【正文】 and Erasable Read Only Memory）. 該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造, 與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容. 由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中, ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器, 為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案[8]. AT89C51提供以下標準功能:4K字節(jié)Flash閃速存儲器, 128字節(jié)內(nèi)部RAM,32個I/O口線, 兩個16位定時、計數(shù)器, 一個5向量兩極中斷結構, 一個全雙工串行通信口, 片內(nèi)振蕩及時鐘電路. 同時, AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作, 并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式. 空閑方式停止CPU的工作, 但允許RAM, 定時/計數(shù)器, 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作. 掉電方式保存RAM中的內(nèi)容, 但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位[13]. 圖36 AT89C61芯片引腳[5]其他重要電子元件主要有74LS0LG5641BH、HYDZ蜂鳴器、三極管S9021H331等. 其他74LS04為6輸入6輸出的非門。 LG5641BH為共陽7段數(shù)碼管, 在本設計中作為設置溫度的顯示和實測溫度的顯示用。 三極管S9021H331為PNP型晶體管, 在本設計中作為放大電流用以驅(qū)動蜂鳴器. 系統(tǒng)實物模型依據(jù)系統(tǒng)硬件部分及軟件部分的設計說明, 在成功的實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真后, 制作了基于單片機控制的沼氣池溫控系統(tǒng)實物模型. 該模型包含了控制系統(tǒng)核心部分的硬件電路. 通過該系統(tǒng)模型, 可實現(xiàn)環(huán)境溫度的實時監(jiān)測、對四個沼氣池的實時監(jiān)控與掃描、更改掃描模式、溫度控制信號輸出及根據(jù)具體要求對環(huán)境進行加溫或降溫等基本功能. 系統(tǒng)的演示性實物模型見下圖:22 13 12 11 17 16 15 14 7 6 5 4 3 2 1 10 9 8 19 20 21 18 圖 37 簡化的系統(tǒng)實物模型11設置溫度數(shù)碼管顯示 2AT89C51芯片 3復位電路指示燈 4十位控制鍵5個位控制鍵 6DS18B20溫度傳感器 7環(huán)境溫度數(shù)碼管顯示 874HC245驅(qū)動器974LS04非門 10模擬加熱系統(tǒng)指示燈 11達標提示燈 12蜂鳴器 13三極管S9021H331 14監(jiān)控按鈕啟動開關 15掃描總開關 16降溫啟動開關17降溫示意燈 18監(jiān)控室選擇指示燈 19掃描減速開關 20掃描加速開關21模式選擇開關 22模式指示數(shù)碼管 系統(tǒng)實物模型功能簡介1. 通過十位設置按鈕和個位設置按鈕設置沼氣的理想發(fā)酵溫度2. 通過兩個DS18B20顯示實時環(huán)境溫度3. 實時報警:由于沼氣發(fā)酵的溫度范圍一般在10－60℃之間, 當發(fā)酵低于10℃時, 微生物休眠, 產(chǎn)氣很少。 而當溫度高于60℃時, 產(chǎn)氣率隨溫度的升高將出現(xiàn)下降趨勢. 所以當人為的設置溫度低于10℃或高于60℃時會自動發(fā)出報警信號（蜂鳴器響、報警燈亮）4. 自動加溫并自動顯示加溫完成:當設置的溫度高于環(huán)境溫度時系統(tǒng)會自動加溫, 當環(huán)境溫度達到預設的溫度時, 系統(tǒng)會提示加溫完成5. 監(jiān)控掃描沼氣池:本設計中當啟動監(jiān)控開關時可對八個沼氣進行實時監(jiān)控6. 改變監(jiān)控掃描模式:本設計中設置了多組監(jiān)控掃描模式, 當按下模式按鈕后, 可根據(jù)需要選擇監(jiān)控掃描模式7. 更改監(jiān)控掃描速度。 通過加速和減速按鈕可更改監(jiān)控掃描速度8. 系統(tǒng)環(huán)境降溫:當環(huán)境溫度高于預設溫度時, 啟動降溫開關后, 可對四個沼氣池中的任何一個進行選定（此時僅需將監(jiān)控掃描的速度控制在足夠低即可）4 系統(tǒng)抗干擾設計 硬件抗干擾設計影響系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾, 以及系統(tǒng)結構設計、元器件選擇和外部環(huán)境等因素, 因此在電子系統(tǒng)設計中, 要采取各種措施, 從電源和各種器件的選擇到印刷版的布線, 光禍的使用以及軟件抗干擾等等, 力爭將干擾拒之門外[13]. 形成干擾的基本要素有三個:干擾源. 指產(chǎn)生干擾的元件、設備或信號, 主要分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源. 內(nèi)部干擾源通常只有熱噪聲、禍合干擾和高頻輻射等. 外部干擾通常來自能產(chǎn)生較大電壓(或電流)突變的元件或現(xiàn)象. 傳播途徑. 指干擾從干擾源傳播到敏感元件的通路或媒介. 敏感元件. 指容易被干擾的對象, 如:戶以D、D/A, 弱信號放大器等. 電源干擾抑制電源干擾主要是通過供電線路的阻抗禍合產(chǎn)生的. 量熱儀數(shù)據(jù)采集及控制模塊的電源選用了工業(yè)級的開關電源, 電源紋波5%. 由于開關電源極易產(chǎn)生寄生振蕩, 因此, 在電源進線處加入了電容濾波網(wǎng)絡. 本設計中采用的電容器是電感小、不易產(chǎn)生振蕩的擔電容和瓷介電容. 對于單片機控制系統(tǒng), 采用了硬件看門狗及電源監(jiān)測電路, 確保整個系統(tǒng)安全可靠地運行. 環(huán)境溫度變化的干擾抑制溫度變化以及長時間的工作都會導致模擬器件不穩(wěn)定, 而元件參數(shù)(R, C)的微小變化, 這些問題都會引起濾波器的幅值和相位發(fā)生很大的變化. 在設計過程中, 選擇了質(zhì)量好、溫度系數(shù)相近且比較小的電阻、電容. 機械裝置的干擾抑制由于單片機要通過信號傳輸對機械裝置進行控制, 使在信號傳輸過程中, 容易引起電氣信號干擾. 在設計中, 將單片機控制部分與機械裝置之間用光禍合器連接. 光禍合器的主要優(yōu)點是:信號單向傳輸, 輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離, 輸出信號對輸入端無影響, 抗干擾能力強, 工作穩(wěn)定. 這樣, 就抑制了機械部分引起的干擾. 軟件抗干擾設計軟件抗干擾技術是當系統(tǒng)受干擾后, 使系統(tǒng)恢復正常運行或輸入信號受干擾后去偽求真的一種輔助方法. 數(shù)字濾波數(shù)字濾波是通過一定的計算程序?qū)Σ蓸有盘栠M行平滑加工, 提高其有用信號, 消除或減小各種干擾和噪聲, 以保證系統(tǒng)的可靠性. 數(shù)字濾波與模擬RC濾波相比具有以下優(yōu)點:模擬濾波器通常每個通道都有, 數(shù)字濾波程序則可以多個通道共用. 在系統(tǒng)中采用數(shù)字濾波可以降低成本. 軟件濾波不需要硬件設備, 因而可靠性高、穩(wěn)定性好, 各回路之間不存在阻抗匹配等問題. 可以通過改寫數(shù)字濾波程序, 實現(xiàn)不同濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù), 這比模擬濾波器的硬件靈活方便. 因此為消除或減小干擾對系統(tǒng)的影響, 提高系統(tǒng)可靠性, 保證高精度, 采用數(shù)字濾波是一種經(jīng)濟可行的方法. 由于系統(tǒng)處理的主要是溫度信號, 而溫度信號變化速度較慢, 在采樣過程中, 會遇到尖脈沖干擾, 這種干擾只影響個別采樣點的數(shù)據(jù), 且此數(shù)據(jù)與其它采樣點數(shù)據(jù)相差比較大. 如果采用一般的算術平均值法, 干擾將被“平均”到計算結果中去, 不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣偏差. 為此, 對被測信號采用去極值平均濾波法進行處理, 既可以去除脈沖性干擾又可以過濾小的隨機干擾, 從而提高系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性. 去極值平均濾波法的流程圖所示. 開始設定采樣次數(shù)讀轉換數(shù)據(jù)輸入值送入最大、最小寄存器輸入數(shù)據(jù)同累加和寄存器E數(shù)據(jù)相加符合 否 是累加和E減去最大值和最小值除以12求平均值返回圖41 去極值平均濾波法的流程圖[14] 軟件消除鍵抖動每一個按鍵就是一個機械開關, 當鍵按下時, 開關閉合, 松開時, 開關斷開. 但是由于機械開關的撞擊作用, 開關的動片會產(chǎn)生抖動, 抖動時間約5ms至10ms. 本系統(tǒng)采用軟件消除方法, 在第一次檢測到鍵按下時, 執(zhí)行1Oms的延時子程序. 為避免檢測到干擾信號, 延時子程序執(zhí)行完畢后, 再檢測此按鍵, 如果仍為按下狀態(tài), 便確認此鍵已被按下, 執(zhí)行相應的子程序. 這樣便消除了鍵抖動的影響. 電源引線、地線設計在本設計中, 根據(jù)印制線路板電流的大小, 盡量增加電源線寬度, 減少環(huán)路電阻. 同時, 使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致, 這樣有助于增強抗噪聲能力. 地線設計遵循的原則: 數(shù)字地和模擬地分開. 接地線盡可能地加粗. 接地線構成閉環(huán)路. 5 結論及展望 結論影響沼氣發(fā)酵過程的產(chǎn)氣量的因素很多, 如沼氣發(fā)酵原料、厭氧活性污泥、溫度、C/N比等. 本畢業(yè)設計主要從影響較重要的溫度因素這一環(huán)節(jié)考慮, 解決沼氣發(fā)酵過程中存在的溫度不穩(wěn)定現(xiàn)狀. 本畢業(yè)設計在分析了國內(nèi)外沼氣技術發(fā)展情況之后, 提出了基于單片機控制的沼氣池溫控系統(tǒng)的研究和設計. 設計中深入研究和選擇了各種芯片和元器件, 完成了以AT89C51單片機為控制核心, 由溫度傳感器、液晶顯示器、光電耦合器、加熱裝置等組成的硬件電路, 設計出能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的實時檢測、顯示和控制輸出. 其次在軟件程序設計上, 根據(jù)程序流程圖, 深入研究了單片機匯編語言的設計和使用, 通過使用Keil C51進行編譯調(diào)試. 最后利用仿真軟件Proteus和Keil聯(lián)合進行仿真, 通過仿真平臺可以對實測溫度和設定溫度進行顯示輸出, 同時系統(tǒng)可通過液晶顯示器進行溫度的顯示輸出. 沼氣細菌屬厭氧菌,細菌發(fā)酵溫度一般不低于10℃, 最高不超過55℃. 在嚴寒和寒冷地區(qū), 由于冬季寒冷漫長,氣溫、地溫低, 原料分解率低, 沼氣的生產(chǎn)存在產(chǎn)氣率低、使用率低、沼氣使用綜合效益差等問題,甚至在冬季會出現(xiàn)凍裂沼氣池的現(xiàn)象. 這種狀況在一定程度上限制了寒冷地區(qū)沼氣利用技術的發(fā)展, 為此, 在嚴寒和寒冷地區(qū)如何合理開發(fā)利用沼氣是一個急待解決的問題. 本設計針對嚴寒地區(qū)冬季氣溫、地溫低, 沼氣的生產(chǎn)存在產(chǎn)氣率低、使用率低等問題進行了思考. 雖然之前有人提出了利用太陽能加熱制取沼氣的新思路, 即利用太陽能集熱系統(tǒng)生產(chǎn)的熱水通過沼氣池底部的換熱器來加熱料液, 使料液升溫進行發(fā)酵, 產(chǎn)生沼氣, 同時對沼氣池保溫, 減少能耗, 提高池溫. 因此, 該設計的系統(tǒng)可作為太陽能加熱的輔助方案, 來提供反應器的理想加熱環(huán)境. 由于該設計的主要工作是對利用單片機來智能控制沼氣池的加熱系統(tǒng)進行了初步的研究, 還處在摸索階段, 也遇到了很多問題. 通過對整個系統(tǒng)進行實驗和模擬分析后, 作者認為, 基于單片機的沼氣池溫控系統(tǒng)的后續(xù)工作可以從以下幾個方面進行更深的研究: 沼氣池的保溫方法及保溫厚度的優(yōu)化研究. 沼氣池加熱的方法及換熱器的結構型式的研究. 不同種類的發(fā)酵料液對換熱器的傳熱系數(shù)的影響. 沼氣池內(nèi)溫度控制曲線的研究, 以達到較高的產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量. 本設計中主要針對溫度因素進行了一定的探討, 后續(xù)研究可從影響沼氣產(chǎn)氣率的其他因素進行研究. 在該設計中, 單片機的8位雙向并行I/O端口都得到了利用, 隨著電子技術的發(fā)展, 更高性能的單片機的誕生不再是夢想. 所以可以充分利用單片的各項功能, 設計出更好的溫控系統(tǒng). 未來展望一項又一項的實際調(diào)查表明, 在沼氣工程中應用秸稈作為發(fā)酵原料的實踐已基本消失. 秸稈沼氣利用實踐的受挫, 已經(jīng)導致近年來關于秸稈產(chǎn)沼氣的研究受到抑制, 這可以通過國內(nèi)外重要文獻檢索系統(tǒng)搜索結果得以體現(xiàn). 對于沼氣的發(fā)展, 未來重點的研究內(nèi)容可從以下方面考慮. 原料預處理研究表明秸稈產(chǎn)沼氣效率低下與秸稈的質(zhì)地和成分關系極大. 秸稈的主要有機組成是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠和蠟質(zhì)等, 質(zhì)地輕, 難以分解, 此外秸稈的有效氮、磷成分短缺, 不利于微生物發(fā)酵利用. 特別是秸稈表面具有一層蠟質(zhì), 不容易被微生物所破壞. 通過物理、化學和好氧生物途徑對秸稈進行的預處理是許多研究人員一直努力的方向, 也都取得一定成效. 但是,預處理在改善秸稈特性提高原料利用率的同時也存在一系列問題. 首先, 預處理增加費用。 其次, 化學處理面臨二次污染。 再者, 生物法處理秸稈大多數(shù)還停留在試驗階段, 離規(guī)?；膽眠€有一定的差距. 因此, 找到合適的預處理方法是未來重點研究的內(nèi)容. 反應器結構由于農(nóng)作物秸稈自身的特點, 其沼氣發(fā)酵一般采用批量進料, 進出料工作量大的難題一直困擾秸稈在沼氣領域中的應用. 原料輕易出現(xiàn)漂浮分層和結殼, 是第二難題. 固態(tài)發(fā)酵, 傳質(zhì)效果差, 且攪拌阻力大, 氣體釋放困難, 是另一難題. 因此, 如何能夠使進出料方便且保持連續(xù)進出料、增加傳質(zhì)效率是未來反應器結構改進研究的主要方向. 反應器接種在秸稈沼氣發(fā)酵中, 需要一定的接種物來啟動反應, 目前的研究都以傳統(tǒng)接種物進行啟動. 但是, 以下幾方面的原因使以傳統(tǒng)接種物進行秸稈沼氣發(fā)酵啟動存在啟動效率低、代價高的缺陷. 一方面?zhèn)鹘y(tǒng)接種物來源不同, 所含微生物的菌群類型和數(shù)量差異較大, 并且基本很少適宜秸稈的原料特性, 因此不同接種物類