基于虛擬儀器沼氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

潘漢懷,孫岐峰

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,223003）

0 引言

沼氣發(fā)酵過程中，為了給厭氧細(xì)菌提供合適的生存環(huán)境，提高產(chǎn)氣效率，需要對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，本設(shè)計以LabVIEW軟件開發(fā)上位機監(jiān)測界面，通過USB協(xié)議與單片機實現(xiàn)雙向通信，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器、傳感器、電磁閥、繼電器實現(xiàn)對環(huán)境環(huán)境參數(shù)監(jiān)控。系統(tǒng)實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)采集傳輸、界面直觀、費用低廉功能。

1 工作原理

圖1 沼氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖

沼氣池環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括計算機、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器及調(diào)理電路。池內(nèi)參數(shù)由系統(tǒng)內(nèi)傳感器變?yōu)殡娦盘?，輸出電信號?jīng)過調(diào)理電路處理，以模擬電壓信號形式輸出，數(shù)據(jù)采集卡將采集到得電壓信號，通過A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)采集卡通過RS232串口與上位機通信完成環(huán)境參數(shù)檢測，laview通過程序前面板和程序框圖編程，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)控制流程和算法，最終完成沼氣池環(huán)境監(jiān)測與控制。

2 硬件設(shè)計

硬件部分包括PC 機、傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PC機選擇工控機，采取抗干擾措施，有利于系統(tǒng)的可靠運行。系統(tǒng)硬件及實現(xiàn)如圖2和圖3所示，數(shù)據(jù)采集卡采用雙單片機結(jié)構(gòu)，主要包括電源電路、USB通信電路、MCU最小系統(tǒng)、信號處理和其他接口電路。電路內(nèi)部集成了一個3v至5v穩(wěn)壓芯片，支持USB總線供電。在采集卡系統(tǒng)中，大部分外設(shè)集成在單片機內(nèi)部，USB采集卡擴展電路由軟件配置I/O口交叉開關(guān)實現(xiàn)。傳感器輸出模擬信號0-5V電壓信號或4-20mA電流信號，需要統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為電壓信號處理，A/D轉(zhuǎn)換器采用片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，典型值為2.43V，設(shè)計過程中需要對采集信號超過該值時，需做量程轉(zhuǎn)換處理。另外，信號采集和傳遞過程匯總難免噪聲或毛刺干擾，影響采集精度，信號處理電路需設(shè)計低通濾波器對信號預(yù)處理后，再送A/D轉(zhuǎn)換，各通道模擬信號可以采用相同處理方式。

圖2 數(shù)據(jù)采集卡硬件結(jié)構(gòu)

圖3 信號處理電路

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序和PC機labview程序設(shè)計, 主要任務(wù)是流程和算法的實現(xiàn)單片機與上位PC 機進(jìn)行通訊及控制A /D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計算機端主界面控制顯示最終數(shù)據(jù)。

3.1 單片機程序

單片機是系統(tǒng)核心,其功能主要包括控制數(shù)據(jù)采集,信號處理和計算機USB通信等。信號檢測的任務(wù)就是將傳感器采集的電壓信號通過各采集通道輸入到計算機中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的適當(dāng)處理，再實時地顯示出來。采集過程示意圖如圖4所示，針對本系統(tǒng)的實際情況，計算機每秒鐘依次從數(shù)據(jù)采集卡上的通道讀取數(shù)據(jù)30次，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)信號的采樣周期時，對相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，取得系統(tǒng)采樣值，數(shù)據(jù)處理程序框圖如圖5所示，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理中采用了中值濾波等處理方法。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊

圖6 控制流程

圖7 labview軟件實現(xiàn)

3.2 labview程序

對于發(fā)酵工藝參數(shù)的控制，系統(tǒng)采用設(shè)定上下限的方法。將計算機采樣得到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的上下限進(jìn)行比較。如果超出閾值范圍，則由控制模塊發(fā)出信號，命令執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，上下限控制的原理如圖6所示。本系統(tǒng)對沼氣環(huán)境溫度采用模糊控制技術(shù)，PC機端軟件實現(xiàn)如圖7所示。

4 功能調(diào)試

為了驗證電路功能，采用16路模擬輸入，工作頻率50KHz。監(jiān)測系統(tǒng)溫度監(jiān)控部分運行界面如表1所示.

表1 通道內(nèi)部分采集數(shù)據(jù)

通過運行結(jié)果得出以下結(jié)論：本環(huán)境監(jiān)測系具有穩(wěn)定的監(jiān)測功能，實現(xiàn)了對沼氣環(huán)境參數(shù)監(jiān)控，且溫度精度達(dá)到了0.l℃，壓力控制精度達(dá)到10mm水柱,PH值精度在0.1水平，基本滿足和符合了沼氣池環(huán)境測控要求。

5 總結(jié)

本文研究基于虛擬儀器沼氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),以單片機為核心中央處理器通過分步式傳感器實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)采集，采用基于模糊控制的方法處理數(shù)據(jù)，反饋給LabVIEW上位機管理系統(tǒng)，由計算機根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行處理，通過控制算法得到結(jié)果，并將控制結(jié)果傳送給電子閥、繼電器、執(zhí)行電機等，最終使沼氣池工藝參數(shù)達(dá)到最佳水平，使發(fā)酵效率達(dá)到最高。

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