沼气池甲烷浓度监测系统设计_带图纸
沼气池甲烷浓度监测系统设计系（院）机械工程学院[20191210110305]
摘要
本文针对在沼气池中如何实现甲烷浓度的精确、稳定监控，以及同时在显示器上显示出浓度值等问题，?设计出一种基于单片机为监控核心辅以转换器和显示器的监测系统。?首先通过对国内外现状的研究及分析，论证设计的必要性和可行性，其次对沼气池甲烷浓度监测系统进行分析，选择监测方案，确定监测系统的结构形式，?然后选择系统中的监控元部件，绘制系统元器件分布图，硬件接线图和仿真图。?再通过对单片机系统流程图的分析，进行程序的设计并通过keil软件和仿真软件来进行调试仿真，完成显示值与输入模拟量是一致的。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:甲烷单片机keil
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的目的和意义 1
第二章 系统设计方案 2
2.1系统设计任务 2
2.2系统设计方案 2
2.2.1系统设计方案分析 2
2.2.2系统设计方案的选择 2
2.3 系统工作原理 2
第三章 硬件电路的设计 4
3.1 甲烷传感器 4
3.1.1甲烷传感器的工作原理 4
3.1.2甲烷传感器的选择 5
3.1.3甲烷传感器的连接思路 6
3.2 A/D转换电路 6
3.2.1 A/D转换器的选择要求 6
3.2.2 ADC0808的主要特性 7
3.2.3 ADC0808 内部结构和引脚 7
3.2.4 ADC0808与单片机连接思路 8
3.2.5 ADC0808工作时序图 10
3.3 单片机的选型 11
3.3.1 单片机的选择 11
3.3.2 AT89C51单片机引脚介绍 11
3.3.3 AT89C51单片机的接线思路 14
3.4 LED显示器 14
3.4.1 数码管的选择 14
3.4.2 数码管的连接方案 16
3.4.3 数码管的显示方案 16
3.4.4显示电路设计 17
3.5 三相异步电机驱动接口设计 18
3.6 PCB布线 19
3.6.1 PCB布线原则 19
3.6.2 PCB设计图 19
第四章 系统软件设计 21
4.1 proteus 仿真软件简介 21
4.2 keil 软件简介 21
4.3 程序设计思路 22
4.3.1主程序设计 22
4.3.2报警程序设计思路 23
4.3.3显示程序的设计思路 24
第五章 keil与proteus仿真调试 25
结束语 30
参考文献 31
附录：程序代码 32
致谢 34
第一章 绪论
1.1课题研究的背景
中国是一个资源很大的国家,其间每年资源的消耗量是很多的,而且随着我国经济的快速发展,,能源这方面是非常重要.能源的不断消耗肯定会带来其价格的不断上升。这样看来，沼气池不仅绿色环保而且很经济,也很适合农村用。在我国沼气池的建设很普遍的, 但国内有许多地方的沼气池都废了，不用了。村民们反映其沼气的泄漏和设备的维护不方便。这就需要一个好的监测系统。也有不少沼气池由于其甲烷的浓度监测不稳定存在很多的安全的隐患。其浓度过高和气体的泄漏都会引燃烧或爆炸.其后果非常严重,损失大,危害性惊人。还有沼气池的设备的运行,参数的调整都和甲烷的浓度相关。
1.2 课题研究的目的和意义
沼气是由生活中的废弃物经过发酵而产生的可燃性气体，比如粪便、秸秆和生活中的垃圾，都是可以再生的绿色能源。甲烷的点火点约63℃，在空气中的含量在5%～15%，在发生火灾时，很容易爆炸，在9.5%时爆炸的浓度是最大的。 为了实时监测沼气池内的甲烷浓度并把浓度显示出来,方便调整沼气纯化设备的工作参数,同时沼气池有安全保障。本文设计了基于单片机的沼气池甲烷浓度监测系统。
单片机传感器的优点:可以有效的检测出甲烷的泄露位置，而且整机结构简单、性能平稳、测量准确度高、抗干扰的能力强、超低功耗电路设计、内部置有大容量复合电池、可以长时间持续的工作, 拥有逻辑、统计处理的功能。可以对得到的数据进行仔细分析、统计和修正。与其他类型的传感元件的电桥的输出电压相比，线性，选择性，反应速度快，重复性好，工作稳定可靠。 将检测电路检测出的甲烷浓度通过单片机很快的传送到显示器中进行显示. 该传感器具有很强的保护功能。单片机传感器还具有一定的通信功能。
综合以上所述，开发新的甲烷监测系统是非常有必要的。按照我国的通常性质，相关技术标准，产品技术的先进性，稳定性和可靠性是该项目的关键位置。 该系统实时准确监控甲烷的浓度以方便于相关设备参数的调整和更好的运行。便于农民更好的自己监控和操作。安全性也得到提高。沼气池就会更加适用农村新的甲烷控制监测体系代表了气体传感器未来将要发展的领域，是传感器战胜本身落后并且不断提升自身性能的必然趋势。
第二章 系统设计方案
2.1系统设计任务
我国能源消耗巨大，资源的消耗量是很多的 ，因此能源非常重要。而在农村有这许多可利用的资源。这样又能加快农村建设，经济更好的发展。沼气池的运用就是其中之一。他将一些废料来发酵成可供燃烧的气体，而如何来知道沼气池中甲烷浓度以便设备的更好工作。基于此本次设计了沼气池甲烷浓度智能传感器监测系统。这次设计主要是监测甲烷浓度。通过甲烷传感器读取，核心系统的处理，最后把浓度显示出来以供参考。
2．2系统设计方案
2.2.1系统设计方案分析
在系统设计方面有许多种，比如PLC控制系统或单片机控制系统等等。单片机适用于小型自动控制领域及无线控制领域；价格便宜而且体积小。单片机是一个没有外部设备的微型计算机，他需要与其它的原器件一起构成一个控制器。 PLC适用于中、大型的设备 。厂商将PLC的功能模块了，并提供了相应的专用编程软件，主要用来控制开关量，可靠性高。
2.2.2系统设计方案的选择
本次设计是监测甲烷的浓度。要通过系统的处理才能再显示器上显示出来。最后还要仿真调试。这里没什么开关量，要与显示器和转换器连接，考虑到本次系统设计的工作量和价格方面以及综合因素这里选择单片机控制系统。单片机可以更好的方便本次设计。
2.3 系统工作原理
本系统是以单片机为中心，其中包括了甲烷浓度的获取、A/D转换、数码管的显示、报警系统几个部分
图2.1系统工作流程图
可以从图2.1的沼气甲烷监测系统的硬件设计是以单片机系统为核心的数据采集，加工，设计，显示电路正常工作。 系统的设计，该系统能够满足设计要求，价格也更经济。在这里采用甲烷传感器来对沼气池中的甲烷浓度进行检测。
第三章 硬件电路的设计
3.1 甲烷传感器
3.1.1甲烷传感器的工作原理
气体传感器是用来对混合气体的某一种成分进行监测。
气体传感器根据气敏特性主要分为：
（1）半导式方式
其中包括氧化系列、气敏二极管等系列。它是利用金属被加热后将气体转化为电阻变化的氧化物，这种电路的构造很简洁，但所得数据却和气体的密度没有比例关系。
（2）固体电解质
这是利用铂等金属的材料对氢吸附敏感度原理制成，它的特点是不能重复使用但是其他选择性好。
（3）接触燃烧式
该传感器是基于化学溶剂和气体反应后的电导率的变化原理。 特征是在比例的气体浓度的输出，但其敏感性较低。
（4）热催化式
热催化式的优点是低成本，处理和显示比较方便，易于自动检测。但缺点是使用寿命短的检测元件，高浓度的甲烷不能被测量。
（5）红外线式
其优点是这种原理的仪器有良好的选择性，高精确度，其它气体不容易干扰,可以连续检测;但缺点是不能够广泛使用。而且仪器的制造和养护也很困难是光电转换精密结构的原因。
（6）声速差式
不同的速度就可以测出甲烷浓度的大小。这种方式的优点是读数时不会受到气压的影响;但缺点当甲烷的浓度过低时不易被测定出来，而且其他气体和气温的变化产生的干扰会很大。
3.1.2甲烷传感器的选择
当可燃气体和空气混合达到一定浓度，遇火会爆炸。爆炸浓度最低时叫做爆炸下限；爆炸浓度最高时叫做爆炸上限。当在这两个浓度之间时，就会有发生爆炸的危险。当可燃性气体的浓度在爆炸下限的时候，就算是遇到火源，既不会燃烧，更不会爆炸；而当浓度在爆炸上限的时候，遇到火源，虽然不会发生爆炸，接触到空气却会被点燃。由于当浓度在爆炸下限以下时，空气太多。当浓度在爆炸上限以上时，可燃性气体太多，这时的量空气又不够了。
可燃气体的风险大小，主要看其爆炸极限振幅。越大的危险系数，爆炸越危险。
甲烷在生活中分布很广泛，在许多可燃性物质中占主要成分。甲烷可以作为燃料。化学号为CH4。
熔点：-182.5℃
沸点：-161.5℃
爆炸上限%(V/V)：15
爆炸下限%(V/V)：5.3
点燃温度(℃)：538
在该设计中甲烷传感器是很重要的一个元器件。对甲烷传感器的要求很高其精确度、稳定性、测量范围、动态范围等都会影响最终的测量结果。他要把沼气池中的甲烷浓度实时准确的采集到。这要求传感器在工作中有可靠性、长久性、准确性。同时，对于整个系统的设计，甲烷传感器的经济性也很重要。
为解决具体的措施，首先要考虑的是气体传感器的原理，但需要进行多因素的考虑才可以确定。要注意以下的问题：传感器量程的大小；测量的方式；传感器的大小在被测位置上有什么要求；信号的输出方式，非接触式或者是有线的；传感器的价位能不能让人承受。在考虑了以上的问题之后就可以大该确定选用哪种类型的传感器了，最后在考虑一下传感器的具体性能和指标，这里选择GJG100
外形尺寸：260*120*50mm
测量范围：（0--100）%
工作温度：0--40（摄氏度）
输出信号：<5V
工作电压：<18V
风速： <25m/S
响应时间：<50s
3.1.3甲烷传感器的连接思路
图3.1甲烷传感器接口图
甲烷传感器采集到的信号是模拟电信号，而不是数字信号。本系统用的是单片机系统，而单片机接收的是数字信号，所以在甲烷传感器的连接中需要在其余单片机之间加一个能将模拟电信号转化为数字信号的转换器。在protues中加入ADC0808芯片。它有8个采集端口。在protues中用一个0—5V的电位器代替传感器。改变输入电压代替输入信号。如在图3.1中，一个A/D转换器，甲烷传感器接在A/D转换器的IN0接口。因为IN端为转换器的信号输入端（下面会介绍），而且这里就用到一个传感器，为了方便见，这里选择IN0为模拟信号的输入端，将甲烷传感器接到IN0，并且将DA、DB、DC端接地确定IN0选通（下面会介绍）。甲烷传感器将采集到的数据通过IN0接口送给A/D转换器.在后期的仿真调试中证明0—5V的电位器代替传感器是可行的。
3.2 A/D转换电路
3.2.1 A/D转换器的选择要求
由于模拟量信号不能马上被单片机接收，所以A/D转换器将接收到的模拟电压量信号转换后再输入到单片机中进行数据的处理。实际中有许多种A/D转换器的芯片,本次设计选择的是比ADC0808转换器。这是一款比较熟悉的转换器，是ADC0809的简化版，而且应用的也多。可以直接与微处理器的数据总线相连接导出数据。ADC0808方便使用，连接简单，误差小，仿真适用。容易实现与整合的过程，并能达到较高的分辨率和速度，抗干扰能力强。
3.2.2 ADC0808的主要特性
（1）转换时间： 转换时间和芯片时钟的频率有关，
（2）总不可调误差范围： A/D0808±1/2 LSB。
（3）分辨率： 8位。[1]
（4）单一电源： +5V。[1]
摘要
本文针对在沼气池中如何实现甲烷浓度的精确、稳定监控，以及同时在显示器上显示出浓度值等问题，?设计出一种基于单片机为监控核心辅以转换器和显示器的监测系统。?首先通过对国内外现状的研究及分析，论证设计的必要性和可行性，其次对沼气池甲烷浓度监测系统进行分析，选择监测方案，确定监测系统的结构形式，?然后选择系统中的监控元部件，绘制系统元器件分布图，硬件接线图和仿真图。?再通过对单片机系统流程图的分析，进行程序的设计并通过keil软件和仿真软件来进行调试仿真，完成显示值与输入模拟量是一致的。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:甲烷单片机keil
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的目的和意义 1
第二章 系统设计方案 2
2.1系统设计任务 2
2.2系统设计方案 2
2.2.1系统设计方案分析 2
2.2.2系统设计方案的选择 2
2.3 系统工作原理 2
第三章 硬件电路的设计 4
3.1 甲烷传感器 4
3.1.1甲烷传感器的工作原理 4
3.1.2甲烷传感器的选择 5
3.1.3甲烷传感器的连接思路 6
3.2 A/D转换电路 6
3.2.1 A/D转换器的选择要求 6
3.2.2 ADC0808的主要特性 7
3.2.3 ADC0808 内部结构和引脚 7
3.2.4 ADC0808与单片机连接思路 8
3.2.5 ADC0808工作时序图 10
3.3 单片机的选型 11
3.3.1 单片机的选择 11
3.3.2 AT89C51单片机引脚介绍 11
3.3.3 AT89C51单片机的接线思路 14
3.4 LED显示器 14
3.4.1 数码管的选择 14
3.4.2 数码管的连接方案 16
3.4.3 数码管的显示方案 16
3.4.4显示电路设计 17
3.5 三相异步电机驱动接口设计 18
3.6 PCB布线 19
3.6.1 PCB布线原则 19
3.6.2 PCB设计图 19
第四章 系统软件设计 21
4.1 proteus 仿真软件简介 21
4.2 keil 软件简介 21
4.3 程序设计思路 22
4.3.1主程序设计 22
4.3.2报警程序设计思路 23
4.3.3显示程序的设计思路 24
第五章 keil与proteus仿真调试 25
结束语 30
参考文献 31
附录：程序代码 32
致谢 34
第一章 绪论
1.1课题研究的背景
中国是一个资源很大的国家,其间每年资源的消耗量是很多的,而且随着我国经济的快速发展,,能源这方面是非常重要.能源的不断消耗肯定会带来其价格的不断上升。这样看来，沼气池不仅绿色环保而且很经济,也很适合农村用。在我国沼气池的建设很普遍的, 但国内有许多地方的沼气池都废了，不用了。村民们反映其沼气的泄漏和设备的维护不方便。这就需要一个好的监测系统。也有不少沼气池由于其甲烷的浓度监测不稳定存在很多的安全的隐患。其浓度过高和气体的泄漏都会引燃烧或爆炸.其后果非常严重,损失大,危害性惊人。还有沼气池的设备的运行,参数的调整都和甲烷的浓度相关。
1.2 课题研究的目的和意义
沼气是由生活中的废弃物经过发酵而产生的可燃性气体，比如粪便、秸秆和生活中的垃圾，都是可以再生的绿色能源。甲烷的点火点约63℃，在空气中的含量在5%～15%，在发生火灾时，很容易爆炸，在9.5%时爆炸的浓度是最大的。 为了实时监测沼气池内的甲烷浓度并把浓度显示出来,方便调整沼气纯化设备的工作参数,同时沼气池有安全保障。本文设计了基于单片机的沼气池甲烷浓度监测系统。
单片机传感器的优点:可以有效的检测出甲烷的泄露位置，而且整机结构简单、性能平稳、测量准确度高、抗干扰的能力强、超低功耗电路设计、内部置有大容量复合电池、可以长时间持续的工作, 拥有逻辑、统计处理的功能。可以对得到的数据进行仔细分析、统计和修正。与其他类型的传感元件的电桥的输出电压相比，线性，选择性，反应速度快，重复性好，工作稳定可靠。 将检测电路检测出的甲烷浓度通过单片机很快的传送到显示器中进行显示. 该传感器具有很强的保护功能。单片机传感器还具有一定的通信功能。
综合以上所述，开发新的甲烷监测系统是非常有必要的。按照我国的通常性质，相关技术标准，产品技术的先进性，稳定性和可靠性是该项目的关键位置。 该系统实时准确监控甲烷的浓度以方便于相关设备参数的调整和更好的运行。便于农民更好的自己监控和操作。安全性也得到提高。沼气池就会更加适用农村新的甲烷控制监测体系代表了气体传感器未来将要发展的领域，是传感器战胜本身落后并且不断提升自身性能的必然趋势。
第二章 系统设计方案
2.1系统设计任务
我国能源消耗巨大，资源的消耗量是很多的 ，因此能源非常重要。而在农村有这许多可利用的资源。这样又能加快农村建设，经济更好的发展。沼气池的运用就是其中之一。他将一些废料来发酵成可供燃烧的气体，而如何来知道沼气池中甲烷浓度以便设备的更好工作。基于此本次设计了沼气池甲烷浓度智能传感器监测系统。这次设计主要是监测甲烷浓度。通过甲烷传感器读取，核心系统的处理，最后把浓度显示出来以供参考。
2．2系统设计方案
2.2.1系统设计方案分析
在系统设计方面有许多种，比如PLC控制系统或单片机控制系统等等。单片机适用于小型自动控制领域及无线控制领域；价格便宜而且体积小。单片机是一个没有外部设备的微型计算机
2.2.2系统设计方案的选择
本次设计是监测甲烷的浓度。要通过系统的处理才能再显示器上显示出来。最后还要仿真调试。这里没什么开关量，要与显示器和转换器连接，考虑到本次系统设计的工作量和价格方面以及综合因素这里选择单片机控制系统。单片机可以更好的方便本次设计。
2.3 系统工作原理
本系统是以单片机为中心，其中包括了甲烷浓度的获取、A/D转换、数码管的显示、报警系统几个部分
图2.1系统工作流程图
可以从图2.1的沼气甲烷监测系统的硬件设计是以单片机系统为核心的数据采集，加工，设计，显示电路正常工作。 系统的设计，该系统能够满足设计要求，价格也更经济。在这里采用甲烷传感器来对沼气池中的甲烷浓度进行检测。
第三章 硬件电路的设计
3.1 甲烷传感器
3.1.1甲烷传感器的工作原理
气体传感器是用来对混合气体的某一种成分进行监测。
气体传感器根据气敏特性主要分为：
（1）半导式方式
其中包括氧化系列、气敏二极管等系列。它是利用金属被加热后将气体转化为电阻变化的氧化物，这种电路的构造很简洁，但所得数据却和气体的密度没有比例关系。
（2）固体电解质
这是利用铂等金属的材料对氢吸附敏感度原理制成，它的特点是不能重复使用但是其他选择性好。
（3）接触燃烧式
该传感器是基于化学溶剂和气体反应后的电导率的变化原理。 特征是在比例的气体浓度的输出，但其敏感性较低。
（4）热催化式
热催化式的优点是低成本，处理和显示比较方便，易于自动检测。但缺点是使用寿命短的检测元件，高浓度的甲烷不能被测量。
（5）红外线式
其优点是这种原理的仪器有良好的选择性，高精确度，其它气体不容易干扰,可以连续检测;但缺点是不能够广泛使用。而且仪器的制造和养护也很困难是光电转换精密结构的原因。
（6）声速差式
不同的速度就可以测出甲烷浓度的大小。这种方式的优点是读数时不会受到气压的影响;但缺点当甲烷的浓度过低时不易被测定出来，而且其他气体和气温的变化产生的干扰会很大。
3.1.2甲烷传感器的选择
当可燃气体和空气混合达到一定浓度，遇火会爆炸。爆炸浓度最低时叫做爆炸下限；爆炸浓度最高时叫做爆炸上限。当在这两个浓度之间时，就会有发生爆炸的危险。当可燃性气体的浓度在爆炸下限的时候，就算是遇到火源，既不会燃烧，更不会爆炸；而当浓度在爆炸上限的时候，遇到火源，虽然不会发生爆炸，接触到空气却会被点燃。由于当浓度在爆炸下限以下时，空气太多。当浓度在爆炸上限以上时，可燃性气体太多，这时的量空气又不够了。
可燃气体的风险大小，主要看其爆炸极限振幅。越大的危险系数，爆炸越危险。
甲烷在生活中分布很广泛，在许多可燃性物质中占主要成分。甲烷可以作为燃料。化学号为CH4。
熔点：-182.5℃
沸点：-161.5℃
爆炸上限%(V/V)：15
爆炸下限%(V/V)：5.3
点燃温度(℃)：538
在该设计中甲烷传感器是很重要的一个元器件。对甲烷传感器的要求很高其精确度、稳定性、测量范围、动态范围等都会影响最终的测量结果。他要把沼气池中的甲烷浓度实时准确的采集到。这要求传感器在工作中有可靠性、长久性、准确性。同时，对于整个系统的设计，甲烷传感器的经济性也很重要。
为解决具体的措施，首先要考虑的是气体传感器的原理，但需要进行多因素的考虑才可以确定。要注意以下的问题：传感器量程的大小；测量的方式；传感器的大小在被测位置上有什么要求；信号的输出方式，非接触式或者是有线的；传感器的价位能不能让人承受。在考虑了以上的问题之后就可以大该确定选用哪种类型的传感器了，最后在考虑一下传感器的具体性能和指标，这里选择GJG100
外形尺寸：260*120*50mm
测量范围：（0--100）%
工作温度：0--40（摄氏度）
输出信号：<5V
工作电压：<18V
风速： <25m/S
响应时间：<50s
3.1.3甲烷传感器的连接思路
图3.1甲烷传感器接口图
甲烷传感器采集到的信号是模拟电信号，而不是数字信号。本系统用的是单片机系统，而单片机接收的是数字信号，所以在甲烷传感器的连接中需要在其余单片机之间加一个能将模拟电信号转化为数字信号的转换器。在protues中加入ADC0808芯片。它有8个采集端口。在protues中用一个0—5V的电位器代替传感器。改变输入电压代替输入信号。如在图3.1中，一个A/D转换器，甲烷传感器接在A/D转换器的IN0接口。因为IN端为转换器的信号输入端（下面会介绍），而且这里就用到一个传感器，为了方便见，这里选择IN0为模拟信号的输入端，将甲烷传感器接到IN0，并且将DA、DB、DC端接地确定IN0选通（下面会介绍）。甲烷传感器将采集到的数据通过IN0接口送给A/D转换器.在后期的仿真调试中证明0—5V的电位器代替传感器是可行的。
3.2 A/D转换电路
3.2.1 A/D转换器的选择要求
由于模拟量信号不能马上被单片机接收，所以A/D转换器将接收到的模拟电压量信号转换后再输入到单片机中进行数据的处理。实际中有许多种A/D转换器的芯片,本次设计选择的是比ADC0808转换器。这是一款比较熟悉的转换器，是ADC0809的简化版，而且应用的也多。可以直接与微处理器的数据总线相连接导出数据。ADC0808方便使用，连接简单，误差小，仿真适用。容易实现与整合的过程，并能达到较高的分辨率和速度，抗干扰能力强。
3.2.2 ADC0808的主要特性
（1）转换时间： 转换时间和芯片时钟的频率有关，
（2）总不可调误差范围： A/D0808±1/2 LSB。
（3）分辨率： 8位。[1]
（4）单一电源： +5V。[1]
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/2028.html
