污水處理廠沼氣報警系統設計

杭州市蕭山區高級技工學校 蔣明紅

1.概述

污水處理廠會產生大量的沼氣等易燃易爆氣體，發生事故后會造成巨大的經濟損失，危及工人的生命。隨著污水處理技術手段的不斷改進和污水處理規模的擴大安全隱患越來越多。瓦斯事故特別是重、特大瓦斯事故所占的比例也越來越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能實現污水處理廠安全生產狀況的穩定，也就無法保障污水處理的持續健康發展。所以，對污水處理場沼氣進行快速準確的監測顯得尤其暈要，對易燃易爆混合氣體監測系統的研究和開發也成為人們一直關注的問題。

我國人口眾多，不管是居民生活還是工業生產，每年都會產生大量的污水，由于污水處理廠中的污水含有大量的微生物，所以污水處理廠會產生出沼氣，沼氣的主要成分甲烷是一種氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合后即可燃燒。不僅對污水處理廠及員工生命財產安全產生威脅，還會影響到社會的可持續發展，給人民生活和國家經濟建設帶來不可估量的損失。本文設計了一種污水處理廠沼氣報警系統裝置，當沼氣濃度達到設定值時，自動發出聲光報警，提醒污水處理廠工作人員切斷電源并立刻離開，防止用電設備引起沼氣爆炸事故。

2.系統組成

污水處理廠沼氣報警系統是能夠監測污水處理廠中沼氣的濃度，具有報警功能并能實時顯示的系統。本課題中完整的煤礦氣體監測系統由以下4個部分組成：

(1)氣體傳感器：能感知環境中甲烷氣體及其濃度的一種敏感元件，它能將與氣體種類和濃度有關的信息轉換成電信號。

(2)顯示單元：根據測量信號，由單片機將待顯示數據按相應方式進行數傳輸給顯示處理模塊顯示于MCGS組態軟件。

(3)通訊單元：將采集數據通過RS-485通訊方式進行數據通信。

(4)聲光報警單元：當監測氣體濃度超出設定報警值時，用MCGS軟件模擬聲光報警。

3.硬件電路設計

3.1 傳感器的選擇

氣體傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉換為電信號的傳感器，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監控、報警，還可以通過接口電路與計算機或單片機組成自動檢測、控制和報警系統。

由于氣體傳感器是暴露在檢測現場使用，工作條件比較惡劣，溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，氣體對傳感元件的材料會產生化學反應物，附著在元件表面，往往會使其性能變差，因此要求氣體傳感器的性能必須滿足下列條件：

(1)能夠檢測易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度，并能及時給出報警、顯示和控制信號。

(2)對被測氣體以外的共存氣體或物質不敏感。

(3)性能長期穩定性好、重復性好、動態特性好、響應迅速。

(4)使用、維護方便，價格便宜等。

由于半導體氣體傳感器具有靈敏度高、響應快、使用壽命長和成本低等優點，所以本設計選用MQ-2氣體傳感器。

圖1 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。

3.2 RS-485串口的選擇

RS-485半雙工異步通信總線是一種被廣泛使用的數據通信總線。相對而言，RS485串行通訊接口具備了多點之間相互通信功能，可以說是一種總線標準的通信協議，它具有如下優點：

(1)RS-485接口信號電平比RS-232降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

(2)RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。

(3)RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。

(4)RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個收發器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達32個收發器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。

3.3 單片機型號的選擇

本電路設計時采用了ATmega128芯片，無論從單片機的資源，還是執行速度進行比較，ATmega128單片機都要比其它單片機性價比高，而且ATmega128單片機的價格還比其它單片機便宜。

4.污水處理廠沼氣報警系統軟件設計

在明確設計思想后可將該系統軟件部分的設計分為：A/D采集轉換部分、單片機內數據處理部分、顯示及報警部分(MCGS組態軟件模擬)。

4.1 沼氣報警系統軟件程序流程圖

圖2 沼氣報警系統軟件程序流程圖

4.2 A/D采集轉換信號

A/D轉換是整個系統的橋梁，決定著系統輸出能否實現。A/D的采集是在“測試”鍵按下后才開始的，為了測試不受影響，除工作狀態外其它時候都是關閉著的，并且有信號指示燈指示，紅燈亮表示不能進行測試，綠燈亮表示可以進行測試。

4.3 數據處理

數據處理部分主要完成的工作是將采集到的數據進行處理，處理過程中會有一些算法及閾值的比較。

4.4 報警及數據實時顯示

圖3 報警及數據實時顯示

5.系統工作過程

該系統主要包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件是利用MQ-2氣體傳感器測量空氣中的沼氣濃度，并將其轉化為電壓信號；之后經A/D轉換后傳給單片機系統；單片機作為系統的中央處理器，完成傳感器探測信號、對異常情況的判斷和區域報警控制器(即上位機，負責與若干探測器進行通訊及管理)通訊、實現聯動裝置動作等功能，其主要任務是采集傳感器信息并存儲于選定的內存單元中，通過判斷如果超出預定的范圍，則向主機發出報警信號。軟件部分采用C語言進行編程，通過RS-485總線把數據傳輸給MCGS軟件，并對沼氣濃度進行實時的數據監控；當濃度達到設定值時會發出報警信號，系統提示工作人員進行及時的處理，以保證員工的生命安全，減小污水處理廠的損失。為了提高系統的可靠性，系統在硬件設計上采用對聯動裝置的啟動處理。系統將聯動裝置和探測器中的主機板相連，在正常情況下，由沼氣報警器做出預判斷，然后將判斷結果發送到區域報警控制器，區域報警控制器如果發現某個報警器判斷有異常情況發生，再檢測周圍報警器的情況，如果區域報警控制器判斷的確有沼氣存在而且超出預警值，則發送信號給相應報警器，最后由單片機進行數據處理。系統投入使用以來取得了較好效果。

[1]石東海.單片機數據通信技術從入門到精通[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[2]朱大奇,等.單片機原理串口及應用[M].南京:南京大學出版社,2003.

[3]金春林.AVR系列單片機C語言編程與應用實例[M].清華大學出版社,2003.

[4]張軍.AVR單片機應用系統開發典型實例[M].中國電力出版社.

[5]韓兵,于飛.現場總線控制系統應用實例化[M].學工業出版社.

[6]譚建成.新編電機控制專用集成電路與應用[M].機械工業出版社.

[7]謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].武漢:華中科技大學出版社,2006.

[8]陳衛紅.智能型低濃度瓦斯報警器[J].電子元器件應.

[9]朱飛,楊平.AVR單片機C語言開發入門與典型實例[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[10]胡漢才.高檔AVR單片機原理及應用[M].北京:清華大學出版社,2008.

[11]曾慶波.監控組態軟件及其應用技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2005.