望 翔，石 超，覃 濤

（宜昌測試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443000）

0 引言

沼氣是21世紀新農(nóng)村建設(shè)的最重要、最廉價、最清潔的能源之一[1]，相比于其他的化石燃料，它能充分地燃燒，對空氣的污染程度輕。沼氣的合理利用將給人類帶來更多的生存機遇。目前，世界各國都在加大對沼氣的研究和利用，我國政府也逐步加大對沼氣利用的研究力度。但隨著沼氣利用的普及，因不當?shù)牟僮饕l(fā)的安全事故也不斷增多。主要原因是缺少成熟的報警控制系統(tǒng)。當前市場中使用的沼氣的控制系統(tǒng)僅僅是簡單的氣體泄漏報警器，并沒有將檢測報警和智能控制[2]相結(jié)合。因此，設(shè)計一種單片機為核心的沼氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)沼氣濃度檢測和控制，能夠提高沼氣使用的安全性。

1 系統(tǒng)總體方案及工作原理

本系統(tǒng)基于MK60DN512ZVL10主控、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)了沼氣控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、自動控制等功能。系統(tǒng)能自主控制沼氣池內(nèi)的沼氣濃度與液位，并有效地將沼氣儲存在煤氣罐中。用戶工作模式能快速地將池內(nèi)的環(huán)境調(diào)節(jié)為安全狀態(tài)。遠程控制功能能實時監(jiān)控[3]池內(nèi)狀況。該系統(tǒng)工作效率高，成本小，操作簡單。

沼氣傳感器和液位傳感器對池內(nèi)的沼氣濃度和液位進行采集，并轉(zhuǎn)換為0～5V的模擬電壓值；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電壓模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；控制器通過比較實際值與閾值得出偏差，輸出控制信號驅(qū)動執(zhí)行電路工作來減小偏差。采用的ULN2003電路驅(qū)動水泵實現(xiàn)液位的降低，驅(qū)動鼓風機實現(xiàn)沼氣濃度降低，驅(qū)動壓縮機實現(xiàn)沼氣儲存在煤氣罐中；通過繼電器模塊控制執(zhí)行裝置的電源實現(xiàn)執(zhí)行裝置的工作與停止的狀態(tài)，達到自動控制效果。利用串口服務(wù)器實現(xiàn)上位機與下位機通信，并根據(jù)需要通過上位機發(fā)送信號，控制執(zhí)行電路工作，實現(xiàn)遠程控制。智能沼氣控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

為了便于檢測和分析模數(shù)轉(zhuǎn)換信號，選用ADC0809模塊實現(xiàn)智能沼氣控制系統(tǒng)的濃度和液位的轉(zhuǎn)換工作。相比于ADC0804只能輸入一個模擬量，ADC0809能同時輸入8個電壓模擬量。ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。三路地址鎖存器可選通8個模擬通道允許8路模擬量分時輸入共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。濃度傳感器N1和液位傳感器N2電壓模擬量分別輸入到ADC0809芯片的IN0和IN1。ADC轉(zhuǎn)換器的地址鎖存端口、脈沖信號端口、OE端口和使能端口以及數(shù)字信號輸出端口分別連接到單片機的I/O口，如圖2所示。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.2 驅(qū)動電路

選用ULN2003模塊來實現(xiàn)對繼電器控制電路的驅(qū)動，該芯片是一個7路反向器電路，當輸入端為高電平時ULN2003輸出端為低電平，當輸入端為低電平時ULN2003輸出端為高電平。由控制器輸出的水泵驅(qū)動信號、鼓風機驅(qū)動信號、通風蓋電機驅(qū)動信、壓縮機驅(qū)動信號和報警器驅(qū)動信號分別由單片機 的PTB0、PTB1、PTB2、PTB3、PTB4端 口 輸 入 到ULN2003芯片對應(yīng)的1、2、3、4、5管腳，經(jīng)過芯片放大的信號分別從16、15、14、13、12管腳輸出。芯片輸出的信號為低電平有效，驅(qū)動不同功能的繼電器。ULN2003芯片具有耐高壓，大灌流的特點，輸出的電流足夠驅(qū)動繼電器控制電路工作，如圖3所示。

圖3 ULN2003驅(qū)動電路

2.3 繼電器控制模塊

控制電路模塊主要由繼電器和電機組成。繼電器內(nèi)部有多匝線圈，線圈兩端通入額定電流后，線圈產(chǎn)生磁場吸合銜鐵，設(shè)定電路被接通[4]。

繼電器選用型號為HK4100F-DC12 V，其工作電壓為12 V，6個管腳，兩對常開觸點。管腳A與管腳B之間接繼電器工作的額定電壓。管腳A接12 V直流電壓正極，管腳B接在驅(qū)動電路16腳。一對常開觸點接水泵的電源，另一對觸點接指示燈回路；16腳輸出高電平時，繼電器不工作，水泵工作指示燈滅，水泵不工作；16腳輸出低電平時，繼電器工作，水泵工作指示燈亮，水泵抽水。壓縮機控制電路中的繼電器A腳接12 V，B腳接在驅(qū)動電路15端口，一對觸點接壓縮機的電源，另一對觸點接指示燈回路；15腳輸出高電平時，繼電器不工作，壓縮機工作指示燈滅，壓縮機不工作；15腳輸出低電平時，繼電器工作，壓縮機工作指示燈亮，沼氣池內(nèi)的沼氣被壓縮存儲在煤氣罐內(nèi)。通風蓋控制電路中的繼電器A腳接12 V，B腳接在驅(qū)動電路14端口，一對常開觸點接通風蓋電機的電源，另一對觸點接指示燈回路；14腳輸出高電平時，繼電器不工作，工作指示燈滅，電機不工作；14腳輸出低電平時，繼電器被啟動，指示燈亮。鼓風機控制電路中的繼電器A腳接12 V，B腳接在驅(qū)動電路13端口，一對常開觸點接鼓風機電機的電源，另一對觸點接指示燈回路；13腳輸出高電平時，繼電器不工作，指示燈不亮，電機不工作；13腳輸出低電平時，繼電器工作，指示燈亮。鼓風機與通風蓋電機同時被啟動后，池內(nèi)的沼氣濃度降低，如圖4。

圖4 繼電器控制電路圖

2.4 串口服務(wù)器模塊

本文中的沼氣控制系統(tǒng)選用的串口服務(wù)器的型號為USR-TCP232-E401，實現(xiàn)串口與TCP/IP 連接[5]，通過訪問虛擬串口，就可以完成遠程監(jiān)測、控制。液位值和沼氣濃度經(jīng)串口服務(wù)器通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，打包后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C并顯示。用戶在上位機發(fā)送控制信號，信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議打包，通過網(wǎng)絡(luò)將信號傳輸給串口服務(wù)器，串口服務(wù)器將數(shù)據(jù)解包，解包后的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口電路傳輸給控制系統(tǒng)，下位機執(zhí)行指定操作，實現(xiàn)遠程控制[6]。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)控制模型

系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)反饋控制[7]，保證系統(tǒng)在閉環(huán)作用下穩(wěn)定工作，具體過程如下：通過編程設(shè)定系統(tǒng)的閾值，系統(tǒng)采集沼氣池中沼氣的實際濃度和液位，并在控制器內(nèi)和閾值比較，當產(chǎn)生較大偏差時，系統(tǒng)通過程序處理，輸出控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路控制執(zhí)行電路工作，降低沼氣池內(nèi)的沼氣的濃度和沼氣池內(nèi)液位的高度，完成設(shè)定功能，防止意外發(fā)生。系統(tǒng)控制模型如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制模型

3.2 主控制器程序設(shè)計

系統(tǒng)的程序流程圖如圖6所示。當系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)檢測沼氣的濃度和液位的高度，將濃度和高度發(fā)送給上位機，在上位機顯示，同時顯示在控制系統(tǒng)的顯示屏上。當濃度超過系統(tǒng)設(shè)置的閾值時，系統(tǒng)發(fā)出報警，提醒用戶。與此同時，控制器發(fā)出信號，驅(qū)動壓縮機工作，降低沼氣池的沼氣濃度。當沼氣池的液位高于系統(tǒng)設(shè)定值時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號提醒用戶?？刂破靼l(fā)出信號，驅(qū)動水泵工作，降低沼氣池的液位高度，保障用戶的安全。上位機顯示沼氣的濃度和液位的高度。根據(jù)濃度值和液位值得大小，上位機能發(fā)送信號，傳給控制器。下位機執(zhí)行程序設(shè)定的功能，實現(xiàn)沼氣濃度和液位的自動控制[8]。

圖6 程序控制框圖

當用戶需要對沼氣池除渣時，手動控制系統(tǒng)中通風蓋的控制按鈕，系統(tǒng)驅(qū)動電機工作，打開通風蓋，延時5 s，鼓風機開始工作，將沼氣的濃度降低，避免用戶除渣時發(fā)生意外。鼓風機工作3 min后停止工作。

4 系統(tǒng)測試與分析

根據(jù)以上描述搭建基于飛思卡爾的沼氣檢測控制樣機并調(diào)試，如圖7所示。實際測試中，為保證調(diào)試過程中的安全，大功率電機由12 V直流無刷電機來替代，驗證樣機功能的實現(xiàn)。

圖7 測試控制系統(tǒng)功能

將液位傳感器放置于水箱底部，間隔10%分別設(shè)置10組不同濃度標準，程序內(nèi)設(shè)置當液位閾值為35%，觀察電機運行情況，記錄傳感器輸出電壓和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換經(jīng)單片機讀取電壓，記錄結(jié)果如表1所示。

表1 沼氣控制記錄

表1 記錄結(jié)果表明，液位高度在40%及以上電機啟動，實現(xiàn)將沼氣池液位降低功能，當濃度在30%及以下電機停止工作，此時沼氣池處于正常工作狀態(tài)，實現(xiàn)沼氣控制功能。

表1 記錄的讀取電壓始終小于電壓表直接記錄電壓值，表明模數(shù)轉(zhuǎn)換電路有一定壓降，差值在-0.12 V～-0.31 V，最大誤差2.4%，屬于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片正常壓降和誤差。滿足單片機讀取要求且符合實際結(jié)果。實驗記錄結(jié)果表明不影響電機啟動和停止，能夠正常工作，對工程應(yīng)用具有一定參考意義。

如果因環(huán)境需要，導(dǎo)線過長導(dǎo)致壓降過大（在30%相對液位高度誤差達到17%），可在軟件中進行補償，提高系統(tǒng)對電機控制的靈敏度。針對本次測試結(jié)果，直接在采集結(jié)果上加0.01 V，得到結(jié)果如表2所示。

表2 電壓補償后沼氣控制記錄

表2 結(jié)果表明經(jīng)過補償（+0.01V）之后的結(jié)果，電壓差值從-0.12 V～-0.31 V變?yōu)?0.005 V～-0.022 V，最大誤差從2.4%降低到1.00%，運算量小且效果較為明顯。若需要更高采集精度，可根據(jù)傳感器特性進行更復(fù)雜的函數(shù)補償，以適應(yīng)不同沼氣系統(tǒng)安裝環(huán)境。

5 結(jié)束語

本文基于單片機設(shè)計了一種智能沼氣控制系統(tǒng)。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能在沼氣濃度、液位閾值以上正常工作。系統(tǒng)的主要模塊——模數(shù)轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崟r檢測沼氣濃度和液位，單片機根據(jù)該值控制電機的啟動和停止，實現(xiàn)了沼氣控制功能。系統(tǒng)采集電壓的誤差在3%以內(nèi)，能夠滿足沼氣家用環(huán)境要求，對研究沼氣控制的工程應(yīng)用具有一定參考價值。