吳仕宏++周海鵬

摘要：針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的用電特點(diǎn)，設(shè)計(jì)1套基于單片機(jī)的沼氣與光熱互補(bǔ)供電控制系統(tǒng)，通過對(duì)沼氣與光熱發(fā)電過程中各階段信號(hào)的采樣，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，控制沼氣發(fā)電與光熱發(fā)電協(xié)調(diào)工作，以互補(bǔ)供電的方式對(duì)用戶進(jìn)行供電。通過運(yùn)用Proteus軟件對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)采集及控制過程進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)目的。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)，適用性強(qiáng)，可廣泛用于其他多能互補(bǔ)的智能控制環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；沼氣與光熱；互補(bǔ)供電；智能控制系統(tǒng)；仿真結(jié)果分析

中圖分類號(hào)： TM564.8；TM762.1；TK323文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）05-0200-04

電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化與清潔能源利用方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：shihong.1@163.com。

[ZK）]

沼氣與太陽能都是我國農(nóng)村較為豐富的自然資源，多能互補(bǔ)是按照不同資源條件和用能對(duì)象，實(shí)現(xiàn)多種能源互相補(bǔ)充，以緩解能源供需矛盾。將沼氣與光熱相結(jié)合便是多能互補(bǔ)的一種形式，這種多能互補(bǔ)形式在我國大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)的生產(chǎn)和生活中都較為適用，不僅可以節(jié)省資源，而且不會(huì)破壞自然環(huán)境[1-4]。自動(dòng)控制環(huán)節(jié)是這種互補(bǔ)供電過程中不可缺少的一部分。本研究設(shè)計(jì)1套控制系統(tǒng)，以滿足沼氣與光熱互補(bǔ)供電的智能控制過程的需要。

1控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能[5]

光熱發(fā)電系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、蓄電池組、市電供電系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)及各部分間信號(hào)傳輸原理見圖1?？刂葡到y(tǒng)要完成的控制過程有以下5步。（1）當(dāng)光熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并且發(fā)電機(jī)發(fā)出穩(wěn)定持續(xù)的電能可以供負(fù)載使用時(shí)，模擬信號(hào)IN1高于臨界值（將各個(gè)系統(tǒng)能維持正常工作的最低電壓的模擬量設(shè)為臨界值），控制系統(tǒng)收到信號(hào)后，控制信號(hào)OUT1控制光熱發(fā)電系統(tǒng)接入輸電線路，OUT3控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)與輸電線路斷開，OUT2控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電，OUT4控制蓄電池組與輸電線路斷開。（2）當(dāng)光熱發(fā)電系統(tǒng)由于日夜更替及天氣原因而導(dǎo)致光熱系統(tǒng)中的氣壓發(fā)電機(jī)停止工作時(shí)，模擬信號(hào)IN1低于臨界值，控制系統(tǒng)收到信號(hào)后，OUT4控制蓄電池組接入輸電線路向輸電線路輸送電力，OUT1控制光熱發(fā)電系統(tǒng)與輸電線路斷開連接，OUT2控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)開始工作。（3）由于沼氣發(fā)電系統(tǒng)須工作一段時(shí)間后沼氣發(fā)電機(jī)才可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以對(duì)沼氣發(fā)電系統(tǒng)塊有2個(gè)部分的控制，當(dāng)沼氣發(fā)電系統(tǒng)可以輸出充足電能時(shí)，模擬信號(hào)IN2高于臨界值，控制系統(tǒng)收到信號(hào)后，OUT3控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)向輸電線路輸送電力，OUT4控制蓄電池組與輸電線路斷開連接。（4）當(dāng)光熱發(fā)電系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)及蓄電池組都無法正常供電時(shí)，OUT1、OUT3、OUT4分別控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)、光熱發(fā)電系統(tǒng)及蓄電池組均與輸電線路斷開連接，OUT5控制市電接入輸電線路。（5）當(dāng)輸電線路電壓異常時(shí)，模擬信號(hào)IN4的模擬量低至系統(tǒng)最小工作電壓或高于最大工作電壓時(shí)，內(nèi)部、外部報(bào)警器報(bào)警。這5個(gè)過程循環(huán)往復(fù)可使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不間斷供電的目的。

2主控部分硬件和軟件的設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[6-7]

如圖2所示，控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，分為信號(hào)采集模塊、控制模塊、顯示模塊與報(bào)警模塊?？刂破鲀?nèi)的元器件都焊接到同一塊印制電路板（PCB）上。在信號(hào)采集模塊中，電壓傳感器將采集的模擬信號(hào)通過模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)（AD）轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號(hào)的方式傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)。在控制模塊中，單片機(jī)將控制信號(hào)傳輸至5個(gè)繼電器，通過繼電器控制各個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在顯示模塊中，控制器通過8個(gè)LED燈和1個(gè)液晶顯示器來顯示整個(gè)沼氣光熱混合供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在報(bào)警模塊中，以嗡鳴器作為控制器的內(nèi)部報(bào)警裝置，并通過繼電器與外部報(bào)警器相連。

[FL（2K2]2.2信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)采用型號(hào)為CHV-25P/400的閉環(huán)霍爾電壓傳感器來收集，該傳感器的額定電壓400 V，測(cè)量范圍-600～600 V，可將被測(cè)電壓的有效值轉(zhuǎn)化為0～5 V之間的模擬信號(hào)。該型號(hào)的電壓傳感器在沼氣光熱混合供電系統(tǒng)中用于光熱發(fā)電系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池組輸出電壓的采樣及輸電線路電壓的采樣。選用PCF8591作為控制系統(tǒng)中的AD轉(zhuǎn)換器，PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出、1個(gè)串行I2C總線接口。信號(hào)采集模塊中共有4個(gè)電壓傳感器（a、b、c、d），分別用來進(jìn)行光熱系統(tǒng)、沼氣系統(tǒng)、蓄電池組的輸出電壓及輸電線路電壓的采集，并且將采集的數(shù)據(jù)以模擬信號(hào)的形式傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器PCF8591的4個(gè)接收端口（AIN0、AIN1、AIN2、AIN3）；PCF8591的電源（VCC）接5V電壓；時(shí)鐘信號(hào)線（SCL）（C6）與數(shù)據(jù)線（SDA）（C7）分別與單片機(jī)的P0.6、P0.7口相連；A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，通過P0.6、P0.7端口將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)STC89C52中。

2.3控制模塊的設(shè)計(jì)

在沼氣光熱混合供電系統(tǒng)中，各個(gè)供電部分與輸電線路的連通與斷開都通過繼電器來控制。本研究設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)選用型號(hào)為9012的簧片繼電器，線圈電壓為12V。繼電器a用來控制光熱系統(tǒng)與輸電線路的連接狀態(tài)，繼電器b用來控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)與輸電線路的連接狀態(tài)，繼電器c用來控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)與關(guān)閉，繼電器d用來控制蓄電池組與輸電線路的連接狀態(tài)，繼電器e用來控制市電與輸電線路的連接狀態(tài)。

2.4軟件設(shè)計(jì)[8]

主控制程序流程如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，以設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)硬件電路為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

3系統(tǒng)的仿真與結(jié)果

3.1仿真電路的設(shè)計(jì)

在Proteus軟件中繪制好系統(tǒng)電路圖后，對(duì)系統(tǒng)的主要功

能（采樣過程、自動(dòng)控制過程）進(jìn)行仿真，在1min內(nèi)模擬出系統(tǒng)的所有自動(dòng)控制過程。將供電系統(tǒng)最低工作電壓的模擬信號(hào)設(shè)為+2 V，在仿真時(shí)，用1個(gè)周期為10 s，波峰波谷均為 4 s，上升沿、下降沿均為1 s，峰值為+2.5 V（將+2.5 V設(shè)為供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工作電壓的模擬信號(hào)值）的脈沖模擬信號(hào)作為傳感器a輸出的模擬信號(hào)（光熱系統(tǒng)輸出電壓的模擬信號(hào)）傳輸?shù)絇CF8591的AIN0口。沼氣發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓的模擬信號(hào)，即傳感器b的輸出信號(hào)，利用1個(gè)繼電器m及STC89C52單片機(jī)上空懸的P3.0、P3.1端口，可以設(shè)計(jì)出1個(gè)替代沼氣發(fā)電系統(tǒng)的模擬電路。如圖4所示，當(dāng)P0.0為高電平時(shí)，控制沼氣發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)作的繼電器b的開關(guān)向下閉合，P3.0收到高電平信號(hào)，通過編程使得P3.0收到高電平信號(hào)后，單片機(jī)STC89C52再經(jīng)過1 s后，P3.1輸出高電平，使繼電器m開關(guān)向下閉合，于是+2.5 V的電壓便輸入到A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591的AIN1口，這一過程可以模擬出沼氣發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)電機(jī)才可正常供電的特點(diǎn)。用圖5所示方式模擬出傳感器d輸出的模擬信號(hào)，當(dāng)P0.3輸出高電平時(shí)，會(huì)有+2.5 V電壓輸入到AIN2中，用1個(gè)波峰為30 s、起始電壓為+2.5 V的單邊下降脈沖模擬信號(hào)作為傳感器c輸出的模擬信號(hào)（蓄電池組輸出的電壓模擬信號(hào)）傳輸?shù)絇CF8591的AIN2口。仿真時(shí)，以電壓探針探測(cè)輸入系統(tǒng)的模擬信號(hào)及控制各個(gè)繼電器的數(shù)字信號(hào)，在電路中加入計(jì)時(shí)器電路用于計(jì)時(shí)，通過對(duì)信號(hào)的記錄、分析來檢驗(yàn)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

3.2仿真結(jié)果及分析

運(yùn)行仿真電路后每0.2 s對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行1次記錄，得出圖6的模擬信號(hào)隨時(shí)間變化曲線，以及圖7的繼電器開合狀態(tài)隨時(shí)間變化。從圖6可以清晰地觀察到AIN0、AIN1、AIN2隨時(shí)間變化的曲線。對(duì)圖6、圖7進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)可以使沼氣與光熱互補(bǔ)供電過程中的電能輸出達(dá)到不間斷供應(yīng)的效果。

仿真過程中記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為0.2 s，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間工作的供電系統(tǒng)來說，通過這種方式記錄的數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠反映實(shí)際結(jié)果。通過對(duì)仿真后得到的數(shù)據(jù)及圖6與間的對(duì)比，表明該系統(tǒng)的自動(dòng)控制過程達(dá)到預(yù)期效果，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

4結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了1套自動(dòng)控制系統(tǒng)，用這套系統(tǒng)來控制沼氣發(fā)電與光熱發(fā)電協(xié)同供電，保持沼氣與光熱混合供電過程的協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的目的。對(duì)該控制系統(tǒng)編程后，通過在仿真過程中不斷記錄數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可知，當(dāng)各個(gè)模擬信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)中的繼電器也進(jìn)行了相應(yīng)的開合動(dòng)作。本系統(tǒng)很好地完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)及生活中，沼氣與光熱的結(jié)合能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)環(huán)境保護(hù)起到較大作用。

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