無線測溫在垃圾堆肥發酵中的應用

李鑒明

（廣東工商職業學院 建筑工程系，廣東 肇慶　526020）

無線測溫在垃圾堆肥發酵中的應用

李鑒明

（廣東工商職業學院 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發展戰略的一種方法.堆肥發酵過程中對溫度的要求很嚴格，溫度過高會抑制微生物的生長甚至殺死微生物，微生物只有在適合生長的溫度環境下，才能變廢為寶.本文主要介紹了以單片機為核心的無線測溫系統于垃圾處理中的應用，重點對系統的硬件構成進行了設計，對各部分的主要作用進行了闡述，實現了對熱源的紅外跟蹤與溫度測控.無線測溫摒棄了舊的價格昂貴的溫度補償導線傳輸的舊檢測方法，新方法更為經濟、可靠、方便、實用.

無線測溫；紅外定位；機械驅動；STC89S52單片機；垃圾處理；發酵

0　引言

綠色環保是當今及未來全世界都要重點關注的問題.人類不斷地通過對大自然的索取得利，然后再把廢棄垃圾歸還給大自然.如何更好、更合理有效地對垃圾進行處理，是可持續發展戰略需要研究的重要課題.我國現在處于經濟快速發展階段，伴隨而來的環境污染問題日趨嚴重，嚴重的環境問題會對我國的經濟發展產生反作用.隨著社會進步與發展，中國城市居民的生活廢棄垃圾產量急速飆升，可回收的金屬在垃圾中的比例越來越大.造成我國垃圾的產量與成分比例發生變化的原因有3個：其一，人口增長；其二，經濟發展；其三，人民生活消費水平提高.我們應當重視并積極面對這個問題，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］.據統計，目前我國城鄉居民生活垃圾產生量每人約為1.3～2.1 kg/d，且還以每年7%～9%的速度增長.2011年我國城鄉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.填埋會占用大量土地且會污染土壤；焚燒會產生大量的廢氣、毒氣，對大氣環境造成污染；只有堆肥是最符合可持續發展戰略，能夠實現資源再生和廢物利用的垃圾處理方法.垃圾處理堆肥技術是指將固體廢棄垃圾進行發酵，使之產生有機肥料或沼氣等能源的技術［2］.控制發酵過程的溫度是堆肥技術的核心問題，微生物只能在適宜的溫度環境下才能快速生長，溫度過高或過低都可能抑制微生物的生長，甚至會殺死微生物，致使垃圾轉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溫監測系統，實現對垃圾處理發酵過程中對發酵溫度的檢測，該系統采用的是無線測溫的方法.有線測溫系統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，而且傳感器會被腐蝕，由此導致數據精確度降低且會縮短使用壽命，采集數據還要用到價格比較昂貴的溫度補償導線進行傳輸，成本較高.無線測溫系統與有線測溫系統相比，具有成本低、準確度高、易于維護等優點.采用無線數據采集和處理，可以解決傳統測控系統通過現場布線采集數據所帶來的不便，降低了系統費用，減少了人工勞動力，提高了勞動生產率［4］.

1　系統結構組成部分和總體功能概述

主控電路系統（以下簡稱系統A）的主要功能，是通過對空間中同一平面上的4個紅外接收傳感器所接收的模擬量進行比較，判斷周圍空間紅外線的強弱，進而跟蹤定位目標位置.紅外線傳感器安裝在可以旋轉的二維平臺上，并用STC89S52單片機控制二維平臺在空間轉動，進而跟蹤定位目標，同時控制液晶屏顯示目標所在位置、定位時間，并顯示熱源溫度采集系統端采集到的溫度數據.熱源溫度采集系統（以下簡稱系統B），主要采用鉑電阻Pt100檢測垃圾發酵時的發熱溫度，檢測到的模擬量溫度經運算放大后送給A/D進行轉換，并將轉換的結果傳給STC89S52進行數據處理.STC89S52同時控制數碼管顯示溫度，并通過JZ863S雙工無線收發模塊在A和B這2個系統間進行信息的實時傳遞［5］.

垃圾處理廠實際上會有多個堆肥發酵池同時工作，每個堆肥發酵池因為池內垃圾種類不同，其所要求的發酵溫度也有所不同，每個發酵池內的局部溫度也會有所差異，因此系統需要設計具備可以靈活改變待測目標并能智能化地尋找、定位待測目標的功能，盡量減少人力以及人為誤差.系統A要實現的功能目標是用4個紅外接收管采集熱源的紅外光譜，并將4個管采集到的信息傳送至主控單片機，主控單片機對數據進行對比處理，再通過2個單片機分別控制y軸的進電機和x軸的舵機進行自動調整，跟蹤校正熱源位置，從而進行正確定位.系統A的結構功能圖如圖1所示.

圖1　主控電路系統（系統A）結構功能圖

系統B要實現的功能目標是建立模擬熱源溫度采集系統，通過STC89S52對采集數據進行處理并用數碼管傳輸，通過無線收發模塊將溫度數據傳遞到系統A的主控單片機上，實現兩大系統的信息傳遞.系統B的結構功能圖如圖2所示.

圖2　熱源采集系統（系統B）結構功能示意圖

2　主控電路系統A關于框架驅動的設計

為了跟蹤定位熱源，需要建立一個跟蹤定位儀.本系統通過建立一個二維旋轉平臺，來實現空間內旋轉角度的要求.其具體結構如下：在水平軸和豎直軸分別安裝電機（可采用步進電機和舵機）；在豎直方向（即y軸方向）上要實現0～180°之間的轉角，而舵機的轉角范圍剛好為-90～90°，因舵機的質量輕且適于懸掛，所以剛好滿足條件.由于繞y軸方向上（即x軸方向）要求的旋轉角度范圍為0～360°，同時又要帶動框架和舵機一起旋轉，所以我們在水平旋轉方向上采用大扭矩的步進電機.在跟蹤定位儀機械框架的2個軸上分別安裝1個電機，可以實現框架在二維空間角度的旋轉，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，進而定位目標［6］.由于要考慮到x軸方向上步進電機扭矩的大小，同時還要考慮到安裝在步進電機上繞x軸旋轉的框架強度，所以采用輕質的鋁合金材料制作框架.將整個框架（包括安裝在轉軸上的電機）都安裝在機盒上，以使整機布局合理、結構可靠.該二維旋轉平臺的結構效果圖如圖3所示.

圖3　二維旋轉平臺結構效果圖

3　熱源溫度采集系統（系統B）的設計

熱源溫度采集系統是以STC89S52單片機為核心的溫度探測系統，主要包括硬件電路設計方法及其工作原理.利用Pt100阻值隨溫度線性變化的特點，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，但對測量系統的影響極小.設計中使用增益為10倍的放大器，使得運算放大器的輸出信號為2.55+ T/100.將放大后的輸出信號傳給A/D轉換器，使得模擬的溫度信號轉變成數字信號，經過單片機處理后再通過無線收發模塊傳送到主控電路系統，完成對溫度的檢測.該系統敏感度和精確度都很高，可以對實時溫度進行精確的采集.

3.1熱源溫度采集系統的主控電路圖

根據已經設計好的基于STC89S52單片機的數碼管溫度顯示電路和模擬熱源溫度采集電路圖，完成系統B的電路設計［8］.系統B工作的原理是：單片機將采集到的溫度模擬信號轉化成數字信號再經處理后顯示，并通過無線收發模塊傳送到系統A.首先，要實現數碼管溫度顯示系統與STC89S52單片機的連接.數碼管顯示電路使用STC89S52單片機控制，由4位數碼管與4個74HC595帶鎖存的移位寄存器組成，形成溫度數據的顯示電路.其次，要實現STC89S52單片機和熱源溫度采集系統的連接.熱源溫度采集系統需先經過A/D轉換器轉換，然后再與單片機連接.串行A/D轉換設計電路圖如圖4所示.

圖4　串行A/D轉換電路圖設計

3.2熱源溫度傳感系統電路圖

該系統選用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，是一種穩定、高精度且具有線性響應的溫度檢測器.Pt100的測溫范圍是-200～650℃，完全能夠滿足系統需求，當所測溫度為0℃時，Pt100的電阻值為100 Ω，溫度每增減1℃，則電阻也相應增減0.385 Ω.根據此線性關系，如能測得某時刻Pt100的電阻值，就可以算出所測目標的即時溫度.然而電阻值作為一個物理量要直接測量比較困難，因此需要給Pt100提供一個恒定的電流It，然后測量Pt100上的電壓Ut，根據Rt=Ut/It，得到Pt100電阻值的測量結果，進而得到此時的溫度T.選用LM317作為恒流源，因為LM317的溫度穩定性好，其產生的電流非常穩定.把恒流源的電流調整為2.55 mA，得到測量電壓U=0.255+T/1 000.根據Pt100傳感器阻值變化得到的電壓信號經過放大器放大輸入到A/D轉換器中，單片機就輸入量和設定量進行對比運算，得到即時溫度值.傳感系統設計電路原理圖如圖5所示.

圖5　熱源溫度采集電路設計

4　軟件設計思路

綜上所分析，采樣電橋輸出電壓經放大和A/D轉換后，再經單片機處理即可輸出顯示.此設計采用匯編語言編寫程序，系統程序流程圖如圖6所示.

圖6　系統程序流程圖

5　結語

本系統是一個可以跟蹤定位待測目標并監測待測目標實時溫度的無線測溫系統.系統的響應時間取決于Pt100熱電阻的熱響應時間，而Pt100的熱響應時間又取決于保護管直徑，當保護管直徑為2 mm時，熱響應時間小于等于2s.該系統結構設計合理，機械框架設計較好，各功能模塊電路能較好地實現預期功能，能夠穩定、可靠地實現系統的性能.系統的核心是STC89S52單片機，外接4路模擬信號采集、無線數據傳輸模塊、步進電機驅動模塊等電路，利用了單片機內部的PWM調制、定時器、外部中斷等內部資源，在降低成本的同時加快了數據的處理速度和精度.雖然在理論上該系統所實現的功能完全可以達到理想狀態，但在實際應用中還會存在一些的問題.例如：在系統傳感器進行實際安裝與定位時，極有可能精度不夠高，而4個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境變化的影響，會導致其定位精度和定位時間有偏差.對于這些問題要在今后結合實驗進一步加以研究和分析，以便不斷完善系統，改善系統的精度和可調節性.

［1］劉寅山.可持續發展理念下的城市生活垃圾處理方法分析［J］.科技創新與應用，2015（26）：173-173.

［2］周朝君.對城市生活垃圾處理的可持續發展的探討［J］.今日中國論壇，2013（4）：32-33.

［3］顧瑞華，譚翰墨.我國城市生活垃圾處理的缺失分析與對策研究［J］.常熟理工學院學報，2011，25（2）：92-96.

［4］馬立方，張東.基于無線式在線溫度測控裝置設計與應用［J］.山東工業技術，2015（13）：274-274.

［5］張浩.基于紅外線的目標跟蹤與無線測溫系統［J］.衛星電視與寬帶多媒體，2015（8）：50-52.

［6］楊慶成.電動機控制電路的原理分析及故障排查［J］.中國科技博覽，2015（39）：354

［7］張修太，胡雪惠，翟亞芳，等.基于PT100的高精度溫度采集系統設計與實驗研究［J］.傳感技術學報，2010（6）：812-815.

［8］馬臣崗，孟立凡.基于單總線式無線溫度采集系統設計［J］.電子設計工程，2010，18（3）：32-34.

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

（責任編輯：陳靜）

2015-11-16

李鑒明（1985-），男，廣東肇慶人，廣東工商職業學院建筑工程系教師.