吳仕宏++周海鵬

摘要：針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的用電特點，設(shè)計1套基于單片機的沼氣與光熱互補供電控制系統(tǒng)，通過對沼氣與光熱發(fā)電過程中各階段信號的采樣，對采集的信號進(jìn)行處理，控制沼氣發(fā)電與光熱發(fā)電協(xié)調(diào)工作，以互補供電的方式對用戶進(jìn)行供電。通過運用Proteus軟件對系統(tǒng)的信號采集及控制過程進(jìn)行仿真，并對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗證該系統(tǒng)符合設(shè)計目的。該系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，設(shè)計精簡，適用性強，可廣泛用于其他多能互補的智能控制環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：單片機；沼氣與光熱；互補供電；智能控制系統(tǒng)；仿真結(jié)果分析

中圖分類號： TM564.8；TM762.1；TK323文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0200-04

電力系統(tǒng)及其自動化與清潔能源利用方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：shihong.1@163.com。

[ZK）]

沼氣與太陽能都是我國農(nóng)村較為豐富的自然資源，多能互補是按照不同資源條件和用能對象，實現(xiàn)多種能源互相補充，以緩解能源供需矛盾。將沼氣與光熱相結(jié)合便是多能互補的一種形式，這種多能互補形式在我國大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)的生產(chǎn)和生活中都較為適用，不僅可以節(jié)省資源，而且不會破壞自然環(huán)境[1-4]。自動控制環(huán)節(jié)是這種互補供電過程中不可缺少的一部分。本研究設(shè)計1套控制系統(tǒng)，以滿足沼氣與光熱互補供電的智能控制過程的需要。

1控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能[5]

光熱發(fā)電系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、蓄電池組、市電供電系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)及各部分間信號傳輸原理見圖1?？刂葡到y(tǒng)要完成的控制過程有以下5步。（1）當(dāng)光熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并且發(fā)電機發(fā)出穩(wěn)定持續(xù)的電能可以供負(fù)載使用時，模擬信號IN1高于臨界值（將各個系統(tǒng)能維持正常工作的最低電壓的模擬量設(shè)為臨界值），控制系統(tǒng)收到信號后，控制信號OUT1控制光熱發(fā)電系統(tǒng)接入輸電線路，OUT3控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)與輸電線路斷開，OUT2控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電，OUT4控制蓄電池組與輸電線路斷開。（2）當(dāng)光熱發(fā)電系統(tǒng)由于日夜更替及天氣原因而導(dǎo)致光熱系統(tǒng)中的氣壓發(fā)電機停止工作時，模擬信號IN1低于臨界值，控制系統(tǒng)收到信號后，OUT4控制蓄電池組接入輸電線路向輸電線路輸送電力，OUT1控制光熱發(fā)電系統(tǒng)與輸電線路斷開連接，OUT2控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)開始工作。（3）由于沼氣發(fā)電系統(tǒng)須工作一段時間后沼氣發(fā)電機才可正常運轉(zhuǎn)，所以對沼氣發(fā)電系統(tǒng)塊有2個部分的控制，當(dāng)沼氣發(fā)電系統(tǒng)可以輸出充足電能時，模擬信號IN2高于臨界值，控制系統(tǒng)收到信號后，OUT3控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)向輸電線路輸送電力，OUT4控制蓄電池組與輸電線路斷開連接。（4）當(dāng)光熱發(fā)電系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)及蓄電池組都無法正常供電時，OUT1、OUT3、OUT4分別控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)、光熱發(fā)電系統(tǒng)及蓄電池組均與輸電線路斷開連接，OUT5控制市電接入輸電線路。（5）當(dāng)輸電線路電壓異常時，模擬信號IN4的模擬量低至系統(tǒng)最小工作電壓或高于最大工作電壓時，內(nèi)部、外部報警器報警。這5個過程循環(huán)往復(fù)可使整個系統(tǒng)實現(xiàn)不間斷供電的目的。

2主控部分硬件和軟件的設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[6-7]

如圖2所示，控制系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，分為信號采集模塊、控制模塊、顯示模塊與報警模塊?？刂破鲀?nèi)的元器件都焊接到同一塊印制電路板（PCB）上。在信號采集模塊中，電壓傳感器將采集的模擬信號通過模擬信號與數(shù)字信號（AD）轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號的方式傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)。在控制模塊中，單片機將控制信號傳輸至5個繼電器，通過繼電器控制各個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在顯示模塊中，控制器通過8個LED燈和1個液晶顯示器來顯示整個沼氣光熱混合供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在報警模塊中，以嗡鳴器作為控制器的內(nèi)部報警裝置，并通過繼電器與外部報警器相連。

[FL（2K2]2.2信號采集模塊的設(shè)計

模擬信號采用型號為CHV-25P/400的閉環(huán)霍爾電壓傳感器來收集，該傳感器的額定電壓400 V，測量范圍-600～600 V，可將被測電壓的有效值轉(zhuǎn)化為0～5 V之間的模擬信號。該型號的電壓傳感器在沼氣光熱混合供電系統(tǒng)中用于光熱發(fā)電系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池組輸出電壓的采樣及輸電線路電壓的采樣。選用PCF8591作為控制系統(tǒng)中的AD轉(zhuǎn)換器，PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出、1個串行I2C總線接口。信號采集模塊中共有4個電壓傳感器（a、b、c、d），分別用來進(jìn)行光熱系統(tǒng)、沼氣系統(tǒng)、蓄電池組的輸出電壓及輸電線路電壓的采集，并且將采集的數(shù)據(jù)以模擬信號的形式傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器PCF8591的4個接收端口（AIN0、AIN1、AIN2、AIN3）；PCF8591的電源（VCC）接5V電壓；時鐘信號線（SCL）（C6）與數(shù)據(jù)線（SDA）（C7）分別與單片機的P0.6、P0.7口相連；A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，通過P0.6、P0.7端口將數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱CSTC89C52中。

2.3控制模塊的設(shè)計

在沼氣光熱混合供電系統(tǒng)中，各個供電部分與輸電線路的連通與斷開都通過繼電器來控制。本研究設(shè)計的控制系統(tǒng)選用型號為9012的簧片繼電器，線圈電壓為12V。繼電器a用來控制光熱系統(tǒng)與輸電線路的連接狀態(tài)，繼電器b用來控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)與輸電線路的連接狀態(tài)，繼電器c用來控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)的啟動與關(guān)閉，繼電器d用來控制蓄電池組與輸電線路的連接狀態(tài)，繼電器e用來控制市電與輸電線路的連接狀態(tài)。

2.4軟件設(shè)計[8]

主控制程序流程如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，以設(shè)計好的系統(tǒng)硬件電路為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

3系統(tǒng)的仿真與結(jié)果

3.1仿真電路的設(shè)計

在Proteus軟件中繪制好系統(tǒng)電路圖后，對系統(tǒng)的主要功

能（采樣過程、自動控制過程）進(jìn)行仿真，在1min內(nèi)模擬出系統(tǒng)的所有自動控制過程。將供電系統(tǒng)最低工作電壓的模擬信號設(shè)為+2 V，在仿真時，用1個周期為10 s，波峰波谷均為 4 s，上升沿、下降沿均為1 s，峰值為+2.5 V（將+2.5 V設(shè)為供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工作電壓的模擬信號值）的脈沖模擬信號作為傳感器a輸出的模擬信號（光熱系統(tǒng)輸出電壓的模擬信號）傳輸?shù)絇CF8591的AIN0口。沼氣發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓的模擬信號，即傳感器b的輸出信號，利用1個繼電器m及STC89C52單片機上空懸的P3.0、P3.1端口，可以設(shè)計出1個替代沼氣發(fā)電系統(tǒng)的模擬電路。如圖4所示，當(dāng)P0.0為高電平時，控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)運作的繼電器b的開關(guān)向下閉合，P3.0收到高電平信號，通過編程使得P3.0收到高電平信號后，單片機STC89C52再經(jīng)過1 s后，P3.1輸出高電平，使繼電器m開關(guān)向下閉合，于是+2.5 V的電壓便輸入到A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591的AIN1口，這一過程可以模擬出沼氣發(fā)電系統(tǒng)運行一段時間后發(fā)電機才可正常供電的特點。用圖5所示方式模擬出傳感器d輸出的模擬信號，當(dāng)P0.3輸出高電平時，會有+2.5 V電壓輸入到AIN2中，用1個波峰為30 s、起始電壓為+2.5 V的單邊下降脈沖模擬信號作為傳感器c輸出的模擬信號（蓄電池組輸出的電壓模擬信號）傳輸?shù)絇CF8591的AIN2口。仿真時，以電壓探針探測輸入系統(tǒng)的模擬信號及控制各個繼電器的數(shù)字信號，在電路中加入計時器電路用于計時，通過對信號的記錄、分析來檢驗系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計目的。

3.2仿真結(jié)果及分析

運行仿真電路后每0.2 s對輸入模擬信號進(jìn)行1次記錄，得出圖6的模擬信號隨時間變化曲線，以及圖7的繼電器開合狀態(tài)隨時間變化。從圖6可以清晰地觀察到AIN0、AIN1、AIN2隨時間變化的曲線。對圖6、圖7進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)可以使沼氣與光熱互補供電過程中的電能輸出達(dá)到不間斷供應(yīng)的效果。

仿真過程中記錄數(shù)據(jù)的時間間隔為0.2 s，對于長時間工作的供電系統(tǒng)來說，通過這種方式記錄的數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠反映實際結(jié)果。通過對仿真后得到的數(shù)據(jù)及圖6與間的對比，表明該系統(tǒng)的自動控制過程達(dá)到預(yù)期效果，可以達(dá)到設(shè)計的目的。

4結(jié)論

本研究設(shè)計了1套自動控制系統(tǒng)，用這套系統(tǒng)來控制沼氣發(fā)電與光熱發(fā)電協(xié)同供電，保持沼氣與光熱混合供電過程的協(xié)調(diào)性，實現(xiàn)弱電控制強電的目的。對該控制系統(tǒng)編程后，通過在仿真過程中不斷記錄數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可知，當(dāng)各個模擬信號發(fā)生變化時，系統(tǒng)中的繼電器也進(jìn)行了相應(yīng)的開合動作。本系統(tǒng)很好地完成了系統(tǒng)的設(shè)計要求，達(dá)到了設(shè)計的目的。在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)及生活中，沼氣與光熱的結(jié)合能帶來巨大的經(jīng)濟效益，并對環(huán)境保護起到較大作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mishra S，Panigrahi C K，Kothari D P. Design and simulation of a solar-wind-biogas hybrid system architecture using HOMER in India[J]. International Journal of Ambient Energy，2017，37（2）：1-8.

[2]馬藝瑋，楊蘋，吳捷，等. 孤島型混合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，40（11）：113-120.

[3]程遠(yuǎn)東，曾寶國. 2 kW沼光互補一體化智能發(fā)電系統(tǒng)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（11）：192-194，201.

[4]吳志鋒，舒杰，崔瓊. 多能互補微電網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)及控制策略研究[J]. 可再生能源，2014，32（1）：44-48.

[5]宋旭日，葉林. 風(fēng)/光/柴多能互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化配置研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（5）：66-72.

[6]李麗麗，施偉. 太陽能聯(lián)合鍋爐沼氣池智能溫控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（1）：343-346.

[7]張德民，劉洪錦，高強，等. 電梯雙電源供電裝置PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電氣傳動，2012，42（8）：68-72.

[8]賞星耀，項新建. 雙電源智能自動切換系統(tǒng)的研究[J]. 機電工程，2006，23（7）：18-20.