基于单片机的沼气反应器温控系统研究

论文摘要

沼气能源是解决目前农村能源的最好途径。然而目前沼气发酵过程存在诸多亟待解决的问题,其中反应器温度的不稳定性就是需要解决的一个重要因素。目前国内大多采用常温发酵工艺,该工艺方法受到环境因素的制约,在有些季节甚至会停止产气。所以为沼气发酵提供一个理想的温度环境是目前沼气发酵中急待解决的问题。目前利用太阳能对反应器进行加热的方法比较理想,然而该工艺也同样受环境因素的制约,不能完全提供发酵过程的理想温度环境。本课题从该问题点出发,设计基于单片机的温控方案作为太阳能加热的辅助装置,实现反应器的理想加热环境。该课题首先分析了系统的设计要求和技术指标,确定系统的总体方案。然后考虑经济性能及体积因素,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,由温度采集模块、按键输入模块、液晶显示模块、控制输出模块、执行机构、RS232总线通讯模块等硬件电路的设计,该设计能够实现温度的实时检测、显示和控制输出,并具有和上位机通讯,多点组网等功能。其次在软件程序设计上,深入研究了单片机C语言的设计和使用,通过使用Keil C51进行编译调试。另外,系统根据温度具有非线性、时变性、大滞后等特性,采用控制精度高、调节时间短的模糊PID控制算法,并利用MATLAB进行了动态建模仿真和分析。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时钟的显示输出。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,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。该温控设计方案具有电路结构简单,自动化程度高,控制能力强等特点。通过仿真试验,该方案可作为太阳能加热的辅助设计来对沼气反应器进行加热作业,可以对沼气反应器提供理想温度环境,解决沼气发酵温度不稳定的影响因素,提高沼气的产气效率。论文最后对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需改进方向,为今后课题的进一步研究做准备。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 农村能源的发展现状及意义
• 1.2 沼气发酵工艺的温度因素
• 1.2.1 温度因素在沼气发酵过程中的影响
• 1.2.2 沼气发酵的温控类型
• 1.2.3 太阳能增温系统的池内温度变化规律
• 1.3 温度控制类型及发展现状
• 1.3.1 测温技术的发展与应用
• 1.3.2 温控技术的现状
• 1.4 课题的提出和研究内容
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 课题的研究内容
• 第二章 反应器温控装置设计
• 2.1 总体温控方案设计
• 2.2 测温传感器应用研究
• 2.2.1 常用温度传感器的特点分析
• 2.2.2 温度传感器的选择
• 2.3 温度传感器DS18B20
• 2.3.1 DS18B20 概述
• 2.3.2 DS18B20 的性能特点
• 2.3.3 DS18B20 的引脚、内部结构
• 2.3.4 系统测温电路
• 2.4 单片机微处理器
• 2.5 系统各功能模块设计
• 2.5.1 单片机时钟电路
• 2.5.2 键盘电路设计
• 2.5.3 显示电路设计
• 2.5.4 串口传输电路设计
• 2.5.5 电源模块设计
• 2.5.6 按键去抖动设计
• 2.5.7 控制输出电路设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 系统控制算法的实现
• 3.1 传统PID 控制方法
• 3.2 模糊控制方法
• 3.3 模糊PID 控制
• 3.3.1 模糊PID 的基本控制原理
• 3.3.2 模糊参数自整定思想
• 3.3.3 模糊控制器的设计
• 3.4 模糊PID 控制系统的设计与仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统软件的实现
• 4.1 系统主程序设计
• 4.2 DS18B20 设计
• 4.3 系统子程序的设计
• 4.3.1 显示子程序
• 4.3.2 定时子程序
• 4.3.3 量化子程序
• 4.3.4 按键输入模块子程序
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统仿真及测试结果
• 5.1 PROTEUS 简介
• 5.2 KEIL 软件简介
• 5.3 PROTEUS 与KEIL 的联合仿真
• 5.3.1 硬件电路的设计和调试
• 5.3.2 应用软件的编制、调试
• 5.3.3 总调
• 5.4 系统仿真结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与讨论
• 6.1 结论
• 6.2 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介