李鉴明

（广东工商职业学院 建筑工程系，广东 肇庆　526020）

无线测温在垃圾堆肥发酵中的应用

李鉴明

（广东工商职业学院 建筑工程系，广东 肇庆526020）

堆肥是垃圾处理方法中最符合可持续发展战略的一种方法.堆肥发酵过程中对温度的要求很严格，温度过高会抑制微生物的生长甚至杀死微生物，微生物只有在适合生长的温度环境下，才能变废为宝.本文主要介绍了以单片机为核心的无线测温系统于垃圾处理中的应用，重点对系统的硬件构成进行了设计，对各部分的主要作用进行了阐述，实现了对热源的红外跟踪与温度测控.无线测温摒弃了旧的价格昂贵的温度补偿导线传输的旧检测方法，新方法更为经济、可靠、方便、实用.

无线测温；红外定位；机械驱动；STC89S52单片机；垃圾处理；发酵

0　引言

绿色环保是当今及未来全世界都要重点关注的问题.人类不断地通过对大自然的索取得利，然后再把废弃垃圾归还给大自然.如何更好、更合理有效地对垃圾进行处理，是可持续发展战略需要研究的重要课题.我国现在处于经济快速发展阶段，伴随而来的环境污染问题日趋严重，严重的环境问题会对我国的经济发展产生反作用.随着社会进步与发展，中国城市居民的生活废弃垃圾产量急速飙升，可回收的金属在垃圾中的比例越来越大.造成我国垃圾的产量与成分比例发生变化的原因有3个：其一，人口增长；其二，经济发展；其三，人民生活消费水平提高.我们应当重视并积极面对这个问题，改变旧的垃圾处理方式，让垃圾中的可再生资源得以充分利用［1］.据统计，目前我国城乡居民生活垃圾产生量每人约为1.3～2.1 kg/d，且还以每年7%～9%的速度增长.2011年我国城乡居民生活垃圾总量约为2.76亿t，占全球垃圾总量的25.9%.由此可见，如何才能更有效地处理垃圾已成为我国迫在眉睫需要解决的问题.垃圾处理的常用方法为填埋、堆肥、焚烧.填埋会占用大量土地且会污染土壤；焚烧会产生大量的废气、毒气，对大气环境造成污染；只有堆肥是最符合可持续发展战略，能够实现资源再生和废物利用的垃圾处理方法.垃圾处理堆肥技术是指将固体废弃垃圾进行发酵，使之产生有机肥料或沼气等能源的技术［2］.控制发酵过程的温度是堆肥技术的核心问题，微生物只能在适宜的温度环境下才能快速生长，温度过高或过低都可能抑制微生物的生长，甚至会杀死微生物，致使垃圾转换成肥料和能源的效用降低［3］.

本文中，笔者通过建立一套测温监测系统，实现对垃圾处理发酵过程中对发酵温度的检测，该系统采用的是无线测温的方法.有线测温系统采用接触式温度传感器，由于传感器需要与垃圾接触因而难以保持清洁，而且传感器会被腐蚀，由此导致数据精确度降低且会缩短使用寿命，采集数据还要用到价格比较昂贵的温度补偿导线进行传输，成本较高.无线测温系统与有线测温系统相比，具有成本低、准确度高、易于维护等优点.采用无线数据采集和处理，可以解决传统测控系统通过现场布线采集数据所带来的不便，降低了系统费用，减少了人工劳动力，提高了劳动生产率［4］.

1　系统结构组成部分和总体功能概述

主控电路系统（以下简称系统A）的主要功能，是通过对空间中同一平面上的4个红外接收传感器所接收的模拟量进行比较，判断周围空间红外线的强弱，进而跟踪定位目标位置.红外线传感器安装在可以旋转的二维平台上，并用STC89S52单片机控制二维平台在空间转动，进而跟踪定位目标，同时控制液晶屏显示目标所在位置、定位时间，并显示热源温度采集系统端采集到的温度数据.热源温度采集系统（以下简称系统B），主要采用铂电阻Pt100检测垃圾发酵时的发热温度，检测到的模拟量温度经运算放大后送给A/D进行转换，并将转换的结果传给STC89S52进行数据处理.STC89S52同时控制数码管显示温度，并通过JZ863S双工无线收发模块在A和B这2个系统间进行信息的实时传递［5］.

垃圾处理厂实际上会有多个堆肥发酵池同时工作，每个堆肥发酵池因为池内垃圾种类不同，其所要求的发酵温度也有所不同，每个发酵池内的局部温度也会有所差异，因此系统需要设计具备可以灵活改变待测目标并能智能化地寻找、定位待测目标的功能，尽量减少人力以及人为误差.系统A要实现的功能目标是用4个红外接收管采集热源的红外光谱，并将4个管采集到的信息传送至主控单片机，主控单片机对数据进行对比处理，再通过2个单片机分别控制y轴的进电机和x轴的舵机进行自动调整，跟踪校正热源位置，从而进行正确定位.系统A的结构功能图如图1所示.

图1　主控电路系统（系统A）结构功能图

系统B要实现的功能目标是建立模拟热源温度采集系统，通过STC89S52对采集数据进行处理并用数码管传输，通过无线收发模块将温度数据传递到系统A的主控单片机上，实现两大系统的信息传递.系统B的结构功能图如图2所示.

图2　热源采集系统（系统B）结构功能示意图

2　主控电路系统A关于框架驱动的设计

为了跟踪定位热源，需要建立一个跟踪定位仪.本系统通过建立一个二维旋转平台，来实现空间内旋转角度的要求.其具体结构如下：在水平轴和竖直轴分别安装电机（可采用步进电机和舵机）；在竖直方向（即y轴方向）上要实现0～180°之间的转角，而舵机的转角范围刚好为-90～90°，因舵机的质量轻且适于悬挂，所以刚好满足条件.由于绕y轴方向上（即x轴方向）要求的旋转角度范围为0～360°，同时又要带动框架和舵机一起旋转，所以我们在水平旋转方向上采用大扭矩的步进电机.在跟踪定位仪机械框架的2个轴上分别安装1个电机，可以实现框架在二维空间角度的旋转，从而可使安装在框架上的红外接受传感器接收到空间任意位置的红外线，进而定位目标［6］.由于要考虑到x轴方向上步进电机扭矩的大小，同时还要考虑到安装在步进电机上绕x轴旋转的框架强度，所以采用轻质的铝合金材料制作框架.将整个框架（包括安装在转轴上的电机）都安装在机盒上，以使整机布局合理、结构可靠.该二维旋转平台的结构效果图如图3所示.

图3　二维旋转平台结构效果图

3　热源温度采集系统（系统B）的设计

热源温度采集系统是以STC89S52单片机为核心的温度探测系统，主要包括硬件电路设计方法及其工作原理.利用Pt100阻值随温度线性变化的特点，采用恒流源LM317为其供电，从而使Pt100两端的电压随温度线性变化［7］.由于Pt100的阻值变化范围非常小不便于处理，所以在其后接同向放大器.该放大器的输入阻抗很大，但对测量系统的影响极小.设计中使用增益为10倍的放大器，使得运算放大器的输出信号为2.55+ T/100.将放大后的输出信号传给A/D转换器，使得模拟的温度信号转变成数字信号，经过单片机处理后再通过无线收发模块传送到主控电路系统，完成对温度的检测.该系统敏感度和精确度都很高，可以对实时温度进行精确的采集.

3.1热源温度采集系统的主控电路图

根据已经设计好的基于STC89S52单片机的数码管温度显示电路和模拟热源温度采集电路图，完成系统B的电路设计［8］.系统B工作的原理是：单片机将采集到的温度模拟信号转化成数字信号再经处理后显示，并通过无线收发模块传送到系统A.首先，要实现数码管温度显示系统与STC89S52单片机的连接.数码管显示电路使用STC89S52单片机控制，由4位数码管与4个74HC595带锁存的移位寄存器组成，形成温度数据的显示电路.其次，要实现STC89S52单片机和热源温度采集系统的连接.热源温度采集系统需先经过A/D转换器转换，然后再与单片机连接.串行A/D转换设计电路图如图4所示.

图4　串行A/D转换电路图设计

3.2热源温度传感系统电路图

该系统选用Pt100作为温度传感器.Pt100是一种非接触式温度传感器，它是电阻随着温度变化的热敏器件，是一种稳定、高精度且具有线性响应的温度检测器.Pt100的测温范围是-200～650℃，完全能够满足系统需求，当所测温度为0℃时，Pt100的电阻值为100 Ω，温度每增减1℃，则电阻也相应增减0.385 Ω.根据此线性关系，如能测得某时刻Pt100的电阻值，就可以算出所测目标的即时温度.然而电阻值作为一个物理量要直接测量比较困难，因此需要给Pt100提供一个恒定的电流It，然后测量Pt100上的电压Ut，根据Rt=Ut/It，得到Pt100电阻值的测量结果，进而得到此时的温度T.选用LM317作为恒流源，因为LM317的温度稳定性好，其产生的电流非常稳定.把恒流源的电流调整为2.55 mA，得到测量电压U=0.255+T/1 000.根据Pt100传感器阻值变化得到的电压信号经过放大器放大输入到A/D转换器中，单片机就输入量和设定量进行对比运算，得到即时温度值.传感系统设计电路原理图如图5所示.

图5　热源温度采集电路设计

4　软件设计思路

综上所分析，采样电桥输出电压经放大和A/D转换后，再经单片机处理即可输出显示.此设计采用汇编语言编写程序，系统程序流程图如图6所示.

图6　系统程序流程图

5　结语

本系统是一个可以跟踪定位待测目标并监测待测目标实时温度的无线测温系统.系统的响应时间取决于Pt100热电阻的热响应时间，而Pt100的热响应时间又取决于保护管直径，当保护管直径为2 mm时，热响应时间小于等于2s.该系统结构设计合理，机械框架设计较好，各功能模块电路能较好地实现预期功能，能够稳定、可靠地实现系统的性能.系统的核心是STC89S52单片机，外接4路模拟信号采集、无线数据传输模块、步进电机驱动模块等电路，利用了单片机内部的PWM调制、定时器、外部中断等内部资源，在降低成本的同时加快了数据的处理速度和精度.虽然在理论上该系统所实现的功能完全可以达到理想状态，但在实际应用中还会存在一些的问题.例如：在系统传感器进行实际安装与定位时，极有可能精度不够高，而4个红外接受传感器在室温中的电阻值不同，白天和夜间传感器受周围温度环境变化的影响，会导致其定位精度和定位时间有偏差.对于这些问题要在今后结合实验进一步加以研究和分析，以便不断完善系统，改善系统的精度和可调节性.

［1］刘寅山.可持续发展理念下的城市生活垃圾处理方法分析［J］.科技创新与应用，2015（26）：173-173.

［2］周朝君.对城市生活垃圾处理的可持续发展的探讨［J］.今日中国论坛，2013（4）：32-33.

［3］顾瑞华，谭翰墨.我国城市生活垃圾处理的缺失分析与对策研究［J］.常熟理工学院学报，2011，25（2）：92-96.

［4］马立方，张东.基于无线式在线温度测控装置设计与应用［J］.山东工业技术，2015（13）：274-274.

［5］张浩.基于红外线的目标跟踪与无线测温系统［J］.卫星电视与宽带多媒体，2015（8）：50-52.

［6］杨庆成.电动机控制电路的原理分析及故障排查［J］.中国科技博览，2015（39）：354

［7］张修太，胡雪惠，翟亚芳，等.基于PT100的高精度温度采集系统设计与实验研究［J］.传感技术学报，2010（6）：812-815.

［8］马臣岗，孟立凡.基于单总线式无线温度采集系统设计［J］.电子设计工程，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

（责任编辑：陈静）

2015-11-16

李鉴明（1985-），男，广东肇庆人，广东工商职业学院建筑工程系教师.