1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 微生物燃料电池内阻测试仪设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 微生物燃料电池内阻测试仪设计 摘要 微生物燃料电池 (MFC) 是一个微生物催化有机化学能直接转化为电能的生物反应器 。 微生物燃料电池 同时能 净化污水 和 收获电能 ，这样 可以 降低污水处理的成本 ， 因而近年 来 受到了广泛关注 。然而 ， 目前 MFC 输出功率 还 很低 ， 比普通的氢气燃料电池要低 3-4 个数量级，微生物燃料电池 的产电能力通常是用最大输出功率密度来衡量的，当外电阻等于电池的内阻
2、时，外部电池输出功率达到最大。 研究表明 ， 内阻是限制微生物燃料电池产能的 一个 重要因素 ，而测量 MFC 内阻的组成是提高 MFC 产电能力的前提 。本文 总结了 目前国内外有关微生物燃料电池内阻的研究成果 ， 系统介绍了 微 生物燃料电池内阻 的 构成 、 定义 形式 和常用的 测量微生物燃料电池内阻 的 方法 ，设计了一个 微生物燃料电池内阻 测试的仪器 ，该仪器可以方便的测出微生物燃料电池的内阻，以期为提高 MFC 产电能力提出合理的建议。微生物燃料电池内阻测试仪主要由 电源电路 、 A/D 信号采集 系统、 液晶驱动及显示电路 和 STC89C52 单片机 系统电路。 微生物燃料
3、电池内阻测试仪的设计我采用内部带有 A/D 模数转换模块的 STC89C52 单片机来控制， 通过 取出 微生物燃料电池内阻 的压降，然后送入 ADC0809 的 A/D 转换的输入端，再 经单片机处理，最后经过 12232F 液晶显示器直接显示 当前的电压和电压差值。该设计还包括量程自动转换功能， 阻值测量范围为 0.01 -2k，具有了一般测试仪都有的基本功能。通过这次的设计让我了解到微生物燃料电池的相关知识，以及它在未来的发展趋势。总之，本设计的研究具有重要的理论意 义和应用价值。 关键词 ： 微生物燃料电池 ； 内阻 ； 构成 ； 测定方法 毕业论文 - Abstract The mi
4、crobial fuel cell (MFC) is a microbial catalytic organic chemistry which can be directly converted into electrical energy bioreactor. Microbial fuel cells can get electricity and purify the dirty water, thus it can reduce the cost of sewage treatment, so it received considerable attention in recent
5、years. However, the MFC output power is still very low, lower than the normal hydrogen fuel cell 3 to 4 orders of magnitude, the production of microbial fuel cell power generation capacity is usually measured in terms of maximum output power density, equal to the internal resistance of the battery w
6、hen the external resistance, the external battery output power reaches the maximum. Studies have shown that resistance is an important factor limiting microbial fuel cell capacity, measurement of MFC internal resistance of the composition to improve the ability of MFC electricity premise. This paper
7、 summarizes the research on microbial fuel cell internal resistance, the system introduces the definition of microbial fuel cell internal resistance in the form constitutes the internal resistance and the measurement of microbial fuel cell, designed a microbial fuel cell internal resistance test ins
8、trument, the instrument can measure the internal resistance of the microbial fuel cell, in order to put forward reasonable proposals for the MFC electricity production capacity. Microbial fuel cell resistance tester main power supply circuit, the signal acquisition system, LCD driver and display cir
9、cuit and STC89C52 SCM system circuit. Microbial fuel cell internal resistance tester designed with an internal A/D converter module STC89C52 microcontroller to control, remove the voltage drop across the internal resistance of microbial fuel cell, and then into the STC89C52 single-chip A /D converte
10、r inputside, single-chip processing, and finally through the liquid crystal display resistor. The design also includes a range automatic conversion, the resistance measurement range of 0.01-2k, with the basic functions of general tester has. Through this design made me realize that knowledge of micr
11、obial fuel cell, and its development trend in the future. In short, the design of the study has important theoretical significance and application value. Key words: Microbial fuel cells; Resistance; Constitute; Determination method 毕业论文 - 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 3 1.1 系统框架设计总方案 . 3 1.2 系统组成方案 . 3 1.2.1
12、 单片机控制方案 . 3 1.2.2 显示控制方案 . 4 1.2.3 电源模块方案 . 4 第 2 章 微生物燃料电池内阻的分析 . 5 2.1 MFC 内阻的定义及构成 . 5 2.2 MFC 的原理、分类及特点 . 5 2.2.1 MFC 的原理 . 5 2.2.2 MFC 的分类 . 6 2.2.3 MFC 的特点 . 6 2.3 MFC 内阻的测试方法 . 6 2.4 MFC 内阻的影响因素 . 7 2.4.1 电子受体 . 7 2.4.2 反应器 . 8 2.4.3 电解液 . 8 2.4.4 产电微生物 . 8 2.5 MFC 的用途和前景 . 9 第 3 章 系统主要硬件电路设
13、计 . 10 3.1 电源模块硬件设计 . 10 3.2 主控制电路硬件设计 . 10 3.2.1 STC89 系列单片机及应用 . 10 3.2.2 单片机最小系统 . 12 3.2.3 A/D 转换模块 . 13 3.3 显示电路 . 15 3.3.1 12232F 的概述 . 15 毕业论文 - 3.3.2 12232F 模块硬件构成说明 . 16 3.3.3 12232F 模块的外部接口 . 16 第 4 章 系统软件设计 . 18 4.1 主程序流程图 . 18 4.2 A/D 采样软件设计 . 19 第 5 章 制作调试过程 . 20 5.1 PCB 板制作 . 20 5.2 元器
14、件焊接 . 21 5.3 电路的调试 . 21 5.4 硬件结构组装 . 21 5.5 软件系统编写调试 . 21 结论 . 22 致谢 . 23 参考文献 . 24 附录 A 微生物燃料电池内阻测试仪设计的原理 图和实物图 . 25 毕业论文 - 前言 微生物燃料电池是一种微生物 的 阳极催化剂 ， 将化学能直接转化成电能的装置。利用不仅可以直接将水中或污泥中的有机物降解 掉 ,而且 还 可以将在微生物代谢过程中 的有机物 产生的电子转化成电流 ， 从而获得电能。因此 ， 无论是利用输出电能的特点 来 进行新能源的开发 ， 还是利用的特殊环境对特殊性能的微生物进行驯化 ， 以及利用 的 电流
15、与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测方法的研 究 ， 对 微生物燃料电池 的研究均具有重要的理论意义和应用价值。 目前已 有研究结果显示 ， 微生物燃料电池在 很多领域 具有应用开发前景 ，比如说作为传感器，替代能源，或者在污水处理方面。 MFC 作为 传感器的开发 方面，近年来 出现了大量关于传感器的研究 ,其中以工作原理为基础的传感器的研究也是研究人员关注的焦点。利用工作原理开发新型传感器的关键在于电池产生的电流或电荷与污染物的浓度之间呈良好的线性关系 ， 电池电流对污水浓度的响应速度 比 较快 ，还 有较好的重复性。 作为 替代能源 ，研究人员发现可以利用 生物质 来 制 造
16、氢 气，氢能是一种 清洁能源，它唯一的燃烧产物是水，同时水又可以再次参与循环利用，实现真正的零污染和零排放，因此这种方法在未来有很大的效用， 生物质制氢与的 相同之处 是 都要 以生物质作为原料 ， 但 是一些 生物质在 依靠生物质制氢过程中还有 很多 部分的氢 不能 被利用 ， 而则可以直接将葡萄糖中 含有的 氢完全用完 并转化成 水，所以相对而言， 生物质转化成能源的效率 比一般的物质的转化要 高。到目前为止， 虽然已报道的中双池型电池的输出功率密度 是 最大 的 ,但由于双池型的阴极为铁氰化钾溶液 ， 操作 比较 复杂 ，同时 需要连续曝气 ，因而 近几年直接利用空气 作为阴极的单池型燃
17、料电池令人关注。由 上述 结果可 以发现，微生物燃料电池 作为新型能源开发的主要问题在于需进一步提高电池的输出功率密度 以 及电极电子的传递效率。 但我 相信经过深入研究 ， 为一些只需要较小电量就能运行的遥控装置提供能源是 很有 可能 的，将来也会实现。 MFC 在 作为 污 水处理的新工艺 方面， 目前 ， 回收利用污水中有机质的化学能 和 以有机污水为燃料一直是研究中的主要目的 ， 但在研究中 ， 对于处理后污水水质的监测结果使 得 研究人员对以 微生物燃料电池 工作原理为基础 ， 开发新的污水处理工艺 方面产生了 很大的 兴趣。 未来发 展趋势： 微生物燃料电池 作为一种新能源，未来有
18、着很大的发展前景。对于 微生物燃料电池的研究主要集中于电解液、产电细菌和反应器构型等方面，同时，微生物燃料电池在生物修复、废水的处理和新型能源等方面具有广阔的应用前景。 近年来 ， 由于研究者将这一微生物产电原理应用到污水处理过程中 ， 发现可以同时实现产生电能 和 废水中有机污染物的去除 ， 使得 MFC 的研究 引起了广泛关注 ， 成为水污染控制领域的热点之一 。 微生物燃料电池 具有很多的 特点 ， 微生物燃料电池除了在理论上具有很高的能量转化效率之外 , 还有 它自身 的 一些 特 点：第一， 操作条件 比较 温和 ， 一般是在 温度和压强比较适宜的 条件下 工作 ， 这种情况下 电池
19、 的 安全性 比较 强 ， 维护 的 成本 也比较 低 ；第二， 清洁 又 高效 ，将底物直接转化为电能 ， 具有较高资源利用率 ， 氧化产物多为 水和二氧化碳， 无二次污染 ；第三， 燃料来源 的方式有很多，它 可以利用一般燃料电池所不能利用的多种无机 、 有机物质作为燃料 ；第四， 无需能量 的 输入 ， 微生物本身就是 一个 能量转化工厂 ， 能把地球上廉价的毕业论文 - 燃料能源转化为电能 ，从而 为人类提供能源 。 MFC在环境污染治理中有很大的用途。微生物燃料电池可以通过微生物的作用，将环境污染中的有机物分解。 微生物燃料电池 作为一种新型的废水处理技术，可以在处理废水的同时回收电
20、能。 对于有机废水处理来说，无论是浓度较高的有机废水、成分较为单一的生活污水、还是难分解的有机废水均同时获得电能和实现废水的同步处理。 MFC也可以用于脱氮，一些学者在阴极室里添加好氧活性污泥，并补给氨氮作为电子供体，以取代需盐脱硫弧菌作为活性微生物的 MFC，这些在一定程度上有效的提高了 MFC的输出功率密度。微生物燃料电池是一种利用附着在阳极表面微生物的代谢过程，将蕴含在有机物中的一部分化学能用以支持微生物生长，另一部分则转化成电能。 生活污水的主要污染物 包括 氮、磷 、 有机物等营养物质 ， 而且 在现实生活中 生活污水 的 排放量较大 ， 如果 能同时 处理废水 ， 又能产 生电 能
21、 ，这样 将带来巨大的经济效益。这些特 点 都使得微生物燃料电池 具有重大的用途 ， 微生物燃料电池处理生活污水也逐渐成为很多学者竞相研究的课题。 国际最新的研究发现， 微生物 电池 又有新的研究方向 。 过去，微生物 燃料电池 通常被用于发电或以氢气或甲烷的形式储存电力。 中国 清华大学的最新 研究 显示， 有一些 细菌可将污水变为饮用水 而且可以 发电 。 据 一位专家 表示，微生物燃料电池可将有机废物转变为能量来源。 专家 说： “ 在这个最新 研究 发现中，我们认为， 通过改变微生物的发电情况，我们可以将 污 水进行淡化处理。 ” 研究人员首先从池塘采集 了 样品 ， 在样品中，一些细
22、菌会自动地在其细胞内产生 质子 和 电 子，并将它们 转移 到体外 ， 其他细菌会吸收这些 质 子和 电 子，将其作为创造甲烷 、 氢和其他化学物质等能量物质的燃料 。 研究人员发现，使用两片特 别制造 的塑料薄膜就可以利用这些微生物所产生 出来 的能量。这种薄膜可以 用来 分离微生物产生的气体 、电子 或 离子 ，让其分别流向 阳 极或 阴 极。 阳 极、 阴 极和薄膜组装在一个 像 小纸巾盒一样的透明塑料盒中 ， 在薄膜之间加入一杯池塘里的水，细菌 慢慢地 就开始工作，最终可以产生 纯度高 达 百分之九十 的水。水的纯度可以进行调整，甚至可以达到饮用水标准。微生物燃料电池可以去除水中的大部
23、分盐分，由于 在这个过程中 能够减少电力 的 消耗，因此还可以降低水质的 淡化成本。目前， 对 微生物燃料电池 的研究 都仅限于实验室 ， 这种情况将在 以后 有所改变 。 毕业论文 - 第 1 章 绪论 1.1 系统框架设计总方案 图 1.1 微生物燃料电池内阻测试仪的总框图 该设计 的基本原理是 通过 取出 微生物燃料电池内阻 的压降 ， 然后送入 ADC0809 的 A/D 转换的输入端， 再 经单片机处理，最后经过 12232F 液晶显示器直接显示 当前电压和电压差值。 内阻测试的原理如（图 1.2） 所示，测量内阻 r 的公式（ 1-1） r=（ E-U） /I （ 1-1） 图 1
24、.2 内阻测试的原理图 1.2 系统组成方案 1.2.1 单片机控制方案 方案一：采用 AT89C51 单片机，通过取出微生物燃料电池内阻的压降，送入外部的 A/D转换模块，然后再 送入 51 单片机，经单片机处理， 最后经过液晶显示器直接显示电阻阻值 。键盘输入与控制 STC89C 52 12232F 液晶显示 A/D 转换 电源模块 毕业论文 - 但是 AT 系列 51 单片机 品种单一，速度慢， RAM/ROM 小，功能 较 少，性能还不够稳定 。 方案二：采用 STC89C52 单片机，通过 取出 微生物燃料电池内阻 的压降，然后送入 ADC0809的 A/D 转换的输入端， 再 经单
25、片机处理，最后经过液晶显示器直接显示电阻阻值 。该系列单片机具有很多优点， 高性能的 STC 系列单片机 功能多， RAM/ROM 大，速度高，性能稳定，比AT 系列的单片机 好多了 。 1.2.2 显示控制方案 方案一 :采用 LED 显示， LED 的 应用 主要 分为 两大类：一是 LED 单管应用 ，主要包括 背光源 LED 和 红外线 LED 等；二是 LED 显示屏， LED 显示屏 采用低电压扫描驱动，具有成本低、亮度高、耗电少、故障少、使用寿命长、视角大等特点。现在就 LED 显示屏而言，中国的设计和生产技术水平基本 能 与国际 水平保持一致。但是 LED 的 散热 还比较差
26、， LED 的耐温能力 也比较弱， 如果 长期 使其 在较高温度的环境下工作， 就 会加快光衰。 方案二：采用 12232F LCD 显示， LCD 是液晶显示屏 Liquid Crystal Display 的全称，主要有 TFT、 UFB、 STN 等几种类型 。在 现实生活中， 笔记本液晶屏常用的是 TFT。 TFT 是指薄膜晶体管，每个液晶像素点 一般 都是 靠 集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到亮度 高 、速度 高 、对比度 高的 显示屏幕信息，是目前最好的 LCD 显示设备之一，是现在笔记本电脑 的 主流显示设备。 相比 STN， TFT 拥 有还原能力和更高的对比度
27、 ，优越 的色彩饱和度 ,太阳下依然看的 很 清楚 。 LCD 液晶显示屏具有 可视面积大 、 显示质量高 、 应用范围广 、 功率消耗小 、 画面效果好 等优点，而且还没有 电磁辐射 。 1.2.3 电源模块方案 方案一：采用稳压芯片 LM7805 提供电源，它有一系列固定 的电压输出，应用非常的广泛。LM7805 不仅便宜而且比较稳定，单片机的电源由 LM7805 提供比较稳定。 方案二：采用集成多路输出电源，一个集成块能提供多个电路的电源，电压稳定。不过集成多路输出电源价格比较贵，再说互相之间有干扰。 毕业论文 - 第 2 章 微生物燃料电池内阻的分析 2.1 MFC 内阻的定义及构成
28、微生物燃料电池 内阻是指由于 存在 活性物质 ,极化内阻 就 随电流密度 呈现 非线性地增加而增大 ， 因此 ，就 MFC的内阻 而言， 通常 也 不是常数。 按照不同的 标准 ， MFC 内阻的构成 具有电池结构和来源两种划分方 法 。从电池结构上分 ， MFC内阻 又可以分为 4种，分别 为阴极内阻 、阳极内阻 、 电解液内阻 和 膜内阻。阴极表面氧 发生 还原反应 ，这样就产生了阴极内阻 ； 在 阳极表面 发生 生物电化学反应 ，这样就产生了阳极内阻 ；我们通常把 电解液内阻 和 膜内阻统称为接触内阻 ，它 主要产生于反应物的电解液 和 通过膜的迁移 ，如果 在反应器构型合理的条件下 ，
29、 二者在总 的 内阻中所占的比例 还 不到 1%,从而 可以忽略 不计 。从来源上分 , MFC 的 内阻又可以分为 3种，分别是 扩散内阻 、电荷迁移内阻和欧姆内阻 。 在 电解质 和 电极的两相界面 产生扩散内阻和电荷迁移内阻 ， 由于反应物向溶 液或向电极表面扩散速率低 ，这样就产生了扩散内阻，而 由于电极表面活化反应速率低造成 了 电荷迁移内阻 ， 电荷迁移内阻在电流密度小时会 比较明显。欧姆内阻产生于质子交换膜 和 电解质对离子和电子传导的阻碍作用。通过研究 MFC内阻的构成 情况 ， 我们 可以了解 到 内阻在 MFC 中的分布情况 ,从而可以 采取手段 降低其中的主要内阻 ，并且
30、 提高 MFC的产能。 2.2 MFC 的原理、分类及特点 2.2.1 MFC 的原理 微生物燃料电池 主要 以附着于阳极的微生物作为催化剂 ， 降解有机物产生质子 和 电子 。产生的质子通过分隔材料到达阴极 , 在阴极与氧化 物 和 电子发生还原 反应，从而来完成电池内部电荷的传递； 产生的电子 则 传递到阳极 ， 经外电路到达阴极 ， 由此产生外电流 。 而 MFC另外一个重要的过程就是电子的转移 (图 2.1)。目前学术界普遍认同的观点有以下三种：第一，通过电子中介体转移，电子中介体是一种能够介入异化还原体系对电子起到运载作用的有机或无机小分子。当中介体处于氧化状态时，可以作为细胞的电子
31、受体，在细胞外膜上得到还原酶的电子被还原，变成还原态的分子扩散到电极将电子送到电极表面，同时自身又转化成为氧化态分子。第二，通过纳米导线，它是由微生物自身产生的一种类似于 纤毛状的物质，具有传导电子的能力。第三，通过细胞膜，这一观点认为生长在电极表面的细菌只有将细胞膜接触到电极的表面，代谢过程产生的电子才能通过细胞膜中的细胞色素传导到电极上。有机物在细菌体内代谢，通过异化作用生成二氧化碳，同化作用生成细胞体，释放的电子通过细胞色素传导到电极表面。微生物拥有膜连接电子运输蛋白质中间体才能实现直接电子转移，直接电子转移要通过膜外细胞色素来完成，需要电极和细胞发生接触。在这个过程只有阳极最表面的一层细菌才具有电化学活性，所以决定 MFC 的整体性能就是这一层的最大细胞密度。然而实际上， 只有很少的一部分微生物能够通过直接转移完成复杂有机物的传递。
