沼气压力水洗提纯控制系统研究毕业论文

1、 . . . 本科毕业设计（论文）题目 沼气压力水洗提纯控制系统研究 常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人学号（9位）：本人签名：日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属

2、常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的容相一致。的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。本人签名：日期：导师签名：日期：36 / 43沼气压力水洗提纯控制系统研究摘要随着经济的发展，全球已经进入能源危机的时代。煤炭，石油天然气等传统化石燃料消耗量在不断增大，这不仅加剧了化石资源的枯竭速度，还带来了许多严重的环境问题。日益增长的能源需求和日渐严重的环境污染迫使我们寻找解决能源危

3、机的突围之路。其中，发展替代能源，实现传统能源之间，传统能源与新能源之间的替代，是解决我国能源供需瓶颈、供需结构性矛盾以与减轻环境压力的有效途径。开发并生产各种可再生能源，替代煤炭、石油和天然气等化石燃料是世界今后解决能源紧缺的一种有效手段，发达国家都在致力开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源资源，保障国家经济的可持续发展。在可再生能源中，生物天然气是一种重要的生物质能源，它以甲烷为主要成分，主要通过沼气净化提纯得到。由于生物天然气可以直接作为石化天然气的替代燃料，所以可以发展沼气增加天然气供应从而缓解能源危机。本文主要介绍了国外常见沼气提纯方法中的水洗法，它是利用CO2、C

4、H4在水中溶解度的差异实现分离，是一种相对廉价的提纯方法，尤其在不需要对水进行再生处理的时候其经济性更加明显。研究了其控制系统来有效的节省人力物力，提高效率，减少人员失误，提高产品质量。带来安全方便的操作。关键词：沼气提纯压力水洗法 控制系统Gas pressure control system for water purificationAbstractWith economic development, the world has entered the era of energy crisis. Coal, oil, natur

5、al gas and other traditional fossil fuel consumption continues to increase, which only exacerbated the depletion of fossil resources speed, but also brought many serious environmental problems. Growing energy needs and increasingly serious environmental pollution forced us to look for the way out to

6、 solve the energy crisis. Development and production of a variety of renewable energy sources to replace coal, oil and natural gas and other fossil fuels in the world to solve the energy shortage in the future an effective means, developed countries are committed to the development of efficient, non

7、-polluting biomass utilization technology to protect national fossil energy resources, and ensure the sustainable development of the national economy. Bio-gas is an important source of biomass in renewable energy sources,which methane as the main component, mainly obtained through biogas purificatio

8、n.Since bio-gas can be an alternative fuel of petrochemical natural gas, it is possible to increase the development of methane gas supplies to alleviate the energy crisis. This paper describes a washing method is a common method for purifying biogas abroad. It uses CO2, CH4 difference in solubility

9、in water to separate, is a relatively inexpensive method of purification, in particular it does not need to be regenerated water when its economy is more obvious. Study its control system to effectively save resources, improve efficiency, reduce human error, improve product quality. Bring safe and c

10、onvenient operation.Keyword：Biogas purificationBiogas upgrading with waterControl sys1引言11.1课题研究背景与意义11.2国外沼气提纯技术的发展现状31.3沼气组分与特性51.4沼气水洗提纯技术介绍51.5本章小结72系统方案设计72.1控制方案一72.2控制方案二82.3控制方案选择92.4传感器参数92.5控制系统设计方案优化112.6沼气压力水洗提纯流程图122.7本章小结133硬件电路设计133.1总体硬件电路原理图133.2单片机最小系统143.3电流转电压模块153.4AD转换模块163.5显示

11、模块173.6本章小结184控制系统软件设计184.1控制系统控制要求184.2系统软件主流程图194.3控制部分主程序194.4延时子程序214.5AD转换程序214.6本章小结215系统调试215.1线性度确认215.2工作流程验证225.3本章小结236总结与展望236.1总结236.2问题展望24参考文献25致26附录27附录1,软件代码27附录2 模块实物图341引言1.1课题研究背景与意义经济的发展总是伴随着能源的消耗，发展越快，能源消耗的也就越快。如今地球的煤，石油，天然气等不可再生资源的储存量来说，已经渐渐跟不上其消耗的速度。即能源危机的时代已经到来了。除了能源枯竭的问题之外，

12、大量化石燃料的使用还给地球的环境带来了巨大的考验。为此，世界各国不得不寻找解决之道。开发新能源，寻找替代能源，提高能源利用效率等等，不一而足。在全世界应对气候变换的大背景之下，减少化石燃料的消耗，发展清洁高效的可再生能源成为世界各国的关注热点。据各方面的统计资料来看，全球的风电装机容量，太阳能发电容量，生物乙醇，生物柴油等的产量一直是在大步提升的。就中国而言，除了水电以外的可再生电力一直快速增长，同比增幅仅次于美国。因为中国作为一个人口大国，一个能源消耗大国，有必要花大投资来改善能源结构，事实也是如此，仅2010一年，中国在可再生能源资源上的投资就超过了500亿美元，所以在现今社会，在我国发展

13、可再生能源是完全可行的，或者说是受到大力扶持的。可再生能源之中，生物天然气是一种十分重要的生物质能。它的主要成分为甲烷，可以通过沼气的净化提纯来制得。生物天然气可以作为石化天然气的重要替代燃气，使得发展沼气成为增加天然气供应的突破口。根据供需关系，有需求，又会有供应。在我国现在阶段，特别是近年来，对生物天然气的需求高速增加，使得需求远大于供应。这大大加快了沼气产业的发展速度。而且，沼气是一种比较清洁的能源，由各类禽畜，以与人们的粪便，工农业的有机废弃物，生活垃圾等在厌氧环境下产生。其产生过程本身就是一种可再生能源的制造过程。不仅如此，对这些垃圾的处理还起到了环境保护的作用。我国发展沼气的历史要

14、追溯到50多年以前，经过这些年的发展，截止至2011年底，我国的民用沼气池差不多有3500w口，其他的大型中型沼气工程更是接近有3000处.若是能将这些沼气进行净化提纯后并入天然气网，差不多能节省10%的天然气消耗量。沼气提纯后还能用于车用燃料，其生产成本低廉，在与石化天然气燃料的对比中有着巨大的价格优势。沼气的资源是丰富的，然而天然气的缺口却是非常巨大。这些都预示着沼气提纯有着巨大的发展前景，沼气提纯技术的发展有着重大的意义。首先，沼气提纯技术的发展带来的最直观影响，沼气的产量增加了，越来越多的沼气工程正在被建设中。相对的，平时没有什么作用生活垃圾，粪便，工农业有机废物等有了去处生产沼气，而

15、不用吃力不讨好的集中焚烧，填埋。不光减少了处理垃圾的成本，反而能产生巨大的经济利益，同时减少了环境的破坏。有资料显示，每年我国城市的人均垃圾产量有440kg之多。在农村，禽畜粪便，农作物秸秆等也在源源不断的产生。光2003年，我国农村的农作物秸秆的产量差不多达到了5.5亿吨。这是一个非常巨大的数字。若是能够处理得当，所产生的经济效率会非常可观。举个例子，将我国在2003年产生的禽畜粪便，人类尿液，作物秸秆这三项用于生产沼气，转化为原煤产量的话，相当于1.8亿吨原煤，是该年度原煤产量的11.5%。富含杂质的沼气利用率并不高，但是提纯后这一现状改变了，随着沼气生产的规模化，标准化，工业化，生产成本

16、降低了沼，利用效率提高了，经济效益增加了。以我国的农村常见的沼气池举例，其技术比较落后，生产沼气的量较少，纯度也不高。一般只能用于家庭取暖，燃烧，供家庭使用，惠与的只是个人还有家庭，或者一些个小团体。无法做到远距离传输，产生不了什么经济效益。如果用于发电，同样只能在直接使用，无法储存。将发的电并入电网因为上网费用非常高额，在现阶段不做考虑。或许在将来同样会因为投入大大高于收益而不予采用。只有规模的沼气生产提纯，将沼气中甲烷的含量提升到95%以上，才能达到生物天然气的标准，并入天然气网络，实现沼气的高效利用，带来更大的经济利益。目前国外的沼气提纯方法大致分为以下几种：吸附法，吸收法，膜分离法，低

17、温分离法，甲烷富集法，生物技术提纯等。其中吸收法之下的压力水洗法在国际社会之中应用比较广泛。在欧洲一些国家已经有了多个应用此法的大型沼气提纯工程。这种方法利用沼气中甲烷和二氧化碳在水中溶解度的差异将它们分离，从而提高沼气中甲烷的浓度。它有很大优势，其一，此法效率很高，其次，因为甲烷在水中的溶解率与二氧化碳相比来说非常低，所以沼气中甲烷的流失量很少，最重要的一点是，该法利用随处可见的水作为吸收剂，花费在吸收剂中的成本会非常低。这三点确保了水洗法的经济利益。现今的社会，工业发展非常之快，各种大中型的工程基本都实现了自动化的操作。沼气压力水洗提纯的工程自然不可能全靠人工来操作。研究其控制系统，实现沼

18、气提纯的自动化操作有着重要的意义。第一，这能节省大量的人力物力，如今的人工费一年比一年高，减少人员的投入也是变相的增加收益。第二，人为的操作变少了，失误也就变少了，这算是减少安全隐患的一个有效措施。第三，研究控制系统，实现沼气提纯自动化大大提高了工作效率。1.2国外沼气提纯技术的发展现状目前，欧洲各国都开展了沼气提纯技术的应用，沼气提纯工程数量和规模不断扩大，2011年，欧洲沼气提纯工程达到了172座，处理总规模达到198,200m3/h。瑞典和德国是欧洲各国中沼气提纯产业发展最快的两个国家，沼气工程数量约占欧洲总体数量的84%。1996年，瑞典就开始对沼气进行净化提纯，并得到甲烷含量在95%

19、以上的沼气提纯气，作为汽车燃料使用，而且制定了相关标准，以衡量沼气提纯气否能够作为汽车燃料。2008 年，瑞典的车用天然气消费总量为5.3×107m³，其中55%是沼气提纯后得到的生物天然气。2010年，瑞典的沼气总产量折合天然气为1.3×108m³，占全国燃气消费总量的13%。2010年瑞典全国使用压缩生物天然气的车辆有7×104辆，加气站500个。据统计，2011年，德国沼气工程数量以达7×103个。在德国，沼气工厂生产的沼气主要用来发电上网36。2010年，德国沼气的发电总装机量达到了2.3×109W，年发电量为2&#

20、215;1010KW·h，占整个德国发电量的1.5%。随后，德国对沼气的利用由热电联产开始向管道生物天然气与车用燃气方向转变。从2006年开始，并入国家天然气管网甲烷工厂仅有两家，但到2011年时，已经有83处沼气工程将沼气提纯为生物甲烷，每年甲烷提纯量约为4.6×108m³，预计未来将有更多的沼气提纯计划项目实施。此外德国制定了2020年和2030年生物甲烷产量分别达到6×109m³和1×1010m³的目标，计划到2020年，全国天然气总消费量的6%将由生物甲烷替代。此外，当前国际上沼气净化提纯技术发展较快的国家还有瑞士、

21、丹麦、 加拿大等国家，他们拥有先进的净化提纯技术和设备。近年来我国天然气需求高速增长，据估计，20002020年中国天然气的需求量将以每年10.8%的速度增长，而国天然气产量年均增长率仅为7.5%。据估计，到2020年中国天然气的年需求量将达到2.5×1011m³，缺口将达到9.0×1010m³。面对严峻的形势，中国提出了“十二五”期间将加速天然气配套基础设施建设，开展“分布式能源利用项目”，为生物天然气的产业提供基础与便利。通过引进瑞典、德国等国家的沼气工程技术和设备，近年来，我国已建成一批沼气热电联产工程和发电并网的大型沼气工程，变压吸附法和水洗法也

22、已经开始应用在工程中。但作为一个新型产业，我国沼气净化提纯工程与技术还处于发展阶段，沼气关键技术还需要投资研发或从国外引进。目前在我国的、博兴、等地已建成了一批沼气净化提纯制取生物天然气示项目。近年来，中国在沼气提纯技术和设备研发领域展开了研究，主要集中在化学吸收和物理吸附提纯方向。农业大学在沸石填料水洗法方面开展了研究42，中国石油大学在天然气水合物提纯方面开展了研究，华北电力大学在甲烷原位富集方面开展了研究。目前，中国在化学吸收、变压吸附等技术领域已开发有可商业化应用的提纯设备。但与世界先进水平相比，中国在基础研究、设备成套化开发方面所做的研究还有很大差距。表1-1 我国部分沼气项目工程项

23、目名称投产时间（年份）规模提纯沼气用途日照酒精废醪厌氧沼气回收精制天然气项目2007540万m3/a车用和生活淀粉废水厌氧沼气回收精制天然气项目2008165万m3/a接入市政燃气管网博兴淀粉废水厌氧沼气回收天然气精制项目2009410万m3/a车用和工业燃料贞元车用生物天然气项目（一期）2009400万m3/a车用燃料市安定垃圾填埋气精制项目2010239.4万m3/a车用燃料王新庄污水处理厂污泥消化项目201020000 m3/d接入市政燃气管网伊川县婆镇朱村工业园区秸秆能源化综合利用2010428万m3/a车用燃料生活垃圾填埋气回收精制天然气项目2011432万m3/a车用燃料东泰夏家河

24、污泥消化项目201225000 m3/dN/A沼气清洁公交新能源示项目（一期）201120000 m3/d车用燃料工业沼气禁止天然气项目201115000 m3/dN/A1.3沼气组分与特性沼气是一种混合气体，厌氧发酵的原料、发酵条件、操作方式等决定了其组分，一般情况下，沼气的主要成分为甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2），水（H2O）、氮气（N2），氧气（O2），以与微量的氨气（NH3）和硫化氢（H2S）。如表1-1，为沼气与天然气的主要组分与特性对比，天然气的华白数是沼气的1.62.0倍，当沼气中CH4的含量超过95%以后，提纯后的沼气的华白数就可以达到天然气的水平，可替代天然气。表1-2

25、沼气和天然气部分组分与特性对比参数单位沼气天然气荷兰天然气低位热值MJ N-1m-3234031.6密度Kg N-1m-31.20.840.8高华白数MJ N-1m-3275543.7甲烷数>13570-CH4含量%63(5370)8781高碳氢化合物体积分数%0123.5CO2体积分数%47(3047)1.21N2 体积分数%0.20.314O2体积分数%000H2S 体积分数10-6<10001.5-NH3体积分数10-6<1000-总氯（以Cl计）mg N-1m-3050-1.4沼气水洗提纯技术介绍压力水洗法是利用CO2、CH4在水中溶解度的巨大差异实现它们的分离，在水

26、中，CO2在溶解度是CH4的30倍左右，加压水洗时，CO2水中溶解在水中，而CH4溶解量较CO2少太多，可认为CH4在水中几乎不溶解，CH4在水洗塔顶部富集后被收集，降压时，溶解在水中的CO2解吸出来，实现CH4、CO2的分离，完成沼气提纯3，含有CO2和CH4的废水可以通过空气吹托再生以循环利用。水洗时，沼气从水洗塔的底部进入，通常会安装气体弥散装置，将沼气分散为大量的小气泡，均匀分布在水中，沼气泡在上升的过程中，其中的CO2溶解在水中；水从顶部流入，与沼气流方向相反。在加压水洗时，一般会在水洗塔部安装填料，用来增加气、液传质面积，提高沼气提纯的效果。水洗法的优势非常明显，一是水洗法效率较高

27、，CH4损失率低，二是采用水做吸收剂，较为廉价，其经济性非常明显。但是加压水洗法也有缺点，长期水洗后，水洗塔的填料会滋生大量微生物，造成填料堵塞，因此，需要定期对水洗塔进行清理，或者加氯杀菌。在水洗过程中，也可以同时去除H2S，但是为了避免H2S会对压缩设备产生腐蚀，应在脱CO2之前使用脱硫装置将其去除。同时由于采取水洗工艺，所以提纯后的沼气还需要干燥处理图1-1 常见的压力水洗法提纯沼气示意图沼气提纯技术发展到现在，PSA法、加压水洗法、化学吸收法以与膜分离法已经实现了在商业上的应用。其中PSA法、加压水洗法大约各占了欧洲沼气提纯市场33%的市场份额。如表1-2所示，为几种主要沼气提纯方法的

28、对比3。通过对比，可以发现沼气水洗提纯有以下几个优点：1.使用水作为吸收剂，无毒，不会对环境产生污染，而且水较廉价，尤其是水洗后的废水可以利用空气吹托再生，循环利用，这样不仅节约了水资源，而且能够减少沼气提纯成本。2.水洗时，无须对水进行加热，不用额外增加温度调节设备，节省了水洗设备的费用，而且水洗时，可以同时去除沼气中含有的少量H2S，可进一步去除脱硫设备未完全去除的H2S。3.沼气水洗提纯技术在国外已经成熟，工程数量较多，可为国的沼气水洗提纯提供参考的实例。表1-3 几种沼气提纯方法性能对比参数水洗法有机溶解吸收法胺吸收法PSA法膜分离法生物天然气中CH4体积分数（%）95.099.095

29、.099.0>99.095.099.095.099.0甲烷回收率（%）98.096.099.9698.08099.8输气压力（bar）484804747消耗电能（kWh/m3）0.460.490.600.270.460.250.43加热需求和温度-7080120160-脱硫需求取决于工艺需要需要需要需要消耗品需求防污剂、干燥剂有机溶剂（无毒）胺溶液(有毒，有腐蚀性)活性炭（无毒）-可参考工程数多少中等多少1.5本章小结本章详细的写了课题的研究背景和意义，指出沼气提纯有着巨大的发展前景。并叙述了目前国外的沼气提出技术的发展现状，最后介绍了沼气压力水洗提纯技术。2系统方案设计2.1控制方案一

30、以单片机为基础开发，将二氧化碳传感器和甲烷传感器检测水洗塔的二氧化碳和甲烷的浓度，将传感器采集到的模拟信号通过AD转换模块转换成数字信号输入到单片机中，单片机将采集到的信号与预设的值进行对照，从而输出开关量信号控制电磁继电器的开闭来控制3个电磁阀，一个真空泵，一个压缩机的开关。预计使用的元器件传感器为红外甲烷浓度检测仪，红外二氧化碳检测仪信号转换为AD转换模块数据处理模块为单片机执行器为电磁阀，真空泵，压缩机图2.1 控制方案一示意图2.2控制方案二该控制方案以单片机最小系统为基础，只需要加上AD转换模块即可实施控制，另外根据实际要求可以添加显示模块和报警模块，简单方便，成本低廉，但是这一方案

31、只能实行简单的控制，遇到复杂的情况可靠性并不高，考虑到沼气压力水洗控制系统控制要求比较简单，在数据采集的频率与精度的规定上要求不高。故可以直接采用单片机控制方案。控制方案二是以数据采集卡为基础进行开发的，通过采集卡将甲烷浓度检测仪、二氧化碳检测仪、压力检测仪检测到的模拟信号到采集卡中，由于采集卡部集成有数模转换功能，通过编程可对模拟数据数字化，采集卡会对输入值与设定值进行比较，输出开关量信号，从而控制电磁阀、压缩机、真空泵的开关。利用采集卡，可用LabVIEW开发虚拟界面，对采集结果进行显示，并可对运行情况进行监控，并可开发多个按钮，对压缩机、真空泵进行控制。1.传感器为红外甲烷浓度测量仪、红

32、外二氧化碳测量仪。2.信号采集转换与控制使用采集卡、基于LabVIEW的虚拟控制界面。3.执行元件为电磁阀、真空泵、压缩机。图2.2 控制方案二示意图2.3控制方案选择方案一，以单片机最小系统为基础，加上A/D转换模块即可实现，且可外加显示模块和预警模块，简单易行，成本较低，缺点是只能实现简单控制，复杂情况可靠性较低，适于小规模简单控制。方案二，通过数据采集卡配合LabVIEW的虚拟界面，可实时显示，并对运行情况进行监视，同时开发的虚拟界面方便查看与控制，也更加智能化，并可实现复杂的控制，缺点是采集卡成本高，且需要搭配笔记本实现控制，进一步增加了成本，适合大中规模复杂控制。考虑到设计的沼气压力

33、水洗系统控制简单，规模较小，成本也较低，同时也能满足控制要求，所以利用单片机开发控制系统更加合理。2.4传感器参数甲烷，二氧化碳检测仪均为MOT500系列的气体检测仪，信号输出方式有两种，分别为4-20ma的电流信号和RS485信号，配合RS232转接卡可在电脑上存储数据，（由于经济原因并未购买通讯协议，故无法实现RS485的通讯）。仪器自带LCD显示，能够直接显示气体的浓度，类型，单位，工作状态等，可以自动根据的温度进行气体浓度数值的补偿。精度误差与零点漂移在正负1%以，响应时间小于10秒，工作电源为12-30VDC（本实验使用15V电源）。具体参数如表2.1所示，实物图如图2.3所示。表2

34、.1 CO2、CH4浓度检测仪器主要参数项目参数测量围：二氧化碳检测仪：0-50%Vol；红外甲烷检测仪：0-100%Vol 分 辨 率：0.01ppm（0100%VOL）检测精度：±1%（实际浓度，更高精度视传感器而定）响应时间：10秒（T90）线性误差：±1%恢复时间：10秒零点漂移：±1%（F.S/年）重 复 性：±1%零点漂移：±1%（F.S/年）信号输出：1.三线制标准4-20mA模拟电流信号输出，最远可传输2000米（单芯1mm²屏蔽电缆）2.RS-485（标准MODBUS RTU协议）数字信号输出、频率信号（频率围可调）

35、3.2组继电器输出（开关量），报警输出高、低限可调，无源触点容量220VAC，3A；24VDC，3A4.现场声光报警，报警声音：<90分贝（选配），可配RS232转接卡连接电脑存储数据（选配）5.可进行3000米远距离无线传输，IP局域网传输，更远距离可选GPRS传输、光钎传输（选配）图2.3MOT500红外甲烷检测仪实物图2.5控制系统设计方案优化控制系统的设计是以甲烷和二氧化碳两个气体传感器为基础的，由于两个气体检测仪输出的电流信号无法通过AD模块直接输入到单片机中，所以在气体检测仪和AD转换模块之间加入电流转电压模块，将气体检测仪输出的4-20ma电流信号线性转化为0-5v的电压信

36、号，再将0-5v的电压信号通过AD转换模块输入到单片机中，对应为0%-100%的气体浓度。与预设值比较，输出开关量控制执行器执行。考虑到调试时的显示需要，再给它添加上显示模块。因为只有传感器是直接连接在沼气提纯塔的罐体之上，且其自身带有防爆设计，所以控制系统不需要考虑防爆措施。图2.3 控制系统方案改进示意图2.6沼气压力水洗提纯流程图在设计控制系统之前，必须清楚沼气压力水洗的工作流程。在常压水洗中，因为是常压，多以采用的是连续式水洗，但是在压力水洗中，普通水泵无法向高压的水洗塔中注水，高压下的连续式水洗对设备与仪器要求较高，成本较大。所以本文提出了间歇式沼气压力水洗提纯方案，如图4-1所示，

37、为沼气水洗提纯流程图。水洗过程需要说明的是，该水洗过程是在沼气中CH4浓度70%，CO2浓度30%（依据于常压水洗试验时的沼气组分）时，仔细考虑制定的，当沼气中CH4、CO2浓度改变时，水洗过程中的控制参数要相应的改变。1.水洗在压力为7bar（约0.7MPa）下进行，水洗时，水洗塔装满一定量的水，由水泵提前输送进去的，根据需要会定期换水，换水在常压进行，在水洗过程中，水泵是不需要工作的。2.水洗开始前，电磁阀都处于关闭状态。3.水洗开始，电磁阀1开，压缩机开机，延时30s后，电磁阀1关闭，排空水洗塔废气，电磁阀1关闭后，压缩机输送的高压沼气的使水洗塔压力上升，处于高压状态。4.沼气中的CO2

38、溶解在水中，CH4在水洗塔顶部富集，当CH4浓度检测仪检测到CH4浓度大于90%时，电磁阀2开，将提纯后的沼气收集。5.当CH4检测仪检测到水洗塔中CH4浓度低于85%，电磁阀2关闭，CH4继续富集，直到超过90%，电磁阀2才被打开。6.当CO2浓度检测仪检测到CO2的浓度大于40%，压缩机关闭，电磁阀3开，真空泵开始抽真空，溶解在水中的CO2被释放出来，并被收集。7.当CO2浓度检测仪检测到CO2的浓度低于10%（由于杂质气体的存在，CH4浓度不会超过90%，无须担心电磁阀2开），真空泵关，电磁阀3关，完成一个水洗过程。8.重复步骤2-7，持续水洗过程，根据需要，对水洗塔部的水定期进行更换。

39、图2.4 沼气水洗流程图2.7本章小结本章介绍了设计初期提出了两个系统方案，然后根据两个方案的优缺点，确定本系统以单片机为基础开发，并且本系统是以已有的气体检测仪为主体进行设计的，有介绍了两个气体检测仪的一些基本参数，在此基础上对原定方案进行优化改进，最后介绍了本次水洗提纯的具体工作流程。3硬件电路设计3.1总体硬件电路原理图使用Proteus设计的沼气压力水洗提纯系统硬件原理图如图5-3所示，控制系统的硬件组成主要包括三部分：单片机最小系统、电流转电压模块、A/D转换模块、显示模块。该硬件电路有两个4-20mA电流输入端口，可接收CH4、CO2浓度检测仪器的电流信号。5个led灯用于模拟硬件

40、电路输出的开关量。从上往下5个led灯，D1表示电磁阀一，D2表示电磁阀2，D3表示电磁阀3，D4表示压缩机，D5真空泵。如图5-3表示。由于在实际安装中并不需要使用显示模块，所以在总体电路图中并没有添加。而是在后面单独略加说明。图3.1 沼气水洗控制系统硬件模拟图3.2单片机最小系统单片机最小系统由3部分组成：晶振、复位电路、电源。在图中可以找到单片机最小系统，由于这以Proteus软件进行绘制，在Proteus中所有的芯片的电源和地都是默认连接的，所以在图中并没有画出电源。而且单片机最小系统早已被大家熟知，此处也不大加介绍了。图3.2 单片机最小系统3.3电流转电压模块图中的R3是电流取样

41、电阻，其值的大小主要受传感变送器供电电压的制约，最大转换电压为5V的话，可以取RA0=250，这时候，传感变送器的供电只要12V就够用了。同时，线路输入与主电路的隔离作用，尤其是主电路为单片机系统的时候，这个隔离级还可以起到保护单片机系统的作用。采用的是廉价运放LM324，其对零点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，其大小恰好为输入4mA时在RAO上的压降。有了运算放大器，还使得 RAO的取值可以更加小，因为这时信号电压不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来补足。这样，就可以真正把420mA电流转换成为05V电压了。 使用运算放大器也会带来一些麻烦，尤其在注重低成本的时候，选择的运放往往

42、是最最廉价的，运放的失调与漂移，以与因为运放的供电与单片机电路供电的稳定性，电源电压是否可以保证足够稳定，运放的输入阻抗是否对信号有分流影响，以与运放是否在整个信号围放大特性平坦，如此等等，造成这种廉价电路的实际效果不如人意。图3.3 电流转电压模块硬件原理图3.4AD转换模块AD转换即是模拟量（连续变化的量）到数字量（非连续的，离散的量）的转换，依靠的是模数转换器。本实验使用的AD转换模块芯片为PCF8591PCF8591是一个8-bit CMOS数据获取器件，其显著的特点是单片集成、单独供电和低功耗。该芯片具有4个模拟量输入接口、1个模拟量输出接口以与1个串行I²C总线接口，还有

43、三个可用来硬件地址编程的引脚A0，A1和A2。在PCF8591芯片上，地址、控制信号和数据信号都是通过I2C总线以串行的方式进行传输。芯片的工作电源围是2.5v-6v，本实验芯片直接由单片机电源提供的5v电源进行供电。如图3.4所示就是pcf8591的原理图。图3.4 A/D转换模块硬件原理图其中引脚1,2,3,4是4路的模拟输入，引脚5,6,7是I2C总线的硬件地址，引脚9是I2C总线的双向数据线SDA，10脚是时钟信号线SCL，12脚是时钟选择引脚，高电平表示的是使用外部时钟输入，低电平表示的是使用部时钟，本实验使用的是部时钟，所以直接将12脚接地即可，并且11脚悬空。13脚是模拟地，如果

44、没有复杂的模拟部分电路，可以直接将模拟地和数字地接到一起。本硬件原理图使用的是Proteus设计的。Proteus系统默认电源和地是连接好的，所以在原理图中并没有显示电源和数字地。14脚是基准源，即基准电压，一个精准的基准电压会使输入的AD转换的信号测量的准确，从而减少偏差。基准电压的提供有两种方法。一种是直接由单片机电源提供供电。即将14脚接到VCC上，可是VCC会受到电路用电情况的影响，一般并不是准确的5V电压，会有个0.1-0.2V左右的偏差。而且会随着系统负载的变化而跟着产生波动。所以这种情况一般都是用在一些个对精度要求不怎么高的地方。当然，如果精度要求比较高的话，可以用方法二，为它提

45、供专门的精度很高的基准电压。由于本系统对精度的要求并不是非常的高，直接将基准源接VCC上也能达到精度要求，所以采用第一种方法。3.5显示模块在本系统中显示模块使用的是LCD1602液晶显示屏，硬件原理图如下图所示。液晶的显示容量为2行，每行16个字符。液晶屏的工作电压为5v，同样可以由单片机电源直接供电。图中液晶的电源和地同样是默认连接的。引脚方面主要说明的是4号引脚为数据命令选择端（RS），高点平时为数据，低电平时是命令，与P3.6连接。5号引脚为读写选择端（RW），与P3.5连接。6号引脚为使能端。7-14号引脚是8个数据引脚，用于读写数据和命令。本方案将其统一接到了P0端。此方案中，显示

46、模块主要是用于模拟测试，在实际的安装中使用的是甲烷和二氧化碳检测仪自带的显示器，并不需要用到这个显示模块，故只是略加说明。3.6本章小结在本章中介绍了控制系统硬件部分总体的原理图，并逐一提到了单片机的最小系统，电流转电压模块，AD转换模块，以与显示模块，单片机的最小系统大家都是熟知的所以只是简单提与，而显示模块只是用于测试，在具体控制系统上并不要求，故也只是略微介绍。4控制系统软件设计软件系统主要包括主程序、延时子程序、A/D转换子程序、液晶显示程序、I2C通讯协议等组成。本程序中CH4、CO2的浓度控制参数可调。4.1控制系统控制要求1.通电，单片机初始化，运行，电磁阀1开，压缩机开，延时3

47、0秒后电磁阀1关闭，以排空水洗塔顶部废气。2.单片机接收甲烷、二氧化碳浓度检测仪、，当甲烷浓度检测仪检测到甲烷浓度大于90%时，电磁阀2开；当甲烷检测仪检测到水洗塔中甲烷浓度低于85%，电磁阀2关。3.当二氧化碳浓度检测仪检测到二氧化碳的浓度大于40%，压缩机关，延时30秒，电磁阀3开，真空泵开，抽真空，溶解在水中的二氧化碳被释放出来，并被收集。4.当二氧化碳浓度检测仪检测到二氧化碳的浓度低于10%（由于杂质气体的存在，甲烷浓度不会超过90%，无须担心电磁阀2开），关闭真空泵，延时30秒，关闭电磁阀3。5.单片机初始化运行。4.2系统软件主流程图本方案以5个LED灯代表5个执行器，进行模拟执行

48、器的工作状态，其定义如下。sbit LED_1 = P10; /LED1代表电磁阀1sbit LED_2 = P11; /LED2代表电磁阀2sbit LED_3 = P12; /LED3代表电磁阀3sbit LED_4YSJ = P13; /LED4代表压缩机sbit LED_5ZKB= P14; /LED5代表真空泵图4.1系统软件主流程图4.3控制部分主程序void main() unsigned char val0,val3; unsigned char VIN010,VIN310; EA = 1; /开总中断 ConfigTimer0(10); /配置T0定时10ms InitLcd

49、1602(); /初始化液晶 LcdShowStr(0, 0, "AIN0 AIN3"); /显示通道1和通道3指示 LED_1 =0; /电磁阀1开 while (1) LED_4YSJ =0; /压缩机开 delay_ms(30000);/延时30秒 LED_1=1; /电磁阀1关if (flag300ms) flag300ms = 0; /显示通道0的电压 val0 = GetADCValue(0); /获取ADC通道0的转换值ValueToString(VIN0, val0); /转为字符串格式的电压值 LcdShowStr(0, 1, VIN0); /显示到液晶上

50、 /显示通道3的电压 val3 = GetADCValue(3); ValueToString(VIN3, val3); LcdShowStr(10, 1, VIN3); if ( val0>=90) LED_2 = 0; /CH4浓度大于90%，电磁阀2开if ( val0<=85) LED_2 = 1; /CH4浓度小于85%，电磁阀2关 if ( val3>=40) /二氧化碳浓度大于40% LED_4YSJ = 0; /压缩机开 delay_ms(1000);/延时 LED_3 =0; LED_5ZKB=0;if ( val3<=10) LED_5ZKB= 1;

51、 delay_ms(1000);/延时 LED_3 =1;4.4延时子程序延时子程序在单片机的编程里面是非常常见的，几乎个个程序都会用到，哪怕是刚接触到单片机的初学者编写流水灯程序时也会用到。一般编写延时程序都是要根据单片机的机械周期来编写，51单片机的一个机械周期包括12个时钟震荡周期，时钟震荡周期取决于单片机连接的晶振的频率，本次实验使用的晶振频率为11.0592MHz，即一个机械周期时间为约为12/11059200秒，本实验定义的为1ms的延时子程序。延时的程序大家基本都比较熟悉，所以这里不再多加说明。4.5AD转换程序PCF8591共有4个模拟量输入通道，通道0到通道3，首先单片机对P

52、CF8591进行寻址，写入控制字节，选择转换通道，再次对PCF8591进行寻址，然后进行读操作 ，为了提供采样的时间，这边让其先空读一个字节，最后再读取转换完的值。4.6本章小结本章根据水洗的具体流程得出软件控制的流程，并制作出总体的软件流程图，给出了主体部分的程序。简单说明延时子程序和AD的转换5系统调试5.1线性度确认在调试系统之前首先进行的是对气体检测仪的输出信号进行线性度测定，我改变检测仪的气体环境，用电流表测量检测仪输出的电流值，与计算值进行比较，确认气体测定仪的线性度。实验数据如下表显示表5.1气体检测仪显示浓度与输出电流甲烷浓度（%）实测值(mA)计算值（mA）9018.418.

53、47515.916.06013.813.64511.211.2308.98.8156.46.404.04.0由数据可见，在误差允许围，气体检测仪检测到的气体浓度与输出信号之间是呈线性变化的二氧化碳检测仪的厂商，型号，与甲烷气体检测仪都是一样的，因为缺少二氧化碳的气体环境，我假定二氧化碳检测仪测得的气体浓度与输出的电流信号之间也是呈线性变化的。其次对电流信号经过转化后的电压值与气体浓度之间的线性度进行测定，也就是对转化前后的电流与电压之间线性度测定。将气体测定仪的电流信号输出线路与电流转电压模块相连接，再将电流转电压模块的输出端与电压表相连接，调整模块上的滑动变阻器，使得当输入电流为0.4mA即

54、气体检测仪的浓度显示为零时电压表显示读数为零，输入电流为20mA即气体浓度为100%时，电压表读数为5v。5.2工作流程验证为了验证控制系统在实际中是否能够顺利运行，做了验证试验，试验原理如图所示，试验仪器如表5-1所示使用两个4-20mA电流源来模拟分别模拟CH4、CO2检测仪器的电流信号，调节到计算好的电流，观察LED亮灭情况与显示屏的数值。图5-1 试验原理图表5-2 开发板LED灯对应的执行元件表端口Led灯代表执行元件P1.0右边第1个红色led电磁阀1P1.1右边第2个黄色led电磁阀2P1.2右边第3个绿色led电磁阀3P1.3右边第4个红色led压缩机P1.4右边第5个黄色le

55、d真空泵验证流程1.连接好电路，单片机初始化，运行。观察右1灯、右4灯是否点亮，等待30s后，右1灯是否关闭。2.缓慢调节1号信号发生器到19mA左右，观察右2灯是否点亮；如果点亮后，缓慢降低1号信号发生器到17mA，观察右2灯是否熄灭。3.缓慢调节2号信号发生器到17mA，观察右4灯是否熄灭，等待30秒，观察右3灯、右5灯是否点亮。4. 缓慢减低2号信号发生器到7mA，观察右5灯是否熄灭，如果熄灭后5.单片机是否初始化运行。实验结果试验结果符合预期，该沼气压力水洗系统方案确实可行。5.3本章小结本章主要介绍了对气体检测仪的线性度检测调试数据，为验证控制系统在实际工作过程中的状态，进行了验证模拟实验确定控制系统的可行性6总结与展望6.1总结本文介绍了目前沼气提纯的一些技术与方法，国外沼气提纯技术的现状与历史，表现了沼气提纯在未来有着巨大的发展前景。描述了沼气的水洗法提纯的高效率，低成本，浪费量少，经济效益高等的优点。旨在研究沼气压力水洗法将沼气中甲烷含量提升到90%或以上的控