【正文】 and Erasable Read Only Memory）. 該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造, 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案[8]. AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器, 128字節(jié)內(nèi)部RAM,32個(gè)I/O口線, 兩個(gè)16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器, 一個(gè)5向量?jī)蓸O中斷結(jié)構(gòu), 一個(gè)全雙工串行通信口, 片內(nèi)振蕩及時(shí)鐘電路. 同時(shí), 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(shí)/計(jì)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(gè)硬件復(fù)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(yáng)7段數(shù)碼管, 在本設(shè)計(jì)中作為設(shè)置溫度的顯示和實(shí)測(cè)溫度的顯示用。 三極管S9021H331為PNP型晶體管, 在本設(shè)計(jì)中作為放大電流用以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器. 系統(tǒng)實(shí)物模型依據(jù)系統(tǒng)硬件部分及軟件部分的設(shè)計(jì)說(shuō)明, 在成功的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)仿真后, 制作了基于單片機(jī)控制的沼氣池溫控系統(tǒng)實(shí)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(guò)該系統(tǒng)模型, 可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)四個(gè)沼氣池的實(shí)時(shí)監(jiān)控與掃描、更改掃描模式、溫度控制信號(hào)輸出及根據(jù)具體要求對(duì)環(huán)境進(jìn)行加溫或降溫等基本功能. 系統(tǒng)的演示性實(shí)物模型見(jiàn)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(jiǎn)化的系統(tǒng)實(shí)物模型11設(shè)置溫度數(shù)碼管顯示 2AT89C51芯片 3復(fù)位電路指示燈 4十位控制鍵5個(gè)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(dòng)器974LS04非門 10模擬加熱系統(tǒng)指示燈 11達(dá)標(biāo)提示燈 12蜂鳴器 13三極管S9021H331 14監(jiān)控按鈕啟動(dòng)開關(guān) 15掃描總開關(guān) 16降溫啟動(dòng)開關(guān)17降溫示意燈 18監(jiān)控室選擇指示燈 19掃描減速開關(guān) 20掃描加速開關(guān)21模式選擇開關(guān) 22模式指示數(shù)碼管 系統(tǒng)實(shí)物模型功能簡(jiǎn)介1. 通過(guò)十位設(shè)置按鈕和個(gè)位設(shè)置按鈕設(shè)置沼氣的理想發(fā)酵溫度2. 通過(guò)兩個(gè)DS18B20顯示實(shí)時(shí)環(huán)境溫度3. 實(shí)時(shí)報(bào)警:由于沼氣發(fā)酵的溫度范圍一般在10－60℃之間, 當(dāng)發(fā)酵低于10℃時(shí), 微生物休眠, 產(chǎn)氣很少。 而當(dāng)溫度高于60℃時(shí), 產(chǎn)氣率隨溫度的升高將出現(xiàn)下降趨勢(shì). 所以當(dāng)人為的設(shè)置溫度低于10℃或高于60℃時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)（蜂鳴器響、報(bào)警燈亮）4. 自動(dòng)加溫并自動(dòng)顯示加溫完成:當(dāng)設(shè)置的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加溫, 當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度時(shí), 系統(tǒng)會(huì)提示加溫完成5. 監(jiān)控掃描沼氣池:本設(shè)計(jì)中當(dāng)啟動(dòng)監(jiān)控開關(guān)時(shí)可對(duì)八個(gè)沼氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控6. 改變監(jiān)控掃描模式:本設(shè)計(jì)中設(shè)置了多組監(jiān)控掃描模式, 當(dāng)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(guò)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(dāng)環(huán)境溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí), 啟動(dòng)降溫開關(guān)后, 可對(duì)四個(gè)沼氣池中的任何一個(gè)進(jìn)行選定（此時(shí)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(shè)計(jì) 硬件抗干擾設(shè)計(jì)影響系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾, 以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇和外部環(huán)境等因素, 因此在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhēng)將干擾拒之門外[13]. 形成干擾的基本要素有三個(gè):干擾源. 指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào), 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(lái)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(duì)象, 如:戶以D、D/A, 弱信號(hào)放大器等. 電源干擾抑制電源干擾主要是通過(guò)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(jí)的開關(guān)電源, 電源紋波5%. 由于開關(guān)電源極易產(chǎn)生寄生振蕩, 因此, 在電源進(jìn)線處加入了電容濾波網(wǎng)絡(luò). 本設(shè)計(jì)中采用的電容器是電感小、不易產(chǎn)生振蕩的擔(dān)電容和瓷介電容. 對(duì)于單片機(jī)控制系統(tǒng), 采用了硬件看門狗及電源監(jiān)測(cè)電路, 確保整個(gè)系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行. 環(huán)境溫度變化的干擾抑制溫度變化以及長(zhǎng)時(shí)間的工作都會(huì)導(dǎo)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(wèn)題都會(huì)引起濾波器的幅值和相位發(fā)生很大的變化. 在設(shè)計(jì)過(guò)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(jī)械裝置的干擾抑制由于單片機(jī)要通過(guò)信號(hào)傳輸對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行控制, 使在信號(hào)傳輸過(guò)程中, 容易引起電氣信號(hào)干擾. 在設(shè)計(jì)中, 將單片機(jī)控制部分與機(jī)械裝置之間用光禍合器連接. 光禍合器的主要優(yōu)點(diǎn)是:信號(hào)單向傳輸, 輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離, 輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響, 抗干擾能力強(qiáng), 工作穩(wěn)定. 這樣, 就抑制了機(jī)械部分引起的干擾. 軟件抗干擾設(shè)計(jì)軟件抗干擾技術(shù)是當(dāng)系統(tǒng)受干擾后, 使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行或輸入信號(hào)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(guò)一定的計(jì)算程序?qū)Σ蓸有盘?hào)進(jìn)行平滑加工, 提高其有用信號(hào), 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(diǎn):模擬濾波器通常每個(gè)通道都有, 數(shù)字濾波程序則可以多個(gè)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(shè)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(wèn)題. 可以通過(guò)改寫數(shù)字濾波程序, 實(shí)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(duì)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(jì)可行的方法. 由于系統(tǒng)處理的主要是溫度信號(hào), 而溫度信號(hào)變化速度較慢, 在采樣過(guò)程中, 會(huì)遇到尖脈沖干擾, 這種干擾只影響個(gè)別采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù), 且此數(shù)據(jù)與其它采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)相差比較大. 如果采用一般的算術(shù)平均值法, 干擾將被“平均”到計(jì)算結(jié)果中去, 不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣偏差. 為此, 對(duì)被測(cè)信號(hào)采用去極值平均濾波法進(jìn)行處理, 既可以去除脈沖性干擾又可以過(guò)濾小的隨機(jī)干擾, 從而提高系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定性. 去極值平均濾波法的流程圖所示. 開始設(shè)定采樣次數(shù)讀轉(zhuǎn)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(dòng)每一個(gè)按鍵就是一個(gè)機(jī)械開關(guān), 當(dāng)鍵按下時(shí), 開關(guān)閉合, 松開時(shí), 開關(guān)斷開. 但是由于機(jī)械開關(guān)的撞擊作用, 開關(guān)的動(dòng)片會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng), 抖動(dòng)時(shí)間約5ms至10ms. 本系統(tǒng)采用軟件消除方法, 在第一次檢測(cè)到鍵按下時(shí), 執(zhí)行1Oms的延時(shí)子程序. 為避免檢測(cè)到干擾信號(hào), 延時(shí)子程序執(zhí)行完畢后, 再檢測(cè)此按鍵, 如果仍為按下?tīng)顟B(tài), 便確認(rèn)此鍵已被按下, 執(zhí)行相應(yīng)的子程序. 這樣便消除了鍵抖動(dòng)的影響. 電源引線、地線設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)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(shí), 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(qiáng)抗噪聲能力. 地線設(shè)計(jì)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(gòu)成閉環(huán)路. 5 結(jié)論及展望 結(jié)論影響沼氣發(fā)酵過(guò)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(shè)計(jì)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(guò)程中存在的溫度不穩(wěn)定現(xiàn)狀. 本畢業(yè)設(shè)計(jì)在分析了國(guó)內(nèi)外沼氣技術(shù)發(fā)展情況之后, 提出了基于單片機(jī)控制的沼氣池溫控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì). 設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示和控制輸出. 其次在軟件程序設(shè)計(jì)上, 根據(jù)程序流程圖, 深入研究了單片機(jī)匯編語(yǔ)言的設(shè)計(jì)和使用, 通過(guò)使用Keil C51進(jìn)行編譯調(diào)試. 最后利用仿真軟件Proteus和Keil聯(lián)合進(jìn)行仿真, 通過(guò)仿真平臺(tái)可以對(duì)實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行顯示輸出, 同時(shí)系統(tǒng)可通過(guò)液晶顯示器進(jìn)行溫度的顯示輸出. 沼氣細(xì)菌屬厭氧菌,細(xì)菌發(fā)酵溫度一般不低于10℃, 最高不超過(guò)55℃. 在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū), 由于冬季寒冷漫長(zhǎng),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(wèn)題,甚至在冬季會(huì)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(shù)的發(fā)展, 為此, 在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)如何合理開發(fā)利用沼氣是一個(gè)急待解決的問(wèn)題. 本設(shè)計(jì)針對(duì)嚴(yán)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(wèn)題進(jìn)行了思考. 雖然之前有人提出了利用太陽(yáng)能加熱制取沼氣的新思路, 即利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)生產(chǎn)的熱水通過(guò)沼氣池底部的換熱器來(lái)加熱料液, 使料液升溫進(jìn)行發(fā)酵, 產(chǎn)生沼氣, 同時(shí)對(duì)沼氣池保溫, 減少能耗, 提高池溫. 因此, 該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可作為太陽(yáng)能加熱的輔助方案, 來(lái)提供反應(yīng)器的理想加熱環(huán)境. 由于該設(shè)計(jì)的主要工作是對(duì)利用單片機(jī)來(lái)智能控制沼氣池的加熱系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究, 還處在摸索階段, 也遇到了很多問(wèn)題. 通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬分析后, 作者認(rèn)為, 基于單片機(jī)的沼氣池溫控系統(tǒng)的后續(xù)工作可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(jié)構(gòu)型式的研究. 不同種類的發(fā)酵料液對(duì)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(dá)到較高的產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量. 本設(shè)計(jì)中主要針對(duì)溫度因素進(jìn)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(jìn)行研究. 在該設(shè)計(jì)中, 單片機(jī)的8位雙向并行I/O端口都得到了利用, 隨著電子技術(shù)的發(fā)展, 更高性能的單片機(jī)的誕生不再是夢(mèng)想. 所以可以充分利用單片的各項(xiàng)功能, 設(shè)計(jì)出更好的溫控系統(tǒng). 未來(lái)展望一項(xiàng)又一項(xiàng)的實(shí)際調(diào)查表明, 在沼氣工程中應(yīng)用秸稈作為發(fā)酵原料的實(shí)踐已基本消失. 秸稈沼氣利用實(shí)踐的受挫, 已經(jīng)導(dǎo)致近年來(lái)關(guān)于秸稈產(chǎn)沼氣的研究受到抑制, 這可以通過(guò)國(guó)內(nèi)外重要文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)搜索結(jié)果得以體現(xiàn). 對(duì)于沼氣的發(fā)展, 未來(lái)重點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容可從以下方面考慮. 原料預(yù)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(guān)系極大. 秸稈的主要有機(jī)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(guò)物理、化學(xué)和好氧生物途徑對(duì)秸稈進(jìn)行的預(yù)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(yù)處理在改善秸稈特性提高原料利用率的同時(shí)也存在一系列問(wèn)題. 首先, 預(yù)處理增加費(fèi)用。 其次, 化學(xué)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(yàn)階段, 離規(guī)模化的應(yīng)用還有一定的差距. 因此, 找到合適的預(yù)處理方法是未來(lái)重點(diǎn)研究的內(nèi)容. 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)由于農(nóng)作物秸稈自身的特點(diǎn), 其沼氣發(fā)酵一般采用批量進(jìn)料, 進(jìn)出料工作量大的難題一直困擾秸稈在沼氣領(lǐng)域中的應(yīng)用. 原料輕易出現(xiàn)漂浮分層和結(jié)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(jìn)出料方便且保持連續(xù)進(jìn)出料、增加傳質(zhì)效率是未來(lái)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究的主要方向. 反應(yīng)器接種在秸稈沼氣發(fā)酵中, 需要一定的接種物來(lái)啟動(dòng)反應(yīng), 目前的研究都以傳統(tǒng)接種物進(jìn)行啟動(dòng). 但是, 以下幾方面的原因使以傳統(tǒng)接種物進(jìn)行秸稈沼氣發(fā)酵啟動(dòng)存在啟動(dòng)效率低、代價(jià)高的缺陷. 一方面?zhèn)鹘y(tǒng)接種物來(lái)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