基于單片機的沼氣設備通用控制器研究

孟曉麗

（西安外事學院，西安，陜西 710077）

0 引言

在黨的“十八大”提出的新型城鎮化建設號召下，當前國家極力推進新農村建設，發展生物質能源，以節約能源、提高農民收入。近年來，隨著沼氣行業的發展，如何實現對沼氣設備進行自動、智能化的監控，實現高效化、可靠化、安全化生產成為關注的重點。現有技術中眾所周知的沼氣設備通過管道接通終端用戶的各種沼氣用具[1]。目前各地沼氣行業運行基本上還都沿用人工操作、單機運行模式，使得工作效率低，運行成本高，同時在運行過程中還經常出現因對沼氣壓力、溫度、濃度等檢測和控制不及時而危害沼氣設備的整體運行，最終難以保證沼氣設備正常工作，從而影響了沼氣工程整體的效益與技術發展。由此可見研制一種結構簡單、智能化程度高、安全性好并且成本低廉的沼氣設備通用控制器成為必然。

“通用控制器” 一般指PLC可編程邏輯控制器，其應用非常廣泛。基于PLC的廣泛應用性和互換性，通用控制器PLC也應用于沼氣行業對沼氣設備的控制。目前僅有極少數沼氣設備使用了通用控制器PLC來實現對壓力、溫度、濃度等變量的控制，使用通用控制器的效果很好[2]。盡管使用效果良好，但是，大多數的沼氣用戶因PLC的昂貴價格，成本高而沒有使用它，從而限制了通用控制器在沼氣行業的發展。然而，PLC的“通用” 特點決定了通用控制器的使用范圍廣，同時也使得它在很多實際應用中會有多余的技術資源及材料浪費。對于沼氣行業，我們可以借助單片機對通用控制器進行瘦身，去除一些不必要的功能，從而降低控制器的成本，可以使其面向更多的用戶。由此可見將單片機技術用于沼氣設備控制中，實現研制基于單片機的沼氣設備通用控制器具備相當的可行性。

1 沼氣設備通用控制器模型

基于單片機的沼氣設備通用控制器主要利用現代化的傳感設備，實時監測沼氣的各項指標，實現了將壓力、溫度、流量、濃度各項指標的監測集于一身，減少了控制器的數量，降低了成本。同時，當指標值超過預設的值時，通用控制器采取相應的安全措施以保障沼氣設備安全可靠的運行。

沼氣設備通用控制器由數據采集模塊，數據轉換模塊，數據處理模塊和執行模塊組成。數據采集模塊由各類傳感器組成，由傳感器探測沼氣的壓力、溫度、濃度以及液位等指標，并將探知的信息傳遞給數據轉換模塊。數據轉換模塊將從傳感器采集來的物理量轉變為電信號，然后根據需要將其中任意一路選出來，取出后傳遞給模數轉換器，實現將模擬信息轉換為數字信息，并將結果傳遞給數據處理模塊，數據處理模塊將數據進行處理，并將數據結果傳遞給執行模塊，最后執行模塊執行相應的動作。模型圖如圖1所示。

圖1：基于單片機的沼氣通用控制器模型圖

數據采集模塊包括：溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、沼氣濃度傳感器等，各類傳感器根據監測的需求配置在其相應的沼氣設備內，沼氣預處理單元內配置液位傳感器和溫度傳感器，厭氧發酵單元內配置壓力傳感器和溫度傳感器，沼氣貯存單元內配置壓力傳感器和濃度傳感器等。

數據轉換模塊由多路選擇開關、變送器、模數轉換器等組成，當沼氣設備開始工作時，各類傳感器將探測到的信號經過變送器轉化電信號后再經由多路選擇開關取出相應的信號進入A/D模數轉換器，最后經模數轉換器A/D將模擬信號轉變為數字信號后存儲到數據處理器的存儲器。

數據處理模塊接收到數據轉換模塊傳遞的信號后，將數據進行相應的處理，并把處理后的結果傳遞給執行模塊，啟動執行模塊。

執行模塊依據數據處理模塊的結果以文字的形式顯示相應信息，啟動聲/光報警裝置，而且當現場的傳感器接收到的壓各種指標值影響了沼氣的產氣率，便調節相應指標；當進行調節后的指標值仍然不能滿足產氣的要求時，最后啟動控制設備的相應起/停控制器工作，從而保障了沼氣所用設備的安全的運行。

本文所述的沼氣設備通用控制器具體實施方案如下：

沼氣設備通用控制器由壓力傳感器、溫度傳感器、濃度傳感器、液位傳感器等各類傳感器，變送器、多路選擇開關、A/D模數轉換器、數據處理器、液晶顯示器、聲/光報警器、執行單元以及設備起/停控制器等部分組成，其中變送器的輸入端與各傳感器的輸出端相聯接，變送器的輸出端依次經多路選擇開關和A/D模數轉換器轉換后連接至數據處理器的輸入端，液晶顯示器、執行單元和聲/光報警器的輸入端分別與數據處理的相應輸出端連接，設備起/停控制器的輸入端與數據處理器的輸出端相聯。基于單片機的沼氣設備通用控制器的結構示意圖如圖2所示。

圖2：基于單片機的沼氣設備通用控制器的結構示意圖

2 沼氣設備通用控制器零部件的具體選擇

壓力傳感器：選用壓阻式氣壓傳感器，其靈敏度高、動態性好、小型化以及工作于直流[3]。

溫度傳感器：采用熱電偶溫度傳感器，其可以直接與被測對象接觸，測量范圍廣，使用方便。

沼氣濃度傳感器：采用二氧化錫氣敏半導體傳感器。

液位傳感器：選用KGU投入式液位傳感器，其對環境適應性強，安裝調試方便。

變送器：采用honeywell(霍尼韋爾)ST3000/900系列全智能變送器、SBW系列溫度變送器、BNG4- GN9000 系列氣體報警探測器(變送器)和HPW1-HW181液位變送器。

A/D模數轉換器：采用16 位增量累加ADC LTC2460或LTC2462。

數據處理器：負責系統的運行工作，可采用PHLIPIS 51PLC系列單片機。

3 推廣應用前景分析

中國沼氣資源非常豐富，市場需求巨大，使得中國沼氣的開發和利用大有可為。而先進、智能、安全、可靠、成本低廉的沼氣設備通用控制器大幅度減少人力成本，提高了工作效率，大大提高了沼氣的開發和利用的安全性和可靠性，在沼氣行業中沼氣設備通用控制器的市場需求也是很大。

(1)、社會效益：本文的設計思想、理論方案等全部過程可以作為相關專業學生的選修課，提高相關專業畢業生的專業理論和實踐能力。

(2)、經濟效益：3年產值約200萬、利稅約40萬。

(3)、應用于其他領域，為社會相關行業的技術進步做貢獻。

4 結語

本產品通過監控沼氣的預處理、發酵、貯存、使用等工序，使整個生產過程不必由人力監督，因而可以大大提高設備工作的安全性和可靠性，提高工作效率。同時，該產品本身寫入沼氣專業的專用軟件，通過接口實現專業通用，在保證較高利潤和質量的情況下，大幅度降底了成本，每件產品比PLC通用控制器的價格至少低一萬元以上，因而極易推廣。

[1] 孫靜.沼氣自動控制與監測系統的設計[D].西安：西安工業大學,2009-4-30

[2] 谷紅巖,李文哲.基于PLC和力控組態軟件的沼氣生產自動控制系統[J].農機化研究.2011,(1) 199-201

[3] 樊延虎.壓阻式氣壓傳感器在大氣壓力探測中的一種應用電路的研究[J].延安大學學報(自然科學版)2000(01)