繆 宏,楊 強,戴大千,朱 浩,楊 錚,劉思幸

(揚州大學 機械工程學院,江蘇 揚州 225000)

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)分含量分別相當于600萬t尿素、1 200萬t過磷酸鈣、1 200萬t硫酸鉀。然而,2014年我國氮肥、磷肥和鉀肥的施用量也不過2 229.3、743.8、89.5萬t[1-3]。目前,禽畜糞便、生物質(zhì)秸稈不能有效轉化成有機肥,導致N、P、K等養(yǎng)分大量流失,降低養(yǎng)分功效,同時造成了嚴重的環(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)村污染治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》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。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及設備是實現(xiàn)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(yè)環(huán)境好等優(yōu)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(fā)展前景[4-7]。在反應器中,影響堆肥反應的環(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(fā)展,在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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(nèi)部環(huán)境在線測量控制系統(tǒng),具有成本低、結構簡單、可靠性高等優(yōu)點,能夠很好地監(jiān)測反應器內(nèi)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(chǎn)提高堆肥反應效率具有重要意義。

1 基本原理及系統(tǒng)總體設計

好氧堆肥反應的腐熟效率取決于堆體內(nèi)好氧細菌的生物活性,因此對反應器內(nèi)部的溫度和含氧量進行控制調(diào)節(jié),可以促進好氧堆肥細菌的生長,提高堆肥反應效率。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器內(nèi)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(jiān)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(nèi)部的環(huán)境。堆肥反應器控制系統(tǒng)硬件總體設計如圖1所示。

圖1 堆肥反應器控制系統(tǒng)硬件總體設計

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(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,運用單片機可以實現(xiàn)各模塊的功能,形成集數(shù)據(jù)采集、運算、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(宏晶科技股份有限公司)是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器,能為堆肥反應控制系統(tǒng)提供高效的數(shù)據(jù)采集、處理運算方案[10]。STC89C52RC單片機的引腳排列如圖2所示。

圖2 STC89C52RC單片機的引腳排列

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(xiàn)代化,能獨立工作的溫度監(jiān)測系統(tǒng)已應用于諸多的領域。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、測量溫度準確度低,且將信號轉化為數(shù)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(chǎn)熱、由室溫到高溫(最高可達80℃)的過程,而溫度是衡量堆肥質(zhì)量的重要指標。基于好氧堆肥反應器的特點,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(huán)境中好氧細菌將抑制生長,開始進行厭氧發(fā)酵反應,影響堆肥反應速率[9]。好氧堆肥反應器的通風系統(tǒng)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(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。本設計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,具有溫度和壓力補償功能,在濃度為0～25%量程范圍內(nèi)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(shù)據(jù)。

圖3 溫度傳感器連接圖

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(nèi)部的溫度及含氧量參數(shù)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(yōu)點。連接電路圖如圖 4 所示。

圖4 1602顯示模塊連接圖

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(lián)一個滑動變阻器。

2.3 單片機時鐘電路設計

在 STC89C52RC 單片機內(nèi)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(chǎn)生自激振蕩。由于1個機器周期含有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個機器周期共有12個振蕩周期。時鐘電路如圖5所示。

圖5 單片機時鐘電路

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(tǒng)出現(xiàn)聲光報警時,手動按鍵進行復位,并根據(jù)液晶顯示器顯示的溫度及含氧量的具體參數(shù),進行環(huán)境參數(shù)的調(diào)整。復位電路如圖6所示。

圖6 單片機復位電路Fig.6 Reset circuit

當電源接上時,電容C01充電開始,施密特觸發(fā)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(fā)器電壓降低至低電平,輸出端變位高電平,Reset啟動,實現(xiàn)復位。

3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)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(jiān)測、顯示、發(fā)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。

圖7 設計流程圖

本堆肥反應器在線監(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行抗干擾程序設計,可以達到剔除趨勢項的目的。系統(tǒng)主程序圖如圖8所示。

圖8 主程序流程

4 在線監(jiān)測控制系統(tǒng)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(diào)理劑采用蘑菇渣。鮮牛糞取自揚州大學實驗農(nóng)牧場,麥秸稈取自揚州市樸席鎮(zhèn)農(nóng)田。將麥秸稈粉碎至1～2 cm,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。針對好氧堆肥反應實際試驗的需要,對于上、中、下3層的溫度及氧氣濃度參數(shù)進行監(jiān)測。

表1 初始堆肥物料理化指標

4.2 試驗結果

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(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。

圖9 溫度及氧氣濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化圖

5 結論

1)設計了好氧堆肥反應器內(nèi)部環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng),其結構簡單可靠,可以實現(xiàn)對于堆肥環(huán)境中溫度及氧濃度的實時監(jiān)測。

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

3)采用好氧堆肥反應器內(nèi)部環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)進行好氧堆肥試驗,結果證明可以滿足實際試驗與生產(chǎn)需要,提高反應效率。