基于单片机的沼气池温控系统研究.doc

目 录1 引言 31.1 本课题的研究目的及意义 31.2 本课题的国内外研究现状 41.3 沼气发酵概述 51.3.1 沼气发酵基本原理 51.3.2 影响产气量的因素 51.4 沼气发酵工艺的温度因素 71.4.1 温度因素在沼气发酵过程中的影响 71.4.2 沼气发酵的温控类型 81.4.3 太阳能增温系统的沼气池内温度变化规律 82 系统软件的实现 102.1 proteus简介 102.2 Proteus VSM仿真与分析 112.3 Proteus与Keil联调 112.4 编程思想 122.5 系统子程序模块 122.5.1 初始化 122.5.2 查询温度 132.5.3 发送指令 142.5.4 读取数据 142.5.5 中断处理 152.5.6 主程序 162.6 温控系统的电路原理图 183 系统硬件的实现 193.1 温控系统设计的元件功能简介 193.1.1 DS18B20简介 193.1.2 DS18B20的主要特性 193.1.3 DS18B20内部框图 203.1.4 高速暂存存储器 213.1.5 DS18B20的测温原理 233.1.6 系统测温电路 233.2 74HC245 243.3 AT89C51 253.4 系统实物模型 263.5 系统实物模型功能简介 274 系统抗干扰设计 294.1 硬件抗干扰设计 294.1.1 电源干扰抑制 294.1.2 环境温度变化的干扰抑制 294.1.3机械装置的干扰抑制 294.2 软件抗干扰设计 294.2.1 数字滤波 294.2.2软件消除键抖动 314.3.电源引线、地线设计 315 结论及展望 325.1 结论 325.2 未来展望 325.2.1 原料预处理 335.2.2 反应器结构 335.2.3 反应器接种 335.2.4 发酵条件控制 335.2.5 发酵过程相分离 346 单片机应用设计注意事项与技巧 356.1 DS1820使用中注意事项 356.2 技巧总结 35致谢 38Abstract 39基于单片机的沼气池温控系统研究摘 要 沼气是一种清洁的可再生能源, 保持沼气池温度的稳定性是提高沼气产气效率的主要因素之一. 为此, 研究设计了以AT89C51 单片机为核心，由温度采集模块、按键输入模块、执行模块等硬件构成的沼气池温度控制系统, 从而为沼气的发酵提供一个理想的环境,实现了对沼气池温度的实时检测、显示和控制输出. 仿真与演示性实物说明, 设计合理可行, 有一定的推广应用价值. 关键词 沼气; 温度控制; AT89C51微型计算机; DS18B20;PROTEUS软件仿真1 引言1.1 本课题的研究目的及意义在能源渐趋枯竭的今天, 能源紧张对全球和中国的影响都日益突出, 世界开始将目光聚集到了新生能源领域. 在太阳能、核能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物质能等诸多新能源当中, 生物质能源是最安全、最稳定的能源, 也是目前国家重点鼓励的新能源领域. 特别是农作物秸秆, 它是一种重要的富含有机质(80%～90% )的生物质能源. 据联合国环境规划署(UNEP)报道, 世界上种植的各类谷物每年可提供秸秆17 亿吨. 沼气发酵工程可以将有机质在厌氧微生物的作用下产生一种可替代化石能源的清洁能源——沼气. 在美国、希腊、瑞典以及一些发展中国家都开始对秸秆作为沼气原料生产生物质能进行了大量研究. 在中国农作物秸秆也是非常丰富的, 每年约为7亿吨,其中稻草、麦草和玉米秆这3 种秸秆占到70% 以上. 中国有使用沼气的优良传统, 自1949年以来实施过几次大规模的沼气池建设运动, 目前在中国已经建有成千上万的沼气池[1]. 在20 世纪60 年代, 秸秆曾作为一种主要的发酵原料, 用于沼气工程实践. 中国农作物秸秆产沼气潜力巨大, 但是, 中国目前有关秸秆作为沼气原料生产生物质能源的系统科学研究却较为缺乏. 没有了技术支撑,用秸秆生产沼气出现了一系列问题. 因此慢慢被人们所抛弃. 沼气发酵原料基本转向畜禽粪便, 但是随着农村经济的发展和农业结构调整, 农村将会出现人畜分离的趋势, 现有以畜粪为主的沼气池将会因无发酵原料而停止运行. 因此, 充分利用秸秆制取沼气必然成为中国沼气发展方向. 发展沼气工程是建设资源节约型、环境友好型新农村的重要途径. 沼气就是将一些废弃物、动物粪便等在密闭条件下经过细菌发酵使其产生的气体. 沼气可用做发电、燃料等, 是21世纪的主要能源. 沼气是可再生的清洁能源, 既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源, 也可替代煤炭等商品能源, 而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等[2]. 中国农业资源和环境的承载力十分有限, 发展农业和农村经济, 不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价. 农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来, 促进了生产发展和生活文明. 发展农村沼气, 优化广大农村地区能源消费结构, 是中国能源战略的重要组成部分, 对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义[3]. 虽然沼气发酵技术在国内已得到了广泛应用, 但存在着沼气池产气效率过低的问题. 基于以上讨论, 本课题对沼气发酵的各种影响因素进行了研究, 找出各种因素与产气率的关系. 并针对国内采用温发酵工艺受环境温度因素的制约这一问题, 设计出基于单片机的温控系统, 以实现沼气池自动温控效果, 从而提高沼气的产气率, 并从一定程度上解决能源问题. 在这样的背景下, 本课题首先分析了国内外沼气技术发展的概况, 之后提出了基于单片机控制的沼气池温控系统的研究和设计. 考虑到设计的要求和技术的指标, 经过研究和分析, 并最终确定了具体的系统设计方案. 然后考虑经济性能, 深入研究和选择了各种芯片和元器件, 完成了以AT89C51单片机为控制核心, 由温度传感器、液晶显示器、光电耦合器、加热装置等组成的硬件电路, 设计出能够实现温度的实时检测、显示和控制输出. 其次在软件程序设计上, 根据程序流程图, 深入研究了单片机汇编语言的设计和使用, 通过使用Keil C51进行编译调试. 最后利用仿真软件Proteus和Keil联合进行仿真, 通过仿真平台可以对实测温度和设定温度进行显示输出, 同时系统可通过液晶显示器进行温度的显示输出. 仿真过程中, 可通过设定值和实测的温度值的比较来控制光耦继电器的吸合状态, 当实测温度高于设定温度值时, 继电器不吸合, 此时电机不运转, 即不对系统加热, 当测试温度低于设定值时, 继电器吸合, 驱动电机运转, 对反应器进行升温作业. 本设计中点亮红色发光二级管表示加热状态, 点亮绿色发光二极光表示对环境温度进行降温. 该温控设计方案具有电路结构简单, 主要使用了AT89C51、74LS04、74HC245、DS18B20等芯片, 从而实现了对沼气池的自动温控. 论文的最后对整个设计方案进行了总结, 指出了系统设计中存在的不足及今后仍然需改进的地方, 并指出了对未来沼气发酵技术的展望. 1.2 本课题的国内外研究现状经过多年的建设与发展, 我国农村沼气实现了历史性跨越, 取得举世瞩目的成就, 全国沼气用户稳步跨上1000万、2000万、3000万三个台阶. 近几年来, 党中央把农村沼气建设作为全面建设农村小康社会、改善农村生产生活条件“六小工程”的重点内容来抓, 2006～2009年连续四年将沼气建设写入中央一号文件. 2009年安徽省将沼气建设列为民生工程之一. 自2003年开始, 我国政府利用国债项目资金进行重点支持, 各地积极争取中央投资发展当地农村沼气建设. 至2008年底, 全国农村户用沼气由1110万户增至3050万户, 年均增加320多万, 年均增长29.1％, 各类农业废弃物处理沼气工程3.95万处(大中型养殖场沼气工程2700处), 乡村沼气服务网点7万个. 各地农村沼气建设呈现出快速发展的势头, 并取得了巨大的成效. 而在国外, 德国、奥地利和丹麦等国家利用能量作物和生物废料生产沼气的项目非常多, 特别是德国, 目前有4 000余个沼气工厂, 2008年超过15个沼气工厂进行了升级扩建. 据统计, 2007年德国所使用的沼气能量产量占欧盟27国沼气能量产量的36%. 德国主流的沼气工程技术是中温（35～40 ℃）、高浓度（8%～14%）的液态发酵、热电联供技术. 沼气工程发电全部上网, 发电机连续运转, 余热利用系统完善, 综合效率高, 只有在工程启动阶段需要外部热量输入, 正常运行阶段, 发电余热足以提供厌氧发酵系统的增温保温所需的热量. 沼液沼渣均作为肥料施于农田或草地. 能量作物玉米、谷类在沼气工程中作为主要发酵原料, 沼气工程已从解决环保问题上升到解决能源问题的高度[6]. 1.3 沼气发酵概述1.3.1 沼气发酵基本原理沼气是有机物质（如农作物秸秆、人畜禽粪便、垃圾以及有机废弃物等）在厌氧条件下, 通过特定微生物的发酵作用形成的. 因此, 沼气生产过程中的一系列复杂物理化学变化, 都离不开微生物的作用. 近年来国内外科学家对沼气微生物进行了大量研究, 已发现产甲烷微生物是沼气的生产者和沼气发酵的核心. 它们严格厌氧, 对氧气和氧化剂非常敏感, 最适合ｐH值的范围为中性或微碱性, 它们靠二氧化碳和氢生长, 并以废弃物的形式排出甲烷气体. 产甲烷微生物在自然界分布广泛, 如湖泊、沼泽、土壤中, 淡水或碱水池塘污泥中, 下水道污泥、腐烂秸秆堆以及城乡垃圾堆中都大量存在产甲烷微生物[11]. 沼气发酵的实质是微生物自身物质代谢和能量代谢的生理过程. 在这一过程中, 微生物在厌氧条件下, 为了取得进行自身生活和繁殖的能量, 将一些高能量的有机物质分解, 使有机物质在转变为简单低能量成分的同时放出能量以提供微生物代谢生活. 从总体上说, 沼气发酵过程一般分为三个阶段. 第一阶段为液化阶段. 由沼气池中微生物的分解酶, 如纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酸酶等对有机物质进行酶解, 将多糖水解为单糖或二糖, 将蛋白质分解为多肽和氨基酸, 将脂肪分解为甘油和脂肪酸. 通过这些酶解过程, 把固体有机物转变为可溶性物质, 水解产物可以进入微生物细胞, 参与细胞内的生物化学反应. 第二阶段为产酸阶段. 水解产物进入微生物细胞后, 在细胞内酶的作用下, 进一步分解为小分子化合物, 如低级挥发性脂肪酸、醇、醛、酮、脂类、中性化合物、氢气、二氧化碳、游离态氨等, 其中主要是挥发性酸, 约占80%, 所以此阶段称为产酸阶段. 以上两个阶段是一个连续的过程, 是在厌氧的条件下, 经过多种微生物协同作用, 将原料中的碳水化合物、蛋白质、脂肪等分解成小分子化合物, 同时产生二氧化碳和氢气, 虽然在这两个阶段不产生甲烷, 但脂肪、淀粉和蛋白质分解产生的乙酸, 为生产合成甲烷提供了充足的物质基础. 所以这两个阶段在沼气发酵过程中有很大的作用. 第三阶段为产甲烷阶段. 在这一过程中, 产氨微生物大量繁殖和活动, 氨态氮浓度增高, 挥发性酸浓度下降, 为产甲烷微生物提供了适宜的环境, 产甲烷微生物利用简单的有机物、二氧化碳和氢气等合成甲烷. 沼气发酵的三个阶段是相互连接、交替进行的, 它们之间保持着动态的平衡. 在正常情况下, 有机物质的分解速度和沼气产气速度相对稳定, 如果平衡被破坏, 就会影响产气. 比如液化阶段和产酸阶段的发酵速度过慢, 产气率就会降低, 发酵周期就会加长, 原料分解不完全, 料渣也会很多. 如果前两个阶段的发酵速度过快而超过产甲烷速度, 就会有大量的有机酸积累, 出现酸阻抑, 也会影响生产甲烷。