杭州市蕭山區(qū)高級技工學校 蔣明紅

1.概述

污水處理廠會產(chǎn)生大量的沼氣等易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會造成巨大的經(jīng)濟損失，危及工人的生命。隨著污水處理技術(shù)手段的不斷改進和污水處理規(guī)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(xiàn)污水處理廠安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無法保障污水處理的持續(xù)健康發(fā)展。所以，對污水處理場沼氣進行快速準確的監(jiān)測顯得尤其暈要，對易燃易爆混合氣體監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)也成為人們一直關(guān)注的問題。

我國人口眾多，不管是居民生活還是工業(yè)生產(chǎn)，每年都會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)安全產(chǎn)生威脅，還會影響到社會的可持續(xù)發(fā)展，給人民生活和國家經(jīng)濟建設(shè)帶來不可估量的損失。本文設(shè)計了一種污水處理廠沼氣報警系統(tǒng)裝置，當沼氣濃度達到設(shè)定值時，自動發(fā)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(shè)備引起沼氣爆炸事故。

2.系統(tǒng)組成

污水處理廠沼氣報警系統(tǒng)是能夠監(jiān)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(tǒng)。本課題中完整的煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)由以下4個部分組成：

(1)氣體傳感器：能感知環(huán)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(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號。

(2)顯示單元：根據(jù)測量信號，由單片機將待顯示數(shù)據(jù)按相應(yīng)方式進行數(shù)傳輸給顯示處理模塊顯示于MCGS組態(tài)軟件。

(3)通訊單元：將采集數(shù)據(jù)通過RS-485通訊方式進行數(shù)據(jù)通信。

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

3.硬件電路設(shè)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(zhuǎn)換為電信號的傳感器，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)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(tǒng)。

由于氣體傳感器是暴露在檢測現(xiàn)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(chǎn)生化學反應(yīng)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(shè)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(zhì)不敏感。

(3)性能長期穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、動態(tài)特性好、響應(yīng)迅速。

(4)使用、維護方便，價格便宜等。

由于半導(dǎo)體氣體傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、使用壽命長和成本低等優(yōu)點，所以本設(shè)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(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)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(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)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(yīng)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(shù)據(jù)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(xié)議，它具有如下優(yōu)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(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。

(3)RS-485接口是采用平衡驅(qū)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(fā)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(fā)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

3.3 單片機型號的選擇

本電路設(shè)計時采用了ATmega128芯片，無論從單片機的資源，還是執(zhí)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(tǒng)軟件設(shè)計

在明確設(shè)計思想后可將該系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計分為：A/D采集轉(zhuǎn)換部分、單片機內(nèi)數(shù)據(jù)處理部分、顯示及報警部分(MCGS組態(tài)軟件模擬)。

4.1 沼氣報警系統(tǒng)軟件程序流程圖

圖2 沼氣報警系統(tǒng)軟件程序流程圖

4.2 A/D采集轉(zhuǎn)換信號

A/D轉(zhuǎn)換是整個系統(tǒng)的橋梁，決定著系統(tǒng)輸出能否實現(xiàn)。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(tài)外其它時候都是關(guān)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(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理部分主要完成的工作是將采集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)實時顯示

圖3 報警及數(shù)據(jù)實時顯示

5.系統(tǒng)工作過程

該系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)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(zhuǎn)化為電壓信號；之后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳給單片機系統(tǒng)；單片機作為系統(tǒng)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(qū)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(xiàn)聯(lián)動裝置動作等功能，其主要任務(wù)是采集傳感器信息并存儲于選定的內(nèi)存單元中，通過判斷如果超出預(yù)定的范圍，則向主機發(fā)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(shù)據(jù)傳輸給MCGS軟件，并對沼氣濃度進行實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控；當濃度達到設(shè)定值時會發(fā)出報警信號，系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用對聯(lián)動裝置的啟動處理。系統(tǒng)將聯(lián)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(yù)判斷，然后將判斷結(jié)果發(fā)送到區(qū)域報警控制器，區(qū)域報警控制器如果發(fā)現(xiàn)某個報警器判斷有異常情況發(fā)生，再檢測周圍報警器的情況，如果區(qū)域報警控制器判斷的確有沼氣存在而且超出預(yù)警值，則發(fā)送信號給相應(yīng)報警器，最后由單片機進行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)投入使用以來取得了較好效果。

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