無線測(cè)溫在垃圾堆肥發(fā)酵中的應(yīng)用

李鑒明

（廣東工商職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，廣東 肇慶　526020）

無線測(cè)溫在垃圾堆肥發(fā)酵中的應(yīng)用

李鑒明

（廣東工商職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，廣東 肇慶526020）

堆肥是垃圾處理方法中最符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一種方法.堆肥發(fā)酵過程中對(duì)溫度的要求很嚴(yán)格，溫度過高會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)甚至殺死微生物，微生物只有在適合生長(zhǎng)的溫度環(huán)境下，才能變廢為寶.本文主要介紹了以單片機(jī)為核心的無線測(cè)溫系統(tǒng)于垃圾處理中的應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)各部分的主要作用進(jìn)行了闡述，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱源的紅外跟蹤與溫度測(cè)控.無線測(cè)溫摒棄了舊的價(jià)格昂貴的溫度補(bǔ)償導(dǎo)線傳輸?shù)呐f檢測(cè)方法，新方法更為經(jīng)濟(jì)、可靠、方便、實(shí)用.

無線測(cè)溫；紅外定位；機(jī)械驅(qū)動(dòng)；STC89S52單片機(jī)；垃圾處理；發(fā)酵

0　引言

綠色環(huán)保是當(dāng)今及未來全世界都要重點(diǎn)關(guān)注的問題.人類不斷地通過對(duì)大自然的索取得利，然后再把廢棄垃圾歸還給大自然.如何更好、更合理有效地對(duì)垃圾進(jìn)行處理，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需要研究的重要課題.我國(guó)現(xiàn)在處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，伴隨而來的環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重的環(huán)境問題會(huì)對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生反作用.隨著社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展，中國(guó)城市居民的生活廢棄垃圾產(chǎn)量急速飆升，可回收的金屬在垃圾中的比例越來越大.造成我國(guó)垃圾的產(chǎn)量與成分比例發(fā)生變化的原因有3個(gè)：其一，人口增長(zhǎng)；其二，經(jīng)濟(jì)發(fā)展；其三，人民生活消費(fèi)水平提高.我們應(yīng)當(dāng)重視并積極面對(duì)這個(gè)問題，改變舊的垃圾處理方式，讓垃圾中的可再生資源得以充分利用［1］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)城鄉(xiāng)居民生活垃圾產(chǎn)生量每人約為1.3～2.1 kg/d，且還以每年7%～9%的速度增長(zhǎng).2011年我國(guó)城鄉(xiāng)居民生活垃圾總量約為2.76億t，占全球垃圾總量的25.9%.由此可見，如何才能更有效地處理垃圾已成為我國(guó)迫在眉睫需要解決的問題.垃圾處理的常用方法為填埋、堆肥、焚燒.填埋會(huì)占用大量土地且會(huì)污染土壤；焚燒會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣、毒氣，對(duì)大氣環(huán)境造成污染；只有堆肥是最符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，能夠?qū)崿F(xiàn)資源再生和廢物利用的垃圾處理方法.垃圾處理堆肥技術(shù)是指將固體廢棄垃圾進(jìn)行發(fā)酵，使之產(chǎn)生有機(jī)肥料或沼氣等能源的技術(shù)［2］.控制發(fā)酵過程的溫度是堆肥技術(shù)的核心問題，微生物只能在適宜的溫度環(huán)境下才能快速生長(zhǎng)，溫度過高或過低都可能抑制微生物的生長(zhǎng)，甚至?xí)⑺牢⑸?，致使垃圾轉(zhuǎn)換成肥料和能源的效用降低［3］.

本文中，筆者通過建立一套測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾處理發(fā)酵過程中對(duì)發(fā)酵溫度的檢測(cè)，該系統(tǒng)采用的是無線測(cè)溫的方法.有線測(cè)溫系統(tǒng)采用接觸式溫度傳感器，由于傳感器需要與垃圾接觸因而難以保持清潔，而且傳感器會(huì)被腐蝕，由此導(dǎo)致數(shù)據(jù)精確度降低且會(huì)縮短使用壽命，采集數(shù)據(jù)還要用到價(jià)格比較昂貴的溫度補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行傳輸，成本較高.無線測(cè)溫系統(tǒng)與有線測(cè)溫系統(tǒng)相比，具有成本低、準(zhǔn)確度高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn).采用無線數(shù)據(jù)采集和處理，可以解決傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)布線采集數(shù)據(jù)所帶來的不便，降低了系統(tǒng)費(fèi)用，減少了人工勞動(dòng)力，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率［4］.

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成部分和總體功能概述

主控電路系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)A）的主要功能，是通過對(duì)空間中同一平面上的4個(gè)紅外接收傳感器所接收的模擬量進(jìn)行比較，判斷周圍空間紅外線的強(qiáng)弱，進(jìn)而跟蹤定位目標(biāo)位置.紅外線傳感器安裝在可以旋轉(zhuǎn)的二維平臺(tái)上，并用STC89S52單片機(jī)控制二維平臺(tái)在空間轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而跟蹤定位目標(biāo)，同時(shí)控制液晶屏顯示目標(biāo)所在位置、定位時(shí)間，并顯示熱源溫度采集系統(tǒng)端采集到的溫度數(shù)據(jù).熱源溫度采集系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)B），主要采用鉑電阻Pt100檢測(cè)垃圾發(fā)酵時(shí)的發(fā)熱溫度，檢測(cè)到的模擬量溫度經(jīng)運(yùn)算放大后送給A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的結(jié)果傳給STC89S52進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.STC89S52同時(shí)控制數(shù)碼管顯示溫度，并通過JZ863S雙工無線收發(fā)模塊在A和B這2個(gè)系統(tǒng)間進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)傳遞［5］.

垃圾處理廠實(shí)際上會(huì)有多個(gè)堆肥發(fā)酵池同時(shí)工作，每個(gè)堆肥發(fā)酵池因?yàn)槌貎?nèi)垃圾種類不同，其所要求的發(fā)酵溫度也有所不同，每個(gè)發(fā)酵池內(nèi)的局部溫度也會(huì)有所差異，因此系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)具備可以靈活改變待測(cè)目標(biāo)并能智能化地尋找、定位待測(cè)目標(biāo)的功能，盡量減少人力以及人為誤差.系統(tǒng)A要實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)是用4個(gè)紅外接收管采集熱源的紅外光譜，并將4個(gè)管采集到的信息傳送至主控單片機(jī)，主控單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理，再通過2個(gè)單片機(jī)分別控制y軸的進(jìn)電機(jī)和x軸的舵機(jī)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，跟蹤校正熱源位置，從而進(jìn)行正確定位.系統(tǒng)A的結(jié)構(gòu)功能圖如圖1所示.

圖1　主控電路系統(tǒng)（系統(tǒng)A）結(jié)構(gòu)功能圖

系統(tǒng)B要實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)是建立模擬熱源溫度采集系統(tǒng)，通過STC89S52對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并用數(shù)碼管傳輸，通過無線收發(fā)模塊將溫度數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)A的主控單片機(jī)上，實(shí)現(xiàn)兩大系統(tǒng)的信息傳遞.系統(tǒng)B的結(jié)構(gòu)功能圖如圖2所示.

圖2　熱源采集系統(tǒng)（系統(tǒng)B）結(jié)構(gòu)功能示意圖

2　主控電路系統(tǒng)A關(guān)于框架驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

為了跟蹤定位熱源，需要建立一個(gè)跟蹤定位儀.本系統(tǒng)通過建立一個(gè)二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度的要求.其具體結(jié)構(gòu)如下：在水平軸和豎直軸分別安裝電機(jī)（可采用步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)）；在豎直方向（即y軸方向）上要實(shí)現(xiàn)0～180°之間的轉(zhuǎn)角，而舵機(jī)的轉(zhuǎn)角范圍剛好為-90～90°，因舵機(jī)的質(zhì)量輕且適于懸掛，所以剛好滿足條件.由于繞y軸方向上（即x軸方向）要求的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0～360°，同時(shí)又要帶動(dòng)框架和舵機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，所以我們?cè)谒叫D(zhuǎn)方向上采用大扭矩的步進(jìn)電機(jī).在跟蹤定位儀機(jī)械框架的2個(gè)軸上分別安裝1個(gè)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)框架在二維空間角度的旋轉(zhuǎn)，從而可使安裝在框架上的紅外接受傳感器接收到空間任意位置的紅外線，進(jìn)而定位目標(biāo)［6］.由于要考慮到x軸方向上步進(jìn)電機(jī)扭矩的大小，同時(shí)還要考慮到安裝在步進(jìn)電機(jī)上繞x軸旋轉(zhuǎn)的框架強(qiáng)度，所以采用輕質(zhì)的鋁合金材料制作框架.將整個(gè)框架（包括安裝在轉(zhuǎn)軸上的電機(jī)）都安裝在機(jī)盒上，以使整機(jī)布局合理、結(jié)構(gòu)可靠.該二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)效果圖如圖3所示.

圖3　二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)效果圖

3　熱源溫度采集系統(tǒng)（系統(tǒng)B）的設(shè)計(jì)

熱源溫度采集系統(tǒng)是以STC89S52單片機(jī)為核心的溫度探測(cè)系統(tǒng)，主要包括硬件電路設(shè)計(jì)方法及其工作原理.利用Pt100阻值隨溫度線性變化的特點(diǎn)，采用恒流源LM317為其供電，從而使Pt100兩端的電壓隨溫度線性變化［7］.由于Pt100的阻值變化范圍非常小不便于處理，所以在其后接同向放大器.該放大器的輸入阻抗很大，但對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響極小.設(shè)計(jì)中使用增益為10倍的放大器，使得運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)為2.55+ T/100.將放大后的輸出信號(hào)傳給A/D轉(zhuǎn)換器，使得模擬的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)處理后再通過無線收發(fā)模塊傳送到主控電路系統(tǒng)，完成對(duì)溫度的檢測(cè).該系統(tǒng)敏感度和精確度都很高，可以對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行精確的采集.

3.1熱源溫度采集系統(tǒng)的主控電路圖

根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的基于STC89S52單片機(jī)的數(shù)碼管溫度顯示電路和模擬熱源溫度采集電路圖，完成系統(tǒng)B的電路設(shè)計(jì)［8］.系統(tǒng)B工作的原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)將采集到的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)再經(jīng)處理后顯示，并通過無線收發(fā)模塊傳送到系統(tǒng)A.首先，要實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管溫度顯示系統(tǒng)與STC89S52單片機(jī)的連接.數(shù)碼管顯示電路使用STC89S52單片機(jī)控制，由4位數(shù)碼管與4個(gè)74HC595帶鎖存的移位寄存器組成，形成溫度數(shù)據(jù)的顯示電路.其次，要實(shí)現(xiàn)STC89S52單片機(jī)和熱源溫度采集系統(tǒng)的連接.熱源溫度采集系統(tǒng)需先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，然后再與單片機(jī)連接.串行A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示.

圖4　串行A/D轉(zhuǎn)換電路圖設(shè)計(jì)

3.2熱源溫度傳感系統(tǒng)電路圖

該系統(tǒng)選用Pt100作為溫度傳感器.Pt100是一種非接觸式溫度傳感器，它是電阻隨著溫度變化的熱敏器件，是一種穩(wěn)定、高精度且具有線性響應(yīng)的溫度檢測(cè)器.Pt100的測(cè)溫范圍是-200～650℃，完全能夠滿足系統(tǒng)需求，當(dāng)所測(cè)溫度為0℃時(shí)，Pt100的電阻值為100 Ω，溫度每增減1℃，則電阻也相應(yīng)增減0.385 Ω.根據(jù)此線性關(guān)系，如能測(cè)得某時(shí)刻Pt100的電阻值，就可以算出所測(cè)目標(biāo)的即時(shí)溫度.然而電阻值作為一個(gè)物理量要直接測(cè)量比較困難，因此需要給Pt100提供一個(gè)恒定的電流It，然后測(cè)量Pt100上的電壓Ut，根據(jù)Rt=Ut/It，得到Pt100電阻值的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)而得到此時(shí)的溫度T.選用LM317作為恒流源，因?yàn)長(zhǎng)M317的溫度穩(wěn)定性好，其產(chǎn)生的電流非常穩(wěn)定.把恒流源的電流調(diào)整為2.55 mA，得到測(cè)量電壓U=0.255+T/1 000.根據(jù)Pt100傳感器阻值變化得到的電壓信號(hào)經(jīng)過放大器放大輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中，單片機(jī)就輸入量和設(shè)定量進(jìn)行對(duì)比運(yùn)算，得到即時(shí)溫度值.傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路原理圖如圖5所示.

圖5　熱源溫度采集電路設(shè)計(jì)

4　軟件設(shè)計(jì)思路

綜上所分析，采樣電橋輸出電壓經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)單片機(jī)處理即可輸出顯示.此設(shè)計(jì)采用匯編語言編寫程序，系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示.

圖6　系統(tǒng)程序流程圖

5　結(jié)語

本系統(tǒng)是一個(gè)可以跟蹤定位待測(cè)目標(biāo)并監(jiān)測(cè)待測(cè)目標(biāo)實(shí)時(shí)溫度的無線測(cè)溫系統(tǒng).系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間取決于Pt100熱電阻的熱響應(yīng)時(shí)間，而Pt100的熱響應(yīng)時(shí)間又取決于保護(hù)管直徑，當(dāng)保護(hù)管直徑為2 mm時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間小于等于2s.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)械框架設(shè)計(jì)較好，各功能模塊電路能較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，能夠穩(wěn)定、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能.系統(tǒng)的核心是STC89S52單片機(jī)，外接4路模擬信號(hào)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等電路，利用了單片機(jī)內(nèi)部的PWM調(diào)制、定時(shí)器、外部中斷等內(nèi)部資源，在降低成本的同時(shí)加快了數(shù)據(jù)的處理速度和精度.雖然在理論上該系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能完全可以達(dá)到理想狀態(tài)，但在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)存在一些的問題.例如：在系統(tǒng)傳感器進(jìn)行實(shí)際安裝與定位時(shí)，極有可能精度不夠高，而4個(gè)紅外接受傳感器在室溫中的電阻值不同，白天和夜間傳感器受周圍溫度環(huán)境變化的影響，會(huì)導(dǎo)致其定位精度和定位時(shí)間有偏差.對(duì)于這些問題要在今后結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加以研究和分析，以便不斷完善系統(tǒng)，改善系統(tǒng)的精度和可調(diào)節(jié)性.

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Wirelesseless Temperature Measurement in theApplication of Waste Composting Fermentation

LI Jianming
（Department of Construction Engineering，Guangdong College of Business and Technology，Zhaoqing，Guangdong 526020，China）

ractComposting is garbage disposal method which is most consistent with the sustainable development strategy.Compost fermentation process is very strict with temperature，higher temperature can inhibit the growth of microorganisms or even kill microorganisms，microorganisms only grow under suitable temperature of the environment，and thus turn“waste”into wealth.This paper mainly introduces the single-chip microcomputer as the core of the wireless temperature measurement system in the application of waste disposal，focus on the system design，the hardware structure of the main functions of each part，implementing the tracking and infrared temperature measurement and control of heat source.Wireless temperature measurement discards the old detection method of the old expensive temperature compensation wire transfer，thus creating a new method which is more economical，reliable，convenient and practical.

ordswireless temperature measurement；infrared positioning；Mechanical drive；STC89S52 microcontroller；Garbage disposal；The fermentation

TN215

A

1009-8445（2016）02-0059-05

（責(zé)任編輯：陳靜）

2015-11-16

李鑒明（1985-），男，廣東肇慶人，廣東工商職業(yè)學(xué)院建筑工程系教師.