污水处理厂沼气报警系统设计

【摘要】近年来，随着经济的飞速发展，水资源的污染也变得越来越多，特别是一些小型企业对水资源的污染特别严重。沼气是一些有机物质，在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气（如用沼气池），经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体。它含有少量硫化氢，所以略带臭味。由于污水处理厂中的污水含有大量的微生物，所以污水处理厂会产生出沼气，沼气的主要成分甲烷是一种气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即可燃烧。它不仅对污水处理厂及员工生命财产安全产生威胁，还会影响到社会的可持续发展和人民生活，同时对国家经济建设带来不可估量的损失。为保证污水处理厂的安全生产以及员工的生命安全，本文设计了一种新型的沼气报警系统。该设计采用MQ-2气体传感器和ATmega128单片机系统，利用RS-485总线进行通讯，通过MCGS软件对沼气进行实时的数据监控。

【关键词】RS-485总线；单片机；传感器；MCGS

1.概述

污水处理厂会产生大量的沼气等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济损失，危及工人的生命。随着污水处理技术手段的不断改进和污水处理规模的扩大安全隐患越来越多。瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事故所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现污水处理厂安全生产状况的稳定，也就无法保障污水处理的持续健康发展。所以，对污水处理场沼气进行快速准确的监测显得尤其晕要，对易燃易爆混合气体监测系统的研究和开发也成为人们一直关注的问题。

我国人口众多，不管是居民生活还是工业生产，每年都会产生大量的污水，由于污水处理厂中的污水含有大量的微生物，所以污水处理厂会产生出沼气，沼气的主要成分甲烷是一种气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即可燃烧。不仅对污水处理厂及员工生命财产安全产生威胁，还会影响到社会的可持续发展，给人民生活和国家经济建设带来不可估量的损失。本文设计了一种污水处理厂沼气报警系统装置，当沼气浓度达到设定值时，自动发出声光报警，提醒污水处理厂工作人员切断电源并立刻离开，防止用电设备引起沼气爆炸事故。

2.系统组成

污水处理厂沼气报警系统是能够监测污水处理厂中沼气的浓度，具有报警功能并能实时显示的系统。本课题中完整的煤矿气体监测系统由以下4个部分组成：

（1）气体传感器：能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。

（2）显示单元：根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数传输给显示处理模块显示于MCGS组态软件。

（3）通讯单元：将采集数据通过RS-485通讯方式进行数据通信。

（4）声光报警单元：当监测气体浓度超出设定报警值时，用MCGS软件模拟声光报警。

3.硬件电路设计

3.1 传感器的选择

气体传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。

由于气体传感器是暴露在检测现场使用，工作条件比较恶劣，温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差，因此要求气体传感器的性能必须满足下列条件：

（1）能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。

（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。

（3）性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。

（4）使用、维护方便，价格便宜等。

由于半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，所以本设计选用MQ-2气体传感器。

图1 MQ-2气体传感器

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

3.2 RS-485串口的选择

RS-485半双工异步通信总线是一种被广泛使用的数据通信总线。相对而言，RS485串行通讯接口具备了多点之间相互通信功能，可以说是一种总线标准的通信协议，它具有如下优点：

（1）RS-485接口信号电平比RS-232降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

（4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达32个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

3.3 单片机型号的选择

本电路设计时采用了ATmega128芯片，无论从单片机的资源，还是执行速度进行比较，ATmega128单片机都要比其它单片机性价比高，而且ATmega128单片机的价格还比其它单片机便宜。

4.污水处理厂沼气报警系统软件设计

在明确设计思想后可将该系统软件部分的设计分为：A/D采集转换部分、单片机内数据处理部分、显示及报警部分（MCGS组态软件模拟）。

4.1 沼气报警系统软件程序流程图

图2 沼气报警系统软件程序流程图

4.2 A/D采集转换信号

A/D转换是整个系统的桥梁，决定着系统输出能否实现。A/D的采集是在“测试”键按下后才开始的，为了测试不受影响，除工作状态外其它时候都是关闭着的，并且有信号指示灯指示，红灯亮表示不能进行测试，绿灯亮表示可以进行测试。

4.3 数据处理

数据处理部分主要完成的工作是将采集到的数据进行处理，处理过程中会有一些算法及阈值的比较。

4.4 报警及数据实时显示

图3 报警及数据实时显示

5.系统工作过程

该系统主要包括硬件设计和软件设计两部分。硬件是利用MQ-2气体传感器测量空气中的沼气浓度，并将其转化为电压信号；之后经A/D转换后传给单片机系统；单片机作为系统的中央处理器，完成传感器探测信号、对异常情况的判断和区域报警控制器（即上位机，负责与若干探测器进行通讯及管理）通讯、实现联动装置动作等功能，其主要任务是采集传感器信息并存储于选定的内存单元中，通过判断如果超出预定的范围，则向主机发出报警信号。软件部分采用C语言进行编程，通过RS-485总线把数据传输给MCGS软件，并对沼气浓度进行实时的数据监控；当浓度达到设定值时会发出报警信号，系统提示工作人员进行及时的处理，以保证员工的生命安全，减小污水处理厂的损失。为了提高系统的可靠性，系统在硬件设计上采用对联动装置的启动处理。系统将联动装置和探测器中的主机板相连，在正常情况下，由沼气报警器做出预判断，然后将判断结果发送到区域报警控制器，区域报警控制器如果发现某个报警器判断有异常情况发生，再检测周围报警器的情况，如果区域报警控制器判断的确有沼气存在而且超出预警值，则发送信号给相应报警器，最后由单片机进行数据处理。系统投入使用以来取得了较好效果。

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