关键词： 沼气池温度; 发酵温度; MSP430; PID; ZigBee
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）
Keywords： biogas pool; fermentation temperature; MSP430; PID; ZigBee
0 引 言
循环农业是在农业生产中运用了循环经济的理念，通过减少资源、物质的投入量，减少废弃物的产生排放量，从而实现农业经济和生态环境“双赢”。以农业废弃物（养殖、种植和加工）和生活垃圾为原料，产出沼气以提供生活和生产用能，沼渣和沼液可用于农业生产，实现种植、养殖和加工的良性循环，减少环境污染。温度是影响沼气发酵速度的关键，沼气发酵温度的突然变化，对产气量都会有明显的影响，温度变化过大，则产气几乎停止。发酵温度通常划分为3个范围：46～60 ℃称为高温发酵，28～38 ℃称为中温发酵，0～26 ℃称为常温发酵。当发酵温度在8 ℃以下时，仅能产生微量的沼气。所以一天之中对沼气池的温度合理调控将使沼气池的产气量明显提高。
本文介绍一种以MSP430为核心的温度控制系统对沼气池的温度进行控制，在实际应用中具有灵敏度高，反应速度快的特点。
1 系统整体设计
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图1 系统结构框图
2 系统硬件设计
2.1 温度传感器模块
2.2 按键模块
本系统拥有4个按键，其中包括，界面切换，设定，增，减等4个功能键，通过界面切换可以显示当前时间和最近一次测量温度或一天内的温度变化曲线。通过设定键可以修改当前时间，发酵模式和温度控制范围，增减用于设定时间参数及温度参数。键盘与MSP430F449的接口电路如图3所示。
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图3 键盘接口电路
2.3 液晶显示模块
图4 12864模块接口电路
2.4 通信模块
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图5 CC2420接口电路
2.5 可控加热模块
可控加热模块采用的是双向可控硅加热系统，如图6所示。光伏发电系统给整个循环园区提供一定的电能，同时将多余电能储存在蓄电池内，供沼气池加热使用。由蓄电池供电经过DC?DC后电压升至380 V，逆变后转换为380 V交流电，输出至双向控硅电路A，B端，图中R采用阻值大小为70 Ω的电阻丝，加热器最高功率可达到2 000 W。双向可控硅采用移相触发方式，MSP430根据获取的温度信号，输出控制信号至光耦触发电路，通过光耦触发电路控制双向控硅的导通角。
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图6 双向可控硅加热系统
3 系统软件设计
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图7 主程序流程图
在软件设计上充分利用MSP430的低功耗特点，保证仪器具有较长的使用寿命和测量持久性，在进行温度采集时， 系统从活动模式转换为LPM0 工作模式， CPU 进入休眠状态。在不进行温度采集时， 系统进入LPM3工作模式。当任务发生时， 通过中断唤醒CPU， 处理完后再进入低功耗模式。
4 控制算法
本温控系统采用的数字 PID 算法由软件实现，假设采样周期为T第n次采样的输入误差en，en为所选发酵模式温度上下限同实际温度误差的平均值。可得出：
[Un=KPen+1TI i=0nT+TDen-en-1TΔUn=Un-Un-1=P+I+D]
控制量[Un]通过查表法找到对应的输出量，从而改变控硅的导通角，改变输出电流波形的面积，根据冲量等效理论（冲量相等二形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同），控制输出热量。
当|en|M时，用PID控制。偏差小，说明系统温度已经接近设定值，此时加入了积分作用，可以消除系统静差，保证系统的控制精度。当|en|≥M时，用PD控制。偏差大，说明系统温度远离设定值，应快速降温，采用PD控制，可以提高系统的动态响应速度，避免产生过大的超调，减小动态误差。
[SD=380yπsin xdx] （1）
[SE=5.429yπsin xdx] （2）
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图8 双向控规加热系统Simulink仿真图
5 结 语
本系统针对冬季沼气池温度过低导致产气效率低下的问题，对沼气池的温度进行实时监控。根据沼气发酵温控系统的非线性、强耦合、结构参数变化范围较大的特点，采用多发酵模式选择的PID温度控制方式对沼气池温度精确控制。系统同时可以对沼气工作进行远程监控，具有一定的实用性。
参考文献
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