基于虛擬儀器沼氣環境監控系統實現

潘漢懷,孫岐峰

（淮安信息職業技術學院,223003）

0 引言

沼氣發酵過程中，為了給厭氧細菌提供合適的生存環境，提高產氣效率，需要對環境參數進行監控，本設計以LabVIEW軟件開發上位機監測界面，通過USB協議與單片機實現雙向通信，利用數模轉換器、傳感器、電磁閥、繼電器實現對環境環境參數監控。系統實現了實時數據采集傳輸、界面直觀、費用低廉功能。

1 工作原理

圖1 沼氣環境監控系統框圖

沼氣池環境監控系統框圖如圖1所示，主要包括計算機、數據采集卡、傳感器及調理電路。池內參數由系統內傳感器變為電信號，輸出電信號經過調理電路處理，以模擬電壓信號形式輸出，數據采集卡將采集到得電壓信號，通過A/D 轉換為數字信號，數據采集卡通過RS232串口與上位機通信完成環境參數檢測，laview通過程序前面板和程序框圖編程，實現檢測數據和設置參數控制流程和算法，最終完成沼氣池環境監測與控制。

2 硬件設計

硬件部分包括PC 機、傳感器和數據采集系統。PC機選擇工控機，采取抗干擾措施，有利于系統的可靠運行。系統硬件及實現如圖2和圖3所示，數據采集卡采用雙單片機結構，主要包括電源電路、USB通信電路、MCU最小系統、信號處理和其他接口電路。電路內部集成了一個3v至5v穩壓芯片，支持USB總線供電。在采集卡系統中，大部分外設集成在單片機內部，USB采集卡擴展電路由軟件配置I/O口交叉開關實現。傳感器輸出模擬信號0-5V電壓信號或4-20mA電流信號，需要統一轉化為電壓信號處理，A/D轉換器采用片內基準電壓，典型值為2.43V，設計過程中需要對采集信號超過該值時，需做量程轉換處理。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，信號處理電路需設計低通濾波器對信號預處理后，再送A/D轉換，各通道模擬信號可以采用相同處理方式。

圖2 數據采集卡硬件結構

圖3 信號處理電路

3 軟件設計

軟件設計單片機數據采集系統程序和PC機labview程序設計, 主要任務是流程和算法的實現單片機與上位PC 機進行通訊及控制A /D轉換器進行數據采集和計算機端主界面控制顯示最終數據。

3.1 單片機程序

單片機是系統核心,其功能主要包括控制數據采集,信號處理和計算機USB通信等。信號檢測的任務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，然后進行數據的適當處理，再實時地顯示出來。采集過程示意圖如圖4所示，針對本系統的實際情況，計算機每秒鐘依次從數據采集卡上的通道讀取數據30次，當達到相應信號的采樣周期時，對相應的數據通道進行必要的數據處理，取得系統采樣值，數據處理程序框圖如圖5所示，本系統在數據處理中采用了中值濾波等處理方法。

圖4 數據采集模塊

圖5 數據處理模塊

圖6 控制流程

圖7 labview軟件實現

3.2 labview程序

對于發酵工藝參數的控制，系統采用設定上下限的方法。將計算機采樣得到的數據與系統設定的上下限進行比較。如果超出閾值范圍，則由控制模塊發出信號，命令執行機構進行自動調節，上下限控制的原理如圖6所示。本系統對沼氣環境溫度采用模糊控制技術，PC機端軟件實現如圖7所示。

4 功能調試

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

表1 通道內部分采集數據

通過運行結果得出以下結論：本環境監測系具有穩定的監測功能，實現了對沼氣環境參數監控，且溫度精度達到了0.l℃，壓力控制精度達到10mm水柱,PH值精度在0.1水平，基本滿足和符合了沼氣池環境測控要求。

5 總結

本文研究基于虛擬儀器沼氣環境監控系統,以單片機為核心中央處理器通過分步式傳感器實現對環境參數采集，采用基于模糊控制的方法處理數據，反饋給LabVIEW上位機管理系統，由計算機根據設定參數進行處理，通過控制算法得到結果，并將控制結果傳送給電子閥、繼電器、執行電機等，最終使沼氣池工藝參數達到最佳水平，使發酵效率達到最高。

[1]魯進軍.基于無線傳感器網絡的蔬菜大棚監測系統設計與實現.武漢理工大學2009

[2]高傳慶.王靜.谷巍.王振幾種促進沼氣發酵產氣的途徑.山東畜牧獸醫2010

[3]高占鳳等.基于LabVIEW的遠程數據采集與傳輸系統.微電子學與計算機.2007

[4]顧書敏.基于虛擬儀器的沼氣發酵環境監控系統的研究.碩士學位論文.2008

[5]杜青等.基于LabVIEW 和USB-CAN卡的實時數據采集系統及應用.電子技術應用.2007