【文章內(nèi)容簡介】 本較大。所以本文提出了間歇式沼氣壓力水洗提純方案，如圖41所示，為沼氣水洗提純流程圖。水洗過程需要說明的是，該水洗過程是在沼氣中CH4濃度70%，CO2濃度30%（依據(jù)于常壓水洗試驗時的沼氣組分）時，仔細(xì)考慮制定的，當(dāng)沼氣中CHCO2濃度改變時，水洗過程中的控制參數(shù)要相應(yīng)的改變。（）下進(jìn)行，水洗時，水洗塔內(nèi)裝滿一定量的水，由水泵提前輸送進(jìn)去的，根據(jù)需要會定期換水，換水在常壓進(jìn)行，在水洗過程中，水泵是不需要工作的。，電磁閥都處于關(guān)閉狀態(tài)。，電磁閥1開，壓縮機(jī)開機(jī)，延時30s后，電磁閥1關(guān)閉，排空水洗塔內(nèi)廢氣，電磁閥1關(guān)閉后，壓縮機(jī)輸送的高壓沼氣的使水洗塔內(nèi)壓力上升，處于高壓狀態(tài)。，CH4在水洗塔頂部富集，當(dāng)CH4濃度檢測儀檢測到CH4濃度大于90%時，電磁閥2開，將提純后的沼氣收集。%，電磁閥2關(guān)閉，CH4繼續(xù)富集，直到超過90%，電磁閥2才被打開。%，壓縮機(jī)關(guān)閉，電磁閥3開，真空泵開始抽真空，溶解在水中的CO2被釋放出來，并被收集。%（由于雜質(zhì)氣體的存在，CH4濃度不會超過90%，無須擔(dān)心電磁閥2開），真空泵關(guān)，電磁閥3關(guān)，完成一個水洗過程。，持續(xù)水洗過程，根據(jù)需要，對水洗塔內(nèi)部的水定期進(jìn)行更換。 沼氣水洗流程圖本章介紹了設(shè)計初期提出了兩個系統(tǒng)方案，然后根據(jù)兩個方案的優(yōu)缺點，確定本系統(tǒng)以單片機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)，并且本系統(tǒng)是以已有的氣體檢測儀為主體進(jìn)行設(shè)計的，有介紹了兩個氣體檢測儀的一些基本參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對原定方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最后介紹了本次水洗提純的具體工作流程。3硬件電路設(shè)計使用Proteus設(shè)計的沼氣壓力水洗提純系統(tǒng)硬件原理圖如圖53所示，控制系統(tǒng)的硬件組成主要包括三部分：單片機(jī)最小系統(tǒng)、電流轉(zhuǎn)電壓模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊。該硬件電路有兩個420mA電流輸入端口，可接收CHCO2濃度檢測儀器的電流信號。5個led燈用于模擬硬件電路輸出的開關(guān)量。從上往下5個led燈，D1表示電磁閥一，D2表示電磁閥2，D3表示電磁閥3，D4表示壓縮機(jī)，D5真空泵。如圖53表示。由于在實際安裝中并不需要使用顯示模塊，所以在總體電路圖中并沒有添加。而是在后面單獨略加說明。 沼氣水洗控制系統(tǒng)硬件模擬圖單片機(jī)最小系統(tǒng)由3部分組成：晶振、復(fù)位電路、電源。在圖中可以找到單片機(jī)最小系統(tǒng)，由于這以Proteus軟件進(jìn)行繪制，在Proteus中所有的芯片的電源和地都是默認(rèn)連接的，所以在圖中并沒有畫出電源。而且單片機(jī)最小系統(tǒng)早已被大家熟知，此處也不大加介紹了。 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖中的R3是電流取樣電阻，其值的大小主要受傳感變送器供電電壓的制約，最大轉(zhuǎn)換電壓為5V的話，可以取RA0=250Ω，這時候，傳感變送器的供電只要12V就夠用了。同時，線路輸入與主電路的隔離作用，尤其是主電路為單片機(jī)系統(tǒng)的時候，這個隔離級還可以起到保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的作用。采用的是廉價運放LM324，其對零點的處理是在反相輸入端上加入一個調(diào)整電壓，其大小恰好為輸入4mA時在RAO上的壓降。有了運算放大器，還使得 RAO的取值可以更加小，因為這時信號電壓不夠大的部分可以通過配置運放的放大倍數(shù)來補(bǔ)足。這樣，就可以真正把4～20mA電流轉(zhuǎn)換成為0～5V電壓了。 使用運算放大器也會帶來一些麻煩，尤其在注重低成本的時候，選擇的運放往往是最最廉價的，運放的失調(diào)與漂移，以及因為運放的供電與單片機(jī)電路供電的穩(wěn)定性，電源電壓是否可以保證足夠穩(wěn)定，運放的輸入阻抗是否對信號有分流影響，以及運放是否在整個信號范圍內(nèi)放大特性平坦，如此等等，造成這種廉價電路的實際效果不如人意。 電流轉(zhuǎn)電壓模塊硬件原理圖AD轉(zhuǎn)換即是模擬量（連續(xù)變化的量）到數(shù)字量（非連續(xù)的，離散的量）的轉(zhuǎn)換，依靠的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本實驗使用的AD轉(zhuǎn)換模塊芯片為PCF8591PCF8591是一個8bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，其顯著的特點是單片集成、單獨供電和低功耗。該芯片具有4個模擬量輸入接口、1個模擬量輸出接口以及1個串行I178。C總線接口，還有三個可用來硬件地址編程的引腳A0，A1和A2。在PCF8591芯片上，地址、控制信號和數(shù)據(jù)信號都是通過I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。，本實驗芯片直接由單片機(jī)電源提供的5v電源進(jìn)行供電。 A/D轉(zhuǎn)換模塊硬件原理圖其中引腳1,2,3,4是4路的模擬輸入，引腳5,6,7是I2C總線的硬件地址，引腳9是I2C總線的雙向數(shù)據(jù)線SDA，10腳是時鐘信號線SCL，12腳是時鐘選擇引腳，高電平表示的是使用外部時鐘輸入，低電平表示的是使用內(nèi)部時鐘，本實驗使用的是內(nèi)部時鐘，所以直接將12腳接地即可，并且11腳懸空。13腳是模擬地，如果沒有復(fù)雜的模擬部分電路，可以直接將模擬地和數(shù)字地接到一起。本硬件原理圖使用的是Proteus設(shè)計的。Proteus系統(tǒng)默認(rèn)電源和地是連接好的，所以在原理圖中并沒有顯示電源和數(shù)字地。14腳是基準(zhǔn)源，即基準(zhǔn)電壓，一個精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓會使輸入的AD轉(zhuǎn)換的信號測量的準(zhǔn)確，從而減少偏差?；鶞?zhǔn)電壓的提供有兩種方法。一種是直接由單片機(jī)電源提供供電。即將14腳接到VCC上，可是VCC會受到電路用電情況的影響，一般并不是準(zhǔn)確的5V電壓。而且會隨著系統(tǒng)負(fù)載的變化而跟著產(chǎn)生波動。所以這種情況一般都是用在一些個對精度要求不怎么高的地方。當(dāng)然，如果精度要求比較高的話，可以用方法二，為它提供專門的精度很高的基準(zhǔn)電壓。由于本系統(tǒng)對精度的要求并不是非常的高，直接將基準(zhǔn)源接VCC上也能達(dá)到精度要求，所以采用第一種方法。在本系統(tǒng)中顯示模塊使用的是LCD1602液晶顯示屏，硬件原理圖如下圖所示。液晶的顯示容量為2行，每行16個字符。液晶屏的工作電壓為5v，同樣可以由單片機(jī)電源直接供電。圖中液晶的電源和地同樣是默認(rèn)連接的。引腳方面主要說明的是4號引腳為數(shù)據(jù)命令選擇端（RS），高點平時為數(shù)據(jù)，低電平時是命令。5號引腳為讀寫選擇端（RW）。6號引腳為使能端。714號引腳是8個數(shù)據(jù)引腳，用于讀寫數(shù)據(jù)和命令。本方案將其統(tǒng)一接到了P0端。此方案中，顯示模塊主要是用于模擬測試，在實際的安裝中使用的是甲烷和二氧化碳檢測儀自帶的顯示器，并不需要用到這個顯示模塊，故只是略加說明。在本章中介紹了控制系統(tǒng)硬件部分總體的原理圖，并逐一提到了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，電流轉(zhuǎn)電壓模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，以及顯示模塊，單片機(jī)的最小系統(tǒng)大家都是熟知的所以只是簡單提及，而顯示模塊只是用于測試，在具體控制系統(tǒng)上并不要求，故也只是略微介紹。4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)主要包括主程序、延時子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、液晶顯示程序、I2C通訊協(xié)議等組成。本程序中CHCO2的濃度控制參數(shù)可調(diào)。，單片機(jī)初始化，運行，電磁閥1開，壓縮機(jī)開，延時30秒后電磁閥1關(guān)閉，以排空水洗塔頂部廢氣。、二氧化碳濃度檢測儀、當(dāng)甲烷濃度檢測儀檢測到甲烷濃度大于90%時，電磁閥2開；當(dāng)甲烷檢測儀檢測到水洗塔中甲烷濃度低于85%，電磁閥2關(guān)。%，壓縮機(jī)關(guān)，延時30秒，電磁閥3開，真空泵開，抽真空，溶解在水中的二氧化碳被釋放出來，并被收集。%（由于雜質(zhì)氣體的存在，甲烷濃度不會超過90%，無須擔(dān)心電磁閥2開），關(guān)閉真空泵，延時30秒，關(guān)閉電磁閥3。本方案以5個LED燈代表5個執(zhí)行器，進(jìn)行模擬執(zhí)行器的工作狀態(tài)，其定義如下。sbit LED_1 = P1^0。 //LED1代表電磁閥1sbit LED_2 = P1^1。 //LED2代表電磁閥2sbit LED_3 = P1^2。 //LED3代表電磁閥3sbit LED_4YSJ = P1^3。 //LED4代表壓縮機(jī)sbit LED_5ZKB= P1^4。 //LED5代表真空泵void main(){ unsigned char val0,val3。 unsigned char VIN0[10],VIN3[10]。 EA = 1。 //開總中斷 ConfigTimer0(10)。 //配置T0定時10ms InitLcd1602()。 //初始化液晶 LcdShowStr(0, 0, AIN0 AIN3)。 //顯示通道1和通道3指示 LED_1 =0。 //電磁閥1開 while (1) { LED_4YSJ =0。 //壓縮機(jī)開 delay_ms(30000)。 //延時30秒 LED_1=1。 //電磁閥1關(guān) if (flag300ms) { flag300ms = 0。 //顯示通道0的電壓 val0 = GetADCValue(0)。 //獲取ADC通道0的轉(zhuǎn)換值 ValueToString(VIN0, val0)。 //轉(zhuǎn)為字符串格式的電壓值 LcdShowStr(0, 1, VIN0)。 //顯示到液晶上 //顯示通道3的電壓 val3 = GetADCValue(3)。 ValueToString(VIN3, val3)。 LcdShowStr(10, 1, VIN3)。 } if ( val0=90) LED_2 = 0。 //CH4濃度大于90%，電磁閥2開 if ( val0=85) LED_2 = 1。 // CH4濃度小于85%，電磁閥2關(guān) if ( val3=40) //二氧化碳濃度大于40% { LED_4YSJ = 0。 //壓縮機(jī)開 delay_ms(1000)。 //延時 LED_3 =0。 LED_5ZKB=0。 } if ( val3=10) { LED_5ZKB= 1。 delay_ms(1000)。 //延時 LED_3 =1。} } }延時子程序在單片機(jī)的編程里面是非常常見的，幾乎個個程序都會用到，哪怕是剛接觸到單片機(jī)的初學(xué)者編寫流水燈程序時也會用到。一般編寫延時程序都是要根據(jù)單片機(jī)的機(jī)械周期來編寫，51單片機(jī)的一個機(jī)械周期包括12個時鐘震蕩周期，時鐘震蕩周期取決于單片機(jī)連接的晶振的頻率，即一個機(jī)械周期時間為約為12/11059200秒，本實驗定義的為1ms的延時子程序。延時的程序大家基本都比較熟悉，所以這里不再多加說明。PCF8591共有4個模擬量輸入通道，通道0到通道3，首先單片機(jī)對PCF8591進(jìn)行尋址，寫入控制字節(jié)，選擇轉(zhuǎn)換通道，再次對PCF8591進(jìn)行尋址，然后進(jìn)行讀操作 ，為了提供采樣的時間，這邊讓其先空讀一個字節(jié)，最后再讀取轉(zhuǎn)換完的值。本章根據(jù)水洗的具體流程得出軟件控制的流程，并制作出總體的軟件流程圖，給出了主體部分的程序。簡單說明延時子程序和AD的轉(zhuǎn)換5系統(tǒng)調(diào)試在調(diào)試系統(tǒng)之前首先進(jìn)行的是對氣體檢測儀的輸出信號進(jìn)行線性度測定，我改變檢測儀的氣體環(huán)境，用電流表測量檢測儀輸出的電流值，與計算值進(jìn)行比較，確認(rèn)氣體測定儀的線性度。實驗數(shù)據(jù)如下表顯示甲烷濃度（%）實測值(mA)計算值（mA）9075604530150由數(shù)據(jù)可見，在誤差允許范圍內(nèi)，氣體檢測儀檢測到的氣體濃度與輸出信號之間是呈線性變化的二氧化碳檢測儀的廠商，型號，與甲烷氣體檢測儀都是一樣的，因為缺少二氧化碳的氣體環(huán)境，我假定二氧化碳檢測儀測得的氣體濃度與輸出的電流信號之間也是呈線性變化的。其次對電流信號經(jīng)過轉(zhuǎn)化后的電壓值與氣體濃度之間的線性度進(jìn)行測定，也就是對轉(zhuǎn)化前后的電流與電壓之間線性度測定。將氣體測定儀的電流信號輸出線路與電流轉(zhuǎn)電壓模塊相連接，再將電流轉(zhuǎn)電壓模塊的輸出端與電壓表相連接，調(diào)整模塊上的滑動變阻器，輸入電流為20mA即氣體濃度為100%時，電壓表讀數(shù)為5v。為了驗證控制系統(tǒng)在實際中是否能夠順利運行，做了驗證試驗，試驗原理如圖所示，試驗儀器如表51所示使用兩個420mA電流源來模擬分別模擬CHCO2檢測儀器的電流信號，調(diào)節(jié)到計算好的電流，觀察LED亮滅情況及顯示屏的數(shù)值。圖51 試驗原理圖表52 開發(fā)板LED燈對應(yīng)的執(zhí)行元件表端口Led