沼气能源用于仔猪舍自动增温控制系统的软硬件设计研究

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论文摘要

  在天气多阴冷潮湿的贵州高原地区,仔猪养殖场最主要的问题就是仔猪舍内环境过于阴冷和湿度过高而导致舍内滋生病菌,使得抵抗力差的仔猪容易患病。

  而多数养殖场都有较为丰富的沼气资源,可以将沼气燃烧后转换为热能为仔猪舍加温,从而解决冬季仔猪舍舍内温度过低的问题。在沼气加热控制、设施温度控制等方面,国内外都有很多学者开展了这方面的研究。韩少平等人应用生态学理论,设计了一个白天利用太阳能加热,夜晚应用沼气燃烧加热保温的生态蔬菜温室;李战明等人针对热水锅炉提出了一种控制算法提高锅炉供暖系统效率;占涛等人运用模糊控制理论合成自校正PID控制器,从而获得更好的调温效果。但以上设计限于结构或理论的研究,未见其控制系统。杨瑞澜应用生态学原理,研究大型沼气工程布局,以期获得良好的经济效益和生态效益;吕秀丽等人设计了基于单片机和PC机的温度监测系统,实现了温度动态检测;但研究仅限于沼气工程总体布局结构设计和理论研究,没有涉及精准控制研究。

  另外,黄晓鹏等人设计了一种基于DSP与蓝牙无线传输技术的分布式温室监控系统;刘洋等人针对北方冬季设计了以单片机为核心来控制热水泵的增温系统;杜云明等人针对温室灌溉情况设计了以AT89C51单片机为核心的智能控制系统;但设计着重于短距离控制,且都没有提及精准控制,无控制精度保证。

  此外,冯华勇等人基于锅炉温度仪的硬件和软件设计原理,实现了包括温度测试、显示、控制与RS485通信等功能;王楠等人设计了一种以PIC16F716单片机为核心的控制系统以满足工业化要求;郑江送等人设计了STC89C51单片机为核心的远程温度采集系统,实现单片机与GSM模块的通信,俞红等人设计了一种采用PIC16C71单片机为控制核心的温控装置。

  本文以沼气燃烧供热系统在仔猪舍内精准温控为研究对象,完整设计了仔猪舍自动控温系统的硬件和软件,并且完成了硬件模块选型和控制系统仿真。

  1、系统控制方案

  根据仔猪舍加温控制特点,本控制系统以单片机为控制部件,外围元件包括传感器、继电器、水泵电机、散热器等,具体控制原理如图1所示。DS18B20智能数字温度传感器实时测量仔猪舍环境温度,经过自身内部转换程序处理后,将数字信号送入单片机与给定的温度值比较,经过单片机内部运算后的输出值作为单片机输出指令进入伺服电机驱动电路,接着控制电控水泵的电动机通断状态及通断时间,进而控制热水流量,即可调节散热器散发热量,最终实现对仔猪舍环境温度的实时调控,使实际温度值与设定温度值的温差接近为零,达到自动控制舍内环境温度的目的,该系统还可设计LED动态显示器来实时显示温度值,方便人工监视。

  【图1】

  单片机只需控制电控水泵处于静止、工作、停止状态,即通/断切换,而通断状态时间取决于实时采集温度与设定值范围间的差值大小。当仔猪舍环境实时温度低于最低设定值1℃,则报警器会立刻报警同时温度传感器就将该差值经过一系列转换输入数字PID控制器,经过PID运算后的输出值作为单片机输出指令进入伺服电机驱动电路,接着控制电控水泵启动,开始向管道泵热水,即处于“通”状态,再经过仔猪舍散热器将热量传入仔猪舍,最终控制舍内环境温度升高,直到仔猪舍环境温度达到设定值;当舍内环境温度高于最高设定值1℃,如上述过程,则报警器会立刻报警同时温度传感器就将该差值经过一系列转换输入单片机,经过单片机内部运算后的输出值作为单片机输出指令进入伺服电机驱动电路,接着控制电控水泵立即停止工作,不再向管道供热水,即处于“断”状态,最终将舍内环境始终控制在设定值的恒温状态,达到仔猪舍恒温自动控制。

  2、不同控制方案的分析比较

  2.1控制对象的分析

  该自动控温系统是通过对控制对象的控制来调节热水供应量,最终实现仔猪舍环境温度的控制。经分析,该系统控制对象可为沼气和热水,即沼气供应量的控制和热水供应量的控制。

  沼气供应量的控制属于气流控制,其工作特点为使用、维修方便;安全、可靠;成本低、寿命长;单纯用气缸传动难以得到固定不变的运动速度;气动装置总推力一般不可能很大。

  热水供应量的控制属于液流控制,这种控制方式有其特点在于同等功率的情况下,液压装置体积小、质量轻、结构紧凑;操作简单、安全、经济;能在大范围内实现无级调速,但出现问题不易检修。

  本设计选择液流控制,即控制对象为热水供应量。

  2.2控制方式的确定

  控制对象确定之后就是控制方式的确定。实现热水供应量控制的方式很多,鉴于本系统特点,有以下三种控制方式可选:第一,通过步进电机控制丝杆热水阀开度实现;第二,通过齿轮齿条控制热水阀门实现;第三,通过继电器控制电控水泵通断状态来实现。

  第一种方式是将电机与热水阀门的连接制作成滚珠丝杆螺母副,二者精密连接好,进行动力传输。电机接到单片机指令时做回转运动,通过滚珠丝杆螺母副作用,将该回转运动转换为丝杆的直线运动,进而改变热水阀门开度。第二种控制方式工作原理与第一种相仿,在此不再赘述。

  第三种控制方式中,继电器相当于就是电路里的触发性电子开关,单片机发出的触发信号,继电器即接通/断开,电控水泵随之相应的供水/断水,而其通断时间则根据温度传感器实时采集温度与设定温度间的温差自动变化,所以此系统采用该种控制方式。

  综上所述,该自动控温系统控制方案为:通过继电器控制电控水泵通断进而控制热水供应量。

  3、各功能模块元件选型

  3.1单片机

  本温度控制系统选用AT89C52作为系统控制电路CPU芯片。AT89C52的晶振频率为12MHz,内部RAM为256字节,内部FLASHPERAM达到8K,具备定时器/计数器T0和定时器/计数器T1、T2。

  3.2温度传感器

  本设计选用数值温度传感器DS18B20。DS18B20可以直接读出被测温度的数字信号值,而且采用三线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。在构成大型温度控制系统中,允许在单线总线上挂接多片DS18B20,测量结果以9位数字量方式串行传送。表1是DS18B20的性能参数。

  【表1】

  3.3电控水泵

  该温控系统的水泵安置于锅炉与仔猪舍间的管道中,主要用于锅炉供水。DG型锅炉给水泵属国家有关部门推广的节能产品,用来代替GC型锅炉给水泵,其效率平均比GC型高8%,所以该设计选用DG系列锅炉供水泵。选择Y132S-2型号的三相异步电动机与DG系列水泵配套使用,二者通过电机联轴器连接共同组成电控水泵。

  3.4继电器

  固态继电器与普通机械式触点继电器相比,有如下优点:高寿命,高可靠性;灵敏度高,控制功率小,电磁兼容性好;快速转换;电磁干扰小。基于以上分析,该控制电路选用希曼顿的S220ZK型固态继电器来控制电控水泵通断。

  4、温控系统软件设计

  4.1主程序

  该温控系统的主程序包括系统的初始化子程序和中断服务程序,中断服务程序又包括:温度检测子程序、按键扫描子程序、温度显示子程序、温度控制子程序、报警子程序,系统初始化流程列表如表2所示,主程序流程图如图2所示。

  【表2】【图2】

  4.2温度检测子程序

  温度检测子程序主要是温度传感器DS18B20内部对信号进行一系列转换的程序,系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为:初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。流程图如图3所示。

  【图3】

  4.3温度控制子程序

  温控系统对温度的控制,只需要通过对继电器通断的控制即可实现,当AT89C52的P1.7口为高电平时,电机正常转动,水泵供水。流程图如图4所示。

  【图4】

  4.4温度显示子程序

  该系统的LED显示根据实际需要采用的是动态显示方法,这样可以节省I/O接口资源。采用四个共阳极LED数码显示器实现显示,第一位为百位和符号显示位,第二位为十位显示位,第三位为个位显示位,第四位为十分位显示位,第三位和第四位之间显示小数点。

  当温度传感器采集到温度经一系列换算后,以数字信号输入单片机中,经过程序设定计算模式得出数据送显示位和显示段码,最后按照先位码后段码顺序显示。

  4.5按键扫描子程序

  按键扫描子程序是根据单片机接口和按键设置的,采用DS18B20作为该温控系统的温度传感器,测量精度和控制精度较高,可以实现3种控制温度精度效果:预置设定温度值、预置设定温度范围、预置设定温度范围。流程图如图5所示。

  【图5】【图6】

  5、温控系统的实现

  该温控系统设定温度范围上限为25℃,下限为23℃,可通过按键对设定温度进行调整,将温控范围扩大,最后调试运行结果如图6所示。

  6、结论

  本设计主要适用于农业工程中沼气热源用于仔猪舍加温的自动温控问题,完成了温度控制系统总体结构和控制方案的设计以及温度控制系统软件、硬件设计。结合养殖场仔猪舍实际情况,充分利用了温度传感器DS18B20的工作特点,实现了温控系统的测温精度达0.5℃,控制精度达±1℃,响应速度和精准度能够满足仔猪舍自动温控需求。(图表略)

参考文献
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