好氧堆肥反應器內部在線監測控制系統設計

發布時間：2020-02-18所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要:為了提高好氧堆肥反應效率，建立了一套基于傳感器技術的適用于好氧堆肥反應器的內部環境在線監測控制系統。該系統以STC89C52RC單片機為核心，可完成數據的采集、運算、處理等，通過顯示模塊顯示反應器內部環境參數。當內部參數超過軟件程序中設定的上下

　　摘要:為了提高好氧堆肥反應效率，建立了一套基于傳感器技術的適用于好氧堆肥反應器的內部環境在線監測控制系統。該系統以STC89C52RC單片機為核心，可完成數據的采集、運算、處理等，通過顯示模塊顯示反應器內部環境參數。當內部參數超過軟件程序中設定的上下極限值時，系統將自動發出聲光報警，由此提高好氧堆肥反應效率與質量。同時，進行了好氧堆肥試驗，結果表明:該反應系統可以運用于實際的試驗與生產中。

　　關鍵詞:好氧堆肥反應器;智能化;傳感器;控制系統

　　0引言

　　禽畜糞便與生物質秸稈中含有大量的N、P、K等元素。經測算，10億t秸稈中氮、磷、鉀養分含量分別相當于600萬t尿素、1200萬t過磷酸鈣、1200萬t硫酸鉀。然而，2014年我國氮肥、磷肥和鉀肥的施用量也不過2229.3、743.8、89.5萬t[1-3]。目前，禽畜糞便、生物質秸稈不能有效轉化成有機肥，導致N、P、K等養分大量流失，降低養分功效，同時造成了嚴重的環境污染。2018年，生態環境部農業農村部印發的《農業農村污染治理攻堅戰行動計劃》中，將著力解決養殖業污染和有效防控種植業污染作為首要任務。為了減少禽畜糞便、秸稈焚燒等帶來的環境污染，無害化處理是必要的，開發高效的好氧堆肥工藝技術及設備是實現這一目標的重要途徑。反應器堆肥因其具有堆肥周期短、占地面積小、作業環境好等優點成為目前研究熱點，對于解決禽畜糞便資源化利用問題具有良好的發展前景[4-7]。在反應器中，影響堆肥反應的環境因素主要有溫度和氧氣濃度，在合適的環境參數范圍內進行堆肥可以顯著提高堆肥反應效率[8-9]。

　　近年來，傳感器與單片機技術迅速發展，在現代農業領域得到了廣泛應用。本文設計了一種基于傳感器技術的、適用于好氧堆肥反應器的內部環境在線測量控制系統，具有成本低、結構簡單、可靠性高等優點，能夠很好地監測反應器內部溫度及氧氣含量等因素，對于好氧堆肥試驗模擬及實際生產提高堆肥反應效率具有重要意義。

　　1基本原理及系統總體設計

　　好氧堆肥反應的腐熟效率取決于堆體內好氧細菌的生物活性，因此對反應器內部的溫度和含氧量進行控制調節，可以促進好氧堆肥細菌的生長，提高堆肥反應效率。本系統采用低成本的溫度傳感器及氧含量傳感器采集好氧堆肥反應器內部的溫度及氧氣含量信息，通過STC89C52單片機處理各傳感器采集到的信息，并在顯示器上進行溫度及含氧量的實時監測，對于異常情況進行實時的聲光報警，提醒改善堆肥反應器內部的環境。堆肥反應器控制系統硬件總體設計如圖1所示。

　　2硬件設計

　　2.1處理器的選擇

　　單片機處理器是好氧堆肥控制系統的核心。該系統涉及溫度和氧氣濃度多路環境參數的檢測，運用單片機可以實現各模塊的功能，形成集數據采集、運算、儲存及處理的智能化監測系統。本系統所選用的STC89C52RC單片機(宏晶科技股份有限公司)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，具有8K在系統可編程Flash存儲器，能為堆肥反應控制系統提供高效的數據采集、處理運算方案[10]。STC89C52RC單片機的引腳排列如圖2所示。

　　2.2傳感器模塊

　　2.2.1溫度傳感器的設計

　　溫度傳感器的種類繁多，隨著信息技術的現代化，能獨立工作的溫度監測系統已應用于諸多的領域。傳統的溫度檢測大多用熱敏電阻作為傳感器，但熱敏電阻可靠性差、測量溫度準確度低，且將信號轉化為數值信號才能有單片機進行處理。好氧堆肥過程是好氧細菌生長產熱、由室溫到高溫(最高可達80℃)的過程，而溫度是衡量堆肥質量的重要指標�；�于好氧堆肥反應器的特點，系統選用DS18B20溫度傳感器作為測溫器件，具有成本低、體積小、量程大、測量精度較高及避免其他因素干擾能力強的特點[11-12]。溫度傳感器接線圖如圖3所示。

　　2.2.2氧濃度傳感器設計

　　好氧堆肥要求整個堆肥過程中氧氣濃度不能低于8%，主要是因為在長期的厭氧環境中好氧細菌將抑制生長，開始進行厭氧發酵反應，影響堆肥反應速率[9]。好氧堆肥反應器的通風系統主要是將反應器外空氣中的氧氣輸送進入反應器，最高濃度約為21%。此外，好氧堆肥反應會產生H2S、NH4等對于傳感器具有腐蝕破壞作用的氣體[13]，因此對于氧濃度傳感器具有較高的要求。本設計采用北京九純健科技有限公司生產的FDM700型氧氣濃度監測探頭傳感器，具有溫度和壓力補償功能，在濃度為0～25%量程范圍內精度高達2%F.S，響應時間為15s，電平信號為TTL電平，可以直接與單片機通信輸出測量數據。

　　2.2.3顯示模塊設計

　　顯示模塊用于實時顯示當前反應器內部的溫度及含氧量參數信息。本設計采用1602液晶顯示器，具有清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能，以及成本低、體積小及微功耗等優點。連接電路圖如圖4所示。

　　其中，1602顯示模塊的7～14引腳與單片機P0連接;1、16引腳接GND;2、15引腳接VCC;4、5、6不連接;為了控制屏幕亮度，3引腳串聯一個滑動變阻器。

　　2.3單片機時鐘電路設計

　　在STC89C52RC單片機內部設有R/C振蕩器，XTAL1、XTAL2分別為振蕩器的輸入和輸出接口，在兩端外接定時原件即可產生自激振蕩。由于1個機器周期含有6個狀態周期，而每個狀態周期為2個振蕩周期，所以1個機器周期共有12個振蕩周期。時鐘電路如圖5所示。

　　2.4單片機復位電路設計

　　采用按鍵復位方式的設計，當系統出現聲光報警時，手動按鍵進行復位，并根據液晶顯示器顯示的溫度及含氧量的具體參數，進行環境參數的調整。復位電路如圖6所示。

　　當電源接上時，電容C01充電開始，施密特觸發器電壓升高至高電平;當復位鍵按下時，電容C01放電，施密特觸發器電壓降低至低電平，輸出端變位高電平，Reset啟動，實現復位。

　　3系統的軟件設計

　　系統軟件以C51語言為基礎，采用模塊化設計，包括的主要功能有溫度及氧含量的監測、顯示、發光二級管及蜂鳴器的報警等。軟件的具體設計流程如圖7所示。

　　本堆肥反應器在線監測系統的監測對象主要有溫度及含氧量，且堆肥反應器內部由于酸性氣體的作用環境較為惡劣，多干擾。因此，本系統采用平均值算法對監測到的溫度及氧含量進行抗干擾程序設計，可以達到剔除趨勢項的目的。系統主程序圖如圖8所示。

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　　4在線監測控制系統性能試驗

　　4.1試驗設計

　　以牛糞、麥秸稈為主要原料進行好氧堆肥試驗，調理劑采用蘑菇渣。鮮牛糞取自揚州大學實驗農牧場，麥秸稈取自揚州市樸席鎮農田。將麥秸稈粉碎至1～2cm，將牛糞、麥秸稈、蘑菇渣按照4:1:1的質量比混合，加入適當水分，將初始物料調至較優范圍，其理化性質如表1所示。初始物料含水率為63.76%，碳氮比為26.24%，采用間歇式曝氣攪拌方式，每12h曝氣攪拌1次。針對好氧堆肥反應實際試驗的需要，對于上、中、下3層的溫度及氧氣濃度參數進行監測。

　　4.2試驗結果

　　溫度及氧氣濃度的監測數據變化圖如圖9所示。其中，上、中、下3層50℃以上的時間分別為7.3、6.8、5.5天，符合無害化堆肥處理的要求;整個過程堆體氧氣含量的體積分數均大于8%，未形成厭氧區域，從而有助于抑制有害氣體的產生。

　　5結論

　　1)設計了好氧堆肥反應器內部環境在線監測系統，其結構簡單可靠，可以實現對于堆肥環境中溫度及氧濃度的實時監測。

　　2)通過監測對于堆肥反應效率影響最大的溫度及氧濃度，根據程序中所設定的極限值來確定是否啟動發光二極管和蜂鳴器。

　　3)采用好氧堆肥反應器內部環境在線監測系統進行好氧堆肥試驗，結果證明可以滿足實際試驗與生產需要，提高反應效率。