太阳热水器水位控制的EDA实现
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[1]目前，我国太阳能热水器的产量和使用量均居世界首位[1][2]。随着人们生活水平的提高，对太阳能热水器的品质要求越来越高。智能控制型太阳能热水器越来越受到人们的欢迎。水位控制是智能控制型太阳能热水器的基本功能之一，是实现“全自动控制”不可或缺的环节。所谓水位控制，是通过设定来实现太阳能热水器水箱里缺水时自动补水、水满时自动停水的功能。现有的控制方案多由水位
本文设计了一种新型的水位控制器，并采用了电子设计自动化（EDA）技术[4][5]，用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成开发环境下进行综合、仿真，并下载到可编程逻辑器件EPF10K10TC144-3中，以实现控制功能。
2 水位控制的主要功能
智能型水位控制要求补水及时且不影响正常使用。此处设计的智能化水位控制器可以实现水满后自动停水、条件补水和强制补水及显示、报警等功能。如图1所示。
图1 水位控制示意图
其中“水位”由水箱中的水位传感器提供。分三个档位：满水水位、条件补水水位和强制补水水位。满水水位用于实现水满后自动停水功能；条件补水水位可设置在一定水位如半箱水，当水箱水位低于此设置（高于强制补水水位）时实现有条件补水：当用水指示位有效（正在用水）时禁止补水，否则予以补水；强制补水水位可设置为水箱无水（或设置在较低水位），此时实现强制补水功能。为使用方便，控制器提供报警、指示功能：补水时补水指示灯亮，用户此时不能用水；水箱水位低于条件水位时发出提示音乐，此时用户若想继续间断用水，可通过键盘设置“补水禁止”，这样，即便不用水也不会补水，以便短时间内仍有热水可用，因此时有音乐提示，用户可在用水完毕及时撤销“补水禁止”位，为水箱补水；水箱水位到达强制补水水位而又被禁止补水时，发出报警信号，以便撤销补水禁止位及时补水，防止水箱长时间缺水。
3 水位控制器的VHDL代码
VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)是IEEE工业标准硬件描述语言，是随着可编程逻辑器件（PLD）的发展而发展起来的。这种用语言描述硬件电路的方式，容易修改和保存，且具有很强的行为描述能力，所以在电路设计中得到了广泛应用。以下是描述水位控制的VHDL代码。
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY bushui IS
PORT (ply,forbid : IN STD_LOGIC; --用水标示，用水禁止
level : IN INTEGER RANGE 0 TO 7; --水位
valve,alm,music : OUT STD_LOGIC; --补水电磁阀，报警，提示音乐
fil_l : BUFFER STD_LOGIC); --补水指示灯
END bushui;
ARCHITECTURE behav OF bushui IS
BEGIN
PROCESS(ply,forbid,level)
BEGIN
CASE forbid IS
WHEN '1' => valve <= '0';fil_l <= '0'; --禁止补水
IF level <= 3 AND level > 1 THEN
music <= '1';alm <= '0'; --音乐提示水位低于条件补水水位
ELSIF level <= 1 THEN
alm <= '1';music <= '0'; --水位低于强制补水水位报警
ELSE music <= '0'; alm <= '0';
END IF;
WHEN '0' => alm <= '0';
IF level = 7 THEN
valve <= '0';fil_l <= '0';music <= '0'; 水满时停止补水
ELSIF level<= 3 AND level > 1 THEN
alm <= '0';music <= '1'; --音乐提示水位低于条件补水水位
valve <= not ply; fil_l <= not ply; --不用水时予以补水
ELSIF level <= 1 THEN
valve <= '1';fil_l <= '1';music <= '0'; --强制补水
ELSE music <= '0'; valve <= fil_l;fil_l <= fil_l;
END IF;
WHEN OTHERS => null;
END CASE;
END PROCESS;
END behav;
代码中，水位设为0～7八个级别，综合后，水位以三位二进制码表示，即最小可分辩的水位为满水箱的八分之一。条件补水水位设定在“level= 3”，即半箱水；强制补水水位设定在“level= 1”，即满水箱的八分之一。
4 仿真结果
为了验证设计的正确性，在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成开发环境下对以上代码描述进行综合、仿真，以下是该设计的仿真结果。
由图2可以看出，forbid(用水禁止)具有强制性，不论水位在何位置，该位都可随时停止补水；当该位被撤销时，是否继续补水则与当前水位有关：若低于补水水位则继续补水（约1.0us、8.0us处），否则不予补水（约3.4us处）。forbid无效时，补水按预先设定正常进行：水箱水位低于强制补水水位时强制补水（约1.0us处），水位介于强制补水水位与条件补水水位之间时进行有条件补水（约5.25us~5.75us间），水满则停止补水（约9.7us处）。补水指示灯fil_l与补水value一致。Music及时提供音乐提示。Alm在水位低于强制补水水位而又被禁止补水时发出报警（约0.2us~1.0us间）。可见，电路满足了设计要求。
5 结语
该设计采用了用于电子产品设计中比较先进的EDA技术，该技术具有设计灵活、修改快捷、调试方便、研制周期短等优点[4]，且设计出的电子产品具有高可靠性和较高的性能价格比，极具市场竞争力。如本设计中的设定水位的改变、水位级别的增多、报警方式的调整等均可以不需要硬件电路的支持而方便地直接从VHDL源程序中进行修改。本设计实现的智能型水位控制器，既可以单独用以实现水位控制，也可以与其他太阳热水器控制环节（如水温控制）有机地结合为一个整体，构成真正意义上的“全自动控制”太阳能热水器，全天候为用户提供热水，克服了因补水带来的使用上的不方便，让使用太阳能热水器成为一种享受，从而提高人们的生活质量。
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