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正文內(nèi)容

基于fpga控制的太陽能熱水器水位水溫智能控制儀(編輯修改稿)

2025-07-24 18:45 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 )最高支持8個全局時鐘線。(10)支持外部存儲器,包括DDR,SDRAM,F(xiàn)CRAM,SDRAM。(11)支持IP核復用設計,包括Altera MegaCore。如圖31所示為太陽能熱水器智能控制儀的電源電路,圖32為直流穩(wěn)壓電源框圖。與直流穩(wěn)壓電源框圖對應,本電源電路也是有四部分組成:電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。這四部分功能分述如下:(1)電源變壓器它的任務是把電源電壓220V變壓到合適的大小。如果U1的值太大,會造成集成三端穩(wěn)壓器的功耗太大,溫度升高,且浪費電能。反之,如果U1的值小到一定的程度,三端穩(wěn)壓器不能正常工作,失去穩(wěn)壓作用 。因此U1的值應大小合適,這個值應該使三端穩(wěn)壓器在交流電網(wǎng)電壓最低和輸出電流最大時能正常工作。而且在正常穩(wěn)壓的前提下,它的壓降盡可能小,以減少功耗。(2) 整流電路它的任務是將正弦波變換成直流電壓。這里一般采用橋式整流電路來實現(xiàn),即可用四個二極管來組成,也可用整流橋堆來完成,只是參數(shù)一定要選擇合理。(3) 濾波電路它的任務是將全濾波形通過 RC 濾波網(wǎng)絡以后變成更平坦的直流電壓,減小脈動,提高整流的效果。這時整流管中通過的電流的瞬時值要比平均值大得多,特別在接通電源瞬間有相當大的沖擊電流(即充電電流)通過整流管,這一點要引起注意。(4) 穩(wěn)壓電路使輸出電壓為恒定的直流電壓,且要達到提出的要求。 圖31 電源電路 圖32 直流穩(wěn)壓電源框圖對于圖31電源電路中元件參數(shù)確定如下:(1)U1和C1的計算查閱集成三端穩(wěn)壓器的知識可知,對輸出電壓在5V~12V之間的穩(wěn)壓器,其輸入端的電壓一般要比輸出端電壓高5V。而輸出電壓在15V~24V的穩(wěn)壓器,其兩端電壓差達到7V~9V左右。在此,如果1,2兩端的電壓為12V,那么可以求得U1為10V。從電容濾波出發(fā),C1的容量應足夠大,但C1的容量也不能太大,否則整流元件的瞬時電流太大,而且容量越大,電容器的體積越大,價格越貴,根據(jù)經(jīng)驗綜合各方面情況,取C1=3300uF.(2) 整流元件的參數(shù)①反向耐壓 根據(jù)橋式整流電路的性能可知,每個整流二級管在交流電網(wǎng)最高時承受的最大反向峰植電壓為:   為了安全,整流管的反向耐壓應比上述植高50%以上,因此選擇整流管時,其耐壓應按下式考慮:  ②正向電流 橋式整流電路中,每個整流二極管的正向電流平均值是輸出電流的一半,其最大值為:  由于整流管在接通電源瞬間有相當大的沖擊電流(即充電電流)通過,因此,整流管的參數(shù)IF(正向電流平均值)應比上述值大(~2)倍。,則IF = (IDAV)MAX = (*)A≈1A目前,市場上有各種規(guī)格的整流橋堆出售,它有兩個交流輸入端和兩個直流輸出端。由于它體積小,使用方便,價格較低,已成為常用整流元件。根據(jù)上面的計算,本電源可選用1A/25V的整流橋堆。(3) 變壓器二次繞組的電流由于電容濾波整流電路中,整流管的電流不是正弦波,變壓器二次繞組電流的有效值Ia要比輸出電流Io大,一般情況下,前者是后者的(~3)倍。這里我們?nèi)  ?因此,變壓器二次繞組的額定電流(交流有效值)Ia應按2A設計。在本設計中,對電磁閥的直流電源的要求不不高,又因為1,2兩端的電壓為12V,為節(jié)省資源,故可直接取用1,2兩端的電壓作為電磁閥的直流電壓,無需再另行設計12V穩(wěn)壓電源。為實現(xiàn)熱水器24小時供應熱水的目的,控制器必須有一個實時時鐘來為系統(tǒng)提供準確的基準時間,在軟件設計上則要求實時地讀出當前時間,同設定時間比較,以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國DALLAS半導體公司推出的涓流充電時鐘芯片DS1302,它具有實時時鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM,實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、月、年的信息,每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整,時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24/12小時格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信,僅需用到三個口線:RES(復位)、I/O(數(shù)據(jù)線)和SCLK(串行時鐘)。時鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低,保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW。雙電源管腳用于主電源和備份電源供應,VCC1(備份電源)為可編程涓流充電電源,附加七個字節(jié)存儲器。如圖35所示:圖35 實時時鐘電路DS1302芯片介紹如下:DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路,它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時,具有閏年補償功能,~。采用三線接口與CPU進行同步通信,并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品,與DS1202兼容,但增加了主電源/后背電源雙電源引腳,同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。圖36示出DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源,VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下,也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1+,Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時,DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源。RST是復位/片選線,通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能:首先,RST接通控制邏輯,允許地址/命令序列送入移位寄存器;其次,RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時,所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化,允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平,則會終止此次數(shù)據(jù)傳送,I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時,在Vcc≥,RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時,才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向),SCLK始終是輸入端。圖36 DS1302引腳圖人機界面電路分為輸入電路和輸出電路。輸入電路采用獨立式鍵盤,其各個按鍵相互獨立地連接一條輸入數(shù)據(jù)線。這種鍵盤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)清楚。輸出電路采用128*64的LCD顯示,F(xiàn)YD12864是一種具有4/8位并行、2/3線串行多種接口方式,內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。其分辨率為128*64,內(nèi)置8192個16*16點漢字和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。接口電路如圖37所示:圖37 人機界面電路 12864液晶引腳功能12864液晶引腳功能描述如下:管腳號管腳名稱LEVER管腳功能描述1VSS0電源地2VDD+電源電壓3VO液晶顯示器驅(qū)動電壓4D/I(RS)H/LD/I=“H”,表示DB7∽DB0為顯示數(shù)據(jù)D/I=“L”,表示DB7∽DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”數(shù)據(jù)被讀到DB7∽DB0R/W=“L”,E=“H→L”數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6EH/LR/W=“L”,E信號下降沿鎖存DB7∽DB0R/W=“H”,E=“H”DDRAM數(shù)據(jù)讀到DB7∽DB07DB0H/L數(shù)據(jù)線8DB1H/L數(shù)據(jù)線9DB2H/L數(shù)據(jù)線10DB3H/L數(shù)據(jù)線11DB4H/L數(shù)據(jù)線12DB5H/L數(shù)據(jù)線13DB6H/L數(shù)據(jù)線14DB7H/L數(shù)據(jù)線15CS1H/LH:選擇芯片(右半屏)信號16CS2H/LH:選擇芯片(左半屏)信號17RETH/L復位信號,低電平復位18VOUT10VLCD驅(qū)動負電壓19LED+LED背光板電源20LEDLED背光板電源 液晶顯示器的原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性,通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制,有電就有顯示,這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點,目前已經(jīng)被廣泛應用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。液晶顯示的分類方法有很多種,通??砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外,液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動方式來分,可以分為靜態(tài)驅(qū)動(Static)、單純矩陣驅(qū)動(Simple Matrix)和主動矩陣驅(qū)動(Active Matrix)三種。用LCD顯示一個字符時比較復雜,因為一個字符由68或88點陣組成,既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區(qū)的8字節(jié),還要使每字節(jié)的不同位為“1”,其它的為“0”,為“1”的點亮,為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說,顯示字符就比較簡單了,可以讓控制器工作在文本方式,根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應的地址,設立光標,在此送上該字符對應的代碼即可。漢字的顯示一般采用圖形的方式,事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼(一般用字模提取軟件),每個漢字占32B,分左右兩半,各占16B,左邊為5……右邊為6……根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應的地址,設立光標,送上要顯示的漢字的第一字節(jié),光標位置加1,送第二個字節(jié),換行按列對齊,送第三個字節(jié)……直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。 液晶顯示器的優(yōu)點在單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點:由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度,恒定發(fā)光,而不像陰極射線管顯示器(CRT)那樣需要不斷刷新新亮點。因此,液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。液晶顯示器都是數(shù)字式的,和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠,操作更加方便。、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的,在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。相對而言,液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上,因而耗電量比其它顯示器要少得多。如圖38所示為用繼電器控制電磁閥的電路圖,圖39為繼電器的驅(qū)動芯片,直接與單片機I/O口相連。二極管D4的作用是在繼電器斷開的時候防止繼電器中線圈的感應電流倒灌。圖38 繼電器電路 圖39 繼電器驅(qū)動電路繼電器介紹:繼電器是一種電子控制器件,它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路),通常應用于自動控制電路中,它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。當輸入量(如電壓、電流、溫度等)達到規(guī)定值時,使被控制的輸出電路導通或斷開的電器??煞譃殡姎饬?如電流、電壓、頻率、功率等)繼電器及非電氣量(如溫度、壓力、速度等)繼電器兩大類。具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應用于電力保護、自動化、運動、遙控、測量和通信等裝置中。ULN2003功能介紹:ULN2003 是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN 達林頓管組成。ULN2003 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高,工作電流大,灌電流可達500mA,并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓,輸出還可以在高負載電流并行運行。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力,以便于驅(qū)動各種類型的負載。功率驅(qū)動電路是功率電子設備輸出電路的一個重要組成部分。在大型儀器儀表系統(tǒng)中,經(jīng)常要用到伺服電機、步進電機、各種電磁閥、泵等驅(qū)動電壓高且功率較大的器件。如圖310所示為ULN2003的引腳圖,引腳功能如表31所示:圖310 ULN2003引腳圖表31 ULN2003引腳功能管腳號符號功能11B輸入22B輸入33B輸入44B輸入55B輸入66B輸入77B輸入8E發(fā)射極9COM公共端107C輸出116C輸出125C輸出134C輸出143C輸出152C輸出161C輸出電磁閥介紹:追溯電磁閥的發(fā)展史,到目前為止,國內(nèi)外的電磁閥從原理上分為三大類(即:直動式、分步直動式、先導式),而從閥瓣結(jié)構(gòu)和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個分支小類(直動膜片結(jié)構(gòu)、分步膜片結(jié)構(gòu)、先導式膜片結(jié)構(gòu)、直動活塞結(jié)構(gòu)、分步活塞結(jié)構(gòu)、先導活塞結(jié)構(gòu))。直動式電磁閥。通電時,電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉從閥座上提起,閥門打開;斷電時,電磁力消失,彈簧力把關(guān)閉件壓在閥座上,閥門關(guān)閉。其特點為:在真空、負壓、零壓時能正常工作,但一般通徑不超過25mm。分步直動式電磁閥。它是一種直動和先導式相結(jié)合的原理,通電時,電磁力直接把先導小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起,閥門打開。當入口與出口壓差,通電時,電磁力先打開先導小閥,主閥下腔壓力上升,上腔壓力下降,從而利用壓差把主閥向上推開;斷電時,先導閥和主閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動關(guān)閉件,向下移動,使閥門關(guān)閉。其特點為:在零壓差或真空、高壓時亦能可靠工作,但功率較大,要求豎直安裝。先導式電磁閥。通電時,電磁力把先導孔打開,上腔室壓力迅速下降,在關(guān)閉周圍形成上低下高的壓差,推動關(guān)閉件向上移動,閥門打開;斷電時,彈簧力把先導孔關(guān)閉,入口壓力通過旁通控迅速進入上腔室在關(guān)閥件周圍形成下低上高的壓差,推動關(guān)閉件向下移動,關(guān)閉閥門。其特點為:流體壓力范圍上限很高,但必須滿足流體壓差條件。常用電磁閥多為隔膜閥,其工作原理是:閥體分為上下兩個室,中間為隔膜,在水壓相同的條件下,由于隔膜
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