空气能热水器自问世以来，以其节能、高效、安全的特点迅速占领着热水器市场，并将成为未来热水器的发展方向。空气能热水器的稳定、可靠运行离不开恒温控制系统的控制和调节。恒温控制系统是空气能热水器的大脑和中枢神经。它的响应速度、精确性、稳定性、智能性是当前空气能热水器恒温控制系统研究的重点。本文首先阐述了空气能热水器的工作原理，并在此基础上介绍了空气能热水器恒温控制系统的控制方法。通过对以往PLC和单片机实现的恒温控制系统方案的优缺点进行了分析和研究，发现其系统集成度低、抗干扰能力差等不足之处。因此提出了基于FPGA的空气能热水器恒温控制系统的设计方案。本文从硬件、恒温控制系统控制算法和软件设计三个方面分别对本课题进行详细论述。硬件设计主要分为信号采集处理单元的电路设计和显示及设定单元的电路设计两部分，两单元之间采用RS485串行通信方式。接着是控制算法分析和软件设计部分。通过对系统控制特点的分析，设计了一种适合本系统控制特点的控制算法——优化PID控制算法。优化PID算法是在普通数字PID算法的基础上，加入了前馈控制、温度变化率控制、阀门跟踪控制。接下来，对优化PID控制算法进行分析，并在QuartusII中利用verilog语言和FPGA的IP核将其实现。在软件设计部分中，先对空气能热水器恒温控制系统的软件功能需求进行分析，设计出恒温控制系统的整体软件控制流程以及优化PID算法控制流程，并用FPGA实现。在Modelsim中对各个模块进行功能仿真，验证程序的正确性。最后在测试现场，结合空气能热水器机组对恒温控制系统进行了整体功能性测试和验证，并针对系统的抗干扰性、响应速度、稳定性、精确性进行了综合分析。根据测试结果的分析，验证了本系统响应速度快，稳定性高，调温精度高的控制效果和可以根据环境温度实现智能节能的突出特点，现该恒温控制系统已投入使用。本文结尾对空气能热水器恒温控制系统的进一步工作进行了总结和展望。