天然氣泄漏報警系統的設計

周 麗

（唐山工業職業技術學院 河北 唐山 063000）

天然氣泄漏報警系統的設計

周 麗

（唐山工業職業技術學院 河北 唐山 063000）

為了能夠實現對天然氣濃度實時跟蹤，對天然氣泄漏情況實時監測，本文專門設計一種以公共電話網為基礎的天然氣智能報警系統。該系統采用SPCE061A單片機為控制單元，利用電話或者揚聲器對系統異常的感知來啟動語音報警程序，再根據報警情況自動關閉天然氣管道電磁閥，同時打開排氣裝置。該系統真正實現了天然氣報警系統的自動化，從檢測、報警到處理都極具可靠性、實用性和擴展性。

報警系統；天然氣泄漏；公共網

1 引言

物質生活水平的不斷提高，令天然氣的使用成為一種普遍現象，但由于平時的管理不當，致使天然氣泄漏事件屢屢發生，給人們的生命及財產造成了極大的威脅。而目前市面上所使用的一般天然氣報警系統穩定性和靈活性極差，給普通家庭和中小型企業埋下了很多安全隱患，因此在深入研究之后，本文特意設計了一種智能天然氣泄漏報警系統。

2 系統硬件設計

本系統的硬件電路共可分為四大部分，即報警輸入電路、控制電路、實現電路以及自動處理電路，詳情可見下圖1。基于公共電話網的設計令此報警系統同時具備兩種報警功能，電話自動播放語音報警和本地語音報警。因此，該系統實際上是由傳感器檢測、濃度顯示、單片機控制、電話報警和本地報警五種電路組成，下面將針對每種電路給出相對詳細的分析。

圖1 系統硬件框圖

2.1 傳感器

選擇使用氣敏傳感器，因為它能夠對環境中氣體濃度和成分等信息進行感知，并將其轉換成電信號以實現檢測、監控和報警等功能。氣敏傳感器是一種實用性極強的檢測器件，除了感知環境氣體外，還能夠與計算機接口相連，實現檢測、控制與報警的自動化。但在選擇這種傳感器的同時，還需要考慮一些外在因素可能對檢測結果產生的影響，例如檢測環境、頻率響應特性、自身靈敏度和穩定性、線性范圍以及檢測對象等。考慮到本文是針對天然氣泄露而進行的報警系統設計，因此選擇對煙霧、乙醇敏感度較低，對天然氣敏感度較高，使用壽命長，穩定性較高、響應恢復速度較快的簡單驅動電路較為合適，通過研究比較，MQ-4型氣體傳感器是本設計的最佳選擇。MQ-4氣體傳感器的工作電壓在15V以下，正常使用溫度在-10℃到+50℃之間，適合檢測范圍是300ppm到10000ppm，最好保存在-20℃到+70℃的溫度下，其負熱電阻RL可根據實際情況進行調節。真對濃度不同、種類不同的氣體，MQ-4所產生的氣體也是完全不同的，考慮到器件靈敏度對檢測結果可能造成的影響，需要在使用前認真調整其靈敏度到5000ppm。

2.2 單片機

本文設計的基于公共電話網的天然氣泄漏報警系統需要一個能夠集語音識別、錄音和放音為一身的單片機。通過市場調研和比較，凌陽SPCE061A是最佳的選擇，其內置32 Kword FLASHROM和2 Kword SRAM，有14個中斷源、2個16位可編程定時器/計數器，屬于16位單片機，輸入/輸出端口是32位通用可編程的，所特有的語音處理功能完全可以滿足本設計所需要的語音提示和報警需求。

2.3 電話報警

當系統中天然氣的濃度上升到一定值時，電話報警電路將啟動報警模式并且自動撥號，提醒工作人員對此種情況采取應急措施：

（1）信號收發器與其接口電路

系統中，信號收發器主要負責檢測電話信號、自動撥號和接收信號。此處選擇加拿大公司Mitel生產的型號為MT8888的DTMF信號收發器。MT8888芯片工作穩定、功能強大并且耗能低，是比較新的一種信號編碼/解碼芯片，圖2是其與SPCE061A單片機的接口電路。在系統中，需要對MT8888的輸出信號進行放大才能實現信號在電話線上的正常傳輸。

圖2 MT8888與SPCE061A單片機接口電路

（2）摘掛機檢測電路

在IOB0處于高電平狀態時，摘機；在IOB0處于低電平狀態時，掛機。詳細情況見圖3。

圖3 自動摘掛機電路

（3）振鈴檢測電路

當有信號通過振鈴檢測電路時，IOB2進行方波的輸出，通過計算方波的數量便能夠判斷出振鈴的數量。

2.4 顯示電路

單片機對空氣中天然氣的濃度進行檢測，然后通過檢測電路的LED數碼管顯示出4位數字，方便快捷。

2.5 本地報警

想要驅動揚聲器進行危險報警，就必須對單片機輸出的語音信號進行發大，這就需要在系統中安置一個音頻功率放大器，LM386型號放大器與SPCE061A單片機的匹配度最高，所以成為首選。圖4是揚聲器報警電路圖。

圖4 揚聲器報警電路

2.6 處理警情電路

電話報警一旦啟動，單片機將通過控制繼電器關閉天然氣電磁閥進入自動處理警情模式，同時開啟換氣裝置。DAC0832、電磁閥和變送器等器件共同決定了電磁閥的啟閉。從耗能和電壓角度考慮，自動式的二位二通節能型燃氣電磁閥更適合本系統，通過比較分析，AIDE的M系列是最佳選擇，其線圈供電為正負極脈沖式，且在線圈內放置了永久性磁鋼，十分節能。正向脈令閥門保持開啟狀態時，中斷電源閥門依然處于開啟位置；反向脈沖令閥門保持開啟狀態時，中斷電源閥門則返回關閉位置。系統選擇用DAC0832作為波形發生器為電磁閥門提供正負脈沖，以保證其實現自動啟閉的功能，另外該發生器是在單緩沖方式下工作的，所以安裝位置能夠根據實際需求進行合理調節。為了盡可能提高系統的抗干擾能力，還需要將單片機系統和現場信號完全隔離開，此處可放置一個TPL光電隔離器。

至于排風部分，普通家用排風機即可，可搭配電源AC200V、驅動器SN75452、電磁繼電器等。

3 軟件設計

3.1 主程序

采用循環結構的主程序，對各個控制輸入端口和報警入端口進行順次的逐一查詢，一旦有控制信號或者報警信號輸入，系統與之對應的程度段將立即進入運行狀態，運行結束后在恢復到主程序的整體循環。主程序負責的就是本地控制和實時報警，詳見圖5。

圖5 自動報警主程序

3.2 電話報警子程序

該報警程序中主要涉及語音播報和自動循環撥號。系統會對循環撥號中的所有信息音進行逐一判斷，并根據結果給出與之匹配的動作，圖6中是整個電話報警過程的詳細圖解。

（1）通電100ms后，通過讀SR對MT8888進行初始化；

（2）撥號程序時，令MT8888在突發模式中工作，設定為發送狀態且不可中斷，當SR的b1值為1時，本次發送完成，可進入下一個號碼的發送；

（3）號碼發送后，為了判斷是否撥通還需要對電話信息進行檢測。設置MT8888工作模式，寫CRA-1110B，再寫CRB-OOO1B，使MT8888工作于呼叫處理CCALL)模式，TONE OUT不能輸出，允許中斷，非突發模式。信號音檢測程序主要是在Ss內對IRO/CP輸出的方波進行計數，計數值大于1792為撥號音1024--1791為比音，256--1023為回鈴音，小于25無效信號音。

圖6 電話報警子程序

4 結語

融合檢測與機械的相關技術，本文設計出這種基于公共電話網絡的智能天然氣泄漏報警系統。首先選擇了SPCE061A型單片機，將其作為系統控制的智能核心，充分發揮出了單片機的靈活性，并盡可能多的在設計中使用了其所具備的各項資源，使整個系統的智能控制變得更加靈活。其次，單片機技術的導入，實現了對天然氣濃度的實時監控智能化的管理不但安全可靠，而且操作簡單，系統的靈敏性也極高，具有非常強的市場競爭力。

另外，因為該系統使用的場合不同，就必須根據不同報警濃度進行特殊設置。從系統精準度和靈敏度出發，還需要將電源、環境與溫度等客觀因素列入考慮范圍內，將報警濃度范圍進行合理設置。該系統雖然實現了智能化控制，但仍存在一些亟待完善的地方，以適各種應用的切實需求。

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TP277 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0130-03

周麗（1979-），女，河北省大城縣，講師，學歷：大學本科，研究方向：電子技術及自動化。