基于单片机的沼气池温控系统研究

目录1引言311本课题的研究目的及意义312本课题的国内外研究现状413沼气发酵概述5131沼气发酵基本原理5132影响产气量的因素514沼气发酵工艺的温度因素7141温度因素在沼气发酵过程中的影响7142沼气发酵的温控类型8143太阳能增温系统的沼气池内温度变化规律82系统软件的实现1021PROTEUS简介1022PROTEUSVSM仿真与分析1123PROTEUS与KEIL联调1124编程思想1225系统子程序模块12251初始化12252查询温度13253发送指令14254读取数据14255中断处理15256主程序1626温控系统的电路原理图183系统硬件的实现1931温控系统设计的元件功能简介19311DS18B20简介19312DS18B20的主要特性191313DS18B20内部框图20314高速暂存存储器21315DS18B20的测温原理23316系统测温电路233274HC2452433AT89C512534系统实物模型2635系统实物模型功能简介274系统抗干扰设计2941硬件抗干扰设计29411电源干扰抑制29412环境温度变化的干扰抑制29413机械装置的干扰抑制2942软件抗干扰设计29421数字滤波29422软件消除键抖动3143电源引线、地线设计315结论及展望3251结论3252未来展望32521原料预处理33522反应器结构33523反应器接种33524发酵条件控制33525发酵过程相分离346单片机应用设计注意事项与技巧3561DS1820使用中注意事项3562技巧总结35致谢38ABSTRACT392基于单片机的沼气池温控系统研究摘要沼气是一种清洁的可再生能源,保持沼气池温度的稳定性是提高沼气产气效率的主要因素之一为此,研究设计了以AT89C51单片机为核心，由温度采集模块、按键输入模块、执行模块等硬件构成的沼气池温度控制系统,从而为沼气的发酵提供一个理想的环境,实现了对沼气池温度的实时检测、显示和控制输出仿真与演示性实物说明,设计合理可行,有一定的推广应用价值关键词沼气温度控制AT89C51微型计算机DS18B20PROTEUS软件仿真1引言11本课题的研究目的及意义在能源渐趋枯竭的今天,能源紧张对全球和中国的影响都日益突出,世界开始将目光聚集到了新生能源领域在太阳能、核能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物质能等诸多新能源当中,生物质能源是最安全、最稳定的能源,也是目前国家重点鼓励的新能源领域特别是农作物秸秆,它是一种重要的富含有机质8090的生物质能源据联合国环境规划署UNEP报道,世界上种植的各类谷物每年可提供秸秆17亿吨沼气发酵工程可以将有机质在厌氧微生物的作用下产生一种可替代化石能源的清洁能源沼气在美国、希腊、瑞典以及一些发展中国家都开始对秸秆作为沼气原料生产生物质能进行了大量研究在中国农作物秸秆也是非常丰富的,每年约为7亿吨,其中稻草、麦草和玉米秆这3种秸秆占到70以上中国有使用沼气的优良传统,自1949年以来实施过几次大规模的沼气池建设运动,目前在中国已经建有成千上万的沼气池1在20世纪60年代,秸秆曾作为一种主要的发酵原料,用于沼气工程实践中国农作物秸秆产沼气潜力巨大,但是,中国目前有关秸秆作为沼气原料生产生物质能源的系统科学研究却较为缺乏没有了技术支撑,用秸秆生产沼气出现了一系列问题因此慢慢被人们所抛弃沼气发酵原料基本转向畜禽粪便,但是随着农村经济的发展和农业结构调整,农村将会出现人畜分离的趋势,现有以畜粪为主的沼气池将会因无发酵原料而停止运行因此,充分利用秸秆制取沼气必然成为中国沼气发展方向发展沼气工程是建设资源节约型、环境友好型新农村的重要途径沼气就是将一些废弃物、动物粪便等在密闭条件下经过细菌发酵使其产生的气体沼气可用做发电、燃料等,是21世纪的主要能源沼气是可再生的清洁能源,既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源,也可替代煤炭等商品能源,而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等2中国农业资源和环境的承载力十分有限,发展农业和农村经济,不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来,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费结构,是中国能源战略的重要组成部分,对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义3虽然沼气发酵技术在国内已得到了广泛应用,但存在着沼气池产气效率过低的问题3基于以上讨论,本课题对沼气发酵的各种影响因素进行了研究,找出各种因素与产气率的关系并针对国内采用温发酵工艺受环境温度因素的制约这一问题,设计出基于单片机的温控系统,以实现沼气池自动温控效果,从而提高沼气的产气率,并从一定程度上解决能源问题在这样的背景下,本课题首先分析了国内外沼气技术发展的概况,之后提出了基于单片机控制的沼气池温控系统的研究和设计考虑到设计的要求和技术的指标,经过研究和分析,并最终确定了具体的系统设计方案然后考虑经济性能,深入研究和选择了各种芯片和元器件,完成了以AT89C51单片机为控制核心,由温度传感器、液晶显示器、光电耦合器、加热装置等组成的硬件电路,设计出能够实现温度的实时检测、显示和控制输出其次在软件程序设计上,根据程序流程图,深入研究了单片机汇编语言的设计和使用,通过使用KEILC51进行编译调试最后利用仿真软件PROTEUS和KEIL联合进行仿真,通过仿真平台可以对实测温度和设定温度进行显示输出,同时系统可通过液晶显示器进行温度的显示输出仿真过程中,可通过设定值和实测的温度值的比较来控制光耦继电器的吸合状态,当实测温度高于设定温度值时,继电器不吸合,此时电机不运转,即不对系统加热,当测试温度低于设定值时,继电器吸合,驱动电机运转,对反应器进行升温作业本设计中点亮红色发光二级管表示加热状态,点亮绿色发光二极光表示对环境温度进行降温该温控设计方案具有电路结构简单,主要使用了AT89C51、74LS04、74HC245、DS18B20等芯片,从而实现了对沼气池的自动温控论文的最后对整个设计方案进行了总结,指出了系统设计中存在的不足及今后仍然需改进的地方,并指出了对未来沼气发酵技术的展望12本课题的国内外研究现状经过多年的建设与发展,我国农村沼气实现了历史性跨越,取得举世瞩目的成就,全国沼气用户稳步跨上1000万、2000万、3000万三个台阶近几年来,党中央把农村沼气建设作为全面建设农村小康社会、改善农村生产生活条件“六小工程”的重点内容来抓,20062009年连续四年将沼气建设写入中央一号文件2009年安徽省将沼气建设列为民生工程之一自2003年开始,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至2008年底,全国农村户用沼气由1110万户增至3050万户,年均增加320多万,年均增长291,各类农业废弃物处理沼气工程395万处大中型养殖场沼气工程2700处,乡村沼气服务网点7万个各地农村沼气建设呈现出快速发展的势头,并取得了巨大的成效而在国外,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,目前有4000余个沼气工厂,2008年超过15个沼气工厂进行了升级扩建据统计,2007年德国所使用的沼气能量产量占欧盟27国沼气能量产量的36德国主流的沼气工程技术是中温（3540）、高浓度（814）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、谷类在沼气工程中作为主要发酵原料,沼气工程已从解决环保问题上升到解决能源问题的高度6413沼气发酵概述131沼气发酵基本原理沼气是有机物质（如农作物秸秆、人畜禽粪便、垃圾以及有机废弃物等）在厌氧条件下,通过特定微生物的发酵作用形成的因此,沼气生产过程中的一系列复杂物理化学变化,都离不开微生物的作用近年来国内外科学家对沼气微生物进行了大量研究,已发现产甲烷微生物是沼气的生产者和沼气发酵的核心它们严格厌氧,对氧气和氧化剂非常敏感,最适合H值的范围为中性或微碱性,它们靠二氧化碳和氢生长,并以废弃物的形式排出甲烷气体产甲烷微生物在自然界分布广泛,如湖泊、沼泽、土壤中,淡水或碱水池塘污泥中,下水道污泥、腐烂秸秆堆以及城乡垃圾堆中都大量存在产甲烷微生物11沼气发酵的实质是微生物自身物质代谢和能量代谢的生理过程在这一过程中,微生物在厌氧条件下,为了取得进行自身生活和繁殖的能量,将一些高能量的有机物质分解,使有机物质在转变为简单低能量成分的同时放出能量以提供微生物代谢生活从总体上说,沼气发酵过程一般分为三个阶段第一阶段为液化阶段由沼气池中微生物的分解酶,如纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酸酶等对有机物质进行酶解,将多糖水解为单糖或二糖,将蛋白质分解为多肽和氨基酸,将脂肪分解为甘油和脂肪酸通过这些酶解过程,把固体有机物转变为可溶性物质,水解产物可以进入微生物细胞,参与细胞内的生物化学反应第二阶段为产酸阶段水解产物进入微生物细胞后,在细胞内酶的作用下,进一步分解为小分子化合物,如低级挥发性脂肪酸、醇、醛、酮、脂类、中性化合物、氢气、二氧化碳、游离态氨等,其中主要是挥发性酸,约占80,所以此阶段称为产酸阶段以上两个阶段是一个连续的过程,是在厌氧的条件下,经过多种微生物协同作用,将原料中的碳水化合物、蛋白质、脂肪等分解成小分子化合物,同时产生二氧化碳和氢气,虽然在这两个阶段不产生甲烷,但脂肪、淀粉和蛋白质分解产生的乙酸,为生产合成甲烷提供了充足的物质基础所以这两个阶段在沼气发酵过程中有很大的作用第三阶段为产甲烷阶段在这一过程中,产氨微生物大量繁殖和活动,氨态氮浓度增高,挥发性酸浓度下降,为产甲烷微生物提供了适宜的环境,产甲烷微生物利用简单的有机物、二氧化碳和氢气等合成甲烷沼气发酵的三个阶段是相互连接、交替进行的,它们之间保持着动态的平衡在正常情况下,有机物质的分解速度和沼气产气速度相对稳定,如果平衡被破坏,就会影响产气比如液化阶段和产酸阶段的发酵速度过慢,产气率就会降低,发酵周期就会加长,原料分解不完全,料渣也会很多如果前两个阶段的发酵速度过快而超过产甲烷速度,就会有大量的有机酸积累,出现酸阻抑,也会影响生产甲烷,严重的甚至不能产生甲烷10132影响产气量的因素沼气发酵过程的实质就是培养厌氧消化菌的过程,只有发酵微生物的条件满足了,才能得到较高的沼气生产率或污水净化率其影响因素如下1、沼气发酵原料没有适当的发酵原料,沼气的产生就失去了前体,发酵生物也就没有生存的原料实践证明,各种畜禽粪便、作物秸秆、杂草、农产品工废物等都是沼气发酵的重要原料目前城市有机垃5圾及生活污水处理技术也正发展之中2、厌氧活性污泥沼气发酵微生物在自然界或沼气池中常以活性污泥的形在新建沼气池可以进行培养或采取引进接种的方式,生成或加入活性污泥到启动的目的3、严格的厌氧环境沼气微生物是一种厌氧微生物,对氧气特别敏感,其生命活动过程中都不需要氧气,否则会受到抑制,甚至死亡产甲烷菌只能在严格厌氧的环境中才能够生存所以,修建新沼气池,要严格密闭,不漏气、不漏水,这是产气的需要,也是贮气的需要4、温度沼气发酵和其它化学反应相类似,对温度有一定的范围要求,在有温度范围内其发酵速度随温度的升高而加快沼气发酵可分为3个温度范围4665称高温发酵,2045称中温发酵,以35为最佳,20以下称低温发酵,随自然温度变化的发酵方式称为常温发酵,高于65或低于10都将严重抑制微生物的活性,影响产气常温发酵,产气率低,产气周期长,受环境温度影响大中温发酵与常温发酵相比,分解快、产气率高、气质好,有利于规模化生产高温发酵,分解快、产气率高、环保效果好,但气质稍差、耗能较多农村沼气以常温发酵为主5、料液酸碱度沼气发酵微生物的生长和繁殖,要求发酵料液的酸碱度保持中性或微碱性,即最适PH值为6874过酸过碱都会抑制产气6、负荷农村沼气的负荷常用容积有机负荷表示,即单位体积沼气池每天所承受的有机物的数量容积负荷是沼气池设计和运行的重要参数,其大小主要由厌氧活性污泥的数量和活性决定在实际操作中农村沼气池的负荷通常用发酵原料浓度来代替,适宜的干物质浓度为612,且应随季节而变化,夏季一般为68,冬季一般为10127、C/N比发酵原料的C/N比值,是指原料中有机碳素和氮素含量的比例关系沼气发酵适宜的C/N比值范围较宽,有人认为是13161,有试验认为6301也合适,一般认为在启动阶段C/N值应不大于301沼气发酵原料是以富碳原料和富氮原料配比入池发酵产气,为了达到产气快、产气率高、产气时间长,就要求沼气发酵原料有一定的碳氮比,一般以20301较为适宜,原料的碳氮比过高过低,发酵都不易启动碳氮比较高的发酵原料如农作物秸秆,需要同含氮量较高的原料,如人畜粪便配合以降低原料的碳氮比,取得最佳的产气效果,特别是在第一次投料时,可以加快启动速度在使用作物秸秆为主要发酵原料时,如果人畜粪便的数量不够,可添加适量的碳酸氢铵等氮肥,以补充氮素农村常用原料的C/N见下表表11农村常用原料的C/N18原料总类碳素含量氮素含量C/N干稻草42063671干米秸40075521大豆秧41100411花生秧41130321树叶11059191野草140542618、搅拌沼气发酵料液通常自然沉淀而分成4层,从上到下分别为浮渣层、上清层、活性层和沉渣层6在此情况下,微生物活动较为旺盛的场所只限于活性层内,其它各层厌氧消化不活跃,影响产气,所以需要搅拌常用的搅拌方法有3种发酵液回流搅拌、沼气回流搅拌、机械搅拌,因此,通常采用人工液体回流搅拌或自循环搅拌较为适宜9、毒物控制一般情况下,发酵原料的毒性较低,但是在畜禽场消毒或防疫时会有较多药物进入粪便,因此,这时应注意不要进料,待毒性消除后再开始重新进料比较安全14沼气发酵工艺的温度因素141温度因素在沼气发酵过程中的影响沼气发酵中设备简单、见效快,生物质能得到充分合理利用,可带来良好的经济效益、社会效益和生态效益沼气发酵又称厌氧消化,是指各种有机物在厌氧条件下,被各种沼气发酵微生物分解转化,最终生成沼气的过程所产生的沼气是一种可燃性气体,其主要成分是甲烷和二氧化碳,通常情况下甲烷CH4约占60,二氧化碳CO2约占40,此外还有少量的氢H2、氮气N2、一氧化碳CO、硫化氢H2S和氨气NH3等沼气发酵是一个微生物学的过程,沼气发酵的工艺条件包括严格的厌氧环境、温度条件、营养和原料的处理、适宜的酸碱度和有机酸含量、干物质浓度和有机物负荷量、碳氮比对沼气发酵的影响、搅拌、沼气发酵接种物等,其中环境温度条件是发酵过程中关键性因素环境温度首先对沼气发酵系统的启动速度有较大的影响环境温度较低时,系统的启动速度较慢当环境温度较高时,系统启动所需要的时间就相应地缩短其次,环境温度对发酵系统的产气量有很大的影响当反应器内发酵液温度在10左右,只要其它条件达到要求如酸碱度适宜,沼气发酵菌较多就可以发酵产生沼气但是沼气发酵的产气量和产气速率与温度有密切关系,研究表明,在一定范围以内1540随着温度的增高,细菌的繁殖旺盛,活力强,发酵原料的消化速度也相应加快,其外在表现为产气量和产气率都相应的增高在1535范围内,在每一个发酵周期中,每单位原料的产气总量大致相等,但是在15时,一个发酵周期为12个月,而在35时一个发酵周期仅为1个月当发酵低于10时,微生物休眠,产气很少,达不到使用的目的因此,启动料液的温度要调控在20以上,运行料液的温度要调控在15以上,才能达到产气和使用的目的一小时内反应器温度上下波动不宜超过23短时间内温度升降5,沼气产气量明显下降,波动幅度过大时,甚至停止产气因此,合理控制反应器内部温度是沼气发酵的关键因素基于以上的考虑,在本设计中,当人为的设置温度低于10或当温度高于60时,系统会自动报警,同时拉紧报警显示灯认为设置的温度不合理,需要重新设置温度,以满足沼气的发酵时所需的最佳温度选择温度对沼气气化率的影响见下图117图11温度对沼气气化率的影响19142沼气发酵的温控类型沼气发酵的温度范围一般在1060之间,温度对沼气发酵的影响很大,温度升高沼气发酵的产气率也随之提高,通常以沼气发酵温度可区分为高温发酵、中温发酵和常温发酵工艺1、高温发酵工艺高温发酵工艺指发酵料液温度维持5060的范围之间,实际控制温度多在532,该工艺的特点是微生物生长活跃,有机物分解速度快,产气率高,滞留时间短采用高温发酵可以有效地杀灭各种致病菌和寄生虫卵,具有较好的卫生效果,从除害灭病和发酵剩余物肥料利用的角度看,选用高温发酵是较为实用的但要维持反应器的高温运行,能量消耗较大一般情况下,在有余热可利用的条件下,采用高温发酵工艺,如处理经高温工艺流程排放的酒精废醪、柠檬酸废水和轻工食品废水等2、中温发酵工艺中温发酵工艺指发酵料液温度维持在352的范围之间,与高温发酵相比,这种工艺消化速度稍慢一些,产气率要低一些,但维持中温发酵的能耗较少,沼气发酵总体能维持在一个较高的水平,产气速度比较快,可保证常年稳定运行为减少维持发酵装置的能量消耗,工程中常采用近中温发酵工艺,其发酵料液温度为253020这种工艺因料液温度稳定,产气量也比较均衡总之,与经济发展水平相配套,工程上采取增温保温措施是必要的目前国内主要采用太阳能加热的方法对沼气池内温度进行补给3、常温发酵工艺常温发酵工艺指在自然温度下进行沼气发酵,发酵温度受气温影响而变化,我国农村户用沼气池基本上采用这种工艺其特点是发酵料液的温度随气温、地温的变化而变化,一般料液温度最高时为25,低于10以后,产气效果较差改工艺方法的好处是不需要对发酵料液温度进行控制,节省保温和加热投资,沼气池本身不消耗热量其缺点是同样投料条件下,一年四季产气率相差较大南方农村沼气池在地下,还可以维持用气量北方的沼气池则需建在太阳能暖圈或日光温室下,这样可确保沼气池安全越冬,维持正常产气143太阳能增温系统的沼气池内温度变化规律太阳能双效增温系统是一种利用太阳能加温的温室系统系统包括沼气反应器外围的日光温室集热系统和酸化集热系统（由集热室和酸化池组成）两部分128另外,发酵系统的料液温度受天气变化影响很大,在晴天,料液温度表现为上升趋势,太阳能双效增温装置增温效果显著在阴天,料液温度表现为下降趋势,太阳能双效增温装置增温较弱,应加强保温措施和启动其他加热装置92系统软件的实现首先分析系统对软件的要求,然后进行软件总体设计,包括程序结构设计和对程序进行模块化设计按整体功能分成多个不同的模块,单独设计、编程、调试,然后将各个模块装配联调,组成完整的软件系统21PROTEUS简介PROTEUS软件是由英国LABCENTERELECTRONICS公司开发的EDA工具软件,已有近20年的历史,在全球得到了广泛应用PROTEUS软件的功能强大,它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身,不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析,还能够对微处理器进行设计和仿真,并且功能齐全,界面多彩,是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件4PROTEUS软件和我们手头的其他电路设计仿真软件最大的不同即它的功能不是单一的它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美它的电路仿真功能可以和MULTISIM相媲美,且独特的单片机仿真功能是MULTISIM及其他任何仿真软件都不具备的它的PCB电路制版功能可以和PROTEL相媲美它的功能不但强大,而且每种功能都毫不逊于PROTEL,是广大电子设计爱好者难得的一个工具软件PROTEUS是一个基于PROSPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台它包含ISIS和ARES应用软件,具体功能分布如图11所示图21PROTEUS的具体功能分布4ISIS智能原理图输入系统,系统设计与仿真的基本平台ARES高级PCB布线编辑软件在PROTEUS中,从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计一气呵成,真正实现了从概念到产品的完整设计其中PROTEUSISIS的特点有实现了单片机仿真和SPICE电路仿真的结合具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真等功能有各种虚拟ASF高级图形分析模块CPU仿真模型VSM高级布线/编辑AR动态器件库混合模型仿真器原理图输入系统ISISPROTEUS软件10仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等具有强大的原理图绘制功能支持主流单片机系统的仿真目前支持的单片机类型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片提供软件调试功能在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能同时支持第三方的软件编译和调试环境,如KEILC51UVISION2等软件22PROTEUSVSM仿真与分析PROTEUS软件的ISIS原理图设计界面同时还支持电路仿真模式VSM虚拟仿真模式当电路元件在调用时,我们选用具有动画演示功能的器件或具有仿真模型的器件,当电路连接完成无误后,直接运行仿真按钮,即可实现声、光、动等逼真的效果,以检验电路硬件及软件设计的对错,非常直观PROTEUSVSM有两种不同的仿真方式交互式仿真和基于图表的仿真交互式仿真可以实时直观地反映电路设计的仿真结果基于图表的仿真ASF可以用来精确分析电路的各种性能,如频率特性、噪声特性等PROTEUSVSM中的整个电路分析是在ISIS原理图设计模块下延续下来的,原理图中可以包含以下仿真工具探针直接布置在线路上,用于采集和测量电压/电流信号电路激励系统的多种激励信号源虚拟仪器用于观测电路的运行状况曲线图表用于分析电路的参数指标设计者可以从PROTEUS原理图库中调用所需库元件,然后通过合适连线即可单片机内可通过单击单片机芯片加入已编译好的十六进制程序文件,然后运行仿真即可运用PROTEUS的PCB制版功能设计出的电路板,可通过原理图生成网络表后设计布局而成根据设计的PCB加工而成的电路板和安装焊接完成后的实际电路可见,整个电路从设计到实际电路制作完成,通过PROTEUS一个软件即可完美实现并且,它的仿真结果与实际误差很小,非常适合电子设计爱好者和高校学生自学使用,缩短了设计周期,降低了生产成本,提高了设计成功率23PROTEUS与KEIL联调MCS51系列单片机在很多产品中得到了广泛的应用在具体的工程实践中,单片机应用技术所涉及的实践环节较多,且硬件投入较大,如果因为控制方案有误而进行相应的开发设计,会浪费较多的时间和经费PROTEUS仿真软件很好地解决了这些问题,它可以像PROTEL一样绘制硬件原理图并实现硬件调试,再与KEIL编程软件进行联调,实现对控制方案的验证KEIL是德国KEIL公司开发的单片机编译器,是目前最好的51单片机开发工具之一,可以用来编译C源代码和汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等,是一种集成化的文11件管理编译环境在PROTEUS中,可以直接与KEIL编程软件进行联调,进而实现对所设计电路的验证PROTEUS与汇编程序调试软件KEIL可实现联调,在微处理器运行中,如果发现程序有问题,可直接在PROTEUS的菜单中打开KEIL对程序进行修改如下图图22PROTEUS的菜单中打开KEIL对程序进行修改424编程思想一个好的程序要有一个好的编程思想现在流行的编程思想是模块化编程和结构化编程,它们是相辅相成的1、模块化编程智能仪器的功能实现需要大量而有效的程序来实现这么繁琐的程序需要采用模块化编程的方法,即将一个大的程序分成若干小的模块,各个模块保持相对的独立性和它们之间只靠少量的出入口参数相联系这样一来,各个程序模块可分别设计,从而使程序的调试、修改和维护都变得比较容易另外,程序量大了还可以由不同人来同时编写不同的模块2、结构化编程各个子程序之间使用结构良好的转移和调用,这样各个模块可有效地组合成一个整体,使流程明确地从一个程序模块转移到下一个程序模块25系统子程序模块251初始化在这一部分程序中,需要将DS18B20的一线总线拉低500MS以上,将DS18B20复位,然后将总线置高,等待DS18B20的回应,有应答就置标志位,没有应答就清空标志位该设计中,选择总线上只有一个DS18B20,所以挑过ROM,电路中采用的晶振频率FOSC12MHZ,通过计算公式,可以算出空跑的语句行数DS18B20复位初始化子程序清单如下这是DS18B20复位初始化子程序INIT_1820SETBDATAIN拉高37管脚的电平KEIL处于运行状态12NOPCLRDATAIN拉低37管脚的电平MOVR1,3TSR1MOVR0,107DJNZR0,当R0不等于0时,原地等待DJNZR1,TSR1当R1不等于0时,返回TSR1,用于延时SETBDATAIN然后拉高数据线,将DS18B20中的数据请0NOPNOPNOPMOVR0,25HTSR2JNBDATAIN,TSR3等待DS18B20回应,有回应则跳转到TSR3DJNZR0,TSR2如果等没到37次,则继续等待回应CLRFLAG1SJMPTSR7跳转到TSR7TSR3SETBFLAG1置标志位,表示DS18B20存在CLRP17MOVR0,117TSR6DJNZR0,时序要求延时一段时间TSR7SETBDATAIN拉高数据线RET252查询温度该设计中,通过向DS18B20发送指令来查询温度在每次操作前,都需要将DS18B20置位,先向DS18B20发送温度转化的指令,根据要求需要750MS的等待时间,在这段时间中,通过调用显示子程序来做到延迟然后,向DS18B20发送读取温度的命令,将温度读取出来,放到缓冲中区读出转换后的温度值GET_TEMPERSETBDATAINLCALLINIT_1820先复位DS18B20JBFLAG1,TSS2NOPRET判断DS18B20是否存在若不存在则返回TSS2MOVA,0CCH跳过ROM匹配13LCALLWRITE_1820MOVA,44H发出温度转换命令LCALLWRITE_1820ACALLDISP1这里通过调用显示子程序显示延时一段时间LCALLINIT_1820准备读温度前先复位MOVA,0CCH跳过ROM匹配LCALLWRITE_1820MOVA,0BEH发出读温度命令LCALLWRITE_1820LCALLREAD_1820将读出的温度数据保存RET253发送指令使用同过I/O口向DS18B20写数据该设计中,通过单总线采取移位的方式来向DS18B20写入数据,按照8位的方式写进去在写的过程中,需要严格按照DS18B20的产品说明书的时序进行写操作每次将1BIT数据写入前,都需要对DS18B20进行写的初始化,将数据线拉低60US以上,完成写初始化后,将1位数据写进DS18B20,然后等待15US以上,写操作完成,继续初始化,写下1位,直到写完一字节具体程序如下WRITE_1820MOVR2,8一共8位数据CLRC清除进位标志位WR1CLRDATAIN拉低数据线60US以上后,将数据移位写入DS18B20MOVR3,6DJNZR3,等待60US以上,完成写初始化,然后写入数据RRCA将累加器中的数据带进位右移MOVDATAIN,C将进位位写进DS18B20后,等待15US以上MOVR3,23DJNZR3,等待15US以上,完成1BIT的写操作SETBDATAIN拉高数据线,初始化写NOPDJNZR2,WR1如果一个字节没写完,继续写SETBDATAIN拉高数据线RET254读取数据使用通过I/O口从DS18B20读取数据在该设计中,也使用移位的方式从DS18B20中读取数据,需要严14格按照DS18B20的产品说明书的时序进行读操作,每次将1位数据读入前,都需要对DS18B20进行读的初始化,将数据线拉高1US以上,等待读的初始化,然后拉低数据线1US以上,使读初始化有效完成度初始化后,从DS18B20将1位数据读入,然后等待15US以上,读操作完成,等待60US后,继续初始化,读下1位,直到读完1B这里,直接完成了温度的计算功能,因为12位转化时每一位的精度为00625度,不要求显示小数所以可以抛弃29H的低4位,将28H中的低4位移入29H中的高4位,这样获得一个新字节,这个字节就是实际测量获得的温度,这个转化温度的方法非常简洁无需乘以系数00625程序如下读DS18B20的子程序（有具体的时序要求）,读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据READ_1820MOVR4,2将我呢度高位和低位从DS18B20中读出MOVR1,29H低位纯如29HTEMPER_L,高位存入28H（TEMPER_H）RE00MOVR2,8数据一共有8位RE01CLRC清除进位标志位SETBDATAIN拉高数据线后,等待1US初始化读NOPNOPCLRDATAIN拉低数据线后,保持1US以上使读初始化有效NOPNOPNOPSETBDATAIN拉高数据线,开始读操作MOVR3,9RE10DJNZR3,RE10等待15US后,写入数据正确MOVC,DATAIN将数据读入累加器MOVR3,23RE20DJNZR3,RE20等待60US以上后,进行下一次读操作RRCA将累加器带进位右移DJNZR2,RE01如果没读满一个字节,继续读取数据MOVR1,A将累加器中的数据存储进地址29H中DECR1DJNZR4,RE00继续读取高位RET255中断处理158051提供5个中断,2个中断请求信号有外部产生并输入请求信号,称之为外部中断源,其余的中断请求信号有内部产生并激活中断请求信号,称为内部中断源其中外部中断0请求输入端口位（P32）,低电平货负跳变激活中断请求IE0位当外部中断0中断请求有效,则置位TCON1的IE0中断请求标志位,主机在每个机器周期相应状态采集相应的IE0标志位,当条件满足,则主机响应中断有硬件自动复位IE0而外部中断1请求输入端口（P33）,当外部中断1中断请求有效,则置位TCON3的IE1中断请求标志位中断程序如下数码管个位控制键对应的中断处理程序SXXINT0PUSHACC累加器数据进栈INC75H个位对应的数值加1MOVA,75H个位数值传送至寄存器ACJNEA,10,SXXINT01当个位数值小于10时,转向ZINT01MOV75H,0个位数值设置为0SXXINT01POPACC堆栈中的数据出栈RETI中断返回数码管十位控制键对应的中断处理程序SXXINT1PUSHACC累加器数据进栈INC76H十位对应的数值加1SETBP34报警蜂鸣响MOVA,76H十位数值传送至寄存器ACJNEA,10,SXXINT11当十位数值小于10时,转向ZINT11TTSETBP34MOV76H,0十位数值设置为0CJNEA,60,SXXINT11当十位数值小于60时,转向ZINT11MOV76H,0十位数值设置为0CLRP34报警蜂鸣器关闭SXXINT11POPACC累加器数据出栈RETI中断返回256主程序有了上面子程序的基础,通过主程序,可以方便的实现系统子程序的调用和其间的嵌套调用主要包括伪指令、设置外部中断的入口地址、开中断以及主程序对子程序的调用以下是伪指令,用于定义TMPLEQU29H低字节寄存器TMPHEQU28H高字节寄存器16FLAG1EQU38H标志寄存器,用于检测温度传感器是否存在DATAINBITP37DS18B20所接的数据线规定程序的存放地址ORG00H以下程序从00H单元开始存放LJMPMAIN1外部中断0的入口地址ORG03H个位控制键所引起的中断服务程序入口地址LJMPZINT0外部中断1的入口地址ORG13H十位控制键所引起的中断服务程序入口地址LJMPZINT1ORG30H打开外部中断0和外部中断1MAIN1SETBIT0ITO置位SETBEA允许打开所有中断SETBEX0开中断0SETBIT1SETBEX1开中断1SETBP36控制加热系统SETBP32定义系统初始化时系统的显示MOV74H,0设置复位按钮按下时系统显示全OMOV75H,0MOV76H,0MOV77H,0主程序调用子程序MAINLCALLGET_TEMPER长调用读出转换后的温度值子程序LCALLCVTTMP长调用比较程序LCALLDISP1长调用显示程序AJMPMAIN26温控系统的电路原理图基于以上子程序和主程序的设计,将子程序和主程序编译连接,并经过反复调试后,最后能初步实现设计功能的电路图如下17图23基于单片机的沼气池温控系统电路原理图24基于单片机的沼气池监控与降温系统电路原理183系统硬件的实现第一章曾介绍过温度是影响沼气发酵的重要因素,本章在第二章软件设计的基础之上实现对系统的总体硬件上的设计,包括元器件的选择、硬件的搭建、实物的调试等31温控系统设计的元件功能简介温度测量在生产、生活中随处可见随着工业技术迅猛的更新和电子电路的高度集成化,传统的温度测量传感器从精度和稳定性商都不能满足测量要求311DS18B20简介美国DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线“接口的温度传感器,在其内部使用了在板（ONB0ARD）专利技术因此,从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线和低读写及完成温度变换所需的电源可以由数据本身提供而不需要外部电源,因为每一个DS18B20有唯一的系列号,因此多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上,允许在需到不同的地方放置温度灵敏器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一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念现在,新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活可以充分发挥“一线总线”的优点312DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽,电压范围3055V,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55125,在1085时精度为05（6）可编程的分辨率为912位,对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625,可实现高精度测温（7）在9位分辨率时最多在9375MS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（10）告警搜索命令识别和寻址温度在编订的极限之外的器件温度告警情况19（11）应用范围包括恒温控制工业系统消费类产品温度计或任何热敏系统DS18B20的外形及管脚排列如右图图31温度传感器外观图17DS18B20引脚定义1GND为电源地2DQ为数字信号输入/输出端3VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）DS18B20温度传感器结构原理DS18B20内部结构主要由四部分组成64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器313DS18B20内部框图内部框图如下图所示图32DSB18B20内部框图1720（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码64位光刻ROM的排列是开始8位（28H）是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以00625/LSB形式表达,其中S为符号位表31DS18B20温度值格式表17这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度（3）DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器（4）配置寄存器见下表,该字节各位的意义如下表32配置寄存器结构17TMR1R011111低五位一直都是“1“,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动R1和R0用来设置分辨率,如下表所示DS18B20出厂时被设置为12位表33温度值分辨率设置表17R1R0分辨率转换时间R1R0分辨率转换时间009位9375MS1011位375MS0110位1875MS1112位750MS314高速暂存存储器高速暂存存储器由9个字节组成,其分配如表5所示当温度转换命令发布后,经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式如表1所示对应的温度计算当符号位S0时,直接将二进制位转换为十进制当S1时,先21将补码变为原码,再计算十进制值表2是对应的一部分温度值第九个字节是冗余检验字节根据DS18B20的通讯协议,主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右,后发出60240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功DSL8B20工作过程中命令序列如下初始化ROM命令跟随着需要交换功能命令跟随着需要交换的数据访问DS18B20时必须遵循这一命令序列,如果其中的任何一步缺少或打乱它们的顺序,DS18B20将不会响应主机1、初始化单总线上的所有处理均从初始化开始所有与DS18B20的通信首先必须初始化控制器发出复位脉冲,DS18B20以存在脉冲响应当DS18B20发出存在脉冲对复位响应时,它指示控制器该DS18B20已经在总线上并准备好操作2、ROM操作命令ROM命令通过每个元器件64位的ROM码,使主机指定某一特定元器件与之进行通信DS18B20的ROM下表所示,每个ROM命令都是8位长表34DS18B20的ROM指令集指令约定代码描述读ROM33H当只有一个DS18B20挂在总线上时,可用此命令来读取ROM码符合ROM55H主机用ROM码来指定某一DS18B20,只有匹配的DS18B20才会响应搜索ROMF0H识别总线上挂着的所有DS18B20的ROM码告警搜索命令ECH超出警报线的DS18B20向主机传送ROM码跳过ROMCCH直接向DS18B20发温度变换命令3、功能命令主机通过功能命令对DS18B20进行读/写SCRATCHPAD存储器,活着启动温度转换DS18B20的功能命令如下表所示表35DS18B20的功能命令指令约定代码描述温度转换44H开始温度转换读暂存器BEH读暂存器完整数据写暂存器4EH向暂存器的2、3和4字节写入数据复制暂存器48H将TH、TL和配置寄存器的数据复制到EEPROM重调EEPROMB8H将EEPROM中内容回复到RAM中的第3、4字节读供电方式B4H向主机示意电源供电状态22315DS18B20的测温原理DS18B20测量温度采用了特有的温度测量技术,其温度测量电路如图25所示它是通过计数时钟周期来实现的低温度系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数,计数器被预置在55相对应的一个基权值如果计数器在高温度系数振荡周期结束前计数到零,表示测量的温度值高于55,被预置在55的温度寄存器的值就增加1,然后重复这个过程,直到高温度系数振荡周期结束为止这时温度寄存器中的值就是被测温度值,这个值以16位形式存放在便笺式存储器中,此时低位在前,高位在后斜率累加器在补偿温度震荡的抛物线特性然后计数器又开始计数直到0,如果周期仍未结束,将重复这一过程图33DS18B20测温原理17DS18B20在使用时,一般都采用单片机来实现数据采集只须将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连,且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20,就可以实现单点或多点温度检测316系统测温电路DS18B20有两种封装模式,即3脚和8脚封装,其中3脚封装比较常用,其引脚功能分别为GND、电源VCC、信号DQDS18B20可通过两种方式供电寄生电源和外接电源方式外接电源是将正负极分别接VCC和GND不需要加外电源,即当总线（信号线）为高时稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现,总线信号为低时则由其内部的电容供电,在这种方式下VCC接地当温度较高时,由于DS18B20的漏电流比较大,可能会导致数据传输无法进行本设计采用3脚封装的DS18B20,并采用外接电源的工作方式,采用这种方式能增强DS18B20的抗干扰能力,保证工作的稳定性,具体电路图如下图所示图34系统测温电路233274HC24574HC245为总线驱动器,是典型的TTL型三态缓冲门电路由于单片机等CPU的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力,如果负载超过其负载能力,一般应加驱动器74HC245逻辑图如下图3574HC245逻辑图74HC245工作极限值如下表表3674HC245工作极限值电源电压输入电压高阻态电压工作温度存储温度7V7V55V70C6515074HC245引脚说明第1脚DIR,为输入输出端口转换用,DIR“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出,DIR“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出第29脚“A”信号输入输出端,A1B1,A8B8,A1与B1是一组,如果DIR“1”OE“0”则A1输入B1输出,其它类同如果DIR“0”OE“0”则B1输入A1输出,其它类同第1118脚“B”信号输入输出端,功能与“A”端一样第19脚OE,使能端,若该脚为“1”A/B端的信号将不导通,只有为“0”时A/B端才被启用,该脚也就是起到开关的作用第10和第20脚分别是GND电源地和VCC电源正极74HC245的推荐工作条件如下表3774HC245工作条件选项属性最小额定最大单位电源电压VCC4755525V输入低电平电VIL无无08V输出高电平电IOH无无15MA输出低电平电流IOL无无24MA2474HC245的动态特性TA25表3