基于單片機的智能沼氣控制系統設計

望 翔，石 超，覃 濤

（宜昌測試技術研究所，湖北 宜昌 443000）

0 引言

沼氣是21世紀新農村建設的最重要、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，因不當的操作引發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。當前市場中使用的沼氣的控制系統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]相結合。因此，設計一種單片機為核心的沼氣控制系統，實現沼氣濃度檢測和控制，能夠提高沼氣使用的安全性。

1 系統總體方案及工作原理

本系統基于MK60DN512ZVL10主控、ADC0809模數轉換芯片，實現了沼氣控制系統采集數據、自動控制等功能。系統能自主控制沼氣池內的沼氣濃度與液位，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的環境調節為安全狀態。遠程控制功能能實時監控[3]池內狀況。該系統工作效率高，成本小，操作簡單。

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

圖1 系統原理框圖

2 硬件電路設計

2.1 模數轉換電路

為了便于檢測和分析模數轉換信號，選用ADC0809模塊實現智能沼氣控制系統的濃度和液位的轉換工作。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轉換器，它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態輸出鎖存器組成。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轉換器進行轉換。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 模數轉換電路

2.2 驅動電路

選用ULN2003模塊來實現對繼電器控制電路的驅動，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動信號、鼓風機驅動信號、通風蓋電機驅動信、壓縮機驅動信號和報警器驅動信號分別由單片機 的PTB0、PTB1、PTB2、PTB3、PTB4端 口 輸 入 到ULN2003芯片對應的1、2、3、4、5管腳，經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，輸出的電流足夠驅動繼電器控制電路工作，如圖3所示。

圖3 ULN2003驅動電路

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。繼電器內部有多匝線圈，線圈兩端通入額定電流后，線圈產生磁場吸合銜鐵，設定電路被接通[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，沼氣池內的沼氣被壓縮存儲在煤氣罐內。通風蓋控制電路中的繼電器A腳接12 V，B腳接在驅動電路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 串口服務器模塊

本文中的沼氣控制系統選用的串口服務器的型號為USR-TCP232-E401，實現串口與TCP/IP 連接[5]，通過訪問虛擬串口，就可以完成遠程監測、控制。液位值和沼氣濃度經串口服務器通過TCP/IP網絡傳輸協議將數據打包，打包后的數據通過網絡傳輸到上位機并顯示。用戶在上位機發送控制信號，信號經過網絡傳輸協議打包，通過網絡將信號傳輸給串口服務器，串口服務器將數據解包，解包后的數據經過串口電路傳輸給控制系統，下位機執行指定操作，實現遠程控制[6]。

3 軟件設計

3.1 系統控制模型

系統采用了雙閉環反饋控制[7]，保證系統在閉環作用下穩定工作，具體過程如下：通過編程設定系統的閾值，系統采集沼氣池中沼氣的實際濃度和液位，并在控制器內和閾值比較，當產生較大偏差時，系統通過程序處理，輸出控制信號，經驅動電路控制執行電路工作，降低沼氣池內的沼氣的濃度和沼氣池內液位的高度，完成設定功能，防止意外發生。系統控制模型如圖5所示。

圖5 系統控制模型

3.2 主控制器程序設計

系統的程序流程圖如圖6所示。當系統啟動后，系統初始化。系統檢測沼氣的濃度和液位的高度，將濃度和高度發送給上位機，在上位機顯示，同時顯示在控制系統的顯示屏上。當濃度超過系統設置的閾值時，系統發出報警，提醒用戶。與此同時，控制器發出信號，驅動壓縮機工作，降低沼氣池的沼氣濃度。當沼氣池的液位高于系統設定值時，系統發出報警信號提醒用戶?？刂破靼l出信號，驅動水泵工作，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。根據濃度值和液位值得大小，上位機能發送信號，傳給控制器。下位機執行程序設定的功能，實現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，手動控制系統中通風蓋的控制按鈕，系統驅動電機工作，打開通風蓋，延時5 s，鼓風機開始工作，將沼氣的濃度降低，避免用戶除渣時發生意外。鼓風機工作3 min后停止工作。

4 系統測試與分析

根據以上描述搭建基于飛思卡爾的沼氣檢測控制樣機并調試，如圖7所示。實際測試中，為保證調試過程中的安全，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。

圖7 測試控制系統功能

將液位傳感器放置于水箱底部，間隔10%分別設置10組不同濃度標準，程序內設置當液位閾值為35%，觀察電機運行情況，記錄傳感器輸出電壓和經模數轉換經單片機讀取電壓，記錄結果如表1所示。

表1 沼氣控制記錄

表1 記錄結果表明，液位高度在40%及以上電機啟動，實現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，實現沼氣控制功能。

表1 記錄的讀取電壓始終小于電壓表直接記錄電壓值，表明模數轉換電路有一定壓降，差值在-0.12 V～-0.31 V，最大誤差2.4%，屬于模數轉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果。實驗記錄結果表明不影響電機啟動和停止，能夠正常工作，對工程應用具有一定參考意義。

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

表2 電壓補償后沼氣控制記錄

表2 結果表明經過補償（+0.01V）之后的結果，電壓差值從-0.12 V～-0.31 V變為-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，可根據傳感器特性進行更復雜的函數補償，以適應不同沼氣系統安裝環境。

5 結束語

本文基于單片機設計了一種智能沼氣控制系統。測試結果表明該系統能在沼氣濃度、液位閾值以上正常工作。系統的主要模塊——模數轉換，能夠實時檢測沼氣濃度和液位，單片機根據該值控制電機的啟動和停止，實現了沼氣控制功能。系統采集電壓的誤差在3%以內，能夠滿足沼氣家用環境要求，對研究沼氣控制的工程應用具有一定參考價值。