摘要：針對(duì)現(xiàn)有水溫控制的不足之處，介紹一種智能型水溫控制器。采用大火力快速啟動(dòng)方式縮短加熱時(shí)間，溫度反饋及超前控制方式縮小溫度穩(wěn)定時(shí)間、減小超調(diào)溫度，還設(shè)有安全保護(hù)、壽命均衡及燃燒穩(wěn)定性的控制措施。設(shè)計(jì)采用VHDL硬件電路描述語(yǔ)言，利用EDA工具進(jìn)行電路描述，并通過(guò)了仿真測(cè)試。
關(guān)鍵詞：水溫控制； EDA；仿真

1 引言

隨著人們生活水平的提高，家用熱水器的應(yīng)用越來(lái)越普及。在太陽(yáng)能熱水器、電熱水器和EDA）技術(shù)，用目前廣泛應(yīng)用的VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)硬件電路描述語(yǔ)言描述電路，VHDL是IEEE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，是隨著可編程邏輯器件（PLD）的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，且具有很強(qiáng)的行為描述能力，容易修改和保存；在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行綜合、仿真，并下載到可編程邏輯器件EPF10K10TC144-3中，以實(shí)現(xiàn)控制功能。

2 控制功能概述

燃?xì)鉄崴鞯暮銣?，就是指在水流量、冷水溫度、燃?xì)鈮毫Φ纫蛩匕l(fā)生波動(dòng)的情況下，仍可保持出水溫度達(dá)到用戶所要求的水溫并保持基本恒定。通常用四個(gè)主要的性能指標(biāo)來(lái)衡量燃?xì)鉄崴鞯暮銣匦Ч?，即加熱時(shí)間、熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間、水溫超調(diào)幅度和恒溫準(zhǔn)確度。對(duì)于這些性能指標(biāo)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6932－200l中規(guī)定“加熱時(shí)間”不大于45秒，“熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間”不大于90秒，“水溫超調(diào)幅度”為±5℃（對(duì)“恒溫準(zhǔn)確度” 國(guó)標(biāo)中尚未明確規(guī)定），而這些不能滿足用戶所要求的便捷性、舒適性。此處設(shè)計(jì)的恒溫控制器，其“加熱時(shí)間”不大于l2秒， “熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間”不大于l8秒，“水溫超調(diào)幅度”在設(shè)定水溫的±2℃范圍內(nèi)，恒溫準(zhǔn)確度在設(shè)定水溫的±l℃。

恒溫控制的目的是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將冷水加熱到設(shè)定溫度，減少用戶等待時(shí)間；在波動(dòng)因素影響下迅速將熱水溫度穩(wěn)定下來(lái)，并減少水溫超調(diào)幅度，使用戶感覺(jué)不到水溫的變化。具體實(shí)現(xiàn)是由系統(tǒng)將冷水溫度、熱水溫度及水流量等的變化信息進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理后與用戶所需的水溫信息進(jìn)行比較及運(yùn)算，利用運(yùn)算結(jié)果指令燃?xì)獗壤y動(dòng)作，通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)比例閥的燃?xì)饬髁縼?lái)控制火力大小，達(dá)到使熱水溫度基本恒定的目的。為使燃燒穩(wěn)定和有較高的換熱效率，在燃?xì)饬髁孔兓耐瑫r(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之作相應(yīng)調(diào)節(jié)，使燃燒所需空氣流量也作相應(yīng)變化?？刂剖疽鈭D如圖1所示。

圖1 燃?xì)鉄崴骱銣乜刂剖疽鈭D

圖中，設(shè)定水溫一般情況下為滿足洗浴所需，范圍在30～55℃之間可任意設(shè)置。若有特殊需求（比如燙洗餐具）需要高溫?zé)崴瑒t需在按下特需按鍵的同時(shí)，調(diào)節(jié)設(shè)定水溫，可設(shè)置為80℃以內(nèi)的高水溫。為了安全，高溫?zé)崴贿B續(xù)產(chǎn)出一次，即再次啟動(dòng)熱水器時(shí)自動(dòng)回復(fù)為洗浴用水的溫度范圍。分段燃燒控制是為減小加熱時(shí)間而設(shè)，將熱水器啟動(dòng)加熱分為三段運(yùn)行(各段間平滑過(guò)渡)，以在短時(shí)間內(nèi)將冷水加熱到設(shè)定的熱水溫度，減少用戶等待時(shí)間，同時(shí)也便于在冷水溫度變化較大的地區(qū)進(jìn)行火力調(diào)節(jié)。保護(hù)輸出則是在洗浴出水溫度過(guò)高或到達(dá)燃燒定時(shí)時(shí)間時(shí)關(guān)閉燃?xì)忾y及風(fēng)機(jī)，避免燙傷或熱水器超時(shí)工作。

3 部分功能仿真

設(shè)計(jì)中采用分層技術(shù)[3]，即先實(shí)現(xiàn)某些功能模塊，即底層電路，再由頂層電路將這些功能模塊連接起來(lái)，構(gòu)成完整的電路結(jié)構(gòu)。此設(shè)計(jì)分溫度顯示、定時(shí)、燃?xì)忾y及風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)、分段燃燒控制和保護(hù)輸出等五個(gè)模塊，其中定時(shí)及顯示模塊采用已有的成熟電路[4]，此處不再贅述。下面就其余三個(gè)模塊的功能仿真做以介紹。

3.1 分段燃燒控制模塊

為適應(yīng)不同水流量及熱水器不同溫升情況下的燃燒火力控制，燃燒器采用分段形式，此處設(shè)有三個(gè)火排。在不同情況下由“分段燃燒控制”信號(hào)控制各火排的工作：若水流量較大且冷熱水溫差也較大則所有火排同時(shí)工作；若冷熱水溫差不很大或水流量較小，則關(guān)閉其中一個(gè)火排；在冷熱水溫差較小時(shí)則只由單個(gè)火排工作。圖2為分段燃燒控制仿真圖。

圖2 分段燃燒控制仿真波形圖

因篇幅所限，這里只顯示出了直接控制燃燒器的中間信號(hào)，水流量檢測(cè)結(jié)果shll和冷熱水溫差范圍wch，為便于分析，示以最簡(jiǎn)單的模式：水流量、溫差均分大、小兩檔，以高、低電平表示，a、b、c分別表示對(duì)應(yīng)火排的工作狀態(tài)，高電平有效?？捎蓤D中可以看出，不同水流量及不同冷熱水溫差下各個(gè)燃燒段的工作狀態(tài)。

另外，為使每次啟動(dòng)熱水器水溫上升得的更快，充分利用燃燒器的分段設(shè)置，將熱水器啟動(dòng)加熱分為三段運(yùn)行：起始段開(kāi)最大火力，即所有燃燒段均工作，當(dāng)水溫升到一定溫度時(shí)關(guān)閉一個(gè)火排，而隨著水溫的繼續(xù)上升，為避免因加熱過(guò)快造成出水溫度快速?zèng)_過(guò)設(shè)定水溫，采用適度抑制手段（關(guān)閉一個(gè)火排或減小燃?xì)夤?yīng)量），使升溫速度由快轉(zhuǎn)慢，避免出水溫度過(guò)渡超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)然，并非每次啟動(dòng)必經(jīng)過(guò)這三段過(guò)程，根據(jù)水流量及冷熱水溫差的大小，熱水器可能穩(wěn)定在任意工作段。

以下為熱水器啟動(dòng)時(shí)對(duì)各段燃燒控制的部分程序代碼:

… …

if clk'event and clk = '1' then

if (sdsw - csw) > 25 then

a = '1'; b = '1'; c = '1' ; DD起始段所有火排均工作

elsif (sdsw - csw) > 15 then

a = '0'; b = '1'; c = '1' ; DD冷熱水溫差小余25℃時(shí)關(guān)閉a段

else a = '0'; b = '0'; c = '1' ; DD冷熱水溫差小余15℃時(shí)只有c段工作

end if ;

end if ;

… …