基于單片機(jī)的堆肥好氧發(fā)酵時(shí)間—溫度反饋控制系統(tǒng)研究

張海波等

摘要以溫度為發(fā)酵過(guò)程被控變量，以通風(fēng)供氣量為操縱變量，以STC89C52單片機(jī)為主控單元，以供氣電磁閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)硬件電路和相關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，建立了堆肥好氧發(fā)酵過(guò)程時(shí)間-溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)控制供氣電磁閥啟停時(shí)間片段有效控制堆肥好氧發(fā)酵過(guò)程中的溫度。運(yùn)行結(jié)果表明，該控制方式可以使堆體長(zhǎng)時(shí)間保持在適宜的溫度范圍，促進(jìn)堆肥有效發(fā)酵。該控制系統(tǒng)具有成本低、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)省人力的特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用性及推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞好氧發(fā)酵；溫度控制；單片機(jī)；時(shí)間-溫度反饋

中圖分類號(hào)S220.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）29-364-04

堆肥化是有機(jī)固體廢棄物實(shí)現(xiàn)無(wú)害化、減量化和資源化的有效途徑。堆肥化是在合適的水、氣條件下，利用微生物降解有機(jī)質(zhì)而產(chǎn)生高溫，殺死有機(jī)固體廢棄物中的病原菌及雜草種子，使其達(dá)到穩(wěn)定化和無(wú)害化。堆肥化有好氧和厭氧之分，由于好氧堆肥的高溫可以殺死廢棄物中的病原菌，同時(shí)高溫菌對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解速度快，因此目前大多數(shù)堆肥采用的是高溫好氧發(fā)酵。

供氧是堆肥好氧發(fā)酵成功的重要因素之一。高壓強(qiáng)制通風(fēng)是一種行之有效的供氧方式，可應(yīng)用于堆肥化好氧發(fā)酵系統(tǒng)，滿足發(fā)酵供氧需求，同時(shí)高壓強(qiáng)制通風(fēng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)堆體內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。堆肥好氧發(fā)酵產(chǎn)生高溫，但是，堆肥體還須避免過(guò)高、過(guò)長(zhǎng)的高溫。據(jù)國(guó)外試驗(yàn)表明，堆肥高壓通氣好氧發(fā)酵一般都會(huì)達(dá)到80 ℃左右的最高溫，如果堆肥原料調(diào)制適當(dāng)，透氣性好，有時(shí)甚至能夠達(dá)到90 ℃以上的堆溫，而這不利于好氧微生物生長(zhǎng)與繁殖，因此需要進(jìn)行發(fā)酵控制，調(diào)節(jié)將堆體溫度，使其維持在適度水平[2-3]。

以壓力控制方式控制堆體的通風(fēng)量，盡管可滿足堆體供氣量需求，但不能優(yōu)化控制堆體溫度，會(huì)造成堆體溫度過(guò)高。另外，壓力控制容易造成堆肥過(guò)程中某些階段通風(fēng)過(guò)量或某些階段風(fēng)量不足。為了降低堆肥能耗、提高堆肥質(zhì)量和更為合理地控制堆肥發(fā)酵過(guò)程，需研究更為合理的強(qiáng)制通風(fēng)控制方式。為此，筆者進(jìn)行了強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)間-溫度控制方式調(diào)控系統(tǒng)的研究，通過(guò)硬件電路和相關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行了堆肥好氧發(fā)酵過(guò)程時(shí)間-溫度控制的設(shè)計(jì)與研究。在滿足菌體需氧的基礎(chǔ)上，通過(guò)有效控制供氣電磁閥的運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆體溫度的控制，滿足菌體對(duì)適宜生長(zhǎng)環(huán)境的要求。

1堆肥好氧發(fā)酵溫度控制要求

溫度是堆肥發(fā)酵系統(tǒng)微生物活動(dòng)程度的反映，是影響微生物活動(dòng)和堆肥發(fā)酵工藝過(guò)程的重要因素。堆肥中微生物分解有機(jī)物而釋放出熱量，這些熱量使堆肥溫度上升。堆肥發(fā)酵初始期，堆層基本呈中溫，嗜溫菌較為活躍，大量繁殖，在利用有機(jī)物的過(guò)程中，產(chǎn)生熱量，堆層溫度不斷上升，5～7 d后可以達(dá)到55～70 ℃。在這個(gè)溫度水平，嗜溫菌生長(zhǎng)受到抑制，逐步大量死亡，而嗜熱菌的繁殖進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)。嗜熱菌的大量繁殖和堆溫的明顯提高，使堆肥發(fā)酵直接由中溫進(jìn)入高溫，并在高溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定一段時(shí)間。正是在這一溫度范圍內(nèi)，堆肥中的各種病原菌、寄生蟲以及雜草種子被殺死。

堆肥作為一種生物系統(tǒng)，反應(yīng)產(chǎn)生的溫度是有限定范圍的，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)減緩反應(yīng)速度。不同種類微生物的生長(zhǎng)對(duì)溫度具有不同的要求。一般而言，嗜溫菌最適合的溫度為30～40 ℃，嗜熱菌發(fā)酵最適合溫度是45～60 ℃。高溫堆肥時(shí)，溫度上升超過(guò)70 ℃即進(jìn)入孢子形成階段，這個(gè)階段對(duì)堆肥是不利的，因?yàn)殒咦映什换顒?dòng)狀態(tài)，使分解速度相應(yīng)變慢[1，3]。此外，在此溫度范圍內(nèi)，形成的孢子再發(fā)芽繁殖的可能性也很小，因此，高溫堆肥溫度最好在50～65 ℃左右?；谏鲜鲈颍逊蔬^(guò)程中溫度控制是十分必要的。

以溫度做為被控變量，通過(guò)控制供氣電磁閥的啟停時(shí)間來(lái)控制通氣量，既能滿足不同發(fā)酵階段微生物供氧需求，促進(jìn)發(fā)酵進(jìn)程及熱量的釋放，同時(shí)又可通過(guò)通氣帶走多余的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆體溫度的調(diào)節(jié)，提高堆肥發(fā)酵質(zhì)量。

2單片機(jī)時(shí)間-溫度反饋控制系統(tǒng)研究

2.1堆肥發(fā)酵過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)

在堆肥化過(guò)程中其發(fā)酵溫度控制比較繁瑣，以人工方式控制最適微生物生長(zhǎng)繁殖的條件較不方便。使用單片機(jī)來(lái)采集并控制其發(fā)酵過(guò)程，能夠使堆肥化順利進(jìn)行。時(shí)間-溫度控制方式中的溫度是被控變量，通風(fēng)量為操縱變量，電磁閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制電磁閥的啟停時(shí)間（通風(fēng)時(shí)間）控制操作變量。其堆肥發(fā)酵過(guò)程時(shí)間-溫度控制系統(tǒng)總圖見(jiàn)圖1。

單片機(jī)實(shí)時(shí)采集發(fā)酵過(guò)程堆肥堆體溫度數(shù)據(jù)，并顯示、記錄，以便及時(shí)了解發(fā)酵過(guò)程，很好地掌握發(fā)酵規(guī)律，為堆肥好氧發(fā)酵過(guò)程的控制提供依據(jù)。發(fā)酵倉(cāng)的通風(fēng)采用時(shí)間-溫度反饋方式進(jìn)行控制。時(shí)間-溫度控制方式是利用設(shè)置在堆體中的溫度傳感器產(chǎn)生的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)通風(fēng)時(shí)間（供氣電磁閥的開關(guān)），以維持堆體溫度在設(shè)定溫度的附近。例如在堆肥初始期，堆體需氧量較低，供氣量由時(shí)間控制器控制，每通氣10 min，間歇停氣10 min，允許堆體溫度上升；當(dāng)堆肥發(fā)酵進(jìn)入高溫階段（50 ℃以上）時(shí)，微生物增殖活躍，需氧量較高，此時(shí)需要延長(zhǎng)高壓通氣時(shí)間，每通氣15 min，間歇停氣5 min，加大通氣量；當(dāng)堆溫超過(guò)65 ℃時(shí)，每通氣5 min，間歇停氣15 min，以控制堆溫不至于過(guò)高；當(dāng)堆體溫度下降至50 ℃時(shí)，堆肥發(fā)酵進(jìn)入降溫階段，微生物需氧量減弱，此時(shí)恢復(fù)每通氣10 min，間歇停氣10 min，減少通氣量；當(dāng)堆體溫度下降至40 ℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)基本上分解結(jié)束，此時(shí)持續(xù)通風(fēng)，加速堆體水分散失和堆溫下降，縮短發(fā)酵結(jié)束期。以上控制要求通過(guò)程序編寫完成。當(dāng)原料發(fā)生變化，通過(guò)簡(jiǎn)單修改程序，即可滿足控制要求。

2.2控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

硬件的設(shè)計(jì)是堆肥控制器設(shè)計(jì)的重要部分，硬件的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。單片機(jī)、溫度傳感器、電磁繼電器、繼電器驅(qū)動(dòng)元件等都是硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分，將各個(gè)模塊的功能綜合完成硬件部分的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)通過(guò)主控制器（單片機(jī)）將所有的模塊通過(guò)編程控制。

2.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架。

該研究設(shè)計(jì)的是一種以STC89C52單片機(jī)為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)并記錄當(dāng)前的時(shí)間。其主要包括電源模塊、溫度采集模塊、按鍵處理模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊、通訊模塊以及單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖2。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

2.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。

在文中設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)中，控制核心是STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)為51系列增強(qiáng)型8位單片機(jī)，它有32個(gè)I/O口，片內(nèi)含4K FLASH工藝的程序存儲(chǔ)器，便于用點(diǎn)的方式瞬間擦除和改寫，而且價(jià)格便宜，其外部晶振為11.059 2 MHz，一個(gè)指令周期為1.09 μs。使用該單片機(jī)完全可以完成設(shè)計(jì)任務(wù)，其最小系統(tǒng)主要包括復(fù)位電路、震蕩電路以及存儲(chǔ)器選擇模式（EA腳的高低電平選擇）。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路見(jiàn)圖3。

2.2.3單片機(jī)的選型。

該研究設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)主控制芯片選型為STC89C52單片機(jī)。單片機(jī)封裝形式為雙排直列式結(jié)構(gòu)（DIP），引腳共40個(gè)，如圖4所示。MCS51單片機(jī)STC89C52其內(nèi)部基本組成為：1個(gè)8位的中央處理器（CPU），256byte片內(nèi)RAM單元，4Kbyte存儲(chǔ)空間 ROM，2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），1個(gè)全雙工串行口5個(gè)中斷源，1個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生電路，可編程串行通道，有低功耗的閑置和掉電模式。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了單片機(jī)具有體積小、成本低、可靠性高、應(yīng)用靈活、開發(fā)效率高、易于被產(chǎn)品化等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.4溫度傳感器電路。

采用一線制DS18B20數(shù)字溫度傳感器。傳感器輸出信號(hào)進(jìn)4.7 K的上拉電阻直接接到單片機(jī)的P1.0引腳上。DS18B20溫度傳感器是美國(guó)達(dá)拉斯（DALLAS）半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。DS18B20溫度傳感器只有3根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳輸總線端口DQ、外供電源線VDD、共用地線GND。DS18B20有2種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí)VDD接地，它是通過(guò)內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來(lái)完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。這種情況下，用單片機(jī)的一個(gè)I/O口來(lái)完成對(duì)DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式（VDD接+5V），相應(yīng)的完成溫度測(cè)量的時(shí)間較短。在該設(shè)計(jì)中采用外部供電方式實(shí)現(xiàn)DS18B20傳感器與單片機(jī)的連接，其接口電路見(jiàn)圖5。

2.2.5顯示電路。該研究設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是采用液晶屏12864作為顯示模塊，其接口原理見(jiàn)圖6。2.2.6串口通訊電路。

該研究設(shè)計(jì)的通訊采用的是常見(jiàn)的串口通訊，協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片是采用MAX232A，其接口電路見(jiàn)圖7。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制程序流程如圖8。

3時(shí)間-溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行效果測(cè)試

為了評(píng)價(jià)單片機(jī)時(shí)間-溫度反饋控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果，將所完成的單片機(jī)時(shí)間-溫度控制系統(tǒng)安裝于某有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)建立的高壓通氣堆肥好氧發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)。該堆肥好氧發(fā)酵系統(tǒng)倉(cāng)容120 m3，倉(cāng)底部排布有通氣管道，以空壓機(jī)供氣，空壓機(jī)功率4 kW。試驗(yàn)時(shí)將牛糞和羊糞的混合料（在牛糞中加入約1/4～1/3的羊糞，調(diào)節(jié)堆肥濕度至65%～70%）堆滿發(fā)酵倉(cāng)，堆體體積（12 m×5 m×2 m）。在堆肥表面下40～50 cm隨機(jī)放置4個(gè)溫度傳感器，對(duì)發(fā)酵堆肥堆體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄測(cè)試溫度，取4個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)的平均溫度繪制成發(fā)酵溫度曲線。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9。

運(yùn)行結(jié)果表明，單片機(jī)時(shí)間-溫度控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)程溫度變化，并及時(shí)控制供氣電磁閥的啟停。通過(guò)有效控制供氣電磁閥的啟停，可使不同發(fā)酵階段嗜溫菌、嗜熱菌發(fā)揮各自發(fā)酵作用，發(fā)酵高溫期長(zhǎng)，且可將溫度長(zhǎng)時(shí)間控制在適宜的溫度范圍，滿足菌體生長(zhǎng)需求。發(fā)酵后期堆體溫度呈現(xiàn)較快下降趨勢(shì)。

4結(jié)論

（1）通風(fēng)電耗、翻堆設(shè)備油耗、翻堆設(shè)備備品備件是堆肥發(fā)酵運(yùn)行費(fèi)用的重要組成部分。傳統(tǒng)堆肥發(fā)酵過(guò)程中，通風(fēng)電耗要占整個(gè)運(yùn)行費(fèi)用的50%以上，而時(shí)間溫度反饋控制系統(tǒng)通過(guò)在線實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)堆肥體溫度，自動(dòng)控制通風(fēng)量，一方面確保了系統(tǒng)微生物適宜的環(huán)境條件，同時(shí)又避免了盲目通風(fēng)，因此能夠?qū)⑾到y(tǒng)的通風(fēng)電耗降到最小。

（2）堆肥好氧發(fā)酵單片機(jī)時(shí)間-溫度反饋控制系統(tǒng)，可以使堆體長(zhǎng)時(shí)間保持在適宜的溫度范圍，且可以維持較長(zhǎng)時(shí)間的高溫階段，達(dá)到了很好的堆肥腐熟化和殺菌效果。單片機(jī)用于堆肥發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)化控制具有成本低、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)省人力和能耗的特點(diǎn)。以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用可有效提高堆肥發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制水平，提高堆肥發(fā)酵生產(chǎn)效率，使企業(yè)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

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