沼气发酵参数监控系统的设计硬件部分
沼气发酵技术用于处理生物质废弃物，是我国当前大力发展的重点可再生能源项目之一。本课题设计了一种以单片机STC89C52为控制核心的沼气发酵参数监控系统，监控沼气发酵过程中的温度、压力及流量三个参数。本设计采用温度传感器DS18B20，压力传感器BMP180和流量传感器YF-S201来检测这三个参数，并将所采集的信号通过无线通讯模块nRF24L01发送给接收端并通过LCD1602液晶显示屏显示出来。然后将设定值与采样值进行比对，如果该采样值不在预先设定的范围就触发继电器的动作，使三个参数控制在适当的范围内。该设计能够方便有效的自动实现对沼气发酵环境的控制，减轻了人工监控成本。关键词 沼气发酵，监控系统，传感器
目 录
1 绪论 1
1.1 沼气发酵的背景及意义 1
1.2 沼气发酵技术的国内外发展现状 1
2 沼气发酵参数监控系统的总体设计 3
3 沼气发酵参数监控系统的硬件设计 3
3.1 现场部分硬件电路设计 3
3.2监控室部分硬件电路设计 18
4 沼气发酵参数监控系统的硬件部分调试 23
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录A 系统电路原理图 30
附录B 实物图 32
1 绪论
1.1 沼气发酵的背景及意义
能源和环境问题日益突出，已经正式成为了人类社会必须共同面对的重大难题。因为能源影响着国民经济的命脉，环境又关系着人类社会的可持续发展，所以世界上所有国家都非常重视能源问题，并注重该领域的投资与技术研发。能源深刻的影响着人类社会和经济社会的发展，为人类的生存、进步和发展提供了源源不断的动力。能源问题甚至还影响着大国之间的军事安全战略，地缘政治博弈和国家前途命运[1]。人类历史上就有多次战争都是因为争夺能源而引起，所以能源又关系这人类物种的延续与壮大。能源分为可再生和不可再生能源两大类。可再生是自然界中取之不尽，用之不竭的可不断再生的相对清洁的能源，包括太阳能、风能、生物质能等，沼气就是生物质能的一种。
沼气是一种战略性生物质能源，由于近年来世界各国的重视，得到了大力的推广与发展 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
。首先，全世界的人民的生活都或多或少的在沼气技术飞速发展的影响下潜移默化的发生着变化，保护了生态环境。沼气发酵技术在全世界范围内得到推广的原因是经济性和环保性等，已逐步成为城乡间处理有机废弃物和生活垃圾的一个重要手段。中国年产稻秸大概有六七亿吨，秸秆资源拥有量的世界第一。传统的秸秆直接燃烧的热效率非常的低，只有10％到30％，而将秸秆转化为沼气再燃烧的热效率值能够得到大大提高到64％。沼气的实用性、可行性这些特点为解决能源环境问题提供了一个比较崭新的思路[2]。
如果能将智能自动控制技术应用于沼气发酵、输送、存贮的控制方面，开发实时智能监控系统和自动化元件，形成机电一体化、规模化沼气工程成套设备，不仅可以提高沼气工程运行过程中工艺参数控制的实时性，大大提高生产沼气的质量和产量、减轻劳动强度、降低劳动成本、促进我国沼气工程由传统人工控制的生产方式向现代智能化生产方式的转变[3]。
1.2 沼气发酵技术的国内外发展现状
欧洲不管在沼气工程技术实力和相关政策法规对沼气工程行业发展的推动方面都远远的走在我国的前面。从上个世纪中期开始建设发展到上个世纪的末期的高速发展,再到两千年后欧洲的沼气产业的发展走向成熟期，欧洲也走过了一段漫长而又艰辛的道路，所以我们国家要借鉴欧洲沼气工程技术发展的成熟经验进而积极推动我国的可再生能源远的发展，实现可持续社会发展的目标。
欧洲沼气工程技术的优点在于：重视原料的再次搭配,提高了沼气产气率；统一工艺标准，发电的同时搜集余热，大大提高了经济效益;沼气发酵的全过程都采用智能控制的方式，方便人员进行管理，降低了人力成本。
欧洲沼气工程技术发展有着相当成熟的经验和发展模式，相关的发电装备技术、智能控制技术、余热利用技术非常先进，值得我们国家去学习和借鉴。我国在沼气发酵技术行业有着和欧洲不同的历史和国情，找到适合我国国情的发展方式，最终达到追赶并超越的目标[4]。
我国沼气工程技术的特点有：工艺种类的繁多使得运营效率大大的降低；沼气生产过程中浪费了大量原本可以重复利用的资源使得经济效益降低；依然采用落后的传统生产方式，人均自动化程度远低于西方发达国家。
我们国家曾在上个世纪七十年代以后大力推动沼气工程技术行业的发展，各地政府也确实真抓实干。而事实上由于一系列的原因没有能够实现初衷，没有产生相应的社会效益。直到上个世纪八十年代后，国家实行改革开放的政策，世界各国先进的科学技术传入中国，当时也正好赶上信息技术发展一片蓝海，沼气工程技术的发展也随着国家各个行业的飞速发展而如雨后春笋般生长的得到了发展，一步步进入正轨。
目前我国沼气行业的发展主要集中在农村地区，将牲畜粪便，农作物废弃物投入到建设的小型沼气池中发酵，满足家庭日常生活的使用需求。目前我国农村沼气池的用户达到近千万，依然只占总农村人口的极少数，所以农村沼气发展前景依然明朗，发展潜力巨大[5]。
我国的沼气发酵监控技术目前仍然远远落后国际上的发达国家。发达国家的沼气发酵监控技术行业的人均自动化程度和生产效率都非常高，基本实现了大规模的工业化和商业化的目的。我国的国土面积巨大，从南到北，从西到东差距甚至大于整个欧洲各个国家的总和，使得我国沼气工程的发展差距也巨大。由于我国目前使用的沼气发酵技术依然比较落后，生产工业急需改进，所以我国将继续大力支持沼气工程项目的建设并与发达国家积极合作，转变落后的生产方式，提高整个沼气发展的生产质量，来满足我国农村地区农民对清洁，廉价的能源需求。
2 沼气发酵参数监控系统的总体设计
本设计主要利用DS18B20温度传感器,BMP180压力传感器以及YF S201水流量传感器对沼气池内的各项参数的进行信号采集，通过无线通讯模块nRF24L01实现室内和室外的信息交互。通过键盘输入预先设定一个最大值和最小值，键盘的设定值首先被保存在STC89C52单片机中，接着将设定的值与采样值进行比较，如果检测到的值不在设定值的范围内就会报警，并且控制继电器的通断，使得其温度，压力，流量三个参数被控制在预先设定的的范围内，实现沼气发酵过程的实时检测与控制，最终实现沼气池发酵工作的正常进行。
图2.1 沼气发酵参数控制系统结构图
3 沼气发酵参数监控系统的硬件设计
目 录
1 绪论 1
1.1 沼气发酵的背景及意义 1
1.2 沼气发酵技术的国内外发展现状 1
2 沼气发酵参数监控系统的总体设计 3
3 沼气发酵参数监控系统的硬件设计 3
3.1 现场部分硬件电路设计 3
3.2监控室部分硬件电路设计 18
4 沼气发酵参数监控系统的硬件部分调试 23
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录A 系统电路原理图 30
附录B 实物图 32
1 绪论
1.1 沼气发酵的背景及意义
能源和环境问题日益突出，已经正式成为了人类社会必须共同面对的重大难题。因为能源影响着国民经济的命脉，环境又关系着人类社会的可持续发展，所以世界上所有国家都非常重视能源问题，并注重该领域的投资与技术研发。能源深刻的影响着人类社会和经济社会的发展，为人类的生存、进步和发展提供了源源不断的动力。能源问题甚至还影响着大国之间的军事安全战略，地缘政治博弈和国家前途命运[1]。人类历史上就有多次战争都是因为争夺能源而引起，所以能源又关系这人类物种的延续与壮大。能源分为可再生和不可再生能源两大类。可再生是自然界中取之不尽，用之不竭的可不断再生的相对清洁的能源，包括太阳能、风能、生物质能等，沼气就是生物质能的一种。
沼气是一种战略性生物质能源，由于近年来世界各国的重视，得到了大力的推广与发展 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
。首先，全世界的人民的生活都或多或少的在沼气技术飞速发展的影响下潜移默化的发生着变化，保护了生态环境。沼气发酵技术在全世界范围内得到推广的原因是经济性和环保性等，已逐步成为城乡间处理有机废弃物和生活垃圾的一个重要手段。中国年产稻秸大概有六七亿吨，秸秆资源拥有量的世界第一。传统的秸秆直接燃烧的热效率非常的低，只有10％到30％，而将秸秆转化为沼气再燃烧的热效率值能够得到大大提高到64％。沼气的实用性、可行性这些特点为解决能源环境问题提供了一个比较崭新的思路[2]。
如果能将智能自动控制技术应用于沼气发酵、输送、存贮的控制方面，开发实时智能监控系统和自动化元件，形成机电一体化、规模化沼气工程成套设备，不仅可以提高沼气工程运行过程中工艺参数控制的实时性，大大提高生产沼气的质量和产量、减轻劳动强度、降低劳动成本、促进我国沼气工程由传统人工控制的生产方式向现代智能化生产方式的转变[3]。
1.2 沼气发酵技术的国内外发展现状
欧洲不管在沼气工程技术实力和相关政策法规对沼气工程行业发展的推动方面都远远的走在我国的前面。从上个世纪中期开始建设发展到上个世纪的末期的高速发展,再到两千年后欧洲的沼气产业的发展走向成熟期，欧洲也走过了一段漫长而又艰辛的道路，所以我们国家要借鉴欧洲沼气工程技术发展的成熟经验进而积极推动我国的可再生能源远的发展，实现可持续社会发展的目标。
欧洲沼气工程技术的优点在于：重视原料的再次搭配,提高了沼气产气率；统一工艺标准，发电的同时搜集余热，大大提高了经济效益;沼气发酵的全过程都采用智能控制的方式，方便人员进行管理，降低了人力成本。
欧洲沼气工程技术发展有着相当成熟的经验和发展模式，相关的发电装备技术、智能控制技术、余热利用技术非常先进，值得我们国家去学习和借鉴。我国在沼气发酵技术行业有着和欧洲不同的历史和国情，找到适合我国国情的发展方式，最终达到追赶并超越的目标[4]。
我国沼气工程技术的特点有：工艺种类的繁多使得运营效率大大的降低；沼气生产过程中浪费了大量原本可以重复利用的资源使得经济效益降低；依然采用落后的传统生产方式，人均自动化程度远低于西方发达国家。
我们国家曾在上个世纪七十年代以后大力推动沼气工程技术行业的发展，各地政府也确实真抓实干。而事实上由于一系列的原因没有能够实现初衷，没有产生相应的社会效益。直到上个世纪八十年代后，国家实行改革开放的政策，世界各国先进的科学技术传入中国，当时也正好赶上信息技术发展一片蓝海，沼气工程技术的发展也随着国家各个行业的飞速发展而如雨后春笋般生长的得到了发展，一步步进入正轨。
目前我国沼气行业的发展主要集中在农村地区，将牲畜粪便，农作物废弃物投入到建设的小型沼气池中发酵，满足家庭日常生活的使用需求。目前我国农村沼气池的用户达到近千万，依然只占总农村人口的极少数，所以农村沼气发展前景依然明朗，发展潜力巨大[5]。
我国的沼气发酵监控技术目前仍然远远落后国际上的发达国家。发达国家的沼气发酵监控技术行业的人均自动化程度和生产效率都非常高，基本实现了大规模的工业化和商业化的目的。我国的国土面积巨大，从南到北，从西到东差距甚至大于整个欧洲各个国家的总和，使得我国沼气工程的发展差距也巨大。由于我国目前使用的沼气发酵技术依然比较落后，生产工业急需改进，所以我国将继续大力支持沼气工程项目的建设并与发达国家积极合作，转变落后的生产方式，提高整个沼气发展的生产质量，来满足我国农村地区农民对清洁，廉价的能源需求。
2 沼气发酵参数监控系统的总体设计
本设计主要利用DS18B20温度传感器,BMP180压力传感器以及YF S201水流量传感器对沼气池内的各项参数的进行信号采集，通过无线通讯模块nRF24L01实现室内和室外的信息交互。通过键盘输入预先设定一个最大值和最小值，键盘的设定值首先被保存在STC89C52单片机中，接着将设定的值与采样值进行比较，如果检测到的值不在设定值的范围内就会报警，并且控制继电器的通断，使得其温度，压力，流量三个参数被控制在预先设定的的范围内，实现沼气发酵过程的实时检测与控制，最终实现沼气池发酵工作的正常进行。
图2.1 沼气发酵参数控制系统结构图
3 沼气发酵参数监控系统的硬件设计
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