基于虚拟仪器沼气环境监控系统实现

潘汉怀,孙岐峰

（淮安信息职业技术学院,223003）

0 引言

沼气发酵过程中，为了给厌氧细菌提供合适的生存环境，提高产气效率，需要对环境参数进行监控，本设计以LabVIEW软件开发上位机监测界面，通过USB协议与单片机实现双向通信，利用数模转换器、传感器、电磁阀、继电器实现对环境环境参数监控。系统实现了实时数据采集传输、界面直观、费用低廉功能。

1 工作原理

图1 沼气环境监控系统框图

沼气池环境监控系统框图如图1所示，主要包括计算机、数据采集卡、传感器及调理电路。池内参数由系统内传感器变为电信号，输出电信号经过调理电路处理，以模拟电压信号形式输出，数据采集卡将采集到得电压信号，通过A/D 转换为数字信号，数据采集卡通过RS232串口与上位机通信完成环境参数检测，laview通过程序前面板和程序框图编程，实现检测数据和设置参数控制流程和算法，最终完成沼气池环境监测与控制。

2 硬件设计

硬件部分包括PC 机、传感器和数据采集系统。PC机选择工控机，采取抗干扰措施，有利于系统的可靠运行。系统硬件及实现如图2和图3所示，数据采集卡采用双单片机结构，主要包括电源电路、USB通信电路、MCU最小系统、信号处理和其他接口电路。电路内部集成了一个3v至5v稳压芯片，支持USB总线供电。在采集卡系统中，大部分外设集成在单片机内部，USB采集卡扩展电路由软件配置I/O口交叉开关实现。传感器输出模拟信号0-5V电压信号或4-20mA电流信号，需要统一转化为电压信号处理，A/D转换器采用片内基准电压，典型值为2.43V，设计过程中需要对采集信号超过该值时，需做量程转换处理。另外，信号采集和传递过程汇总难免噪声或毛刺干扰，影响采集精度，信号处理电路需设计低通滤波器对信号预处理后，再送A/D转换，各通道模拟信号可以采用相同处理方式。

图2 数据采集卡硬件结构

图3 信号处理电路

3 软件设计

软件设计单片机数据采集系统程序和PC机labview程序设计, 主要任务是流程和算法的实现单片机与上位PC 机进行通讯及控制A /D转换器进行数据采集和计算机端主界面控制显示最终数据。

3.1 单片机程序

单片机是系统核心,其功能主要包括控制数据采集,信号处理和计算机USB通信等。信号检测的任务就是将传感器采集的电压信号通过各采集通道输入到计算机中，然后进行数据的适当处理，再实时地显示出来。采集过程示意图如图4所示，针对本系统的实际情况，计算机每秒钟依次从数据采集卡上的通道读取数据30次，当达到相应信号的采样周期时，对相应的数据通道进行必要的数据处理，取得系统采样值，数据处理程序框图如图5所示，本系统在数据处理中采用了中值滤波等处理方法。

图4 数据采集模块

图5 数据处理模块

图6 控制流程

图7 labview软件实现

3.2 labview程序

对于发酵工艺参数的控制，系统采用设定上下限的方法。将计算机采样得到的数据与系统设定的上下限进行比较。如果超出阈值范围，则由控制模块发出信号，命令执行机构进行自动调节，上下限控制的原理如图6所示。本系统对沼气环境温度采用模糊控制技术，PC机端软件实现如图7所示。

4 功能调试

为了验证电路功能，采用16路模拟输入，工作频率50KHz。监测系统温度监控部分运行界面如表1所示.

表1 通道内部分采集数据

通过运行结果得出以下结论：本环境监测系具有稳定的监测功能，实现了对沼气环境参数监控，且温度精度达到了0.l℃，压力控制精度达到10mm水柱,PH值精度在0.1水平，基本满足和符合了沼气池环境测控要求。

5 总结

本文研究基于虚拟仪器沼气环境监控系统,以单片机为核心中央处理器通过分步式传感器实现对环境参数采集，采用基于模糊控制的方法处理数据，反馈给LabVIEW上位机管理系统，由计算机根据设定参数进行处理，通过控制算法得到结果，并将控制结果传送给电子阀、继电器、执行电机等，最终使沼气池工艺参数达到最佳水平，使发酵效率达到最高。

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