。動態測試技術難度大，如感應濕度的響應時間，力學量傳感器的頻響特性與靈敏度測試等。六、工藝的復雜性傳感器的工藝復雜。如微型傳感器要求直徑為1二的精加工技術，硅應變片傳感器要求厚度小于1pm的超薄加工技術:耐壓大于106kpa的壓力傳感器要求密封技術;智能傳感器必須解決“三維”結構的工藝技術。七、生產的分散性多數傳感器都是多品種小批量生產，故傳感器的生產是一種分散型的工業。3.1.2傳感器的重要作用(l)信息的收集科學研究中的計量測試，產品制造與銷售中所需的計量等都要由測量而獲得準確的定量數據;對某種特定要求，需檢測目標物的存在狀態，把某狀態信息轉換位數據;判斷產品是否合格，或人體各部分的異常診斷等都需要由傳感器來測量。(2)信息數據的交換。把以文字、符號、代碼、圖形等各種形式記錄在紙上或膠片上的信息數據轉換成計算機、傳真機等易處理的信號數據，或者讀出記錄在各種媒介體上的信息并進行轉換。例如，磁盤與光盤的信息讀出磁頭就是一種傳感器。(3)控制信息的采集檢測控制系統處于某種狀態的信息，并由此控制系統的狀態，或者跟蹤系統變化的目標值。3.1.3傳感器技術的展望傳感器技術的應用范圍非常之廣。它會隨著不斷滿足社會性的需求而不斷增加。新傳感器的開發和應用，要求傳感器技術的三大支柱即“檢測原理”、“生產技術”和“現場(試驗)數據”協調發展。傳感器必然走向全數字化。傳感器系統將集成在一個芯片上，其中包括為傳感器處理器和位執行器，它們構成一個閉環工作為系統。有數字與更高級的計算機控制相連，通過利用專家系統中得到的算法對基本微傳感器部分提供更好的校正與補償。傳感器的功能會更多，精度和可靠性會更高，智能化的程度也將不斷的提高，優點會越來越明顯。3.2傳感器的特性3.2.1傳感器的靜態特性對傳感器靜態特性的基本要求有:輸入位0時，輸出也為0;輸出相對輸入應保持一定的對應關系。例如圖3一1所示: 圖31 輸入與輸出的關系若傳感器的輸入量為(x)，輸出量為(y)，則y=f(x)，最好x/y為恒定的比例關系。l、靈敏度與信噪比(s/n)選用傳感器首先考慮的是靈敏度。如果達不到測量時所必須的靈敏度，這種傳感器不能采用。但靈敏度高的傳感器不一定是最好的傳感器。這是因為它易受噪聲的影響。除環境噪聲外，還有來自傳感器本身輸出的噪聲。必須用信號與噪聲的相互關系全面來衡量傳感器。傳感器輸出信號中的信號分量與噪聲分量二次方的平均值之比，稱為信噪比(s/n)與噪聲。s/n小，信號與噪聲就難以分清，若s/n=l，就完全分辨不出信號因此，s/n至少也要大于10。2、線性在規定條件下，傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程圖32 傳感器的線性度（f.s）輸出值的百分比稱為線性度（見圖3-2）用表示線性度，則式中校準曲線與擬合曲線間最大偏差； ：傳感器滿量程輸出； 。由此可知，非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準直線其出來的。因而，基淮直線不同，所得線性度也不同。應當指出，對同一傳感器，在相同條件下做校準試驗時得出的非線性誤差不會完全一樣，因而不能籠統地說線性度或非線性誤差，必須同時說明所依據的基準直線。目前國內外關于擬合直線的計算方法不盡相同，下面僅介紹兩種常用的擬合基準直線方法。(一)端基法把傳感器校準數據的零點輸出平均值a。和滿量程輸出平均值b。連成的直線氏b。作為傳感器特性的擬合直線(見圖3一3)。其方程式為y=a0+kx (i-1)式中y輸出量；x輸入量；a0y軸上截距；k直線a0b0的斜率。由此得到端基法擬合直線方程，按(i-1)式可算出端基線性度。這種擬合方法簡單直觀，但是未考慮所有校淮點數據的分布，擬合精度較低，一般用在特性曲線非線性度較小的情況。圖33 端基線性度擬合曲線(二)最小二乘法用最小二乘法原則擬合直線，可使擬合精度最高。其計算方法如下:今擬合直線方程為y=a0+kx。假定實際校準點有n個，在n個校準數據中，任何一個校準數據y1與擬合直線上對應的理想值a0+kx間誤差為l1=y1- （a0+kx1） （i-2） 最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使為最小值，亦即使對k和a0的一階偏導數等于零，從而求出k和a0的表達式。 聯立求解以上二式，可求出k和a0，即 n 為校準點數。由此得到最佳擬合直線方程，由（i-1）式可算得最小二乘法線性度。通常采用差動測顯方法來減小傳感器的非線性誤差。例如某位移傳感器特性方程式為另一個與之完全相同的位移傳感器，但是它受相反方向位移，則特性方程式為在差動輸出情況下，其特性方程式可寫成 可見采用此方法后，由于消除了x偶次項濃非線性誤差大大減小，靈敏度提高一倍，零點偏移也消除了。因此差動式傳感器已得到廣泛應用。3、時滯輸入量增加到x1，如果輸出量為yl，再繼續增加輸入量然后減少到xl，這時其輸出量為y2。實際上輸出量yl和y2不相等，有一定的差值，即為時滯(回差)。這樣，輸入與輸出不是一一對應的關系。因此，要盡量選用時滯小的傳感器4、環境特性周圍環境對傳感器影響最大的是溫度。目前，很多傳感器材料采用靈敏度高，而信號易處理的半導體。然而，半導體對溫度最敏感，實際應用時要特別注意。除溫度之外，還有氣壓、濕度、振動、電源點壓及頻率等都影響傳感器的特性。5、穩定性理想特性的傳感器是加相同大小輸入量時，輸出量總是大小相同。然而，實際上傳感器特性隨著時間而變化，因此，對于相同大小的輸入量，其輸出量是變化的。連續工作時，即使輸入量恒定，傳感器輸出量也會朝著一個方向偏移，這種現象稱為溫漂。需要注意的是，除傳感器本身的溫漂外，還有安裝傳感器元件的機構的溫漂，以及電子電路的溫漂。6、精度精度是評價系統優良程度的。精度分為準確度和精密度。所謂準確度就是測量值與真值偏離的程度，為修正這種偏差需要進行校正，完全校正是很麻煩的。因此，使用時盡可能地減少誤差。所謂精密度就是即使測量相同對象，每次測量也會得到不同測量值，即離散偏差。3.2.2 傳感器的動態特性傳感器要檢測的輸入信號是隨著時間而變化的，傳感器的特性應能跟蹤這輸入信號的圖34 輸入與響應的關系變化，這樣可以獲得準確的輸出信號。如果變化太快，就可能跟蹤不上。這就是響應特性，即動態特性。動態特性是傳感器的重要特性之一。傳感器輸入與響應的關系上圖所示。3.3 信號處理方式 圖35 測量控制系統信號處理流程圖傳感器測量控制系統框圖如圖3一5所示。傳感器檢測變化的信號送往計算機，由計算機進行處理，然后計算機根據指令把處理結果送到控制、顯示及記錄裝置等。傳感器系統的信息處理流程如3一7所示。傳感器輸出信號通過輸入接口電路變換為計算機易處理的數字信號，然后輸入到計算機，計算機把該信號處理為控制等裝置所要求的信號格式，通過輸出接口電路輸出，驅動控制裝置，并顯示與記錄。計算機對傳感器輸入的數據要進行特性補償，運算處理，格式化以及組編程適合于控制的數據，根據控制指令輸送到外設。3.3.1特性補償1、 輸入輸出特性補償 圖36 模擬傳感器的輸入輸出特性一般來說，傳感器的輸入輸出特性是非線性的，不能直接顯示與記錄，必須進行非線性校正，即補償。模擬信號輸出傳感器的典型輸入輸出特性如圖3一6所示。圖3一6a表示通過原點的直線，線性度好。輸出值乘以系數即可直接顯示其真值。圖3一6b表示不通過原點的直線，需要進行減去b值處理。圖3一6c是平方特性，需要求二次方根運算以及系數補償。圖3一6d是指數形式的特性，需要對數變換處理。另外還有各種形式的輸入輸出特性。因此，需要進行相應的處理，運用計算機軟件極易實現。有效輸出量的獲取，有時要消除傳感器輸出量中的無效物理量。例如，為了能在很寬溫度范圍內測量物體的應變時就要采用應變傳感器，而應變傳感器輸出量中就有因溫度變化而引起的輸出量，這種輸出量是無效的，但往往又不能消除。因此，就要把溫度傳感器與應變傳感器組合在一起，測量氣溫度，基于此值補償應變傳感器的輸出值。輸出量只是有效的物理量。3.3.2運算處理 傳感器的輸出信號要經過各種運算處理、變成有效信號。傳感器輸出信號送入計算機，成為計算機的輸入信號，使用運算處理的信號有兩種方式:一種方式是輸入計算機信號(傳感器輸出信號)僅某個時刻使用有效。例如:根據輸入信號挑選產品的優劣，即僅到某設定值(例如產品合格參數)輸入信號有效。另一種方式是記錄輸入數據，綜合利用積累的信息。典型形式有采用直方圖、數字記錄、暫時記錄、取平均值等形式。直方圖形式是根據傳感器輸出數據信息，來了解產品加工精度的分布情況。它用于大批量生產管理與大量試驗數據處理。數字記錄形式是以一系列的時效數據形式存儲傳感器輸出的數據，用于以后檢查生產產品的狀態。暫存記錄形式是把傳感器輸出數據作為周期性時效數據，用于推斷與預測事故。取平均方式是把傳感器檢測次數累加，取平均數據，用于提高測量精度。3.3本章小結 本章介紹了傳感器的特點,作用,特性以及其信號處理方式 第四章 硬件組成及電路設計4.1硬件電路總體設計 硬件設計指應用系統的電路設計，包括主機、控制電路、存儲器、i/o接口、a/d和d/a轉換電路等。硬件設計時，應考慮留有充分余量，要為系統擴展預留一些接口。外圍電路設計力求正確無誤，因為外圍硬件電路一旦設計完成，就很難修改其外部硬件結構。太陽能熱水器加水位自動控制功能，主要是增加一個采集，顯示及控制系統。本文以fpga芯片為核心，組成處理器測控系統。總體硬件電路的接口設計如圖4-1所示。圖4-1 硬件電路接口簡圖控制系統中adc0809芯片主要是將傳感器檢測出來的模擬電信號轉變成數字信號，傳送到處理器內進行處理；fpga模塊主要是建立處理器系統，接收pc機生成的下載文件，接收檢測的數字信號，進行數據處理，數據的顯示，開關量的控制；顯示模塊主要是溫度，水位的顯示；32按鍵模塊是用來進行水位設定，溫度設定，及自動時間上水時間;水位檢測模塊是通過電導式液位傳感器將非電量的水位數據轉換為數字0，1這樣的二進制數據；上水控制及加熱控制是通過光電隔離元件來實現控制的。4.2硬件電路芯片的選型4.2.1 fpga選用 當前大多數應用系統的控制芯片是由mcu(單片機系統)，dsp(數字信號處理器)，或者fpga(field programmable gate array)即現場可編程邏輯器件構成的。而這些控制芯片各有特點： (1)結構上，mcu的存儲器采用哈佛結構；dsp芯片采用改進的哈佛結構,程序和數據具有獨立的存儲空間，有著各自獨立的程序總線和數據總線，由于可以同時對數據和程序進行尋址，大大地提高了數據處理能力，非常適合于實時的數字信號處理；fpga的結構是基于查找表。查找表(look-up-table)簡稱為lut，lut本質上就是一個ram。目前fpga中多使用4輸入的lu，每一個lut可以看成一個有4位地址線的ram。(2)內部資源使用上，mcu，dsp通過用特殊功能寄存器的形式來訪問內部資源，然而它們的特殊功能寄存器不多；而fpga的寄存器相當豐富。(3)指令系統上，mcu采用面向控制的指令系統；dsp指令系統是流水線操作。在流水線操作中，一個任務被分解為若干個子任務，各個任務可以在執行時相互重疊。dsp指令系統的流水線操作是與哈佛結構相配合的，增加了處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值，同時也就增加了信號處理器的吞吐量；fpga的指令系統依賴用戶選用的處理器。(4)外部擴展能力，因為mcu，dsp的引腳較少，故擴展能力沒有fpga強。(5)特有的應硬件資源，dsp有專用硬件乘法器；mcu用軟件來實現乘除法；fpga可以由用戶來自制指令，極大的提高創建系統的靈活性。(6)系統的升級能力，mcu，dsp內部電路結構固定，一旦設計完成，內部電路不能更改，而fpga內部電路可由用戶根據需要來配置，內部電路可修改。綜合mcu，dsp，fpga的分析，可以得出：單片機在簡單的控制和人機接口方面處于領先地位；dsp的優勢體現在數據處理上；fpga處于的優勢體現在控制及新算法處理上。同時考慮以后系統的擴展，系統的升級，設計周期，開發費用，系統的穩定性以及軟件設計的繁易程度等各項指標，最終選用fpga芯片。本設計選用cyclone ii器件的ep2c5f256c6芯片，ep2c5f256c6芯片的主要特性為： (1)擁有4608個邏輯單元。 (2)ram位數為119808。 (3)支持2個鎖相環。 (4)158個可用的i/o腳。 (5)支持通過低成本串行配置器件配置。 (6)全面支持lvttl，lvcmos，sstl2和sstl3 i/o標準。 (7)支持66mhz，32位的pci標準。 (8)支持低速lvds i/o。 (9)最高支持8個全局時鐘線。 (10)支持外部存儲器，包括ddr，sdram，fcram，sdram。 (11)支持ip核復用設計，包括altera megacore。4.2.2 ip核的選用 ip(intellectual property)核則是一段具有特定電路功能的硬件描述語言程序，該程序與集成電路工藝無關，可以移植到不同的半導體工藝中去生產集成電路芯片。將一些在數字電路中常用，但比較復雜的功能塊，如fir濾波器、sdram控制器、pci接口等設計成可修改參數的模塊。本文設計中使用了大量免費的ip核(nios核，jtag uart核，pio核，time核，ram核，rom核)，極大降低設計的難度。使用這些ip核設計系統具有以下優點： (1)修改元件的功能容易。 (2)使用方便，開發周期短。 (3)避免重復勞動，大大減輕設計的工作量。 (4)保證模塊的性能。4.2.3處理器選用 目前常見的處理器是微處理器，數字信號處理器，以及軟核處理器。這些處理器性能有很大的差別： (1)工作效率微處理器以及數字信號處理器都采用排隊式串行指令執行方式，從而使其工作速度和效率低。它們的內部電路結構固定，它們的速度不能滿足不斷出現的新算法對數據處理的要求。而軟核處理器采用5級流水線技術，大多數指令可以在一個時鐘周期內完成，提高了處理器的運算速度。 (2)系統升級能力每個系統都是針對某一個具體的微處理器設計，因此其硬件、軟件具有專用的特點。一旦需要硬件升級，尤其是微處理器的升級，必須硬件、軟件全部重新設計，微處理器以及數字信號處理器結構固定，硬件很難再升級。而軟核處理器是一個軟件內核，只要芯片上有空間，它就可以不斷進行升級而不用修改電路結構。 (3)開發周期由于微處理器以及數字信號處理器是以執行軟件指令方式來實現邏輯功能的器件，不同的功能環境需要不同的微處理器，而不同的微處理器通常又具有不同的匯編語言。此外，在微處理器開發軟件編程中需要時時顧及特定的微處理器硬件結構和外圍接口。程序的移植性差導致了每一新系統開發中的軟件重復勞動一再發生，成功的微處理器開發智力成果難以實現直接的再應用。所有這一切導致了微處理器應用系統開發效率低下和產品上市周期的延長。而軟核處理器是一個標準的risc處理器。執行標準的c源代碼，程序的可移植性強，開發人員不必為它的兼容性擔心，可以重復使用以前開發的代碼，在較短時期內研發出成熟的產品來。通過比較，本文選用軟核處理器。軟核處理器的軟ip核，設計者可以將它放入fpga中，它只占芯片內部很少的一部分邏輯單元，成本很低。nios軟核處理器是一個基于流水線的精簡指令集通用微處理器，其指令集的大部分指令均可在一個時鐘周期內完成，它具有以下一些特點： (1)是一種可配置的ip核，設計者可以通過開發工具對其參數進行配以適應不同場合的需要。 (2)具有16位和32位兩種可自由選擇的體系結構 (3)16位的指令寬度，減少了代碼的長度以及指令存儲器的寬度。 (4)通過對其參數進行配置，可具有512個通用寄存器。編譯器可以使用這些寄存器來加速函數調用以及對本地變量的訪問。4.2.4 a/d芯片的選型及接口設計4.2.4.1芯片選型 由于處理器系統只能識別二進制數據，故需要模數轉換芯片，將模擬的電信號轉變為數字信號。本文采用通用的模數轉換芯片adc080932，該芯片的技術指標為：(1)具有8路模擬量輸入通道。(2)分辨率為8位。(3)模擬輸入電壓范圍05伏。(4)使用5v電源，轉換時間為100s。(5)有轉換起停控制。(6)轉換溫度4085；4.2.4.2芯片接口設計 芯片的接口如圖3-2中，當ep2c5f256c6的a5和b4引線端上信號均為高電平時，啟動脈沖start和地址鎖存允許脈沖ale信號有效，a/d轉換器內的地址鎖存器把地址信號adda，addb和addc鎖存起來，選通通道并進行采樣和保持。在start下降沿的作用下開始逐次逼近的模-數轉換過程。讓adc0809工作在查詢方式下，轉換過程結束，adc0809的eoc變為高電平，由nios檢測b3口是否為1，為1即表示該次轉換結束，此時由nios向a/d轉換器取出檢測轉換數據，即完成數據的采集。圖4-2 fpga與adc0809接口簡圖4.2.5顯示器件的選型及接口設計4.2.5.1芯片選型 顯示模塊采用7段led數碼管hdsp-g153。通過控制七個條狀發光二極管芯片亮滅來實現0-9的顯示7。在系統中使用4個7段led數碼管。led數碼管有共陰極和共陽極兩類。共陰極led數碼管的發光二極管的陰極共地，當某個發光二極管的陽極電壓為高電平時，二極管發光；而共陽極led數碼管是發光二極管的陽極共接，當某個二極管的陰極電壓為低電平時，二極管發光。在設計中，采用了led的共陰極接法，其字形與代碼對應關系如下。表4-1 字形與代碼對應關系表4.2.5.2 led譯碼方式 led數碼管顯示器的譯碼方式有硬件譯碼方式和軟件譯碼方式。所謂硬件譯碼方式是利用專門的硬件電路來實現顯示字符到字段碼的轉換；所謂軟件譯碼方式是通過軟件譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼。由于使用fpga芯片，在fpga內部構建硬件電路，不會增加成本。故本設計采用硬件譯碼。4.2.5.3 led顯示方式 led數碼管的顯示方式有兩種可以選擇：一種是靜態顯示方式，一種是動態顯示方式。對于多位led顯示單元，通常是采用動態掃描的方法進行顯示，即逐個的循環點亮各位顯示器，這樣不僅可以簡化硬件電路，還可以顯示更多的字符。雖然在任意時刻只有一位顯示器被點亮，但是由于人眼具有視覺殘留效應，看起來去全部顯示器持續點亮的效果完全一樣。為了實現led顯示器的動態掃描，除了要給顯示器提供(字形代碼)的輸入之外，還要對各位顯示器分別進行控制，也就是所謂的段控和位控。因此多位led顯示器接口電路粗要有兩個輸出口，其中一個用于輸出8位段控線；另一個用于輸出位控線，位控線的數目等于led顯示器的數目。采用靜態顯示則需要的連接的i/o引腳較多，增加設計的難度，故本設計的led數碼管采用動態顯示方式。4.2.5.4芯片接口設計系統需要4位led顯示器，分別對實際水位和實際水溫(各使用2位led)進行顯示。在設計中，選用fpga作為4位led顯示器的接口電路。用fpga的引腳d13d16作為輸出口，即位控口。r7引腳用作鎖存允許控制端。r8引腳用作三態允許控制端。t7t14作為輸出口，即段控口。ep2c5f256c6與led數碼管芯片接口設計如圖4-3所示。4.2.6 epcs的選型及接口設計4.2.6.1芯片選型本文選用altera公司提供了一種基于flash存儲器的專用串行配置器件epcs4si8. epcs4系列的器件都具有串行接口，能夠存儲stratix系列、cyclone系列的fpga的配置信息，并在系統上電或者需要重新配置fpga時，向fpga發送配置信息。epcs4si8的技術指標：(1)簡單易用，接口只需要四個引腳。 (2)存儲容量為4m。 (3)配置電流比較小。圖4-3 fpga與led數碼管接口簡圖 (4)在as模式下，cpu能夠直接訪問未用的空間。 (5)低成本、引腳數少、存儲穩定。 (6)可以通過狀態寄存器，將其置為寫保護模式。4.2.6.2芯片接口設計 ep2c5f256c6與epcs4i8芯片接口設計如圖4-4所示4.2.7鎖存器的選型及接口設計4.2.7.1芯片選型為了匹配處理器與軟件訪問的速度，使傳輸的數據不丟