基于單片機的沼氣與光熱互補供電控制系統的設計

吳仕宏++周海鵬

摘要：針對農業生產過程中的用電特點，設計1套基于單片機的沼氣與光熱互補供電控制系統，通過對沼氣與光熱發電過程中各階段信號的采樣，對采集的信號進行處理，控制沼氣發電與光熱發電協調工作，以互補供電的方式對用戶進行供電。通過運用Proteus軟件對系統的信號采集及控制過程進行仿真，并對仿真數據進行分析，驗證該系統符合設計目的。該系統以STC89C52單片機為核心，設計精簡，適用性強，可廣泛用于其他多能互補的智能控制環節。

關鍵詞：單片機；沼氣與光熱；互補供電；智能控制系統；仿真結果分析

中圖分類號： TM564.8；TM762.1；TK323文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0200-04

電力系統及其自動化與清潔能源利用方面的教學與研究工作。E-mail：shihong.1@163.com。

[ZK）]

沼氣與太陽能都是我國農村較為豐富的自然資源，多能互補是按照不同資源條件和用能對象，實現多種能源互相補充，以緩解能源供需矛盾。將沼氣與光熱相結合便是多能互補的一種形式，這種多能互補形式在我國大多數農村地區的生產和生活中都較為適用，不僅可以節省資源，而且不會破壞自然環境[1-4]。自動控制環節是這種互補供電過程中不可缺少的一部分。本研究設計1套控制系統，以滿足沼氣與光熱互補供電的智能控制過程的需要。

1控制系統所要實現的功能[5]

光熱發電系統、沼氣發電系統、控制系統、蓄電池組、市電供電系統間的關聯及各部分間信號傳輸原理見圖1。控制系統要完成的控制過程有以下5步。（1）當光熱發電系統進入正常工作狀態，并且發電機發出穩定持續的電能可以供負載使用時，模擬信號IN1高于臨界值（將各個系統能維持正常工作的最低電壓的模擬量設為臨界值），控制系統收到信號后，控制信號OUT1控制光熱發電系統接入輸電線路，OUT3控制沼氣發電系統與輸電線路斷開，OUT2控制沼氣發電系統停止發電，OUT4控制蓄電池組與輸電線路斷開。（2）當光熱發電系統由于日夜更替及天氣原因而導致光熱系統中的氣壓發電機停止工作時，模擬信號IN1低于臨界值，控制系統收到信號后，OUT4控制蓄電池組接入輸電線路向輸電線路輸送電力，OUT1控制光熱發電系統與輸電線路斷開連接，OUT2控制沼氣發電系統開始工作。（3）由于沼氣發電系統須工作一段時間后沼氣發電機才可正常運轉，所以對沼氣發電系統塊有2個部分的控制，當沼氣發電系統可以輸出充足電能時，模擬信號IN2高于臨界值，控制系統收到信號后，OUT3控制沼氣發電系統向輸電線路輸送電力，OUT4控制蓄電池組與輸電線路斷開連接。（4）當光熱發電系統、沼氣發電系統及蓄電池組都無法正常供電時，OUT1、OUT3、OUT4分別控制沼氣發電系統、光熱發電系統及蓄電池組均與輸電線路斷開連接，OUT5控制市電接入輸電線路。（5）當輸電線路電壓異常時，模擬信號IN4的模擬量低至系統最小工作電壓或高于最大工作電壓時，內部、外部報警器報警。這5個過程循環往復可使整個系統實現不間斷供電的目的。

2主控部分硬件和軟件的設計

2.1控制系統的結構[6-7]

如圖2所示，控制系統以STC89C52單片機為核心，分為信號采集模塊、控制模塊、顯示模塊與報警模塊。控制器內的元器件都焊接到同一塊印制電路板（PCB）上。在信號采集模塊中，電壓傳感器將采集的模擬信號通過模擬信號與數字信號（AD）轉換器以數字信號的方式傳輸到單片機內。在控制模塊中，單片機將控制信號傳輸至5個繼電器，通過繼電器控制各個系統的工作狀態。在顯示模塊中，控制器通過8個LED燈和1個液晶顯示器來顯示整個沼氣光熱混合供電系統的工作狀態。在報警模塊中，以嗡鳴器作為控制器的內部報警裝置，并通過繼電器與外部報警器相連。

[FL（2K2]2.2信號采集模塊的設計

模擬信號采用型號為CHV-25P/400的閉環霍爾電壓傳感器來收集，該傳感器的額定電壓400 V，測量范圍-600～600 V，可將被測電壓的有效值轉化為0～5 V之間的模擬信號。該型號的電壓傳感器在沼氣光熱混合供電系統中用于光熱發電系統、沼氣發電系統、蓄電池組輸出電壓的采樣及輸電線路電壓的采樣。選用PCF8591作為控制系統中的AD轉換器，PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出、1個串行I2C總線接口。信號采集模塊中共有4個電壓傳感器（a、b、c、d），分別用來進行光熱系統、沼氣系統、蓄電池組的輸出電壓及輸電線路電壓的采集，并且將采集的數據以模擬信號的形式傳輸到A/D轉換器PCF8591的4個接收端口（AIN0、AIN1、AIN2、AIN3）；PCF8591的電源（VCC）接5V電壓；時鐘信號線（SCL）（C6）與數據線（SDA）（C7）分別與單片機的P0.6、P0.7口相連；A/D轉換器將模擬信號轉化為數字信號后，通過P0.6、P0.7端口將數字信號傳輸到單片機STC89C52中。

2.3控制模塊的設計

在沼氣光熱混合供電系統中，各個供電部分與輸電線路的連通與斷開都通過繼電器來控制。本研究設計的控制系統選用型號為9012的簧片繼電器，線圈電壓為12V。繼電器a用來控制光熱系統與輸電線路的連接狀態，繼電器b用來控制沼氣發電系統與輸電線路的連接狀態，繼電器c用來控制沼氣發電系統的啟動與關閉，繼電器d用來控制蓄電池組與輸電線路的連接狀態，繼電器e用來控制市電與輸電線路的連接狀態。

2.4軟件設計[8]

主控制程序流程如圖3所示，根據系統所要實現的功能，以設計好的系統硬件電路為基礎進行系統的軟件設計。

3系統的仿真與結果

3.1仿真電路的設計

在Proteus軟件中繪制好系統電路圖后，對系統的主要功

能（采樣過程、自動控制過程）進行仿真，在1min內模擬出系統的所有自動控制過程。將供電系統最低工作電壓的模擬信號設為+2 V，在仿真時，用1個周期為10 s，波峰波谷均為 4 s，上升沿、下降沿均為1 s，峰值為+2.5 V（將+2.5 V設為供電系統標準工作電壓的模擬信號值）的脈沖模擬信號作為傳感器a輸出的模擬信號（光熱系統輸出電壓的模擬信號）傳輸到PCF8591的AIN0口。沼氣發電系統的輸出電壓的模擬信號，即傳感器b的輸出信號，利用1個繼電器m及STC89C52單片機上空懸的P3.0、P3.1端口，可以設計出1個替代沼氣發電系統的模擬電路。如圖4所示，當P0.0為高電平時，控制沼氣發電系統運作的繼電器b的開關向下閉合，P3.0收到高電平信號，通過編程使得P3.0收到高電平信號后，單片機STC89C52再經過1 s后，P3.1輸出高電平，使繼電器m開關向下閉合，于是+2.5 V的電壓便輸入到A/D轉換器PCF8591的AIN1口，這一過程可以模擬出沼氣發電系統運行一段時間后發電機才可正常供電的特點。用圖5所示方式模擬出傳感器d輸出的模擬信號，當P0.3輸出高電平時，會有+2.5 V電壓輸入到AIN2中，用1個波峰為30 s、起始電壓為+2.5 V的單邊下降脈沖模擬信號作為傳感器c輸出的模擬信號（蓄電池組輸出的電壓模擬信號）傳輸到PCF8591的AIN2口。仿真時，以電壓探針探測輸入系統的模擬信號及控制各個繼電器的數字信號，在電路中加入計時器電路用于計時，通過對信號的記錄、分析來檢驗系統是否達到設計目的。

3.2仿真結果及分析

運行仿真電路后每0.2 s對輸入模擬信號進行1次記錄，得出圖6的模擬信號隨時間變化曲線，以及圖7的繼電器開合狀態隨時間變化。從圖6可以清晰地觀察到AIN0、AIN1、AIN2隨時間變化的曲線。對圖6、圖7進行分析可發現，控制系統可以使沼氣與光熱互補供電過程中的電能輸出達到不間斷供應的效果。

仿真過程中記錄數據的時間間隔為0.2 s，對于長時間工作的供電系統來說，通過這種方式記錄的數據已經能夠反映實際結果。通過對仿真后得到的數據及圖6與間的對比，表明該系統的自動控制過程達到預期效果，可以達到設計的目的。

4結論

本研究設計了1套自動控制系統，用這套系統來控制沼氣發電與光熱發電協同供電，保持沼氣與光熱混合供電過程的協調性，實現弱電控制強電的目的。對該控制系統編程后，通過在仿真過程中不斷記錄數據并對數據進行分析，由分析結果可知，當各個模擬信號發生變化時，系統中的繼電器也進行了相應的開合動作。本系統很好地完成了系統的設計要求，達到了設計的目的。在農業的生產及生活中，沼氣與光熱的結合能帶來巨大的經濟效益，并對環境保護起到較大作用。

參考文獻：

[1]Mishra S，Panigrahi C K，Kothari D P. Design and simulation of a solar-wind-biogas hybrid system architecture using HOMER in India[J]. International Journal of Ambient Energy，2017，37（2）：1-8.

[2]馬藝瑋，楊蘋，吳捷，等. 孤島型混合可再生能源發電系統的優化設計[J]. 華南理工大學學報（自然科學版），2012，40（11）：113-120.

[3]程遠東，曾寶國. 2 kW沼光互補一體化智能發電系統研究[J]. 現代電子技術，2011，34（11）：192-194，201.

[4]吳志鋒，舒杰，崔瓊. 多能互補微電網系統組網及控制策略研究[J]. 可再生能源，2014，32（1）：44-48.

[5]宋旭日，葉林. 風/光/柴多能互補發電系統優化配置研究[J]. 電網與清潔能源，2011，27（5）：66-72.

[6]李麗麗，施偉. 太陽能聯合鍋爐沼氣池智能溫控系統設計與應用[J]. 江蘇農業科學，2012，40（1）：343-346.

[7]張德民，劉洪錦，高強，等. 電梯雙電源供電裝置PLC控制系統設計[J]. 電氣傳動，2012，42（8）：68-72.

[8]賞星耀，項新建. 雙電源智能自動切換系統的研究[J]. 機電工程，2006，23（7）：18-20.