《质子交换膜燃料电池（PEMFC）结构原理及温度控制系统设计》7500字（论文）

质子交换膜燃料电池（PEMFC）结构原理及温度控制系统设计目录摘要 图4温控流程图3.2显示电路显示器所使用的是4位7段式共阴数码管显示器，该显示器通过线路与单片机的P0.0至P0.7八个端口进行连接，并通过外部的电路供电，用上拉电阻对端口传送的数据进行增强电流用来驱动数码管的正常工作[13]。显示数码管的第6脚进行接地，显示精确值为0.1℃，数码管电路如图5所示。图5数码管显示电路3.3DS18B20温度传感器检测电路通过温度传感器DS18B20将采集到的温度数据直接转换成数字信号，通过数据总线传送到单片机的P1.0端口，DS18B20温度传感器电路如图6所示。图6温度传感器检测电路3.4按键电路如图7所示，按键电路主要是由K4、K3、K2三个按键来对温度的上下限进行参数设定。K4按键与51单片机的P3.1端口进行连接。K3按键与51单片机的P3.2接口进行连接。K2按键与51单片机的P3.3接口进行连接，而三个按键的一端为公共端进行接地。通过按动按键产生高低高的信号，取其中的低电平作为有效信号，当按下任意一个按键，产生信号通过对应的端口传送到单片机中，经过软件程序的处理装换成相应的命令[14]。1.K4是减少数值的按键，每按动一次按键温度的上下限数值会往下调1℃。2.K3是增加数值的按键，每按动一次按键温度的上下限数值会往上调1℃。3.K2是功能切换的按键，可切换到显示器显示当前实时温度数值或设定值。图7按键电路3.5报警电路蜂鸣器报警电路如图8所示。通过单片机的P1.1端口与单片机进行连接，采用的是三极管Q1高电平驱动，当传感器检测到的温度，达到预设在单片机内部的温度过高报警值时BUZ1蜂鸣器便会接通发出警报。图8显示报警电路第4章软件程序设计整个温度控制系统的功能是通过单片机电路的软件实现的，系统必须有完整的设备来运行，当设备在很大程度上被使用时，软件的功能可以在很大程度上得到确定。软件功能组件可以分为两大类:控制程序(主软件)，它是整个控制系统的中心，专门设计来协调实现单元与操作关系。第二个程序是执行(子例程)的软件，用于测量、计算、演示、通信等技术问题。每个执行程序都是执行单位。在这里，每个实现单元、功能和连接定义每个实现单元。执行单位的工作完成后，可以实现监测过程。最适当的控制程序结构必须首先根据系统的总体功能选择，然后根据时间需要对监测方案和执行单位的位置分布进行调整。4.1程序组成系统程序组成主要有系统主程序，读出温度子程序，写入子程序，门限调节子程序等。4.1.1主程序主要是负责对温度传感器检测温度的显示，将DS18B20温度传感器测得的温度值进行转换，温度测量刷新率是每秒一次，然后通过使用温度子程序把存入内存中的整数与小数部分分别储存在两个不同的单元内，然后再通过调用子程序显示出来。图9主程序4.1.2读出温度子程序读出温度子程序主要是读出缓存器中的9字节，一般在读出时需要对CRC校验，校验如不正确则不对温度数据进行改写，程序流程图如图10所示。图10读出子程序4.1.3写入子程序图11写入子程序4.1.4门限调节子程序图12门限调节子程序4.2仿真4.2.1仿真软件文中所使用的Proteus是英国公司设计的一款功能强大的仿真软件，不仅能够对各种单片机进行仿真，而且拥有其他EDA工具所有的仿真功能。能够实现从原理图设计、单片机编程到系统仿真再到最后的PCB设计，实现了从构思到生产的完整流程，还能够帮助用户进行模拟电路的设计以及运行，被广泛使用在教学和工业设计领域，是电路从业者的必备软件之一。4.2.2仿真结果要进行系统性的仿真首先要先正确安装仿真软件，本文所采用的是proteus软件，安装完成后打开软件选择工具栏中的元器件列表，输入相关器件型号分别查找到AT89S51单片机、DS18B20、四位七段式数码管等元件模块，以及相关的一些电阻电容以及按键等器件，将这些器件正确放置在绘图区域并排列合理，然后用导线将各个元件进行连接，并将每个器件的正确数值输入。绘制完成后用编译软件进行编译将软件写入到单片机，点击仿真运行按钮观察仿真结果。仿真图如图13所示。图13仿真结果图要保证质子交换膜燃料电池的堆芯温度保持在60℃左右，要手动设置51单片机的温度上下限分别为61℃与59℃，当温度传感器的温度在59℃以下时，单片机启动加热器，当温度达到61℃时，系统停止运行，单片机会将温度传感器在堆芯内的实时温度数据传送到显示器上，开始仿真后，等待一段时间，系统稳定运行后观察显示屏上所显示的实时温度始终在60℃左右跳动。由结果可知当电堆温度过低系统会进行加热，从而使电堆内部的温度保持恒定，达到了系统所预期的设计功能。第5章全文总结质子交换膜燃料电池是一种新兴的清洁能源系统，在社会各方面得到了广泛的应用，在现在的燃油车污染问题和普通蓄电电池能量密度和充电速度无法得到解决的情况下，燃料电池必将迎来不断发展[15]，温度是影响燃料电池运行性能的关键因素之一，而且也成为燃料电池商业化的较大障碍，本文通过进行燃料电池的温度控制系统进行分析研究，在弄清了燃料电池的工作原理和影响因素后，最终设计了该燃料电池温度控制系统，通过51单片机对温度传感器采集到的数据进行监测，并进行分析处理，当燃料电池的温度问题无法得到解决的情况下，会引起电池一系列的问题，比如燃料利用率低、功率减小等。本文主要做了以下方面的工作：在分析了温度对于燃料电池性能的影响后，确定了采用使用电热器对水箱中的水进行加热然后利用水循环的方式来对燃料电池进行温度控制，并采用单片机作为主控器的燃料电池温度控制系统进行控制调节，完整的完成了系统方案的软件和硬件的设计，在经过proteus软件的仿真后，观察到温度可以稳定的在60℃左右波动，总合分析，可以得出本文所设计的燃料电池温度控制系统的仿真结果与设计期望值一致，证明设计的该系统对燃料电池温度的控制是有效的可行。但是由于燃料电池本身的复杂性以及本人的所学知识能力有限，因此，本文在研究的内容难免有一定的不足之处，比如设计的这个系统只能对燃料电池的温度进行简单加热控制，而燃料电池运行中会产生一定的热量使电堆温度不断升高，这个问题还有待解决。参考文献[1]王诚．燃料电池技术开发现状及发展趋势[J]．新材料产业，2017，2:37～43．[2]彭跃进．质子交换膜燃料电池关键技术研究[D]．西南交通大学硕士学位论文，2020：8～12．[3]衣宝廉．燃料电池-原理·技术·运用[M]．北京：化学工业出版社，2020：7～18．[4]宋英睿．基于PIC的PEMFC控制器设计[D]．昆明理工大学硕士学位论文，2016：29～33．[5]许志梅．质子交换膜燃料电池的控制与设计[D]．南京理工大学硕士学位论文，2019：11～32．[6]林建祺．燃料电池发动机系统建模与控制研究[D]．武汉理工大学硕士学位论文，2017：22～38．[7]陈海霞．基于MCU燃料电池汽车发动机系统控制研究[D]．东北大学硕士学位论文，2020：10～34．[8]李广弟．单片机基础[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2018：9～18．[9]康桂花．PLC在数码显示器中的软硬件设计[J]．机电产品开发与创新，2018，11(5)：12～13．[10]张宇君．微型燃料电池的研究进展[J]．微纳电子与智能制造，2017，3：33～55．[11]吴正辉．基于DSPIC+CPLD的燃料电池控制器设计与实现[D]．武汉理工大学硕士学位论文，2012：10～19．[12]欧阳旭．PEMFC燃料电池助动车控制系统的研究与设计[D]．西南交通大学硕士学术论文，2018：68～93．[13]张政军．七段数码管的硬、软件试验[J]．电子报，2017，12(1)：