《質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）結(jié)構(gòu)原理及溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》7500字（論文）

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）結(jié)構(gòu)原理及溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘要 圖4溫控流程圖3.2顯示電路顯示器所使用的是4位7段式共陰數(shù)碼管顯示器，該顯示器通過線路與單片機(jī)的P0.0至P0.7八個(gè)端口進(jìn)行連接，并通過外部的電路供電，用上拉電阻對(duì)端口傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)電流用來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的正常工作[13]。顯示數(shù)碼管的第6腳進(jìn)行接地，顯示精確值為0.1℃，數(shù)碼管電路如圖5所示。圖5數(shù)碼管顯示電路3.3DS18B20溫度傳感器檢測(cè)電路通過溫度傳感器DS18B20將采集到的溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)據(jù)總線傳送到單片機(jī)的P1.0端口，DS18B20溫度傳感器電路如圖6所示。圖6溫度傳感器檢測(cè)電路3.4按鍵電路如圖7所示，按鍵電路主要是由K4、K3、K2三個(gè)按鍵來對(duì)溫度的上下限進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。K4按鍵與51單片機(jī)的P3.1端口進(jìn)行連接。K3按鍵與51單片機(jī)的P3.2接口進(jìn)行連接。K2按鍵與51單片機(jī)的P3.3接口進(jìn)行連接，而三個(gè)按鍵的一端為公共端進(jìn)行接地。通過按動(dòng)按鍵產(chǎn)生高低高的信號(hào)，取其中的低電平作為有效信號(hào)，當(dāng)按下任意一個(gè)按鍵，產(chǎn)生信號(hào)通過對(duì)應(yīng)的端口傳送到單片機(jī)中，經(jīng)過軟件程序的處理裝換成相應(yīng)的命令[14]。1.K4是減少數(shù)值的按鍵，每按動(dòng)一次按鍵溫度的上下限數(shù)值會(huì)往下調(diào)1℃。2.K3是增加數(shù)值的按鍵，每按動(dòng)一次按鍵溫度的上下限數(shù)值會(huì)往上調(diào)1℃。3.K2是功能切換的按鍵，可切換到顯示器顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度數(shù)值或設(shè)定值。圖7按鍵電路3.5報(bào)警電路蜂鳴器報(bào)警電路如圖8所示。通過單片機(jī)的P1.1端口與單片機(jī)進(jìn)行連接，采用的是三極管Q1高電平驅(qū)動(dòng)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的溫度，達(dá)到預(yù)設(shè)在單片機(jī)內(nèi)部的溫度過高報(bào)警值時(shí)BUZ1蜂鳴器便會(huì)接通發(fā)出警報(bào)。圖8顯示報(bào)警電路第4章軟件程序設(shè)計(jì)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的功能是通過單片機(jī)電路的軟件實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)必須有完整的設(shè)備來運(yùn)行，當(dāng)設(shè)備在很大程度上被使用時(shí)，軟件的功能可以在很大程度上得到確定。軟件功能組件可以分為兩大類:控制程序(主軟件)，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的中心，專門設(shè)計(jì)來協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)單元與操作關(guān)系。第二個(gè)程序是執(zhí)行(子例程)的軟件，用于測(cè)量、計(jì)算、演示、通信等技術(shù)問題。每個(gè)執(zhí)行程序都是執(zhí)行單位。在這里，每個(gè)實(shí)現(xiàn)單元、功能和連接定義每個(gè)實(shí)現(xiàn)單元。執(zhí)行單位的工作完成后，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)過程。最適當(dāng)?shù)目刂瞥绦蚪Y(jié)構(gòu)必須首先根據(jù)系統(tǒng)的總體功能選擇，然后根據(jù)時(shí)間需要對(duì)監(jiān)測(cè)方案和執(zhí)行單位的位置分布進(jìn)行調(diào)整。4.1程序組成系統(tǒng)程序組成主要有系統(tǒng)主程序，讀出溫度子程序，寫入子程序，門限調(diào)節(jié)子程序等。4.1.1主程序主要是負(fù)責(zé)對(duì)溫度傳感器檢測(cè)溫度的顯示，將DS18B20溫度傳感器測(cè)得的溫度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度測(cè)量刷新率是每秒一次，然后通過使用溫度子程序把存入內(nèi)存中的整數(shù)與小數(shù)部分分別儲(chǔ)存在兩個(gè)不同的單元內(nèi)，然后再通過調(diào)用子程序顯示出來。圖9主程序4.1.2讀出溫度子程序讀出溫度子程序主要是讀出緩存器中的9字節(jié)，一般在讀出時(shí)需要對(duì)CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)如不正確則不對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行改寫，程序流程圖如圖10所示。圖10讀出子程序4.1.3寫入子程序圖11寫入子程序4.1.4門限調(diào)節(jié)子程序圖12門限調(diào)節(jié)子程序4.2仿真4.2.1仿真軟件文中所使用的Proteus是英國公司設(shè)計(jì)的一款功能強(qiáng)大的仿真軟件，不僅能夠?qū)Ω鞣N單片機(jī)進(jìn)行仿真，而且擁有其他EDA工具所有的仿真功能。能夠?qū)崿F(xiàn)從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程到系統(tǒng)仿真再到最后的PCB設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從構(gòu)思到生產(chǎn)的完整流程，還能夠幫助用戶進(jìn)行模擬電路的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行，被廣泛使用在教學(xué)和工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，是電路從業(yè)者的必備軟件之一。4.2.2仿真結(jié)果要進(jìn)行系統(tǒng)性的仿真首先要先正確安裝仿真軟件，本文所采用的是proteus軟件，安裝完成后打開軟件選擇工具欄中的元器件列表，輸入相關(guān)器件型號(hào)分別查找到AT89S51單片機(jī)、DS18B20、四位七段式數(shù)碼管等元件模塊，以及相關(guān)的一些電阻電容以及按鍵等器件，將這些器件正確放置在繪圖區(qū)域并排列合理，然后用導(dǎo)線將各個(gè)元件進(jìn)行連接，并將每個(gè)器件的正確數(shù)值輸入。繪制完成后用編譯軟件進(jìn)行編譯將軟件寫入到單片機(jī)，點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕觀察仿真結(jié)果。仿真圖如圖13所示。圖13仿真結(jié)果圖要保證質(zhì)子交換膜燃料電池的堆芯溫度保持在60℃左右，要手動(dòng)設(shè)置51單片機(jī)的溫度上下限分別為61℃與59℃，當(dāng)溫度傳感器的溫度在59℃以下時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)加熱器，當(dāng)溫度達(dá)到61℃時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行，單片機(jī)會(huì)將溫度傳感器在堆芯內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳送到顯示器上，開始仿真后，等待一段時(shí)間，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后觀察顯示屏上所顯示的實(shí)時(shí)溫度始終在60℃左右跳動(dòng)。由結(jié)果可知當(dāng)電堆溫度過低系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行加熱，從而使電堆內(nèi)部的溫度保持恒定，達(dá)到了系統(tǒng)所預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。第5章全文總結(jié)質(zhì)子交換膜燃料電池是一種新興的清潔能源系統(tǒng)，在社會(huì)各方面得到了廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)在的燃油車污染問題和普通蓄電電池能量密度和充電速度無法得到解決的情況下，燃料電池必將迎來不斷發(fā)展[15]，溫度是影響燃料電池運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素之一，而且也成為燃料電池商業(yè)化的較大障礙，本文通過進(jìn)行燃料電池的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，在弄清了燃料電池的工作原理和影響因素后，最終設(shè)計(jì)了該燃料電池溫度控制系統(tǒng)，通過51單片機(jī)對(duì)溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行分析處理，當(dāng)燃料電池的溫度問題無法得到解決的情況下，會(huì)引起電池一系列的問題，比如燃料利用率低、功率減小等。本文主要做了以下方面的工作：在分析了溫度對(duì)于燃料電池性能的影響后，確定了采用使用電熱器對(duì)水箱中的水進(jìn)行加熱然后利用水循環(huán)的方式來對(duì)燃料電池進(jìn)行溫度控制，并采用單片機(jī)作為主控器的燃料電池溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，完整的完成了系統(tǒng)方案的軟件和硬件的設(shè)計(jì)，在經(jīng)過proteus軟件的仿真后，觀察到溫度可以穩(wěn)定的在60℃左右波動(dòng)，總合分析，可以得出本文所設(shè)計(jì)的燃料電池溫度控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)期望值一致，證明設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)對(duì)燃料電池溫度的控制是有效的可行。但是由于燃料電池本身的復(fù)雜性以及本人的所學(xué)知識(shí)能力有限，因此，本文在研究的內(nèi)容難免有一定的不足之處，比如設(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)只能對(duì)燃料電池的溫度進(jìn)行簡單加熱控制，而燃料電池運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量使電堆溫度不斷升高，這個(gè)問題還有待解決。參考文獻(xiàn)[1]王誠．燃料電池技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．新材料產(chǎn)業(yè)，2017，2:37～43．[2]彭躍進(jìn)．質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2020：8～12．[3]衣寶廉．燃料電池-原理·技術(shù)·運(yùn)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020：7～18．[4]宋英睿．基于PIC的PEMFC控制器設(shè)計(jì)[D]．昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016：29～33．[5]許志梅．質(zhì)子交換膜燃料電池的控制與設(shè)計(jì)[D]．南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2019：11～32．[6]林建祺．燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)建模與控制研究[D]．武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2017：22～38．[7]陳海霞．基于MCU燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制研究[D]．東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2020：10～34．[8]李廣弟．單片機(jī)基礎(chǔ)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2018：9～18．[9]康桂花．PLC在數(shù)碼顯示器中的軟硬件設(shè)計(jì)[J]．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2018，11(5)：12～13．[10]張宇君．微型燃料電池的研究進(jìn)展[J]．微納電子與智能制造，2017，3：33～55．[11]吳正輝．基于DSPIC+CPLD的燃料電池控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012：10～19．[12]歐陽旭．PEMFC燃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