杭州市蕭山區(qū)高級(jí)技工學(xué)校 蔣明紅

1.概述

污水處理廠會(huì)產(chǎn)生大量的沼氣等易燃易爆氣體，發(fā)生事故后會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(jìn)和污水處理規(guī)模的擴(kuò)大安全隱患越來(lái)越多。瓦斯事故特別是重、特大瓦斯事故所占的比例也越來(lái)越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能實(shí)現(xiàn)污水處理廠安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無(wú)法保障污水處理的持續(xù)健康發(fā)展。所以，對(duì)污水處理場(chǎng)沼氣進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)顯得尤其暈要，對(duì)易燃易爆混合氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)也成為人們一直關(guān)注的問(wèn)題。

我國(guó)人口眾多，不管是居民生活還是工業(yè)生產(chǎn)，每年都會(huì)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(huì)產(chǎn)生出沼氣，沼氣的主要成分甲烷是一種氣體燃料，它無(wú)色無(wú)味，與適量空氣混合后即可燃燒。不僅對(duì)污水處理廠及員工生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅，還會(huì)影響到社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，給人民生活和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)不可估量的損失。本文設(shè)計(jì)了一種污水處理廠沼氣報(bào)警系統(tǒng)裝置，當(dāng)沼氣濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒污水處理廠工作人員切斷電源并立刻離開(kāi)，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(bào)警系統(tǒng)是能夠監(jiān)測(cè)污水處理廠中沼氣的濃度，具有報(bào)警功能并能實(shí)時(shí)顯示的系統(tǒng)。本課題中完整的煤礦氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由以下4個(gè)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(hào)。

(2)顯示單元：根據(jù)測(cè)量信號(hào)，由單片機(jī)將待顯示數(shù)據(jù)按相應(yīng)方式進(jìn)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(guò)RS-485通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

(4)聲光報(bào)警單元：當(dāng)監(jiān)測(cè)氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警值時(shí)，用MCGS軟件模擬聲光報(bào)警。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 傳感器的選擇

氣體傳感器是一種將檢測(cè)到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警，還可以通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。

由于氣體傳感器是暴露在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)傳感元件的材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面，往往會(huì)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(cè)易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準(zhǔn)設(shè)定濃度，并能及時(shí)給出報(bào)警、顯示和控制信號(hào)。

(2)對(duì)被測(cè)氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感。

(3)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、動(dòng)態(tài)特性好、響應(yīng)迅速。

(4)使用、維護(hù)方便，價(jià)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(zhǎng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)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(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)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(duì)而言，RS485串行通訊接口具備了多點(diǎn)之間相互通信功能，可以說(shuō)是一種總線標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)RS-485接口信號(hào)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(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

(4)RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS-232接口在總線上只允許連接1個(gè)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(dá)32個(gè)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(jī)型號(hào)的選擇

本電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了ATmega128芯片，無(wú)論從單片機(jī)的資源，還是執(zhí)行速度進(jìn)行比較，ATmega128單片機(jī)都要比其它單片機(jī)性價(jià)比高，而且ATmega128單片機(jī)的價(jià)格還比其它單片機(jī)便宜。

4.污水處理廠沼氣報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

4.1 沼氣報(bào)警系統(tǒng)軟件程序流程圖

圖2 沼氣報(bào)警系統(tǒng)軟件程序流程圖

4.2 A/D采集轉(zhuǎn)換信號(hào)

A/D轉(zhuǎn)換是整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，決定著系統(tǒng)輸出能否實(shí)現(xiàn)。A/D的采集是在“測(cè)試”鍵按下后才開(kāi)始的，為了測(cè)試不受影響，除工作狀態(tài)外其它時(shí)候都是關(guān)閉著的，并且有信號(hào)指示燈指示，紅燈亮表示不能進(jìn)行測(cè)試，綠燈亮表示可以進(jìn)行測(cè)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(jìn)行處理，處理過(guò)程中會(huì)有一些算法及閾值的比較。

4.4 報(bào)警及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

圖3 報(bào)警及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

5.系統(tǒng)工作過(guò)程

該系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件是利用MQ-2氣體傳感器測(cè)量空氣中的沼氣濃度，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；之后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳給單片機(jī)系統(tǒng)；單片機(jī)作為系統(tǒng)的中央處理器，完成傳感器探測(cè)信號(hào)、對(duì)異常情況的判斷和區(qū)域報(bào)警控制器(即上位機(jī)，負(fù)責(zé)與若干探測(cè)器進(jìn)行通訊及管理)通訊、實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)裝置動(dòng)作等功能，其主要任務(wù)是采集傳感器信息并存儲(chǔ)于選定的內(nèi)存單元中，通過(guò)判斷如果超出預(yù)定的范圍，則向主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。軟件部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，通過(guò)RS-485總線把數(shù)據(jù)傳輸給MCGS軟件，并對(duì)沼氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控；當(dāng)濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)提示工作人員進(jìn)行及時(shí)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(jì)上采用對(duì)聯(lián)動(dòng)裝置的啟動(dòng)處理。系統(tǒng)將聯(lián)動(dòng)裝置和探測(cè)器中的主機(jī)板相連，在正常情況下，由沼氣報(bào)警器做出預(yù)判斷，然后將判斷結(jié)果發(fā)送到區(qū)域報(bào)警控制器，區(qū)域報(bào)警控制器如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)報(bào)警器判斷有異常情況發(fā)生，再檢測(cè)周圍報(bào)警器的情況，如果區(qū)域報(bào)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(hào)給相應(yīng)報(bào)警器，最后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)投入使用以來(lái)取得了較好效果。

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