沼氣能源用于仔豬舍自動(dòng)增溫控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)研究,農(nóng)業(yè)工程論文

沼氣能源用于仔豬舍自動(dòng)增溫控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)研究,農(nóng)業(yè)工程論文在天氣多陰冷潮濕的貴州高原地區(qū)，仔豬養(yǎng)殖場最主要的問題就是仔豬舍內(nèi)環(huán)境過于陰冷和濕度過高而導(dǎo)致舍內(nèi)滋生病菌，使得抵抗力差的仔豬容易患病。而多數(shù)養(yǎng)殖場都有較為豐富的沼氣資源，能夠?qū)⒄託馊紵筠D(zhuǎn)換為熱能為仔豬舍加溫，進(jìn)而解決冬季仔豬舍舍內(nèi)溫度過低的問題。在沼氣加熱控制、設(shè)施溫度控制等方面，國內(nèi)外都有很多學(xué)者開展了這方面的研究。韓少平等人應(yīng)用生態(tài)學(xué)理論，設(shè)計(jì)了一個(gè)白天利用太陽能加熱，夜晚應(yīng)用沼氣燃燒加熱保溫的生態(tài)蔬菜溫室；李戰(zhàn)明等人針對(duì)熱水鍋爐提出了一種控制算法提高鍋爐供暖系統(tǒng)效率；占濤等人運(yùn)用模糊控制理論合成自校正PID控制器，進(jìn)而獲得更好的調(diào)溫效果。但以上設(shè)計(jì)限于構(gòu)造或理論的研究，未見其控制系統(tǒng)。楊瑞瀾應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理，研究大型沼氣工程布局，以期獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益；呂秀麗等人設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和PC機(jī)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫度動(dòng)態(tài)檢測；但研究僅限于沼氣工程總體布局構(gòu)造設(shè)計(jì)和理論研究，沒有牽涉精準(zhǔn)控制研究。另外，黃曉鵬等人設(shè)計(jì)了一種基于DSP與藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)的分布式溫室監(jiān)控系統(tǒng)；劉洋等人針對(duì)北方冬季設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心來控制熱水泵的增溫系統(tǒng)；杜云明等人針對(duì)溫室灌溉情況設(shè)計(jì)了以AT89C51單片機(jī)為核心的智能控制系統(tǒng)；但設(shè)計(jì)著重于短距離控制，且都沒有提及精準(zhǔn)控制，無控制精度保證。除此之外，馮華勇等人基于鍋爐溫度儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)了包括溫度測試、顯示、控制與RS485通信等功能；王楠等人設(shè)計(jì)了一種以PIC16F716單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)以知足工業(yè)化要求；鄭江送等人設(shè)計(jì)了STC89C51單片機(jī)為核心的遠(yuǎn)程溫度采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與GSM模塊的通信，俞紅等人設(shè)計(jì)了一種采用PIC16C71單片機(jī)為控制核心的溫控裝置。本文以沼氣燃燒供熱系統(tǒng)在仔豬舍內(nèi)精準(zhǔn)溫控為研究對(duì)象，完好設(shè)計(jì)了仔豬舍自動(dòng)控溫系統(tǒng)的硬件和軟件，并且完成了硬件模塊選型和控制系統(tǒng)仿真。1、系統(tǒng)控制方案根據(jù)仔豬舍加溫控制特點(diǎn)，本控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制部件，外圍元件包括傳感器、繼電器、水泵電機(jī)、散熱器等，詳細(xì)控制原理如此圖1所示。DS18B20智能數(shù)字溫度傳感器實(shí)時(shí)測量仔豬舍環(huán)境溫度，經(jīng)過本身內(nèi)部轉(zhuǎn)換程序處理后，將數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)與給定的溫度值比擬，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算后的輸出值作為單片機(jī)輸出指令進(jìn)入伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，接著控制電控水泵的電動(dòng)機(jī)通斷狀態(tài)及通斷時(shí)間，進(jìn)而控制熱水流量，即可調(diào)節(jié)散熱器散發(fā)熱量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)仔豬舍環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)調(diào)控，使實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值的溫差接近為零，到達(dá)自動(dòng)控制舍內(nèi)環(huán)境溫度的目的，該系統(tǒng)還可設(shè)計(jì)LED動(dòng)態(tài)顯示器來實(shí)時(shí)顯示溫度值,方便人工監(jiān)視。【圖1】單片機(jī)只需控制電控水泵處于靜止、工作、停止?fàn)顟B(tài)，即通/斷切換，而通斷狀態(tài)時(shí)間取決于實(shí)時(shí)采集溫度與設(shè)定值范圍間的差值大小。當(dāng)仔豬舍環(huán)境實(shí)時(shí)溫度低于最低設(shè)定值1℃，則報(bào)警器會(huì)立即報(bào)警同時(shí)溫度傳感器就將該差值經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換輸入數(shù)字PID控制器，經(jīng)過PID運(yùn)算后的輸出值作為單片機(jī)輸出指令進(jìn)入伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，接著控制電控水泵啟動(dòng)，開場向管道泵熱水，即處于通狀態(tài)，再經(jīng)過仔豬舍散熱器將熱量傳入仔豬舍，最終控制舍內(nèi)環(huán)境溫度升高，直到仔豬舍環(huán)境溫度到達(dá)設(shè)定值；當(dāng)舍內(nèi)環(huán)境溫度高于最高設(shè)定值1℃，如上述經(jīng)過，則報(bào)警器會(huì)立即報(bào)警同時(shí)溫度傳感器就將該差值經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算后的輸出值作為單片機(jī)輸出指令進(jìn)入伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，接著控制電控水泵立即停止工作，不再向管道供熱水，即處于斷狀態(tài)，最終將舍內(nèi)環(huán)境始終控制在設(shè)定值的恒溫狀態(tài)，到達(dá)仔豬舍恒溫自動(dòng)控制。2、不同控制方案的分析比擬2.1控制對(duì)象的分析該自動(dòng)控溫系統(tǒng)是通過對(duì)控制對(duì)象的控制來調(diào)節(jié)熱水供給量，最終實(shí)現(xiàn)仔豬舍環(huán)境溫度的控制。經(jīng)分析，該系統(tǒng)控制對(duì)象可為沼氣和熱水，即沼氣供給量的控制和熱水供給量的控制。沼氣供給量的控制屬于氣流控制，其工作特點(diǎn)為使用、維修方便；安全、可靠；成本低、壽命長；單純用氣缸傳動(dòng)難以得到固定不變的運(yùn)動(dòng)速度；氣動(dòng)裝置總推力一般不可能很大。熱水供給量的控制屬于液流控制，這種控制方式有其特點(diǎn)在于同等功率的情況下，液壓裝置體積小、質(zhì)量輕、構(gòu)造緊湊；操作簡單、安全、經(jīng)濟(jì)；能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，但出現(xiàn)問題不易檢修。本設(shè)計(jì)選擇液流控制，即控制對(duì)象為熱水供給量。2.2控制方式確實(shí)定控制對(duì)象確定之后就是控制方式確實(shí)定。實(shí)現(xiàn)熱水供給量控制的方式很多，鑒于本系統(tǒng)特點(diǎn)，有下面三種控制方式可選：第一，通過步進(jìn)電機(jī)控制絲桿熱水閥開度實(shí)現(xiàn)；第二，通過齒輪齒條控制熱水閥門實(shí)現(xiàn)；第三，通過繼電器控制電控水泵通斷狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。第一種方式是將電機(jī)與熱水閥門的連接制作成滾珠絲桿螺母副，二者精致細(xì)密連接好，進(jìn)行動(dòng)力傳輸。電機(jī)接到單片機(jī)指令時(shí)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過滾珠絲桿螺母副作用，將該回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲桿的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變熱水閥門開度。第二種控制方式工作原理與第一種相仿，在這里不再贅述。第三種控制方式中，繼電器相當(dāng)于就是電路里的觸發(fā)性電子開關(guān)，單片機(jī)發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，繼電器即接通/斷開，電控水泵隨之相應(yīng)的供水/斷水，而其通斷時(shí)間則根據(jù)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集溫度與設(shè)定溫度間的溫差自動(dòng)變化，所以此系統(tǒng)采用該種控制方式。綜上所述，該自動(dòng)控溫系統(tǒng)控制方案為：通過繼電器控制電控水泵通斷進(jìn)而控制熱水供給量。3、各功能模塊元件選型3.1單片機(jī)本溫度控制系統(tǒng)選用AT89C52作為系統(tǒng)控制電路CPU芯片。AT89C52的晶振頻率為12MHz，內(nèi)部RAM為256字節(jié)，內(nèi)部FLASHPERAM到達(dá)8K，具備定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1、T2。3.2溫度傳感器本設(shè)計(jì)選用數(shù)值溫度傳感器DS18B20。DS18B20能夠直接讀出被測溫度的數(shù)字信號(hào)值，而且采用三線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。在構(gòu)成大型溫度控制系統(tǒng)中，允許在單線總線上掛接多片DS18B20，測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。表1是DS18B20的性能參數(shù)。【表1】3.3電控水泵該溫控系統(tǒng)的水泵安置于鍋爐與仔豬舍間的管道中，主要用于鍋爐供水。DG型鍋爐給水泵屬國家有關(guān)部門推廣的節(jié)能產(chǎn)品，用來代替GC型鍋爐給水泵，其效率平均比GC型高8%，所以該設(shè)計(jì)選用DG系列鍋爐供水泵。選擇Y132S-2型號(hào)的三相異步電動(dòng)機(jī)與DG系列水泵配套使用，二者通過電機(jī)聯(lián)軸器連接共同組成電控水泵。3.4繼電器固態(tài)繼電器與普通機(jī)械式觸點(diǎn)繼電器相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：遐齡命，高可靠性；靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好；快速轉(zhuǎn)換；電磁干擾小?；谝陨戏治觯摽刂齐娐愤x用希曼頓的S220ZK型固態(tài)繼電器來控制電控水泵通斷。4、溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序該溫控系統(tǒng)的主程序包括系統(tǒng)的初始化子程序和中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序又包括：溫度檢測子程序、按鍵掃描子程序、溫度顯示子程序、溫度控制子程序、報(bào)警子程序，系統(tǒng)初始化流程列表如表2所示，主程序流程圖如此圖2所示?！颈?】【圖2】4.2溫度檢測子程序溫度檢測子程序主要是溫度傳感器DS18B20內(nèi)部對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換的程序，系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。流程圖如此圖3所示?！緢D3】4.3溫度控制子程序溫控系統(tǒng)對(duì)溫度的控制，只需要通過對(duì)繼電器通斷的控制即可實(shí)現(xiàn)，當(dāng)AT89C52的P1.7口為高電平常，電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，水泵供水。流程圖如此圖4所示?！緢D4】4.4溫度顯示子程序該系統(tǒng)的LED顯示根據(jù)實(shí)際需要采用的是動(dòng)態(tài)顯示方式方法，這樣能夠節(jié)省I/O接口資源。采用四個(gè)共陽極LED數(shù)碼顯示器實(shí)現(xiàn)顯示，第一位為百位和符號(hào)顯示位，第二位為十位顯示位，第三位為個(gè)位顯示位，第四位為特別位顯示位，第三位和第四位之間顯示小數(shù)點(diǎn)。當(dāng)溫度傳感器采集到溫度經(jīng)一系列換算后，以數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)中，經(jīng)經(jīng)過序設(shè)定計(jì)算形式得出數(shù)據(jù)送顯示位和顯示段碼，最后根據(jù)先位碼后段碼順序顯示。4.5按鍵掃描子程序按鍵掃描子程序是根據(jù)單片機(jī)接口和按鍵設(shè)置的，采用DS18B20作為該溫控系統(tǒng)的溫度傳感器，測量精度和控制精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)3種控制溫度精度效果：預(yù)置設(shè)定溫度值、預(yù)置設(shè)定溫度范圍、預(yù)置設(shè)定溫度范圍。流程圖如此圖5所示?！緢D5】【圖6】5、溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)該溫控系統(tǒng)設(shè)定溫度范圍上限為25℃，下限為23℃，可通過按鍵對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)整，將溫控范