农村家庭沼气安全检测器的研究与设计

冉伟刚

摘要：当今农村使用生态沼气规模日益增大，但在生产和使用安全方面存有诸多隐患，且各种事故时有发生。沼气的使用过程中和清理沼气池时都容易造成安全事故，而国内尚无适用于农村家庭使用的低价格、小型、易使用的沼气安全检测设备，为了解决这个问题，本论文研究设计了一款农村家庭沼气安全检测器，以凌阳SPCE061A单片机为主控制器，使用甲烷传感器、氧气传感器采集数据，220V交流和4节干电池两种供电方式，方便移动，将沼气泄漏检测和沼气池沼气、氧气浓度检测结合于一身，方便使用。

关键词：农村；家庭；沼气安全；沼气检测器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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 研究意义

随着地球石油和煤炭资源的日益枯竭，全世界各国都将生态能源和新能源等绿色能源作为开发重点。我国是一个人均能源占有量较低的国家，为了应对能源危机，国家提出了多方面解决能源问题，生态能源作为一个重要组成部分被提出来[1]。我国是一个农业大国，在广大的农村有着丰富的生态能源储备，生态沼气池所需的原料（秸秆、牲畜粪便、杂草）在农村丰富易得，因此国家对农村新能源的开发和建设极其重视，并投入大量的建设资金，使全国各地区农村沼气建设取得了丰硕的成果[2]。专为农村家庭设计的沼气池以其构造简单、造价低廉、使用简单，深受广大农民家庭的欢迎。预计到2010年底，全国累计建成户用沼气将超过4000万户，占全国适宜农户的33.3%，受益人口达1.55亿人[3]。

但是在沼气使用过程中，沼气泄漏事故、沼气池清理时人员中毒、窒息事故频发。现在市面上沼气浓度检测和氧气浓度检测设备价格昂贵，少则2、3千元，多则5、6千元，对于农村家庭无法购买，并且沼气浓度检测和氧气浓度检测是两个仪器，在使用时需要使用两个仪器不方便。本项目为预防农村家庭使用沼气时沼气泄漏和沼气池清理过程中造成的安全事故而提出的。

2 系统功能介绍

本设计从农村家庭的根本需求出发，结合实际生活生产中的问题，将沼气泄漏检测和沼气池清理时沼气、氧气浓度检测结合在一起。设备使用灵敏的气敏传感器，可靠的检测电路，指示灯，声音报警电路，具有方便、低价、便携、易使用的特点。

设备的使用：第一，在日常生活中，将产品放置于农村家庭的厨房、锅炉等场所作为沼气泄漏检测报警使用，使用220V交流供电，预防沼气泄漏造成的安全事故；第二，当沼气池需要清理时，可以利用其便捷移动的特点，使用4节1.5V干电池供电放置于沼气池中，对沼气池中的沼气浓度和氧气浓度进行检测，如果环境合适，清理人员才下去清理沼气池。并且在清理人员清理沼气池过程中一直检测氧气和沼气浓度，当发生沼气浓度变高、氧气浓度下降，环境不适合时，则清理人员需立即上来，等环境合适时再下去清理，预防在清理过程中的清理人员沼气中毒、窒息或爆炸事故。

3 总体方案设计

系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

总体方案设计采用甲烷传感器采集甲烷的浓度；用氧气传感器检测沼气池的氧气浓度；按键用来切换是否检测氧气浓度值，当日常使用时不需要检测氧气浓度值，可以让氧气传感器不工作，起到节能的作用；按键切换显示沼气浓度或氧气浓度值。单片机SPCE061A起到主控作用，并且自带A/D转换器，使得电路简单易行；蜂鸣器报警模块，当沼气浓度超过一定值或氧气浓度值小于一定值时报警；4位数码管实时显示沼气浓度值和氧气浓度值。

4 硬件设计

1） 电源模块

电源模块采用变压器220V转12V，10A，用整流二极管整流成直流后给蜂鸣器供电，将12V通过LM7805三端稳压器降为5V给单片机、传感器、数码管等设备供电，220V可以用在家庭供电。同时有4节1.5V干电池供电，方便移动。电源通过开关进行切换。

2） 甲烷传感器

甲烷传感器选用MQ214，它适用于家庭用可燃气体泄漏报警器，具有高灵敏度、快速响应恢复、长寿命，MQ214型气敏元件的敏感是用非常稳定的二氧化锡制成的，因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年，还具有低功耗、低成本、驱动电路简单等特点。检测的气体有甲烷、天然气、液化气、氢气，检测浓度对于甲烷：1000-20000ppm；液化气、丙烷和氢气：500-10000ppm，达到系统的要求。

半导体气敏元件MQ214对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。当元件预热或工作时，需串联一只30Ω-100Ω电阻，如图2所示MQ214的基本工作回路。本系统RL取50Ω。

图2 MQ214基本工作回路

3） 氧气传感器

氧气传感器选用KE-50，日本生产，它的特点是：长寿命（10年），优良的化学稳定性，不受CO2，CO，H2S，NOx，H2影响，低成本，在常温下工作，信号输出稳定，无需外部电源，不需加热，使得外部电路简单。

4） 报警电路模块

报警电路采用高分贝报警器SFM-27，DC12V连续声讯响器蜂鸣器，额定电压12V，声压电平≥90dB，谐振频率3000±500Hz。因为输出声音分贝大于90分贝，所以在普通家庭里，报警声在家庭的任何一个房间都可以清晰听到，满足我们的需求。

5 软件设计

软件由C语言开发，软件流程图如图 3所示。

图3 软件流程图

6 结束语

本文针对农村家庭使用沼气时，沼气事故频发，为预防沼气事故开发了一款农村家庭沼气安全检测器，具有低价、便携、易使用的特点，将沼气泄漏检测和沼气池沼气、氧气浓度检测结合于一身，电源采用双电源供电，即220V交流和4节干电池供电（方便移动）。在日常生活中，将产品放置于农村家庭的厨房、锅炉等场所作为沼气泄漏检测报警使用，预防沼气泄漏造成的安全事故；当沼气池需要清理时，将产品放置于沼气池中，对沼气池中的沼气浓度和氧气浓度进行检测，预防清理过程中沼气中毒、人员窒息或爆炸事故，为农村家庭安全使用沼气提供一份有力的保障。

参考文献：

[1] 张海龙，中国新能源发展研究.吉林大学[D].2014：7-8.

[2] 侯雪敏，如何加强农村沼气能源建设，农民致富之友[J].2014（9）：210.

[3] 李慧，绿色沼气扮靓新农村.农业工程技术（新能源产业）[J].2011（2）：32-33.

[4] 徐国健，推广农村沼气发展清洁能源[J].安徽农学通报（上半月刊），2012（3）.

[5] 赵春雨，基于STC单片机的矿用智能甲烷传感器的开发与研究[J].自动化应用，2011（7）.

[6] 陈玉彬，正确标校甲烷传感器方法探讨[J].机电信息，2010（18）

[7] 郭瑞，常勇，红外甲烷传感器非线性动态补偿的研究[J].传感器与微系统，2011（8）.

[8] 石瑛琳，付彦峰，刘凤萍，可燃气体报警器原理及应用[J].品牌与标准化，2011（24）.

[9] 朱爱萍，可燃气体检测报警器使用中的问题探讨[J].科技传播，2011（22）.

[10] 刘旭，可燃气体报警器的选点安装与使用维护初探[J]，吉林劳动保护，2011（10）.