基于SPCE061A的天然氣智能報警系統(tǒng)設(shè)計

隨著人民生活水平的提高，天然氣已普遍使用。但由于使用不當(dāng)或疏于管理等原因?qū)е碌奶烊粴庑孤O大地威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。目前，一般的天然氣報警器功能單一，或是手動復(fù)位閥門系統(tǒng)，性能穩(wěn)定性低；而大型的監(jiān)控系統(tǒng)又價格不菲，需專門的技術(shù)人員來管理，不適用于中小企業(yè)和家庭。針對這類天然氣管理現(xiàn)狀，研究設(shè)計了一種用單片機(jī)控制的智能天然氣監(jiān)控系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，易于操作和便于擴(kuò)展等特點(diǎn)。它利用SPCE061A單片機(jī)的強(qiáng)大功能和可擴(kuò)充性為后盾，可以實現(xiàn)對天然氣監(jiān)控系統(tǒng)的各種實時有效、多功能的控制操作，尤其適合作為家用智能報警器及小區(qū)、廠礦等場所的天然氣監(jiān)控系統(tǒng)來使用。系統(tǒng)的主要功能有：實現(xiàn)對天然氣泄漏的實時監(jiān)測；實時跟蹤顯示現(xiàn)場天然氣濃度；具有語音報警功能；根據(jù)報警狀況自動關(guān)閉天然氣管道電磁閥并開啟排氣裝置。值得注意的是語音報警功能。其中，語音信號是信息的主要載體，如果在這些測量場合能用語音直接報出結(jié)果，將給操作人員帶來極大方便，下面就介紹一種具有新功能的新型天然氣傳感器測試系統(tǒng)。它能夠?qū)崟r檢測并顯示空氣中天然氣的濃度，當(dāng)濃度達(dá)到一定值的時候，發(fā)出本地語音報警，若報警3 min后仍然無人關(guān)閉警報時，則電話報警，開始撥打預(yù)先存入單片機(jī)的電話號碼；當(dāng)?shù)谝粋€無人應(yīng)答時，開始撥打下一個號碼，這樣循環(huán)撥打直至有人接聽，則開始播報警情，與此同時，在單片機(jī)的控制下關(guān)閉天然氣電磁閥門，并打開換氣設(shè)備。

l 硬件設(shè)計
    該設(shè)計的硬件電路主要由報警輸入電路、報警控制電路、報警實現(xiàn)電路和自動處理警情電路4部分組成，如圖1所示。其中，報警實現(xiàn)有本地語音報警和電話自動播放語音報警2種。具體上說是由傳感器檢測電路、單片機(jī)控制電路、濃度顯示電路、本地報警電路、電話報警5部分組成。下面具體分析各個電路。

1．1 傳感器
    氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關(guān)信息轉(zhuǎn)換成電信號，通過控制系統(tǒng)可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機(jī)組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)，它是很重要的監(jiān)測器件。在氣敏傳感器選擇上要考慮測量對象與測量環(huán)境、靈敏度、頻率響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性和精度等多種因素。MQ-4氣體傳感器以其對天然氣有很高的靈敏度，對乙醇、煙霧有很低的靈敏度，有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性，具有長期的使用壽命、可靠的穩(wěn)定性和簡單的驅(qū)動電路，使它已成為該設(shè)計的首選器件。MQ-4主要用于家庭或工業(yè)天然氣的探測裝置，其工作電壓小于15 V，負(fù)熱電阻RL可調(diào)，使用溫度范圍是-10～+50℃，存儲溫度范圍是-20～+70℃，適用測量范圍為300～10 000 ppm。因為MQ-4型氣敏元件對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，因此在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調(diào)整是很重要的，一般用5 000 ppm天然氣校準(zhǔn)傳感器。
1．2 單片機(jī)SPC2E061A
    凌陽SPCE061A是16位的單片機(jī)，內(nèi)置2 KwordSRAM和32 KWOrd FLASHROM，32位通用可編程輸入／輸出端口，2個16位可編程定時器／計數(shù)器，14個中斷源，具有語音處理功能，能實現(xiàn)放音、錄音、語音識別等功能。該系統(tǒng)就是利用凌陽單片機(jī)的語音播報功能來實現(xiàn)報警語音和提示語音。
1．3 電話報警電路
    電話報警電路是當(dāng)天然氣濃度到達(dá)一定值時開始自動撥號，警告主人采取一定的措施，主要由下面3部分組成。
1．3．1 MT8888及其接口電路
    DTMIF信號收發(fā)器選用加拿大Mitel公司的MT8888。它是該公司生產(chǎn)的DTMF信號編碼／解碼系列芯片中較新的一種。該芯片功能強(qiáng)，功耗低，工作穩(wěn)定可靠。MT8888在該系統(tǒng)中的主要功能是自動撥號、電話信號音檢測以及DTMF信號的接收。MT8888與凌陽單片機(jī)的接口電路如圖2所示。MT8888輸出的DTMF信號還需經(jīng)過放大再送到電話線上。

1．3．2 摘掛機(jī)檢測電路
    自動摘掛機(jī)電路如圖3所示。當(dāng)IOB0為低電平時，掛機(jī)；當(dāng)IOB0為高電平時，摘機(jī)。
1．3．3 振鈴檢測電路
    振鈴檢測電路，當(dāng)有鈴流信號來時，IOB2輸出方波，對此方波計數(shù)，就可判斷振鈴的個數(shù)。
1．4 顯示電路
    顯示電路主要是用4位LED數(shù)碼管將單片機(jī)檢測到的空氣中的濃度實時的顯示出來，非常便利。
1．5 本地報警電路
    采用音頻功率放大器LM386對凌陽單片機(jī)輸出的語音信號進(jìn)行放大，驅(qū)動揚(yáng)聲器報警。揚(yáng)聲器報警電路如圖4所示。

1．6 處理警情電路
    在進(jìn)行電話報警的同時，單片機(jī)控制繼電器開始自動處理警情，即關(guān)閉天然氣電磁閥，并且打開換氣設(shè)備。處理警情電路由電磁閥啟閉和排氣兩部分電路組成；電磁閥啟閉由電磁閥、變送器、DAC0832等組成。采用AIDE的M系列二位二通節(jié)能型燃?xì)怆姶砰y(直動式)，其特點(diǎn)是低電壓、小能耗。結(jié)構(gòu)在線圈處配置永久性磁鋼，線圈為正、負(fù)極脈沖供電。當(dāng)正向脈沖供電時閥門開啟并保持，此時電源切斷閥門為開啟位置；當(dāng)反向脈沖供電時閥門關(guān)閉并保持，此時電源切斷閥門為關(guān)閉位置。由于電磁閥需由脈沖信號驅(qū)動，系統(tǒng)采用在單緩沖方式下工作的DAC0832作為波形發(fā)生器，以提供正負(fù)脈沖，故其能夠自動啟閉，實現(xiàn)安裝位置的可調(diào)性。排氣部分選用DAC0832、普通家用排風(fēng)機(jī)、電磁繼電器、SN75452驅(qū)動器、AC220V電源，用TPL光電隔離器使現(xiàn)場信號與單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)完全電隔離，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

2 軟件設(shè)計
2．1 主程序
    主程序的主要功能是實現(xiàn)報警和本地控制。采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，順序查詢各個報警輸入端口和控制輸入端口，當(dāng)有某報警信號或控制信號輸入時，程序轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序段運(yùn)行，運(yùn)行完畢后又進(jìn)入循環(huán)。流程圖如圖5所示。

2．2 電話報警子程序
    電話報警子程序主要進(jìn)行自動循環(huán)撥號及語音播報。在循環(huán)撥號的過程中判斷各種信號音，然后根據(jù)判斷作出相應(yīng)的動作。具體流程圖如圖6所示。

2．3 MT8888軟件設(shè)計
2．3．1 MT8888初始化
    MT8888在上電100 ms內(nèi)需進(jìn)行初始化。MT8888初始化要經(jīng)過讀SR；寫CRA=0000B；再寫CRA=0000B；寫CRA=1000B；寫CRB=0000B；讀SR。
2．3．2 DTMF信號的發(fā)送
    在DTMF發(fā)送(即撥號)程序中，把MT8888設(shè)定為DTMF模式，并使之工作于突發(fā)模式，不允許中斷。寫發(fā)送寄存器R后讀狀態(tài)寄存器SR，若SR的b1=l，則表示本次發(fā)送結(jié)束，可發(fā)送下一個號碼。
2．3．3 電話信號音檢測
    號碼撥出以后，還需要進(jìn)行電話信號音檢測，以判斷是否撥通。首先，設(shè)置MT8888工作模式，寫CRA=1110B，再寫CRB=0001B，使MT8888工作于呼叫處理(CALL)模式，TONE OUT不能輸出，允許中斷，非突發(fā)模式。信號音檢測程序主要是在5 s內(nèi)對IRQ／cP輸出的方波進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值大于l 792為撥號音，1 024～1 791為忙音，256～1 023為回鈴音，小于255無效信號音。

3 結(jié) 語
    該智能天然氣監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計是結(jié)合了機(jī)械和檢測等相關(guān)學(xué)科的技術(shù)而實現(xiàn)的。在智能控制方面。采用了單片機(jī)SPCE061A作為系統(tǒng)控制核心，最大限度地將其具備的資源應(yīng)用到設(shè)計中，既體現(xiàn)了單片機(jī)小系統(tǒng)的應(yīng)用的靈活性，又實現(xiàn)了功能多樣的智能控制。由于采用了單片機(jī)技術(shù)為主導(dǎo)的智能化管理，可實現(xiàn)對天然氣濃度的動態(tài)監(jiān)控，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，靈敏度高，操作更加方便，具有非常重要的市場應(yīng)用價值。在實際使用中，不同的應(yīng)用場合有著不同的報警濃度下限。因此，為了提高系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確度，考慮到溫度、環(huán)境和電源電壓的影響，開始報警濃度也應(yīng)有一定的變化范圍。此外，也可根據(jù)實際應(yīng)用的情況對該系統(tǒng)進(jìn)行改造擴(kuò)展，以滿足不同的應(yīng)用需求。