基于单片机的沼气反应器的温度控制.docx
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基于单片机的沼气反应器的温度控制
重庆科技学院
毕业设计（论文）
题目基于单片机的沼气反应器温控系统的设计
院（系）
专业班级
学生姓名学号
指导教师职称
评阅教师职称
2013年6月15日
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与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计（论文）作者（签字）：
年月日
摘要
沼气能源是解决目前农村能源的最佳途径。
然而，目前沼气发酵过程中存在诸多亟待解决的问题,其中反应器温度的不稳定性一个重要问题。
目前，国内大多采用常温发酵工艺,该工艺方法很容易受到环境因素的制约,特别是在有些季节甚至会停止产气。
所以为沼气池发酵提供一个理想的温度环境是目前沼气发酵中急需解决的问题。
目前利用太阳能对反应器进行温度控制的方法比较理想,然而该工艺也同样受环境因素的制约,不能完全为发酵过程提供理想温度环境。
本课题从该问题点出发,设计基于单片机的温控系统方案作为电能温湿度控制的辅助装置,实现反应器的理想温湿度环境。
该课题首先分析了该系统的设计要求和技术指标,确定系统的总体方案。
然后考虑到经济性能及体积因素,深入研究和选择了各种芯片和元器件,该设计能够实现温度的实时检测、显示和控制输出,使温湿度值保持在理想的范围内，并具有和上位机通讯,多点监测等功能。
关键词：
沼气智能单片机温控系统上位机
ABSTRACT
Biogasenergyisthebestwaytosolveruralenergy.However,thebiogasfermentationprocess,therearemanyproblemstobesolved,thereactortemperatureinstabilityistheneedtoaddressanimportantfactor.Atpresent,mostoftheroomtemperaturefermentationprocess,theprocessisconstrainedbyenvironmentalfactors,insomeseasonsevenstopthegasproduction.Soprovideanidealtemperatureformethanefermentationenvironmentisathemethanefermentationpressingproblem.Idealsolarheatingreactor,However,thisprocessisalsoaffectedbyenvironmentalfactors,andcannotfullyprovidethedesiredtemperatureenvironmentofthefermentationprocess.
Thistopicissuefromthepointofdeparture,thedesigntemperaturecontrolsystembasedonsinglechipsolutiontemperatureandhumiditycontrolasanauxiliarypowerunit,toachievetheidealreactortemperatureandhumidityenvironments.Thesubjectfirstanalyzesthedesignofthesystemrequirementsandtechnicalspecifications,determinethesystem'soverallprogram.Thenconsidertheperformanceandsizeoftheeconomicfactorsandselectionofin-depthstudyofvariouschipsandcomponentsdesignedtoachievethetemperatureofthereal-timedetection,displayandcontroloutput,thetemperatureandhumidityvaluesinthedesiredrange,andhastheuppermachinecommunication,multi-pointmonitoringandotherfunctions.
Keywords:
Biogas；Intelligent；MCU；Temperaturecontrolsystem；PositionMachine
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1沼气的发展历史1
1.2沼气发酵的影响因素1
1.3沼气发酵的温度控制现状1
1.4课题的目的2
1.5本设计的主要内容2
2系统总体设计4
2.1系统的功能4
2.2系统的总体方案设计4
3系统硬件电路设计6
3.1AT89C52芯片介绍6
3.1.1芯片特点6
3.1.2功能概述6
3.1.3最小单片机系统电路6
3.2数据采集电路设计7
3.2.1DHT11电路设计7
3.2.2DS18B20电路设计9
3.3液晶显示电路设计10
3.3.1LCD12864概述10
3.3.2LCD12864基本特性11
3.4按键电路设计12
3.5报警电路设计13
3.6控制电路设计13
3.6.1温度控制电路设计13
3.6.2湿度控制电路设计15
3.6.3继电器控制电路设计16
3.7串口通讯电路设计16
4软件设计18
4.1下位机编程软件介绍18
4.2下位机软件设计18
4.2.1主程序18
4.2.2DHT11采集程序19
4.2.3DS18B20采集程序20
4.2.4按键程序20
4.2.5报警程序21
4.2.6温度控制程序21
4.2.7湿度控制程序22
4.3上位机软件设计23
4.3.1软件介绍23
4.3.2软件功能特点23
4.3.3系统功能特点24
5系统调试26
5.1子程序调试26
5.2总程序调试27
6总结30
7致谢31
参考文献32
附录1电路原理图33
附录2程序源代码34
1绪论
1.1沼气的发展历史
在能源渐趋枯竭的今天，能源紧张对中国和全球的影响日益突出，世界各国开始将目光聚集到新生能源领域。
在风能、太阳能、生物质能、水能、核能、潮汐能等诸多新能源当中，生物质能源是最稳定、最安全的能源，也是目前各国重点鼓励的新能源领域，农村沼气把农民增收、生态建设、能源建设、环境建设连接起来，促进了生产发展和生活文明。
发展农村沼气，优化广大农村地区能源消耗结构，是中国能源战略的重要组成部分，对缓解国家能源压力、能加优质能源供应具有重大的现实意义。
经过多年的建设和研究，我国农村沼气实现了历史性跨越，取得举世瞩目的成就。
国内主要的沼气发酵技术主要是采用中温发酵，温度范围为30-40℃。
全国沼气用户稳步跨上一个新的台阶，近几年来，党中央把农村沼气建设作为全面建设小康建设、改善农村生产生活条件“六个工程”的重点内容来抓，我国政府利用国债项目资金进行重点支持，各地积极争取中央投资发展当地农村沼气建设，各地农村沼气建设呈现出快速发展的势头，并取得了巨大的成就。
而在国外，德国、奥地利和丹麦等国家利用能量作物和生物废料生产沼气的项目非常多，特别是德国，德国主流的沼气工程技术是中温（30-40度）、高浓度（8%-14%）的液态发酵、热电联供技术。
沼气工程发电全部上网，发电机连续运转，余热利用系统完善，综合效率高，只有在工程启动阶段需要外部热量输入，正常运行阶段，发电余热足以提供厌氧发酵系统的增温保温所需的热量，沼液沼渣均作为肥料施于农田或草地，能量作物玉米、各类在沼气工程中作为主要原料，沼气工程已从解决环保问题上升到解决能量问题的高度。
1.2沼气发酵的影响因素
沼气发酵过程存在很多需要解决的问题，包括温度、湿度、压力等等。
其中反应器温度的不稳定性就是急需解决的一个重要因素，其次是湿度因素。
目前国内大多采用常温、高湿度发酵工艺，环境因素对该工艺方法的制约十分明显，在有些季节甚至会导致沼气池停止产气。
1.3沼气发酵的温度控制现状
在不同温度下发酵，反应器中的优势菌落是不同的，它们有其各自的适宜温度，而且对温度相当敏感．研究表明，温度突然上升或下降5℃，产气量显著降低。
针对国内采用温发酵工艺受环境温度的制约这一问题，先后出现了多种解决方法。
冬春两季尤其是冬季气温低，沼气池内的发酵原料温度常低于20℃以下，沼气产量受到严重影响，为使达到全年供气的要求，必须加强沼气池的冬春保温工作。
普通沼气发酵温度控制技术为有：
（1）添加温热性粪料；
（2）增设风障，降低温耗；
（3）秸秆覆盖保温；
（4）覆盖塑料大棚；
（5）提高料液温度；
（6）挖防寒沟。
复杂的沼气发酵温度控制技术有：
（1）电加热膜增温保温系统；
（2）锅炉水循环沼气池增温系统；
（3）太阳能热水器水循环沼气池增温系统；
（4）太阳能联合锅炉沼气池智能温控系统；
（5）新型太阳能软体沼气池系统；
（6）太阳能沼气池自动控制系统。
1.4课题的目的
沼气能源是解决目前农村能源的最好途径。
然而目前沼气发酵过程存在诸多亟待解决的问题，其中反应器温湿度的不稳定性就是需要解决的一个重要因素。
目前国内大多采用中温发酵工艺，该工艺方法受到环境因素的制约，在有些季节甚至会停止产气。
所以为沼气发酵提供一个理想的温度环境是目前沼气发酵中急待解决的问题。
目前利用太阳能对反应器进行温度控制的方法比较理想，然而该工艺也同样受环境因素的制约，不能完全提供发酵过程的理想温度环境。
本课题从该问题点出发，设计基于单片机的温控方案作为电能控制反应器温度范围的辅助装置，实现反应器的理想的稳定的温度环境。
1.5本设计的主要内容
沼气能源是解决目前农村能源的最好途径。
然而目前沼气发酵过程存在诸多亟待解决的问题，其中反应器温度的不稳定性就是需要解决的一个重要因素。
设计以AT89C52单片机为控制核心，由温度采集模块、按键输入模块、液晶显示模块、控制输出模块、执行机构、RS232总线通讯模块等硬件电路的设计，该设计能够实现温度的实时检测、显示和控制输出，并具有和上位机通讯，多点检测等功能。
2系统总体设计
2.1系统的功能
根据设计要求，温控系统具有以下功能:
（1）温度检测范围：
0-50℃，最小误差0.2℃。
（2）湿度检测范围：
20-90%RH，最小误差0.5%RH。
（3）自动控制温度和湿度在一定范围内。
温度范围：
30-40℃，湿度范围：
60%RH以上。
（4）液晶显示和按键选择功能。
（5）与PC机通信，进行数据观测和显示控制输出的状态。
（6）报警。
（7）多点监测。
2.2系统的总体方案设计
系统总设计框图如图2.1所示。
工作原理：
通过设定值和实测值的比较来控制加热器、制冷器、报警器和加湿器的状态。
开始状态，所有元器件全部关闭，单片机通过传感器开始采集数据和显示等；当实测温度低于设定温度值范围时，加热器启动，开始加热，直至温度达到设定范围内后加热器关闭；当测试温度高于设定值时，制冷器开启，开始降温，直到温度降到设定范围内后制冷器关闭；且当温度值高于上限设定值或低于下限设定值时，报警器开启，开始报警；当实测湿度值小于系统设定值时，加湿器开启，开始加湿，直到达到设定值以上停止加湿。
该温控系统可以实现液晶显示，可通过按键来控制显示不同模式，实时地显示各个传感器所测得的温湿度数值；而且本系统还可以实现多点检测和控制，且与PC机实现上位机通讯，通过上位机实时地显示传感器所测量的数据和控制输出的状态。
图2.1系统总框图
3系统硬件电路设计
本章主要介绍该系统的硬件电路设计，包括各模块器件的选择以及接口电路的设计。
由图2.1所示，从功能上划分，系统电路主要包括主控芯片（AT89C52）、数据采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、控制输出模块、上位机通讯模块等。
下面就每个模块进行详细阐述。
3.1AT89C52芯片介绍
3.1.1芯片特点
该芯片是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，该单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
3.1.2功能概述
AT89C52提供以下标准功能：
8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I／O口线，3个16位定时／计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。
定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON，寄存器对（RCA02H、RCAP2L）是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。
3.1.3最小单片机系统电路
AT89C52使用11.0592MHz晶振，RST：
即为RESET，该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端，XTAL1和XTAL2外接晶体引脚，XTAL1和XTAL2分别接外部晶振一端。
MCS-51系列单片机中的8031、8051及89C51均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，图3.1中89C52是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
图3.1最小单片机系统电路
3.2数据采集电路设计
3.2.1DHT11电路设计
如图3.2所示数据采集电路，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有卓越的长期稳定性与极高的可靠性。
传感器包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件，并与一个8位高性能单片机相连接。
因此该产品具有超快响应、抗干扰能力强、性价比极高、品质卓越等优点。
每个DHT11传感器都是在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
产品为4针单排引脚封装，连接方便，具有极低的功耗、超小的体积，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
图3.2数据采集电路
技术参数：
（1）供电电压：
3.3~5.5VDC
（2）输出：
单总线数字信号
（3）测量范围：
湿度20-90%RH，温度0~50℃
（4）测量精度：
湿度+-5%RH，温度+-2℃
（5）分辨率：
湿度1%RH，温度1℃
（6）互换性：
可完全互换，
（7）长期稳定性：
<±1%RH/年。
DATA 用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。
操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式：
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号，送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。
从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。
采集数据后转换到低速模式。
通讯过程如图3.3所示。
图3.3dht11通讯过程信号
3.2.2DS18B20电路设计
DS18B20数字温度传感器技术参数：
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；
（5）温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；
（9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
如图3.4所示为DS18B20的硬件电路图。
图3.4DS18B20电路图
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。
DS18B20时序图如图3.5（a）（b）（c）所示。
（a）
（b）
（c）
图3.5（a）复位时序（b）写时序（c）读时序
3.3液晶显示电路设计
本系统地液晶显示采用带中文字库的LCD12864。
3.3.1LCD12864概述
如图3.6所示，本系统地液晶显示采用带中文字库的LCD12864，液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，在有电的时候就显示，这样即可以显示出图形，也可以显示出汉字。
液晶显示屏具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示等特点。
目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域当中。
带中文的12864液晶屏是一种具有4位/8位并行，2线或三线串行的汉字图形点阵液晶显示模块。
可以显示汉字和图形，其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集，可构成全中文的人机交互图形界面。
它的低电压低功耗是其又一显著特点。
由它构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序12864都要简洁得多，并且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
图3.6液晶显示电路
字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如表3.1所示。
表3.1字符显示位置
80H
81H
82H
83H
84H
85H
86H
87H
90H
91H
92H
93H
94H
95H
96H
97H
88H
89H
8AH
8BH
8CH
8DH
8EH
8FH
98H
99H
9AH
9BH
9CH
9DH
9EH
9FH
3.3.2LCD12864基本特性
（1）低电源电压（VDD:
+3.0--+5.5V）；
（2）显示分辨率:
128×64点；
（3）与MCU接口：
8位或4位并行/3位串行；
（4）2MHZ时钟频率；
（5）内置DC-DC转换电路，无需外加负压；
（6）驱动方式：
1/32DUTY，1/5BIAS；
（7）内置128个16×8点阵字符；
（8）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字（简繁体可选）；
（9）背光方式：
侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10；
（10）视角方向：
6点；
（11）无需片选信号，简化软件设计；
（12）显示方式：
STN、半透、正显；
（13）工作温度:
0℃-+55℃,存储温度:
-20℃-+60℃。
模块引脚说明
表3.2128X64HZ引脚说明
引脚号
引脚名称
方向
功能说明
1
VSS
-
模块的电源地
2
VDD
-
模块的电源正端
3
V0
-
LCD驱动电压输入端
4
RS（CS）
H/L
并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号
5
R/W（SID）
H/L
并行的读写选择信号；串行的数据口
6
E（CLK）
H/L
并行的使能信号；串行的同步时钟
7
DB0
H/L
数据0
8
DB1
H/L
数据1
9
DB2
H/L
数据
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