基于单片机的沼气发电工程无线监测系统研究论文.docx
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基于单片机的沼气发电工程无线监测系统研究论文
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日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要
沼气和太阳能都是清洁能源,太阳能沼气发电工程很好的把这两种清洁能源结合在了一起。
在当今及未来能源短缺的时代是今后新能源研究的一个新的方向。
大力发展太阳能沼气工程对于可持续发展有重要意义。
无线监测技术已经是比较成熟的一种信息采集手段,已经广泛应用在了工业、农业、国防现代化建设等相关行业和部门。
一般沼气池的产气效率由发酵菌的活跃程度决定,而发酵菌活跃程度又受沼液温度,大气温湿度,沼气池压力等因素影响。
可见,如何准确的实时的测量沼液温度,大气温湿度,沼气池压力对太阳能沼气发电工程意义重大。
本文搭建了太阳能沼气发电工程无线监测系统的硬件系统,基于Labview开发了上位机数据采集、分析与处理程序。
采用K型热电偶测量沼液温度、瑞士Sensirion公司的SHT10温湿一体数字传感器测量大气温湿度、压力传感器MCS5540测量沼液压力,通过单片机对传感器信号进行放大、滤波、编码后传输给无线传输发送模块,无线传输接收模块收到数据后经单片机处理,后通过RS232串口传输给上位机。
采用价格低廉的单片机替代了昂贵的数据采集卡,降低了系统成本。
并且无线数据采集避免了现场布线,可以很方便实现多点组网同时测量。
上位机软件采集到沼液温度,大气温湿度,沼气池压力数据后,实现对数据进行实时显示、保存,超界限报警等功能。
关键词:
沼气发电;单片机;无线监测;数据采集;LabVIEW
ABSTRACT
Biogasandsolarenergyiscleanenergy,solarbiogaspowergenerationprojectsisagoodcombinationofthesetwocleanenergy.solarbiogaspowergenerationprojectsisanewresearchdirectiontoday.Solarbiogaspowergenerationprojectsisimportantforsustainabledevelopment.Wirelessmonitoringtechnologyisalreadyamorematuremeansofinformationcollectionandhasbeenwidelyusedinindustry,agriculture,nationaldefensemodernization,andotherrelatedindustriesandsectors.
Builthardwaresystemofwirelessmonitoringsystemformarshgaspowergeneration.Developeddataacquisition,analysisandprocessingsoftwarebasedonLabviewinthepaper.Thesoftwarecangetdatafrommicrocontrollerthroughtheserialport.UseK一typethermocoupletomeasurethetemperature,theSwissSensirioncompany'sSHT10integrateddigitaltemperatureandhumiditysensortomeasurethetemperatureandhumidityofatmosphere,pressuresensorsMCS5540forpressuremeasurement.Thesensorsignalwassendtothewirelesstransmissionmoduleafteramplification,filtering,encodingofmicrocontroller.ThewirelessreceivermodulereceivingdataprocessedbythemicrocontrollerthenthehostcomputergetthedatafrommicrocontrollerthroughRS232serialport.PCsoftwarecollectthemarshgastemperature,atmospheretemperatureandhumidity,marshgaspressuredata,thencompletereal一timedatadisplay,storage,super一limitsalarmfunctions.
Keywords:
marshgaspowergeneration,microcontroller,wirelessmonitoring;DataAcquisition;LabVIEW
第1章文献综述
1.1太阳能沼气发电工程研究现状
激增的世界人口,现代化工厂,都在耗费着大量的能源,能源短缺是世界面临的一大问题,各个国家特别是工业发达国家,都在集中人力、物力进行各种新能源的探索、研究与开发,如:
太阳能、沼气能、风能、海洋能、地热能、氢能、核能等。
近年来,世界经济正朝着可持续、循环型和可再生能源的方向发展,由于沼气技术具有可将城市和农村有机废物、废水转化成沼气、肥料,实现资源循环利用的可贵特征,并有利于温室气体减排,其在能源、环境、生态、卫生及农村经济发展中的作用日益受到各国政府的重视,沼气及其综合利用广泛受到人们的关注,沼气池的经济效益也越来越显著。
近几年推广力度不断加大,各国政府也在不断地出台相应的法律政策来促进沼气技术的发展,沼气的研究取得了大成效。
进入新世纪之后,沼气技术在理论与实践上又有了很大的进步,诸多因素将使沼技术有更快发展,具有广阔的发展前景。
沼气在促进生物质良性循环、建立生态农业、维护生态平衡、建立大农业系统工程等方面都将发挥重要作用。
中国拥有丰富的生物质资源(农业废弃物、禽畜粪便和城市生活垃圾等),如果这些资源没有得到有效利用和处置,将会成为危害环境的主要来源,因此如何发和利用生物质垃圾资源,使垃圾减量化和无害化,更重要的是资源化,将成为中国未来资源开发的主要方向之一
在沼泽地、池沼中所冒出的气泡,就是自然界天然发生的沼气。
沼气,是各种有机质,在适宜的温度、湿度条件下,在隔绝空气的环境中,经过微生物的发酵作用产生的一种环境清洁和便宜的可燃烧气体。
沼气是多种气体组成的混合气体,主要成分为甲烷和二氧化碳,甲烷约占60%~70%,二氧化碳约占30%~40%。
沼气中还含有少量的硫化氢、氧气、氢气等气体,约占总含量的5%[1]。
沼气中的主要可燃成分为甲烷,甲烷在空气中遇明火就能燃烧,生产二氧化碳和水。
含有有机物的废弃物都是较好的制备沼气的原料,目前主要包括农业废弃资源、人畜排泄物、工业有机废料和下料、城镇生活污水和污水处理后的污
以及城镇生活垃圾等。
沼气发酵后产生三种生成物:
一是沼气,以甲烷为主,是一种清洁能源;二是沼液,含可溶性氮、磷和钾,是优质肥料;三是沼渣,主要成分是菌体、难分解有机沼渣和无机物,是一种优良有机肥,可肥田、灭菌和改良土壤[1一4]。
1776年意大利物理学家A.沃尔塔在沼泽地中发现了沼气,并分析了沼气成分。
1860年法科学家L.穆拉将简易沉淀池改进发明了世界上第一个人工沼气发生器,拉开了人类研究和用沼气的序幕[5]。
1881年,法国的摩热斯发明自动清净器,建立了世界上第一个处理废水消化器。
1896年,英国一座小城市建立了处理生活污水、污泥的厌氧消化池,所产沼气用于照明[6]。
1921年,台湾省的罗国瑞通过改进沼气池的结构设计、建造工艺,管理使用方法,创造了中国第一个比较完备,可实际推广的水压式沼气池,并创办中国第一个沼气技术推广机构[7]。
1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池,是现代大、中型沼气发生装置的原型[8]。
中国大中型沼气工程始于1936年,用于煮饭、照明[6]。
第二次世界大战后,沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展,由于廉价的石油大量入市场而受到影响。
后随着世界性能源危机的出现,沼气又重新引起人们重视。
1955年新沼气发酵工艺流程——高速率厌氧消化工艺,突破了传统的工艺流程[5]。
欧洲沼气从20世纪70年代开始得到大力发展,到1982年,欧洲已建成546处厌氧消化设施,总沼气池容量296000m3。
1980年代末,丹麦最早开始运作集中厌氧消化系统[9]。
1990年代起,德国资助新型间歇式干法沼气发酵技术的研发,1990年代末,德国间歇式干法沼气工艺和装置通过了中试,2002年,生产出工业级装备并投入实际运行[10]。
近年来,欧洲和美国新建
了许多由传统厌氧消化装置改进的卵型厌氧消化装置,尤其适于完全混合式厌氧反应器(STR)工艺。
升流式厌氧污泥床(UASB)和厌氧污泥膨胀床(EGSB)是欧洲处理工业污水比较常用的主要厌氧消化工艺,高效厌氧消化技术已拓展到石化废水、纺织废水、卫生填埋场渗液和含硫废水等废水处理的新领域,对于城市生活污水和低浓度有机废水的厌氧处理技术逐渐成熟。
目前世界上流行的户用沼气池主要分为水压式沼气池和浮罩式沼气池[9]。
1.1.1太阳能沼气发电工程概述
太阳能沼气发电工程简单地说就是利用清洁的太阳能给微生物提供适宜的环境,然后将微生物发酵产生的气体(沼气),作为内燃机或其它设备的燃料燃烧后通过发电机组转化为电能。
图2.1太阳能沼气发电工程流程图
1.1.2太阳能沼气发电工程特点
太阳能沼气发电工程整个生产流程无污染物排放,清洁环保高效,具有广阔的应用前景。
但是太阳能沼气发电工程涉及到多学科多领域,是集微生物学、电子信息科学、计算机、热能与动力等多学科于一体的系统工程。
把当今先进的信息技术、计算机技术应用于太阳能沼气发电工程必将极大提高自动化水平,推动太阳能沼气发电工程的发展。
1.2太阳能沼气发电工程现状
沼气和太阳能都是清洁能源,太阳能沼气发电工程很好的把这两种清洁能源结合在了一起。
在当今及未来能源短缺的时代是今后新能源研究的一个新的方向。
沼气作为一种新型可再生能源燃料,具有较高的热值,与其它燃气相比,其抗爆性能较好,是一种性能优良的清洁燃料,传统上大多利用沼气进行取暖、炊事和照明。
近十几年来,用于处理畜禽粪便及各种生产、生活污水的大中型沼气程纷纷上马,至1998年底,我国已建成大中型沼气工748处,城市污水净化沼气池累计49300处,年产沼气量约为12亿立方米。
在城市垃圾处理过程中,也可回收能源——沼气,目前,全世界共建成4817座垃圾填埋场,每年可回收沼气约51.4亿立方米。
随着沼气产量的不断提高,如何更高效地利用沼气,成为摆在我们面前的一项课题。
沼气发电以其低排放、低污染、节约能源、废物资源再利用等优点而倍受各国政府的关注,开发沼气发电成为建设绿色环保工程的一项重要措施。
沼气是禽畜粪便、农业废弃物、工业有机废弃物、生活污水和城市生活垃圾等在厌氧环境下通过微生物作用产生的一种环境友好、清洁和便宜的可燃性气体,主要成分为甲烷和二氧化碳。
沼气的主要获取途径有2种:
一种是厌氧消化工程制取沼气;另一种是收集城市生活垃圾填埋产生的填埋气(landfillgas)。
中国是一个农业生产大国,农业生物质资源丰富,主要包括农作物秸秆和农产品加工废物。
畜禽养殖主要是牛、猪和鸡,全国大中型奶牛、猪、鸡养殖场有6000多家,禽畜粪便约21亿吨[11]。
另外,还有工业有机垃圾、生活污水净化污泥以及城市生活垃圾均是在的生物质能。
中国沼气主要生产方式有两种:
一种是基于农业废弃物和禽畜粪便的厌氧化工程制取沼气;另一种是基于工业和城市生活固体垃圾的填埋方式制取沼气。
2005年可转化为沼气的生物质资源总量及相应的沼气产量[12]。
2005年底,中国的沼气年277用量达到约80亿m3[13]。
2006年底,全国农村沼气用户总数已达到2200万户,已有8个省区用沼气保有量超过100万户。
2009年中央一号文件再度锁定“三农”。
其中明确表明将加快农村的沼气建设,增加农村沼气工程建设投资,扩大秸秆固化、气化试点示范。
过去每年沼气中央财政要投入20亿元,2009年在这个水平上要进一步提高,以使每年能解决400万到600农民家庭使用沼气[14]。
根据“十一五”计划的目标,2010年的沼气产量将达到190亿m3[13]
沼气发电技术是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术。
沼气发电将垃圾处理中产生的沼气转变为电能,降低了污染物处理的成本,并产生了高效清洁的能,集环保和节能于一体,同时也带来巨大的经济效益,是有效利用沼气的一种重要方式。
沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。
欧洲用于沼气发电的内燃机,较大的装机容量在400~2000kW,填埋沼气的发电效率约为1.68~2kWh·m一3[17]。
2006年期间,欧盟国填埋沼气的发电量达36000GWh之多,而美国2005年期间填埋沼气的发电量就已超过20000GWh[18]。
美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程,处于世界领先水平。
现有6个填埋场使用内燃机发电,加上使用汽轮机发电的装机,总容量已达34万kW[17]。
中国开展沼气发电领域的研究始于1980年代初,中国在沼气发电方面的研究工作主要集中在内燃机发电系列上。
目前,在中国深圳已建成南山沼气发电厂和下坪沼气发电厂,南京、上海、北京等大中城市也正在或准备修建垃圾沼气发电厂。
据测算,只要该类电站规模在1000kW以上,其平均电价约为0.4元/kWh时,其经济性就基本能与煤电相抗衡[19]。
1.3研究目的和意义
太阳能沼气发电工程结合了太阳能和生物能两种清洁环保的可再生能源,利用太阳能的热量通过建温室给沼气池中发酵微生物提供一个适宜的环境。
如何准确实时地了解沼液温度、沼气池压力、大气温湿度等信息,对于保证产气量先得尤为重要。
无线监测技术通过无线通讯模块把下位机通过传感器采得的数据传送给上位机。
无线监测技术可以避免现场繁杂的布线,维护性好,可扩展性好[20]。
利用该技术实时监测沼液温度、沼气池压力、大气温湿度的数值,使工作人员能及时准确的了解沼气池当前状况,对于分析产气效率和稳定性提供依据。
1.4主要研究内容
本课题的主要研究内容是开发一套沼气发电工程无线监测系统,由信号终端(热电偶,温湿度传感器,压力传感器),单片机,无线通讯模块,PC机组成。
热电偶,温湿度传感器,压力传感器可以采集相应的信号,经单片机处理后,经由无线通信模块发送给远程计算机,远程计算机对接收到的数据进行处理、显示,存储、过警戒线报警,报表生成。
实现对沼气池内状态的无线远程监测,和对采集数据相应的处理。
主要完成以下几方面工作:
1总体方案设计
查阅大量国内外相关文献后,参照现有的类似系统同时避免其缺点,采用模块化的设计思想进行设计,无论是硬件还是软件都做成一个个功能模块,通用性,可移植性,扩展性都较好。
2硬件设计
本系统硬件设计主要包括、信号采集与处理模块、单片机模块、无线通讯模块、上位机接收模块等。
综合考虑各方面因素,采用AT89S52作为系统的控制器。
分析比较目前市场上流行的无线信号传输系统cDMA、zigBee、蓝牙、lrDA、HomeRF、GPRs和普通射频等。
考虑到实际应用环境,采用稳定性好、成本低的nRF905无线数据收发芯片。
由温度传感器,选用K型热电偶作为温度传感器。
为了获得更准确的测量结果需要用到热电偶放大器AD595AD、运算放大器LM324N、数字转换芯片ADc0809ccN等芯片对信号进行处理后送入单片机。
大气温湿度的采集选用瑞士Sensirion公司的温湿一体数字传感器SHT10。
压力传感器采用Ms5540,测量范围为10一110KPa。
3软件设计
本系统软件设计包含上位机软件设计和下位机软件设计。
上位机软件通过串口从无线通讯模块获取沼液温度、沼气池压力、大气温湿度数据,进行实时显示,数据存储,在此基础上实现超范围报警,提示工作人员采取相应措施。
必要的时候可以对检测结果生成报表。
上位机软件开发时可以先编写各个功能模块,然后编写主程序,这样可以在编写主程序时方便地调用各个子功能模块。
下位机软件设计主要完成沼气温度数据采集,沼气池压力数据采集,大气温湿度数据采集,与无线传输模块nRF905串口通讯,与上位机串口通讯等功能。
4程序调试与优化
由于本系统采用模块化设计,调试时可以先对每个模块单独调试,一旦有问题能极大缩小查找问题的范围,便于即使发现并解决问题。
然后对系统进行软硬件联调,这阶段如果出现问题,只需定位到该问题出现在哪个模块即可。
模块化设计可以极大地方便程序调试和今后的系统维护和功能扩展。
测试过程注意发现记录问题,提出进一步优化方案。
1.5技术路线方法
图2.2系统总体结构图
根据课题内容,设计的无线采集系统的总体结构图如图2.2,传感器数据采集模块采集沼气池压力、沼液温度及大气温湿度数据经简单处理后,通过nRF90无线传输模块传输给上位机软件,上位机软件对接收到的数据显示、处理、保存,根据需要还可以进行报表生成。
2太阳能沼气发电技术
太阳能和沼气都是清洁能源,通过合理设计温室最大限度地利用太阳能来给发酵细菌提供一个合适的温度环境。
而沼气发电则把沼气作为发动机的燃料,使沼气发动机运转,把生物能装化为机械能,沼气发动机再带动发电机是机械能转换为电能。
2.1.太阳能沼气发电原理与主要设备
沼气发电是随着沼气综合利用技术的不断发展而出现的一项沼气利用技术,它利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物(如酒糟液、禽畜粪便、城市污水等)经厌氧发酵处理产生的沼气,驱动发电机组发电,并充分利用发电机组的余热,使综合热效率达75%左右,从而达到环保和节能的目的。
太阳能沼气发电系统主要包括沼气产生系统太阳能温室保温系统、和沼气发电系统两大部分。
图2.1太阳能
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