農(nóng)村家庭沼氣安全檢測器的研究與設(shè)計(jì)

冉偉剛

摘要：當(dāng)今農(nóng)村使用生態(tài)沼氣規(guī)模日益增大，但在生產(chǎn)和使用安全方面存有諸多隱患，且各種事故時(shí)有發(fā)生。沼氣的使用過程中和清理沼氣池時(shí)都容易造成安全事故，而國內(nèi)尚無適用于農(nóng)村家庭使用的低價(jià)格、小型、易使用的沼氣安全檢測設(shè)備，為了解決這個(gè)問題，本論文研究設(shè)計(jì)了一款農(nóng)村家庭沼氣安全檢測器，以凌陽SPCE061A單片機(jī)為主控制器，使用甲烷傳感器、氧氣傳感器采集數(shù)據(jù)，220V交流和4節(jié)干電池兩種供電方式，方便移動(dòng)，將沼氣泄漏檢測和沼氣池沼氣、氧氣濃度檢測結(jié)合于一身，方便使用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村；家庭；沼氣安全；沼氣檢測器

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）20-0192-02

Research and Design of Rural Household Biogas Safety Detector

RAN Wei-gang

（College of Information Science and Technology Gansu Agriculture University， Lanzhou 730070， China）

Abstract ： The scale of the use of ecological scale in rural areas is increasing day by day， but there are many hidden dangers in the production and use of the security， and the occurrence of various accidents. The use of biogas in the process of cleaning and cleaning up the methane pool are easy to cause safety accidents， and domestic is not suitable for rural families use low price， small， easy to use， in order to solve this problem， this thesis research design a rural household methane safety detector， with the SPCE061A microcontroller based controller， using methane sensor， oxygen sensor data acquisition， 220V exchange and 4 dry cell two power supply mode， to facilitate the detection of methane gas and oxygen concentration detection combined with a single， easy to use.

Key words ： village； family； biogas safety； methane detector

1 研究意義

隨著地球石油和煤炭資源的日益枯竭，全世界各國都將生態(tài)能源和新能源等綠色能源作為開發(fā)重點(diǎn)。我國是一個(gè)人均能源占有量較低的國家，為了應(yīng)對能源危機(jī)，國家提出了多方面解決能源問題，生態(tài)能源作為一個(gè)重要組成部分被提出來[1]。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，在廣大的農(nóng)村有著豐富的生態(tài)能源儲備，生態(tài)沼氣池所需的原料（秸稈、牲畜糞便、雜草）在農(nóng)村豐富易得，因此國家對農(nóng)村新能源的開發(fā)和建設(shè)極其重視，并投入大量的建設(shè)資金，使全國各地區(qū)農(nóng)村沼氣建設(shè)取得了豐碩的成果[2]。專為農(nóng)村家庭設(shè)計(jì)的沼氣池以其構(gòu)造簡單、造價(jià)低廉、使用簡單，深受廣大農(nóng)民家庭的歡迎。預(yù)計(jì)到2010年底，全國累計(jì)建成戶用沼氣將超過4000萬戶，占全國適宜農(nóng)戶的33.3%，受益人口達(dá)1.55億人[3]。

但是在沼氣使用過程中，沼氣泄漏事故、沼氣池清理時(shí)人員中毒、窒息事故頻發(fā)?，F(xiàn)在市面上沼氣濃度檢測和氧氣濃度檢測設(shè)備價(jià)格昂貴，少則2、3千元，多則5、6千元，對于農(nóng)村家庭無法購買，并且沼氣濃度檢測和氧氣濃度檢測是兩個(gè)儀器，在使用時(shí)需要使用兩個(gè)儀器不方便。本項(xiàng)目為預(yù)防農(nóng)村家庭使用沼氣時(shí)沼氣泄漏和沼氣池清理過程中造成的安全事故而提出的。

2 系統(tǒng)功能介紹

本設(shè)計(jì)從農(nóng)村家庭的根本需求出發(fā)，結(jié)合實(shí)際生活生產(chǎn)中的問題，將沼氣泄漏檢測和沼氣池清理時(shí)沼氣、氧氣濃度檢測結(jié)合在一起。設(shè)備使用靈敏的氣敏傳感器，可靠的檢測電路，指示燈，聲音報(bào)警電路，具有方便、低價(jià)、便攜、易使用的特點(diǎn)。

設(shè)備的使用：第一，在日常生活中，將產(chǎn)品放置于農(nóng)村家庭的廚房、鍋爐等場所作為沼氣泄漏檢測報(bào)警使用，使用220V交流供電，預(yù)防沼氣泄漏造成的安全事故；第二，當(dāng)沼氣池需要清理時(shí)，可以利用其便捷移動(dòng)的特點(diǎn)，使用4節(jié)1.5V干電池供電放置于沼氣池中，對沼氣池中的沼氣濃度和氧氣濃度進(jìn)行檢測，如果環(huán)境合適，清理人員才下去清理沼氣池。并且在清理人員清理沼氣池過程中一直檢測氧氣和沼氣濃度，當(dāng)發(fā)生沼氣濃度變高、氧氣濃度下降，環(huán)境不適合時(shí)，則清理人員需立即上來，等環(huán)境合適時(shí)再下去清理，預(yù)防在清理過程中的清理人員沼氣中毒、窒息或爆炸事故。

3 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

總體方案設(shè)計(jì)采用甲烷傳感器采集甲烷的濃度；用氧氣傳感器檢測沼氣池的氧氣濃度；按鍵用來切換是否檢測氧氣濃度值，當(dāng)日常使用時(shí)不需要檢測氧氣濃度值，可以讓氧氣傳感器不工作，起到節(jié)能的作用；按鍵切換顯示沼氣濃度或氧氣濃度值。單片機(jī)SPCE061A起到主控作用，并且自帶A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路簡單易行；蜂鳴器報(bào)警模塊，當(dāng)沼氣濃度超過一定值或氧氣濃度值小于一定值時(shí)報(bào)警；4位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示沼氣濃度值和氧氣濃度值。

4 硬件設(shè)計(jì)

1） 電源模塊

電源模塊采用變壓器220V轉(zhuǎn)12V，10A，用整流二極管整流成直流后給蜂鳴器供電，將12V通過LM7805三端穩(wěn)壓器降為5V給單片機(jī)、傳感器、數(shù)碼管等設(shè)備供電，220V可以用在家庭供電。同時(shí)有4節(jié)1.5V干電池供電，方便移動(dòng)。電源通過開關(guān)進(jìn)行切換。

2） 甲烷傳感器

甲烷傳感器選用MQ214，它適用于家庭用可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器，具有高靈敏度、快速響應(yīng)恢復(fù)、長壽命，MQ214型氣敏元件的敏感是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的，因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達(dá)5年，還具有低功耗、低成本、驅(qū)動(dòng)電路簡單等特點(diǎn)。檢測的氣體有甲烷、天然氣、液化氣、氫氣，檢測濃度對于甲烷：1000-20000ppm；液化氣、丙烷和氫氣：500-10000ppm，達(dá)到系統(tǒng)的要求。

半導(dǎo)體氣敏元件MQ214對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。當(dāng)元件預(yù)熱或工作時(shí)，需串聯(lián)一只30Ω-100Ω電阻，如圖2所示MQ214的基本工作回路。本系統(tǒng)RL取50Ω。

圖2 MQ214基本工作回路

3） 氧氣傳感器

氧氣傳感器選用KE-50，日本生產(chǎn)，它的特點(diǎn)是：長壽命（10年），優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，不受CO2，CO，H2S，NOx，H2影響，低成本，在常溫下工作，信號輸出穩(wěn)定，無需外部電源，不需加熱，使得外部電路簡單。

4） 報(bào)警電路模塊

報(bào)警電路采用高分貝報(bào)警器SFM-27，DC12V連續(xù)聲訊響器蜂鳴器，額定電壓12V，聲壓電平≥90dB，諧振頻率3000±500Hz。因?yàn)檩敵雎曇舴重惔笥?0分貝，所以在普通家庭里，報(bào)警聲在家庭的任何一個(gè)房間都可以清晰聽到，滿足我們的需求。

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件由C語言開發(fā)，軟件流程圖如圖 3所示。

圖3 軟件流程圖

6 結(jié)束語

本文針對農(nóng)村家庭使用沼氣時(shí)，沼氣事故頻發(fā)，為預(yù)防沼氣事故開發(fā)了一款農(nóng)村家庭沼氣安全檢測器，具有低價(jià)、便攜、易使用的特點(diǎn)，將沼氣泄漏檢測和沼氣池沼氣、氧氣濃度檢測結(jié)合于一身，電源采用雙電源供電，即220V交流和4節(jié)干電池供電（方便移動(dòng)）。在日常生活中，將產(chǎn)品放置于農(nóng)村家庭的廚房、鍋爐等場所作為沼氣泄漏檢測報(bào)警使用，預(yù)防沼氣泄漏造成的安全事故；當(dāng)沼氣池需要清理時(shí)，將產(chǎn)品放置于沼氣池中，對沼氣池中的沼氣濃度和氧氣濃度進(jìn)行檢測，預(yù)防清理過程中沼氣中毒、人員窒息或爆炸事故，為農(nóng)村家庭安全使用沼氣提供一份有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張海龍，中國新能源發(fā)展研究.吉林大學(xué)[D].2014：7-8.

[2] 侯雪敏，如何加強(qiáng)農(nóng)村沼氣能源建設(shè)，農(nóng)民致富之友[J].2014（9）：210.

[3] 李慧，綠色沼氣扮靚新農(nóng)村.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)）[J].2011（2）：32-33.

[4] 徐國健，推廣農(nóng)村沼氣發(fā)展清潔能源[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)（上半月刊），2012（3）.

[5] 趙春雨，基于STC單片機(jī)的礦用智能甲烷傳感器的開發(fā)與研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2011（7）.

[6] 陳玉彬，正確標(biāo)校甲烷傳感器方法探討[J].機(jī)電信息，2010（18）

[7] 郭瑞，常勇，紅外甲烷傳感器非線性動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)难芯縖J].傳感器與微系統(tǒng)，2011（8）.

[8] 石瑛琳，付彥峰，劉鳳萍，可燃?xì)怏w報(bào)警器原理及應(yīng)用[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2011（24）.

[9] 朱愛萍，可燃?xì)怏w檢測報(bào)警器使用中的問題探討[J].科技傳播，2011（22）.

[10] 劉旭，可燃?xì)怏w報(bào)警器的選點(diǎn)安裝與使用維護(hù)初探[J]，吉林勞動(dòng)保護(hù)，2011（10）.