畢業論文沼氣壓力水洗提純控制系統的研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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%（依據于常壓水洗試驗時的沼氣組分）時，仔細考慮制定的，當沼氣中CHCO2濃度改變時，水洗過程中的控制參數要相應的改變。（）下進行，水洗時，水洗塔內裝滿一定量的水，由水泵提前輸送進去的，根據需要會定期換水，換水在常壓進行，在水洗過程中，水泵是不需要工作的。，電磁閥都處于關閉狀態。，電磁閥1開，壓縮機開機，延時30s后，電磁閥1關閉，排空水洗塔內廢氣，電磁閥1關閉后，壓縮機輸送的高壓沼氣的使水洗塔內壓力上升，處于高壓狀態。，CH4在水洗塔頂部富集，當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關閉，CH4繼續富集，直到超過90%，電磁閥2才被打開。%，壓縮機關閉，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。%（由于雜質氣體的存在，CH4濃度不會超過90%，無須擔心電磁閥2開），真空泵關，電磁閥3關，完成一個水洗過程。，持續水洗過程，根據需要，對水洗塔內部的水定期進行更換。 沼氣水洗流程圖本章介紹了設計初期提出了兩個系統方案，然后根據兩個方案的優缺點，確定本系統以單片機為基礎開發，并且本系統是以已有的氣體檢測儀為主體進行設計的，有介紹了兩個氣體檢測儀的一些基本參數，在此基礎上對原定方案進行優化改進，最后介紹了本次水洗提純的具體工作流程。3硬件電路設計使用Proteus設計的沼氣壓力水洗提純系統硬件原理圖如圖53所示，控制系統的硬件組成主要包括三部分：單片機最小系統、電流轉電壓模塊、A/D轉換模塊、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，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。 沼氣水洗控制系統硬件模擬圖單片機最小系統由3部分組成：晶振、復位電路、電源。在圖中可以找到單片機最小系統，由于這以Proteus軟件進行繪制，在Proteus中所有的芯片的電源和地都是默認連接的，所以在圖中并沒有畫出電源。而且單片機最小系統早已被大家熟知，此處也不大加介紹了。 單片機最小系統圖中的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系統的時候，這個隔離級還可以起到保護單片機系統的作用。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來補足。這樣，就可以真正把4～20mA電流轉換成為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，運放的失調與漂移，以及因為運放的供電與單片機電路供電的穩定性，電源電壓是否可以保證足夠穩定，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。 電流轉電壓模塊硬件原理圖AD轉換即是模擬量（連續變化的量）到數字量（非連續的，離散的量）的轉換，依靠的是模數轉換器。本實驗使用的AD轉換模塊芯片為PCF8591PCF8591是一個8bit CMOS數據獲取器件，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、控制信號和數據信號都是通過I2C總線以串行的方式進行傳輸。，本實驗芯片直接由單片機電源提供的5v電源進行供電。 A/D轉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總線的雙向數據線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部時鐘，本實驗使用的是內部時鐘，所以直接將12腳接地即可，并且11腳懸空。13腳是模擬地，如果沒有復雜的模擬部分電路，可以直接將模擬地和數字地接到一起。本硬件原理圖使用的是Proteus設計的。Proteus系統默認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字地。14腳是基準源，即基準電壓，一個精準的基準電壓會使輸入的AD轉換的信號測量的準確，從而減少偏差。基準電壓的提供有兩種方法。一種是直接由單片機電源提供供電。即將14腳接到VCC上，可是VCC會受到電路用電情況的影響，一般并不是準確的5V電壓。而且會隨著系統負載的變化而跟著產生波動。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電壓。由于本系統對精度的要求并不是非常的高，直接將基準源接VCC上也能達到精度要求，所以采用第一種方法。在本系統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，同樣可以由單片機電源直接供電。圖中液晶的電源和地同樣是默認連接的。引腳方面主要說明的是4號引腳為數據命令選擇端（RS），高點平時為數據，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個數據引腳，用于讀寫數據和命令。本方案將其統一接到了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硬件部分總體的原理圖，并逐一提到了單片機的最小系統，電流轉電壓模塊，AD轉換模塊，以及顯示模塊，單片機的最小系統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，在具體控制系統上并不要求，故也只是略微介紹。4控制系統軟件設計軟件系統主要包括主程序、延時子程序、A/D轉換子程序、液晶顯示程序、I2C通訊協議等組成。本程序中CHCO2的濃度控制參數可調。，單片機初始化，運行，電磁閥1開，壓縮機開，延時30秒后電磁閥1關閉，以排空水洗塔頂部廢氣。、二氧化碳濃度檢測儀、當甲烷濃度檢測儀檢測到甲烷濃度大于90%時，電磁閥2開；當甲烷檢測儀檢測到水洗塔中甲烷濃度低于85%，電磁閥2關。%，壓縮機關，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。%（由于雜質氣體的存在，甲烷濃度不會超過90%，無須擔心電磁閥2開），關閉真空泵，延時30秒，關閉電磁閥3。本方案以5個LED燈代表5個執行器，進行模擬執行器的工作狀態，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。 //壓縮機開 delay_ms(30000)。 //延時30秒 LED_1=1。 //電磁閥1關 if (flag300ms) { flag300ms = 0。 //顯示通道0的電壓 val0 = GetADCValue(0)。 //獲取ADC通道0的轉換值 ValueToString(VIN0, val0)。 //轉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 if ( val3=40) //二氧化碳濃度大于40% { LED_4YSJ = 0。 //壓縮機開 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的初學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單片機的機械周期來編寫，51單片機的一個機械周期包括12個時鐘震蕩周期，時鐘震蕩周期取決于單片機連接的晶振的頻率，即一個機械周期時間為約為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，首先單片機對PCF8591進行尋址，寫入控制字節，選擇轉換通道，再次對PCF8591進行尋址，然后進行讀操作 ，為了提供采樣的時間，這邊讓其先空讀一個字節，最后再讀取轉換完的值。本章根據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的轉換5系統調試在調試系統之前首先進行的是對氣體檢測儀的輸出信號進行線性度測定，我改變檢測儀的氣體環境，用電流表測量檢測儀輸出的電流值，與計算值進行比較，確認氣體測定儀的線性度。實驗數據如下表顯示甲烷濃度（%）實測值(mA)計算值（mA）9075604530150由數據可見，在誤差允許范圍內，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。其次對電流信號經過轉化后的電壓值與氣體濃度之間的線性度進行測定，也就是對轉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電壓模塊相連接，再將電流轉電壓模塊的輸出端與電壓表相連接，調整模塊上的滑動變阻器，輸入電流為20mA即氣體濃度為100%時，電壓表讀數為5v。為了驗證控制系統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，調節到計算好的電流，觀察LED亮滅情況及顯示屏的數值。圖51 試驗原理圖表52 開發板LED燈對應的執行元件表端口Led