發(fā)布時(shí)間：2020-02-18所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為了提高好氧堆肥反應(yīng)效率，建立了一套基于傳感器技術(shù)的適用于好氧堆肥反應(yīng)器的內(nèi)部環(huán)境在線監(jiān)測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為核心，可完成數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、處理等，通過顯示模塊顯示反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境參數(shù)。當(dāng)內(nèi)部參數(shù)超過軟件程序中設(shè)定的上下
摘要:為了提高好氧堆肥反應(yīng)效率，建立了一套基于傳感器技術(shù)的適用于好氧堆肥反應(yīng)器的內(nèi)部環(huán)境在線監(jiān)測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為核心，可完成數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、處理等，通過顯示模塊顯示反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境參數(shù)。當(dāng)內(nèi)部參數(shù)超過軟件程序中設(shè)定的上下極限值時(shí)，系統(tǒng)將自動發(fā)出聲光報(bào)警，由此提高好氧堆肥反應(yīng)效率與質(zhì)量。同時(shí)，進(jìn)行了好氧堆肥試驗(yàn)，結(jié)果表明:該反應(yīng)系統(tǒng)可以運(yùn)用于實(shí)際的試驗(yàn)與生產(chǎn)中。
關(guān)鍵詞:好氧堆肥反應(yīng)器;智能化;傳感器;控制系統(tǒng)
0引言
禽畜糞便與生物質(zhì)秸稈中含有大量的N、P、K等元素。經(jīng)測算，10億t秸稈中氮、磷、鉀養(yǎng)分含量分別相當(dāng)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(zhì)秸稈不能有效轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥，導(dǎo)致N、P、K等養(yǎng)分大量流失，降低養(yǎng)分功效，同時(shí)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。2018年，生態(tài)環(huán)境部農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動計(jì)劃》中，將著力解決養(yǎng)殖業(yè)污染和有效防控種植業(yè)污染作為首要任務(wù)。為了減少禽畜糞便、秸稈焚燒等帶來的環(huán)境污染，無害化處理是必要的，開發(fā)高效的好氧堆肥工藝技術(shù)及設(shè)備是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑。反應(yīng)器堆肥因其具有堆肥周期短、占地面積小、作業(yè)環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)成為目前研究熱點(diǎn)，對于解決禽畜糞便資源化利用問題具有良好的發(fā)展前景[4-7]。在反應(yīng)器中，影響堆肥反應(yīng)的環(huán)境因素主要有溫度和氧氣濃度，在合適的環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行堆肥可以顯著提高堆肥反應(yīng)效率[8-9]。
近年來，傳感器與單片機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于傳感器技術(shù)的、適用于好氧堆肥反應(yīng)器的內(nèi)部環(huán)境在線測量控制系統(tǒng)，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)部溫度及氧氣含量等因素，對于好氧堆肥試驗(yàn)?zāi)M及實(shí)際生產(chǎn)提高堆肥反應(yīng)效率具有重要意義。
1基本原理及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
好氧堆肥反應(yīng)的腐熟效率取決于堆體內(nèi)好氧細(xì)菌的生物活性，因此對反應(yīng)器內(nèi)部的溫度和含氧量進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，可以促進(jìn)好氧堆肥細(xì)菌的生長，提高堆肥反應(yīng)效率。本系統(tǒng)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(yīng)器內(nèi)部的溫度及氧氣含量信息，通過STC89C52單片機(jī)處理各傳感器采集到的信息，并在顯示器上進(jìn)行溫度及含氧量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對于異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的聲光報(bào)警，提醒改善堆肥反應(yīng)器內(nèi)部的環(huán)境。堆肥反應(yīng)器控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖1所示。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1處理器的選擇
單片機(jī)處理器是好氧堆肥控制系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)涉及溫度和氧氣濃度多路環(huán)境參數(shù)的檢測，運(yùn)用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，形成集數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、儲存及處理的智能化監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)所選用的STC89C52RC單片機(jī)(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(tǒng)8051單片機(jī)，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，能為堆肥反應(yīng)控制系統(tǒng)提供高效的數(shù)據(jù)采集、處理運(yùn)算方案[10]。STC89C52RC單片機(jī)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(shè)計(jì)
溫度傳感器的種類繁多，隨著信息技術(shù)的現(xiàn)代化，能獨(dú)立工作的溫度監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于諸多的領(lǐng)域。傳統(tǒng)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(zhǔn)確度低，且將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)值信號才能有單片機(jī)進(jìn)行處理。好氧堆肥過程是好氧細(xì)菌生長產(chǎn)熱、由室溫到高溫(最高可達(dá)80℃)的過程，而溫度是衡量堆肥質(zhì)量的重要指標(biāo)。基于好氧堆肥反應(yīng)器的特點(diǎn)，系統(tǒng)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(qiáng)的特點(diǎn)[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(shè)計(jì)
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?yàn)樵陂L期的厭氧環(huán)境中好氧細(xì)菌將抑制生長，開始進(jìn)行厭氧發(fā)酵反應(yīng)，影響堆肥反應(yīng)速率[9]。好氧堆肥反應(yīng)器的通風(fēng)系統(tǒng)主要是將反應(yīng)器外空氣中的氧氣輸送進(jìn)入反應(yīng)器，最高濃度約為21%。此外，好氧堆肥反應(yīng)會產(chǎn)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(shè)計(jì)采用北京九純健科技有限公司生產(chǎn)的FDM700型氧氣濃度監(jiān)測探頭傳感器，具有溫度和壓力補(bǔ)償功能，在濃度為0～25%量程范圍內(nèi)精度高達(dá)2%F.S，響應(yīng)時(shí)間為15s，電平信號為TTL電平，可以直接與單片機(jī)通信輸出測量數(shù)據(jù)。
2.2.3顯示模塊設(shè)計(jì)
顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前反應(yīng)器內(nèi)部的溫度及含氧量參數(shù)信息。本設(shè)計(jì)采用1602液晶顯示器，具有清屏、字符閃爍、光標(biāo)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(yōu)點(diǎn)。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(jī)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(lián)一個滑動變阻器。
2.3單片機(jī)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
在STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)部設(shè)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(shí)原件即可產(chǎn)生自激振蕩。由于1個機(jī)器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以1個機(jī)器周期共有12個振蕩周期。時(shí)鐘電路如圖5所示。
2.4單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)
采用按鍵復(fù)位方式的設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)聲光報(bào)警時(shí)，手動按鍵進(jìn)行復(fù)位，并根據(jù)液晶顯示器顯示的溫度及含氧量的具體參數(shù)，進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的調(diào)整。復(fù)位電路如圖6所示。
當(dāng)電源接上時(shí)，電容C01充電開始，施密特觸發(fā)器電壓升高至高電平;當(dāng)復(fù)位鍵按下時(shí)，電容C01放電，施密特觸發(fā)器電壓降低至低電平，輸出端變位高電平，Reset啟動，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。
3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件以C51語言為基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計(jì)，包括的主要功能有溫度及氧含量的監(jiān)測、顯示、發(fā)光二級管及蜂鳴器的報(bào)警等。軟件的具體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。
本堆肥反應(yīng)器在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象主要有溫度及含氧量，且堆肥反應(yīng)器內(nèi)部由于酸性氣體的作用環(huán)境較為惡劣，多干擾。因此，本系統(tǒng)采用平均值算法對監(jiān)測到的溫度及氧含量進(jìn)行抗干擾程序設(shè)計(jì)，可以達(dá)到剔除趨勢項(xiàng)的目的。系統(tǒng)主程序圖如圖8所示。
4在線監(jiān)測控制系統(tǒng)性能試驗(yàn)
4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)
以牛糞、麥秸稈為主要原料進(jìn)行好氧堆肥試驗(yàn)，調(diào)理劑采用蘑菇渣。鮮牛糞取自揚(yáng)州大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)牧場，麥秸稈取自揚(yáng)州市樸席鎮(zhèn)農(nóng)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(zhì)量比混合，加入適當(dāng)水分，將初始物料調(diào)至較優(yōu)范圍，其理化性質(zhì)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(yīng)實(shí)際試驗(yàn)的需要，對于上、中、下3層的溫度及氧氣濃度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。
4.2試驗(yàn)結(jié)果
溫度及氧氣濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化圖如圖9所示。其中，上、中、下3層50℃以上的時(shí)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?jǐn)?shù)均大于8%，未形成厭氧區(qū)域，從而有助于抑制有害氣體的產(chǎn)生。
5結(jié)論
1)設(shè)計(jì)了好氧堆肥反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，可以實(shí)現(xiàn)對于堆肥環(huán)境中溫度及氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
2)通過監(jiān)測對于堆肥反應(yīng)效率影響最大的溫度及氧濃度，根據(jù)程序中所設(shè)定的極限值來確定是否啟動發(fā)光二極管和蜂鳴器。
3)采用好氧堆肥反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行好氧堆肥試驗(yàn)，結(jié)果證明可以滿足實(shí)際試驗(yàn)與生產(chǎn)需要，提高反應(yīng)效率。
