基于MSP430的沼氣池溫度控制系統(tǒng)設計

摘 "要： 以超低功耗單片機MSP430F449作為核心，設計了一套農業(yè)循環(huán)園區(qū)沼氣池溫度控制系統(tǒng)。采用DS18B20采集沼氣池溫度，并通過PID控制方式實現對沼氣池溫度的閉環(huán)控制。系統(tǒng)可以通過ZigBee網絡與遠端上位機通信，實現溫度數據的實時上傳。仿真數據表明系統(tǒng)具備一定的溫度控制精度，可以實現對沼氣池溫度的控制。

關鍵詞： 沼氣池溫度; 發(fā)酵溫度; MSP430; PID; ZigBee

中圖分類號： TN710?34 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0083?03

Design of MSP430?based temperature control system for biogas pool

ZHANG Yang， ZHANG Ya， JIN Kun

（Electricity Information Engineering Institute， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232000， China）

Abstract： A temperature control system for biogas pool in agricultural circulation park was designed by taking the ultra?low power MCU MSP430F449 as its core. DS18B20 is used to collect temperature of the biogas pool. The closed?loop control of the biogas pool temperature is controlled by PID. The real?time temperature data upload is realized by remote host computer through ZigBee network. The simulation experimental results show that the system has a certain temperature control precision， and can achieve the temperature control of the biogas pool.

Keywords： biogas pool; fermentation temperature; MSP430; PID; ZigBee

0 "引 "言

循環(huán)農業(yè)是在農業(yè)生產中運用了循環(huán)經濟的理念，通過減少資源、物質的投入量，減少廢棄物的產生排放量，從而實現農業(yè)經濟和生態(tài)環(huán)境“雙贏”。以農業(yè)廢棄物（養(yǎng)殖、種植和加工）和生活垃圾為原料，產出沼氣以提供生活和生產用能，沼渣和沼液可用于農業(yè)生產，實現種植、養(yǎng)殖和加工的良性循環(huán)，減少環(huán)境污染。溫度是影響沼氣發(fā)酵速度的關鍵，沼氣發(fā)酵溫度的突然變化，對產氣量都會有明顯的影響，溫度變化過大，則產氣幾乎停止。發(fā)酵溫度通常劃分為3個范圍：46～60 ℃稱為高溫發(fā)酵，28～38 ℃稱為中溫發(fā)酵，0～26 ℃稱為常溫發(fā)酵。當發(fā)酵溫度在8 ℃以下時，僅能產生微量的沼氣。所以一天之中對沼氣池的溫度合理調控將使沼氣池的產氣量明顯提高。

本文介紹一種以MSP430為核心的溫度控制系統(tǒng)對沼氣池的溫度進行控制，在實際應用中具有靈敏度高，反應速度快的特點。

1 "系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)以MSP430單片機為核心，通過DS18B20采集溫度參數，送入FLASH進行存儲;12864作為顯示輸出模塊;當沼氣池溫度低于設定溫度范圍，對沼氣池溫度進行PID控制;遠端上位機通過ZigBee網絡將服務器指令發(fā)送給控制終端的MSP430處理器，MSP430對服務器指令進行解析和執(zhí)行，并通過ZigBee網絡將實時溫度數據上傳至遠端上位機。

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圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 "系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件電路由微處理器、溫度傳感器模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、通信模塊、可控加熱模塊等組成。微處理器采用的是MSP430系列單片機MSP430F449，具有超低功耗、功能強大的特點。MSP430F449內部配置有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器，12位A/D轉換器帶有內部參考源，16位精簡指令結構，2個串行通信接口（USART），以及160段LCD驅動器，可編程電壓檢測器，FLASH存儲器多達60 KB+256 B，RAM多達2 KB等。整體而言MSP430F449性能穩(wěn)定，頻率較高，是上佳選擇。

2.1 "溫度傳感器模塊

系統(tǒng)采用數字溫度傳感器DS18B20，電壓范圍為3.0～5.5 V ，無需備用電源 測量溫度范圍為-55～125 ℃。

-10～85 ℃范圍內精度為±0.5 ℃。溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，溫度轉換為12位數字格式最大值為750 ms，滿足測量要求。DS18B20與MSP430F449的接口電路如圖2所示。根據溫度測量的需要，在沼氣池的三個位置安裝了DS18B20，對這三點溫度進行測量，通過對三點溫度取平均值求得沼氣池的溫度。

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圖2 DS18B20與MSP430連接電路圖

2.2 "按鍵模塊

本系統(tǒng)擁有4個按鍵，其中包括，界面切換，設定，增，減等4個功能鍵，通過界面切換可以顯示當前時間和最近一次測量溫度或一天內的溫度變化曲線。通過設定鍵可以修改當前時間，發(fā)酵模式和溫度控制范圍，增減用于設定時間參數及溫度參數。鍵盤與MSP430F449的接口電路如圖3所示。

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圖3 鍵盤接口電路

2.3 "液晶顯示模塊

12864是一款低功耗的點陣圖形式LCD，顯示格式為128（列）×64（行），工作電壓為（±5.0±0.5） V。VSS為模塊電源地、VDD為模塊電源正端、V0為LCD驅動電壓輸入端、RS為并行的指令/數據選擇信號、R/W為并行的讀寫選擇信號口、E并行的使能信號、DB0～DB7為數據總線，CS1，CS2為片選信號腳、RST為復位信號、Vee為10 V輸出端。BL-，BL+分別為背光源正極和負極。12864與MSP430F449的接口電路如圖4所示。lt;E：＼王芳＼現代電子技術201506＼現代電子技術15年38卷第6期＼Image＼31t4.tifgt;

圖4 12864模塊接口電路

2.4 "通信模塊

通信芯片采用的是ZigBee 兼容芯片CC2420，它是一款符合2.4 GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器。CC2420包括一個數字的DSSS基帶Modem，可以提供9 dB的擴頻增益和250 Kb/s的有效數據率。通過CC2420可將沼氣池溫度定時上傳主機，主機可根據未來的溫度變化情況設置發(fā)酵方式，CC2420與MSP430的接口如圖5所示。

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圖5 CC2420接口電路

2.5 "可控加熱模塊

可控加熱模塊采用的是雙向可控硅加熱系統(tǒng)，如圖6所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)給整個循環(huán)園區(qū)提供一定的電能，同時將多余電能儲存在蓄電池內，供沼氣池加熱使用。由蓄電池供電經過DC?DC后電壓升至380 V，逆變后轉換為380 V交流電，輸出至雙向控硅電路A，B端，圖中R采用阻值大小為70 Ω的電阻絲，加熱器最高功率可達到2 000 W。雙向可控硅采用移相觸發(fā)方式，MSP430根據獲取的溫度信號，輸出控制信號至光耦觸發(fā)電路，通過光耦觸發(fā)電路控制雙向控硅的導通角。

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圖6 雙向可控硅加熱系統(tǒng)

3 "系統(tǒng)軟件設計

IAR的Embedded Workbench為開發(fā)MSP430目標處理器項目提供了強有力的開發(fā)環(huán)境，為每一種目標處理器提供工具選擇。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后，各模塊復位和初始化;如有鍵按下，對按鍵進行處理; DS18B20采集沼氣池溫度，MSP430讀取溫度參數;將溫度參數送至12864顯示;同時將溫度參數上傳至遠端上位機。根據PID算法輸出相應的控制量，通過光耦觸發(fā)電路，改變雙向控硅的導通角，對加熱量進行控制。MSP430再次讀取溫度參數，重復以上步驟。

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圖7 主程序流程圖

在軟件設計上充分利用MSP430的低功耗特點，保證儀器具有較長的使用壽命和測量持久性，在進行溫度采集時， 系統(tǒng)從活動模式轉換為LPM0 工作模式， CPU 進入休眠狀態(tài)。在不進行溫度采集時， 系統(tǒng)進入LPM3工作模式。當任務發(fā)生時， 通過中斷喚醒CPU， 處理完后再進入低功耗模式。

4 "控制算法

本溫控系統(tǒng)采用的數字 PID 算法由軟件實現，假設采樣周期為T第n次采樣的輸入誤差en，en為所選發(fā)酵模式溫度上下限同實際溫度誤差的平均值?？傻贸觯?/p>

[Un=KPen+1TI i=0nT+TDen-en-1TΔUn=Un-Un-1=P+I+D]

式中：[P=KPen-en-1;I=KITTIen=KIen;D=KDTDT·][en-2en-1+en-2=KDen-2en-1+en-2]。計算[ΔUn]只需保留當前時刻[en]以及以前的兩個偏差[en-1]和[en-2]，初時值[en-1=en-2=0]，根據參數P，I，D以及[en-1，en-2]計算[ΔUn]，控制輸出量[Un=Un-1+ΔUn=Un-1+][P+I+D]。

控制量[Un]通過查表法找到對應的輸出量，從而改變控硅的導通角，改變輸出電流波形的面積，根據沖量等效理論（沖量相等二形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時其效果基本相同），控制輸出熱量。

當|en|lt;M時，用PID控制。偏差小，說明系統(tǒng)溫度已經接近設定值，此時加入了積分作用，可以消除系統(tǒng)靜差，保證系統(tǒng)的控制精度。當|en|≥M時，用PD控制。偏差大，說明系統(tǒng)溫度遠離設定值，應快速降溫，采用PD控制，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，避免產生過大的超調，減小動態(tài)誤差。

通過Matlab的Simulink軟件包對加熱系統(tǒng)的工作情況進行仿真，通過示波器可以觀察加負載端的電流及電壓波形變化，通過改變控硅導通角，控制輸出電流及電壓波形。圖8為加熱系統(tǒng)仿真圖。

輸入電壓設為380 V，50 Hz，電阻值為70 Ω，通過改變PWM的導通角，控制輸出電壓和電流波形面積，根據式（1），式（2）求得電壓，電流波形的面積，當0≤y≤π時，通過改變y取值可以改變輸出功率，當y=0時，輸出功率為2 062.86 W;當y=30°時，輸出功率為1 795.75 W;當y=60°時，輸出功率為1 160.358 75 W。通過仿真可以看出通過調節(jié)控硅導通角對加熱溫度的控制是精確的，滿足實驗要求。

[SD=380yπsin xdx] （1）

[SE=5.429yπsin xdx] （2）

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圖8 雙向控規(guī)加熱系統(tǒng)Simulink仿真圖

5 "結 "語

本系統(tǒng)針對冬季沼氣池溫度過低導致產氣效率低下的問題，對沼氣池的溫度進行實時監(jiān)控。根據沼氣發(fā)酵溫控系統(tǒng)的非線性、強耦合、結構參數變化范圍較大的特點，采用多發(fā)酵模式選擇的PID溫度控制方式對沼氣池溫度精確控制。系統(tǒng)同時可以對沼氣工作進行遠程監(jiān)控，具有一定的實用性。

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