基于單片機的堆肥好氧發酵時間—溫度反饋控制系統研究

張海波等

摘要以溫度為發酵過程被控變量，以通風供氣量為操縱變量，以STC89C52單片機為主控單元，以供氣電磁閥為執行機構，通過硬件電路和相關應用程序設計，建立了堆肥好氧發酵過程時間-溫度控制系統。該控制系統通過調節控制供氣電磁閥啟停時間片段有效控制堆肥好氧發酵過程中的溫度。運行結果表明，該控制方式可以使堆體長時間保持在適宜的溫度范圍，促進堆肥有效發酵。該控制系統具有成本低、操作簡單、運行穩定、節省人力的特點，具有較高的實用性及推廣價值。

關鍵詞好氧發酵；溫度控制；單片機；時間-溫度反饋

中圖分類號S220.2文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）29-364-04

堆肥化是有機固體廢棄物實現無害化、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質而產生高溫，殺死有機固體廢棄物中的病原菌及雜草種子，使其達到穩定化和無害化。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，同時高溫菌對有機質的降解速度快，因此目前大多數堆肥采用的是高溫好氧發酵。

供氧是堆肥好氧發酵成功的重要因素之一。高壓強制通風是一種行之有效的供氧方式，可應用于堆肥化好氧發酵系統，滿足發酵供氧需求，同時高壓強制通風可實現對堆體內溫度的調節。堆肥好氧發酵產生高溫，但是，堆肥體還須避免過高、過長的高溫。據國外試驗表明，堆肥高壓通氣好氧發酵一般都會達到80 ℃左右的最高溫，如果堆肥原料調制適當，透氣性好，有時甚至能夠達到90 ℃以上的堆溫，而這不利于好氧微生物生長與繁殖，因此需要進行發酵控制，調節將堆體溫度，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量，盡管可滿足堆體供氣量需求，但不能優化控制堆體溫度，會造成堆體溫度過高。另外，壓力控制容易造成堆肥過程中某些階段通風過量或某些階段風量不足。為了降低堆肥能耗、提高堆肥質量和更為合理地控制堆肥發酵過程，需研究更為合理的強制通風控制方式。為此，筆者進行了強制通風時間-溫度控制方式調控系統的研究，通過硬件電路和相關應用程序設計，進行了堆肥好氧發酵過程時間-溫度控制的設計與研究。在滿足菌體需氧的基礎上，通過有效控制供氣電磁閥的運行時間，實現對堆體溫度的控制，滿足菌體對適宜生長環境的要求。

1堆肥好氧發酵溫度控制要求

溫度是堆肥發酵系統微生物活動程度的反映，是影響微生物活動和堆肥發酵工藝過程的重要因素。堆肥中微生物分解有機物而釋放出熱量，這些熱量使堆肥溫度上升。堆肥發酵初始期，堆層基本呈中溫，嗜溫菌較為活躍，大量繁殖，在利用有機物的過程中，產生熱量，堆層溫度不斷上升，5～7 d后可以達到55～70 ℃。在這個溫度水平，嗜溫菌生長受到抑制，逐步大量死亡，而嗜熱菌的繁殖進入激發狀態。嗜熱菌的大量繁殖和堆溫的明顯提高，使堆肥發酵直接由中溫進入高溫，并在高溫度范圍內穩定一段時間。正是在這一溫度范圍內，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，反應產生的溫度是有限定范圍的，溫度過高或過低都會減緩反應速度。不同種類微生物的生長對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 ℃，嗜熱菌發酵最適合溫度是45～60 ℃。高溫堆肥時，溫度上升超過70 ℃即進入孢子形成階段，這個階段對堆肥是不利的，因為孢子呈不活動狀態，使分解速度相應變慢[1，3]。此外，在此溫度范圍內，形成的孢子再發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。基于上述原因，堆肥過程中溫度控制是十分必要的。

以溫度做為被控變量，通過控制供氣電磁閥的啟停時間來控制通氣量，既能滿足不同發酵階段微生物供氧需求，促進發酵進程及熱量的釋放，同時又可通過通氣帶走多余的熱量，實現對堆體溫度的調節，提高堆肥發酵質量。

2單片機時間-溫度反饋控制系統研究

2.1堆肥發酵過程自動化控制系統

在堆肥化過程中其發酵溫度控制比較繁瑣，以人工方式控制最適微生物生長繁殖的條件較不方便。使用單片機來采集并控制其發酵過程，能夠使堆肥化順利進行。時間-溫度控制方式中的溫度是被控變量，通風量為操縱變量，電磁閥為執行機構，通過控制電磁閥的啟停時間（通風時間）控制操作變量。其堆肥發酵過程時間-溫度控制系統總圖見圖1。

單片機實時采集發酵過程堆肥堆體溫度數據，并顯示、記錄，以便及時了解發酵過程，很好地掌握發酵規律，為堆肥好氧發酵過程的控制提供依據。發酵倉的通風采用時間-溫度反饋方式進行控制。時間-溫度控制方式是利用設置在堆體中的溫度傳感器產生的控制信號，調節通風時間（供氣電磁閥的開關），以維持堆體溫度在設定溫度的附近。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；當堆肥發酵進入高溫階段（50 ℃以上）時，微生物增殖活躍，需氧量較高，此時需要延長高壓通氣時間，每通氣15 min，間歇停氣5 min，加大通氣量；當堆溫超過65 ℃時，每通氣5 min，間歇停氣15 min，以控制堆溫不至于過高；當堆體溫度下降至50 ℃時，堆肥發酵進入降溫階段，微生物需氧量減弱，此時恢復每通氣10 min，間歇停氣10 min，減少通氣量；當堆體溫度下降至40 ℃時，有機質基本上分解結束，此時持續通風，加速堆體水分散失和堆溫下降，縮短發酵結束期。以上控制要求通過程序編寫完成。當原料發生變化，通過簡單修改程序，即可滿足控制要求。

2.2控制系統硬件電路的設計

硬件的設計是堆肥控制器設計的重要部分，硬件的穩定運行是整個控制系統穩定運行的關鍵。單片機、溫度傳感器、電磁繼電器、繼電器驅動元件等都是硬件設計的重要組成部分，將各個模塊的功能綜合完成硬件部分的設計。硬件設計通過主控制器（單片機）將所有的模塊通過編程控制。

2.2.1系統設計的框架。

該研究設計的是一種以STC89C52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統。該控制系統可以實時存儲相關的溫度數據并記錄當前的時間。其主要包括電源模塊、溫度采集模塊、按鍵處理模塊、實時時鐘模塊、數據存儲模塊、LCD顯示模塊、通訊模塊以及單片機最小系統。單片機系統設計框架見圖2。

安徽農業科學2015年

2.2.2單片機最小系統電路。

在文中設計的溫度控制系統中，控制核心是STC89C52單片機，該單片機為51系列增強型8位單片機，它有32個I/O口，片內含4K FLASH工藝的程序存儲器，便于用點的方式瞬間擦除和改寫，而且價格便宜，其外部晶振為11.059 2 MHz，一個指令周期為1.09 μs。使用該單片機完全可以完成設計任務，其最小系統主要包括復位電路、震蕩電路以及存儲器選擇模式（EA腳的高低電平選擇）。單片機最小系統電路見圖3。

2.2.3單片機的選型。

該研究設計的溫度控制系統主控制芯片選型為STC89C52單片機。單片機封裝形式為雙排直列式結構（DIP），引腳共40個，如圖4所示。MCS51單片機STC89C52其內部基本組成為：1個8位的中央處理器（CPU），256byte片內RAM單元，4Kbyte存儲空間 ROM，2個16位的定時器/計數器，4個8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），1個全雙工串行口5個中斷源，1個片內振蕩器和時鐘發生電路，可編程串行通道，有低功耗的閑置和掉電模式。這種結構特點決定了單片機具有體積小、成本低、可靠性高、應用靈活、開發效率高、易于被產品化等優點。

2.2.4溫度傳感器電路。

采用一線制DS18B20數字溫度傳感器。傳感器輸出信號進4.7 K的上拉電阻直接接到單片機的P1.0引腳上。DS18B20溫度傳感器是美國達拉斯（DALLAS）半導體公司推出的應用單總線技術的數字溫度傳感器。該器件將半導體溫敏器件、A/D轉換器、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上。DS18B20溫度傳感器只有3根外引線：單線數據傳輸總線端口DQ、外供電源線VDD、共用地線GND。DS18B20有2種供電方式：一種為數據線供電方式，此時VDD接地，它是通過內部電容在空閑時從數據線獲取能量，來完成溫度轉換，相應的完成溫度轉換的時間較長。這種情況下，用單片機的一個I/O口來完成對DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式（VDD接+5V），相應的完成溫度測量的時間較短。在該設計中采用外部供電方式實現DS18B20傳感器與單片機的連接，其接口電路見圖5。

2.2.5顯示電路。該研究設計的溫度控制系統是采用液晶屏12864作為顯示模塊，其接口原理見圖6。2.2.6串口通訊電路。

該研究設計的通訊采用的是常見的串口通訊，協議轉換芯片是采用MAX232A，其接口電路見圖7。

2.3系統軟件設計系統控制程序流程如圖8。

3時間-溫度控制系統運行效果測試

為了評價單片機時間-溫度反饋控制系統的運行效果，將所完成的單片機時間-溫度控制系統安裝于某有機肥生產企業建立的高壓通氣堆肥好氧發酵倉內。該堆肥好氧發酵系統倉容120 m3，倉底部排布有通氣管道，以空壓機供氣，空壓機功率4 kW。試驗時將牛糞和羊糞的混合料（在牛糞中加入約1/4～1/3的羊糞，調節堆肥濕度至65%～70%）堆滿發酵倉，堆體體積（12 m×5 m×2 m）。在堆肥表面下40～50 cm隨機放置4個溫度傳感器，對發酵堆肥堆體溫度進行實時監測，并用數據采集系統自動記錄測試溫度，取4個溫度測試點的平均溫度繪制成發酵溫度曲線。測試結果見圖9。

運行結果表明，單片機時間-溫度控制系統可實時監測發酵過程溫度變化，并及時控制供氣電磁閥的啟停。通過有效控制供氣電磁閥的啟停，可使不同發酵階段嗜溫菌、嗜熱菌發揮各自發酵作用，發酵高溫期長，且可將溫度長時間控制在適宜的溫度范圍，滿足菌體生長需求。發酵后期堆體溫度呈現較快下降趨勢。

4結論

（1）通風電耗、翻堆設備油耗、翻堆設備備品備件是堆肥發酵運行費用的重要組成部分。傳統堆肥發酵過程中，通風電耗要占整個運行費用的50%以上，而時間溫度反饋控制系統通過在線實現監測堆肥體溫度，自動控制通風量，一方面確保了系統微生物適宜的環境條件，同時又避免了盲目通風，因此能夠將系統的通風電耗降到最小。

（2）堆肥好氧發酵單片機時間-溫度反饋控制系統，可以使堆體長時間保持在適宜的溫度范圍，且可以維持較長時間的高溫階段，達到了很好的堆肥腐熟化和殺菌效果。單片機用于堆肥發酵過程的自動化控制具有成本低、操作簡單、運行穩定、節省人力和能耗的特點。以單片機為核心的溫度采集與控制系統的研發與應用可有效提高堆肥發酵生產過程自動化控制水平，提高堆肥發酵生產效率，使企業獲得更高的經濟效益。

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