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摘要以温度为发酵过程被控变量，以通风供气量为操纵变量，以STC89C52单片机为主控单元，以供气电磁阀为执行机构，通过硬件电路和相关应用程序设计，建立了堆肥好氧发酵过程时间-温度控制系统。该控制系统通过调节控制供气电磁阀启停时间片段有效控制堆肥好氧发酵过程中的温度。运行结果表明，该控制方式可以使堆体长时间保持在适宜的温度范围，促进堆肥有效发酵。该控制系统具有成本低、操作简单、运行稳定、节省人力的特点，具有较高的实用性及推广价值。
关键词好氧发酵；温度控制；单片机；时间-温度反馈
中图分类号S220.2文献标识码A文章编号0517-6611（2015）29-364-04
堆肥化是有机固体废弃物实现无害化、减量化和资源化的有效途径。堆肥化是在合适的水、气条件下，利用微生物降解有机质而产生高温，杀死有机固体废弃物中的病原菌及杂草种子，使其达到稳定化和无害化。堆肥化有好氧和厌氧之分，由于好氧堆肥的高温可以杀死废弃物中的病原菌，同时高温菌对有机质的降解速度快，因此目前大多数堆肥采用的是高温好氧发酵。
供氧是堆肥好氧发酵成功的重要因素之一。高压强制通风是一种行之有效的供氧方式，可应用于堆肥化好氧发酵系统，满足发酵供氧需求，同时高压强制通风可实现对堆体内温度的调节。堆肥好氧发酵产生高温，但是，堆肥体还须避免过高、过长的高温。据国外试验表明，堆肥高压通气好氧发酵一般都会达到80 ℃左右的最高温，如果堆肥原料调制适当，透气性好，有时甚至能够达到90 ℃以上的堆温，而这不利于好氧微生物生长与繁殖，因此需要进行发酵控制，调节将堆体温度，使其维持在适度水平[2-3]。
以压力控制方式控制堆体的通风量，尽管可满足堆体供气量需求，但不能优化控制堆体温度，会造成堆体温度过高。另外，压力控制容易造成堆肥过程中某些阶段通风过量或某些阶段风量不足。为了降低堆肥能耗、提高堆肥质量和更为合理地控制堆肥发酵过程，需研究更为合理的强制通风控制方式。为此，笔者进行了强制通风时间-温度控制方式调控系统的研究，通过硬件电路和相关应用程序设计，进行了堆肥好氧发酵过程时间-温度控制的设计与研究。在满足菌体需氧的基础上，通过有效控制供气电磁阀的运行时间，实现对堆体温度的控制，满足菌体对适宜生长环境的要求。
1堆肥好氧发酵温度控制要求
温度是堆肥发酵系统微生物活动程度的反映，是影响微生物活动和堆肥发酵工艺过程的重要因素。堆肥中微生物分解有机物而释放出热量，这些热量使堆肥温度上升。堆肥发酵初始期，堆层基本呈中温，嗜温菌较为活跃，大量繁殖，在利用有机物的过程中，产生热量，堆层温度不断上升，5～7 d后可以达到55～70 ℃。在这个温度水平，嗜温菌生长受到抑制，逐步大量死亡，而嗜热菌的繁殖进入激发状态。嗜热菌的大量繁殖和堆温的明显提高，使堆肥发酵直接由中温进入高温，并在高温度范围内稳定一段时间。正是在这一温度范围内，堆肥中的各种病原菌、寄生虫以及杂草种子被杀死。
堆肥作为一种生物系统，反应产生的温度是有限定范围的，温度过高或过低都会减缓反应速度。不同种类微生物的生长对温度具有不同的要求。一般而言，嗜温菌最适合的温度为30～40 ℃，嗜热菌发酵最适合温度是45～60 ℃。高温堆肥时，温度上升超过70 ℃即进入孢子形成阶段，这个阶段对堆肥是不利的，因为孢子呈不活动状态，使分解速度相应变慢[1，3]。此外，在此温度范围内，形成的孢子再发芽繁殖的可能性也很小，因此，高温堆肥温度最好在50～65 ℃左右。基于上述原因，堆肥过程中温度控制是十分必要的。
以温度做为被控变量，通过控制供气电磁阀的启停时间来控制通气量，既能满足不同发酵阶段微生物供氧需求，促进发酵进程及热量的释放，同时又可通过通气带走多余的热量，实现对堆体温度的调节，提高堆肥发酵质量。
2单片机时间-温度反馈控制系统研究
2.1堆肥发酵过程自动化控制系统
在堆肥化过程中其发酵温度控制比较繁琐，以人工方式控制最适微生物生长繁殖的条件较不方便。使用单片机来采集并控制其发酵过程，能够使堆肥化顺利进行。时间-温度控制方式中的温度是被控变量，通风量为操纵变量，电磁阀为执行机构，通过控制电磁阀的启停时间（通风时间）控制操作变量。其堆肥发酵过程时间-温度控制系统总图见图1。
单片机实时采集发酵过程堆肥堆体温度数据，并显示、记录，以便及时了解发酵过程，很好地掌握发酵规律，为堆肥好氧发酵过程的控制提供依据。发酵仓的通风采用时间-温度反馈方式进行控制。时间-温度控制方式是利用设置在堆体中的温度传感器产生的控制信号，调节通风时间（供气电磁阀的开关），以维持堆体温度在设定温度的附近。例如在堆肥初始期，堆体需氧量较低，供气量由时间控制器控制，每通气10 min，间歇停气10 min，允许堆体温度上升；当堆肥发酵进入高温阶段（50 ℃以上）时，微生物增殖活跃，需氧量较高，此时需要延长高压通气时间，每通气15 min，间歇停气5 min，加大通气量；当堆温超过65 ℃时，每通气5 min，间歇停气15 min，以控制堆温不至于过高；当堆体温度下降至50 ℃时，堆肥发酵进入降温阶段，微生物需氧量减弱，此时恢复每通气10 min，间歇停气10 min，减少通气量；当堆体温度下降至40 ℃时，有机质基本上分解结束，此时持续通风，加速堆体水分散失和堆温下降，缩短发酵结束期。以上控制要求通过程序编写完成。当原料发生变化，通过简单修改程序，即可满足控制要求。
2.2控制系统硬件电路的设计
硬件的设计是堆肥控制器设计的重要部分，硬件的稳定运行是整个控制系统稳定运行的关键。单片机、温度传感器、电磁继电器、继电器驱动元件等都是硬件设计的重要组成部分，将各个模块的功能综合完成硬件部分的设计。硬件设计通过主控制器（单片机）将所有的模块通过编程控制。 2.2.1系统设计的框架。
该研究设计的是一种以STC89C52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。其主要包括电源模块、温度采集模块、按键处理模块、实时时钟模块、数据存储模块、LCD显示模块、通讯模块以及单片机最小系统。单片机系统设计框架见图2。
安徽农业科学2015年
2.2.2单片机最小系统电路。
在文中设计的温度控制系统中，控制核心是STC89C52单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4K FLASH工艺的程序存储器，便于用点的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为11.059 2 MHz，一个指令周期为1.09 μs。使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括复位电路、震荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择）。单片机最小系统电路见图3。
2.2.3单片机的选型。
该研究设计的温度控制系统主控制芯片选型为STC89C52单片机。单片机封装形式为双排直列式结构（DIP），引脚共40个，如图4所示。MCS51单片机STC89C52其内部基本组成为：1个8位的中央处理器（CPU），256byte片内RAM单元，4Kbyte存储空间 ROM，2个16位的定时器/计数器，4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），1个全双工串行口5个中断源，1个片内振荡器和时钟发生电路，可编程串行通道，有低功耗的闲置和掉电模式。这种结构特点决定了单片机具有体积小、成本低、可靠性高、应用灵活、开发效率高、易于被产品化等优点。
2.2.4温度传感器电路。
采用一线制DS18B20数字温度传感器。传感器输出信号进4.7 K的上拉电阻直接接到单片机的P1.0引脚上。DS18B20温度传感器是美国达拉斯（DALLAS）半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。DS18B20温度传感器只有3根外引线：单线数据传输总线端口DQ、外供电源线VDD、共用地线GND。DS18B20有2种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式（VDD接+5V），相应的完成温度测量的时间较短。在该设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其接口电路见图5。
2.2.5显示电路。该研究设计的温度控制系统是采用液晶屏12864作为显示模块，其接口原理见图6。2.2.6串口通讯电路。
该研究设计的通讯采用的是常见的串口通讯，协议转换芯片是采用MAX232A，其接口电路见图7。
2.3系统软件设计系统控制程序流程如图8。
3时间-温度控制系统运行效果测试
为了评价单片机时间-温度反馈控制系统的运行效果，将所完成的单片机时间-温度控制系统安装于某有机肥生产企业建立的高压通气堆肥好氧发酵仓内。该堆肥好氧发酵系统仓容120 m3，仓底部排布有通气管道，以空压机供气，空压机功率4 kW。试验时将牛粪和羊粪的混合料（在牛粪中加入约1/4～1/3的羊粪，调节堆肥湿度至65%～70%）堆满发酵仓，堆体体积（12 m×5 m×2 m）。在堆肥表面下40～50 cm随机放置4个温度传感器，对发酵堆肥堆体温度进行实时监测，并用数据采集系统自动记录测试温度，取4个温度测试点的平均温度绘制成发酵温度曲线。测试结果见图9。
运行结果表明，单片机时间-温度控制系统可实时监测发酵过程温度变化，并及时控制供气电磁阀的启停。通过有效控制供气电磁阀的启停，可使不同发酵阶段嗜温菌、嗜热菌发挥各自发酵作用，发酵高温期长，且可将温度长时间控制在适宜的温度范围，满足菌体生长需求。发酵后期堆体温度呈现较快下降趋势。
4结论
（1）通风电耗、翻堆设备油耗、翻堆设备备品备件是堆肥发酵运行费用的重要组成部分。传统堆肥发酵过程中，通风电耗要占整个运行费用的50%以上，而时间温度反馈控制系统通过在线实现监测堆肥体温度，自动控制通风量，一方面确保了系统微生物适宜的环境条件，同时又避免了盲目通风，因此能够将系统的通风电耗降到最小。
（2）堆肥好氧发酵单片机时间-温度反馈控制系统，可以使堆体长时间保持在适宜的温度范围，且可以维持较长时间的高温阶段，达到了很好的堆肥腐熟化和杀菌效果。单片机用于堆肥发酵过程的自动化控制具有成本低、操作简单、运行稳定、节省人力和能耗的特点。以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用可有效提高堆肥发酵生产过程自动化控制水平，提高堆肥发酵生产效率，使企业获得更高的经济效益。
参考文献
[1]
文昊深.城市生活垃圾高温好氧堆肥工艺优化研究[D].重庆：重庆大学，2004：6.
[2] 马怀良，许修宏.畜禽粪便高温堆肥化处理技术[J].东北农业大学学报，2005（4）：536.
[3] 李吉进.畜禽粪便高温堆肥及工厂化生产研究进展[J].中国农业科技导报，2004（3）：50.
[4] 潘新民， 王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京：高等教育出版社， 2001：44-91.
[5] 吴金戊， 沈庆阳， 郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社， 2002：50-63.
[6] 尚金球， 单片机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社， 2004：55-91.
[7] 黄贤武， 郑筱霞.传感器原理及其应用[M].成都：电子科技大学出版社， 2002：32-41.
[8] 扬振江， 蔡德芳.新型集成电路使用指南与典型应用[M].西安：西安电子科技大学出版社， 2004：45-61.
关键词好氧发酵；温度控制；单片机；时间-温度反馈
中图分类号S220.2文献标识码A文章编号0517-6611（2015）29-364-04
堆肥化是有机固体废弃物实现无害化、减量化和资源化的有效途径。堆肥化是在合适的水、气条件下，利用微生物降解有机质而产生高温，杀死有机固体废弃物中的病原菌及杂草种子，使其达到稳定化和无害化。堆肥化有好氧和厌氧之分，由于好氧堆肥的高温可以杀死废弃物中的病原菌，同时高温菌对有机质的降解速度快，因此目前大多数堆肥采用的是高温好氧发酵。
供氧是堆肥好氧发酵成功的重要因素之一。高压强制通风是一种行之有效的供氧方式，可应用于堆肥化好氧发酵系统，满足发酵供氧需求，同时高压强制通风可实现对堆体内温度的调节。堆肥好氧发酵产生高温，但是，堆肥体还须避免过高、过长的高温。据国外试验表明，堆肥高压通气好氧发酵一般都会达到80 ℃左右的最高温，如果堆肥原料调制适当，透气性好，有时甚至能够达到90 ℃以上的堆温，而这不利于好氧微生物生长与繁殖，因此需要进行发酵控制，调节将堆体温度，使其维持在适度水平[2-3]。
以压力控制方式控制堆体的通风量，尽管可满足堆体供气量需求，但不能优化控制堆体温度，会造成堆体温度过高。另外，压力控制容易造成堆肥过程中某些阶段通风过量或某些阶段风量不足。为了降低堆肥能耗、提高堆肥质量和更为合理地控制堆肥发酵过程，需研究更为合理的强制通风控制方式。为此，笔者进行了强制通风时间-温度控制方式调控系统的研究，通过硬件电路和相关应用程序设计，进行了堆肥好氧发酵过程时间-温度控制的设计与研究。在满足菌体需氧的基础上，通过有效控制供气电磁阀的运行时间，实现对堆体温度的控制，满足菌体对适宜生长环境的要求。
1堆肥好氧发酵温度控制要求
温度是堆肥发酵系统微生物活动程度的反映，是影响微生物活动和堆肥发酵工艺过程的重要因素。堆肥中微生物分解有机物而释放出热量，这些热量使堆肥温度上升。堆肥发酵初始期，堆层基本呈中温，嗜温菌较为活跃，大量繁殖，在利用有机物的过程中，产生热量，堆层温度不断上升，5～7 d后可以达到55～70 ℃。在这个温度水平，嗜温菌生长受到抑制，逐步大量死亡，而嗜热菌的繁殖进入激发状态。嗜热菌的大量繁殖和堆温的明显提高，使堆肥发酵直接由中温进入高温，并在高温度范围内稳定一段时间。正是在这一温度范围内，堆肥中的各种病原菌、寄生虫以及杂草种子被杀死。
堆肥作为一种生物系统，反应产生的温度是有限定范围的，温度过高或过低都会减缓反应速度。不同种类微生物的生长对温度具有不同的要求。一般而言，嗜温菌最适合的温度为30～40 ℃，嗜热菌发酵最适合温度是45～60 ℃。高温堆肥时，温度上升超过70 ℃即进入孢子形成阶段，这个阶段对堆肥是不利的，因为孢子呈不活动状态，使分解速度相应变慢[1，3]。此外，在此温度范围内，形成的孢子再发芽繁殖的可能性也很小，因此，高温堆肥温度最好在50～65 ℃左右。基于上述原因，堆肥过程中温度控制是十分必要的。
以温度做为被控变量，通过控制供气电磁阀的启停时间来控制通气量，既能满足不同发酵阶段微生物供氧需求，促进发酵进程及热量的释放，同时又可通过通气带走多余的热量，实现对堆体温度的调节，提高堆肥发酵质量。
2单片机时间-温度反馈控制系统研究
2.1堆肥发酵过程自动化控制系统
在堆肥化过程中其发酵温度控制比较繁琐，以人工方式控制最适微生物生长繁殖的条件较不方便。使用单片机来采集并控制其发酵过程，能够使堆肥化顺利进行。时间-温度控制方式中的温度是被控变量，通风量为操纵变量，电磁阀为执行机构，通过控制电磁阀的启停时间（通风时间）控制操作变量。其堆肥发酵过程时间-温度控制系统总图见图1。
单片机实时采集发酵过程堆肥堆体温度数据，并显示、记录，以便及时了解发酵过程，很好地掌握发酵规律，为堆肥好氧发酵过程的控制提供依据。发酵仓的通风采用时间-温度反馈方式进行控制。时间-温度控制方式是利用设置在堆体中的温度传感器产生的控制信号，调节通风时间（供气电磁阀的开关），以维持堆体温度在设定温度的附近。例如在堆肥初始期，堆体需氧量较低，供气量由时间控制器控制，每通气10 min，间歇停气10 min，允许堆体温度上升；当堆肥发酵进入高温阶段（50 ℃以上）时，微生物增殖活跃，需氧量较高，此时需要延长高压通气时间，每通气15 min，间歇停气5 min，加大通气量；当堆温超过65 ℃时，每通气5 min，间歇停气15 min，以控制堆温不至于过高；当堆体温度下降至50 ℃时，堆肥发酵进入降温阶段，微生物需氧量减弱，此时恢复每通气10 min，间歇停气10 min，减少通气量；当堆体温度下降至40 ℃时，有机质基本上分解结束，此时持续通风，加速堆体水分散失和堆温下降，缩短发酵结束期。以上控制要求通过程序编写完成。当原料发生变化，通过简单修改程序，即可满足控制要求。
2.2控制系统硬件电路的设计
硬件的设计是堆肥控制器设计的重要部分，硬件的稳定运行是整个控制系统稳定运行的关键。单片机、温度传感器、电磁继电器、继电器驱动元件等都是硬件设计的重要组成部分，将各个模块的功能综合完成硬件部分的设计。硬件设计通过主控制器（单片机）将所有的模块通过编程控制。 2.2.1系统设计的框架。
该研究设计的是一种以STC89C52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。其主要包括电源模块、温度采集模块、按键处理模块、实时时钟模块、数据存储模块、LCD显示模块、通讯模块以及单片机最小系统。单片机系统设计框架见图2。
安徽农业科学2015年
2.2.2单片机最小系统电路。
在文中设计的温度控制系统中，控制核心是STC89C52单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4K FLASH工艺的程序存储器，便于用点的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为11.059 2 MHz，一个指令周期为1.09 μs。使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括复位电路、震荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择）。单片机最小系统电路见图3。
2.2.3单片机的选型。
该研究设计的温度控制系统主控制芯片选型为STC89C52单片机。单片机封装形式为双排直列式结构（DIP），引脚共40个，如图4所示。MCS51单片机STC89C52其内部基本组成为：1个8位的中央处理器（CPU），256byte片内RAM单元，4Kbyte存储空间 ROM，2个16位的定时器/计数器，4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），1个全双工串行口5个中断源，1个片内振荡器和时钟发生电路，可编程串行通道，有低功耗的闲置和掉电模式。这种结构特点决定了单片机具有体积小、成本低、可靠性高、应用灵活、开发效率高、易于被产品化等优点。
2.2.4温度传感器电路。
采用一线制DS18B20数字温度传感器。传感器输出信号进4.7 K的上拉电阻直接接到单片机的P1.0引脚上。DS18B20温度传感器是美国达拉斯（DALLAS）半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。DS18B20温度传感器只有3根外引线：单线数据传输总线端口DQ、外供电源线VDD、共用地线GND。DS18B20有2种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下，用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式（VDD接+5V），相应的完成温度测量的时间较短。在该设计中采用外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接，其接口电路见图5。
2.2.5显示电路。该研究设计的温度控制系统是采用液晶屏12864作为显示模块，其接口原理见图6。2.2.6串口通讯电路。
该研究设计的通讯采用的是常见的串口通讯，协议转换芯片是采用MAX232A，其接口电路见图7。
2.3系统软件设计系统控制程序流程如图8。
3时间-温度控制系统运行效果测试
为了评价单片机时间-温度反馈控制系统的运行效果，将所完成的单片机时间-温度控制系统安装于某有机肥生产企业建立的高压通气堆肥好氧发酵仓内。该堆肥好氧发酵系统仓容120 m3，仓底部排布有通气管道，以空压机供气，空压机功率4 kW。试验时将牛粪和羊粪的混合料（在牛粪中加入约1/4～1/3的羊粪，调节堆肥湿度至65%～70%）堆满发酵仓，堆体体积（12 m×5 m×2 m）。在堆肥表面下40～50 cm随机放置4个温度传感器，对发酵堆肥堆体温度进行实时监测，并用数据采集系统自动记录测试温度，取4个温度测试点的平均温度绘制成发酵温度曲线。测试结果见图9。
运行结果表明，单片机时间-温度控制系统可实时监测发酵过程温度变化，并及时控制供气电磁阀的启停。通过有效控制供气电磁阀的启停，可使不同发酵阶段嗜温菌、嗜热菌发挥各自发酵作用，发酵高温期长，且可将温度长时间控制在适宜的温度范围，满足菌体生长需求。发酵后期堆体温度呈现较快下降趋势。
4结论
（1）通风电耗、翻堆设备油耗、翻堆设备备品备件是堆肥发酵运行费用的重要组成部分。传统堆肥发酵过程中，通风电耗要占整个运行费用的50%以上，而时间温度反馈控制系统通过在线实现监测堆肥体温度，自动控制通风量，一方面确保了系统微生物适宜的环境条件，同时又避免了盲目通风，因此能够将系统的通风电耗降到最小。
（2）堆肥好氧发酵单片机时间-温度反馈控制系统，可以使堆体长时间保持在适宜的温度范围，且可以维持较长时间的高温阶段，达到了很好的堆肥腐熟化和杀菌效果。单片机用于堆肥发酵过程的自动化控制具有成本低、操作简单、运行稳定、节省人力和能耗的特点。以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用可有效提高堆肥发酵生产过程自动化控制水平，提高堆肥发酵生产效率，使企业获得更高的经济效益。
参考文献
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