周 麗

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 唐山 063000）

天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周 麗

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 唐山 063000）

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天然氣濃度實(shí)時(shí)跟蹤，對(duì)天然氣泄漏情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一種以公共電話(huà)網(wǎng)為基礎(chǔ)的天然氣智能報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用SPCE061A單片機(jī)為控制單元，利用電話(huà)或者揚(yáng)聲器對(duì)系統(tǒng)異常的感知來(lái)啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警程序，再根據(jù)報(bào)警情況自動(dòng)關(guān)閉天然氣管道電磁閥，同時(shí)打開(kāi)排氣裝置。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了天然氣報(bào)警系統(tǒng)的自動(dòng)化，從檢測(cè)、報(bào)警到處理都極具可靠性、實(shí)用性和擴(kuò)展性。

報(bào)警系統(tǒng)；天然氣泄漏；公共網(wǎng)

1 引言

物質(zhì)生活水平的不斷提高，令天然氣的使用成為一種普遍現(xiàn)象，但由于平時(shí)的管理不當(dāng)，致使天然氣泄漏事件屢屢發(fā)生，給人們的生命及財(cái)產(chǎn)造成了極大的威脅。而目前市面上所使用的一般天然氣報(bào)警系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性極差，給普通家庭和中小型企業(yè)埋下了很多安全隱患，因此在深入研究之后，本文特意設(shè)計(jì)了一種智能天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路共可分為四大部分，即報(bào)警輸入電路、控制電路、實(shí)現(xiàn)電路以及自動(dòng)處理電路，詳情可見(jiàn)下圖1?；诠搽娫?huà)網(wǎng)的設(shè)計(jì)令此報(bào)警系統(tǒng)同時(shí)具備兩種報(bào)警功能，電話(huà)自動(dòng)播放語(yǔ)音報(bào)警和本地語(yǔ)音報(bào)警。因此，該系統(tǒng)實(shí)際上是由傳感器檢測(cè)、濃度顯示、單片機(jī)控制、電話(huà)報(bào)警和本地報(bào)警五種電路組成，下面將針對(duì)每種電路給出相對(duì)詳細(xì)的分析。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 傳感器

選擇使用氣敏傳感器，因?yàn)樗軌驅(qū)Νh(huán)境中氣體濃度和成分等信息進(jìn)行感知，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、監(jiān)控和報(bào)警等功能。氣敏傳感器是一種實(shí)用性極強(qiáng)的檢測(cè)器件，除了感知環(huán)境氣體外，還能夠與計(jì)算機(jī)接口相連，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制與報(bào)警的自動(dòng)化。但在選擇這種傳感器的同時(shí)，還需要考慮一些外在因素可能對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，例如檢測(cè)環(huán)境、頻率響應(yīng)特性、自身靈敏度和穩(wěn)定性、線性范圍以及檢測(cè)對(duì)象等。考慮到本文是針對(duì)天然氣泄露而進(jìn)行的報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此選擇對(duì)煙霧、乙醇敏感度較低，對(duì)天然氣敏感度較高，使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性較高、響應(yīng)恢復(fù)速度較快的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路較為合適，通過(guò)研究比較，MQ-4型氣體傳感器是本設(shè)計(jì)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(cè)范圍是300ppm到10000ppm，最好保存在-20℃到+70℃的溫度下，其負(fù)熱電阻RL可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。真對(duì)濃度不同、種類(lèi)不同的氣體，MQ-4所產(chǎn)生的氣體也是完全不同的，考慮到器件靈敏度對(duì)檢測(cè)結(jié)果可能造成的影響，需要在使用前認(rèn)真調(diào)整其靈敏度到5000ppm。

2.2 單片機(jī)

本文設(shè)計(jì)的基于公共電話(huà)網(wǎng)的天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)需要一個(gè)能夠集語(yǔ)音識(shí)別、錄音和放音為一身的單片機(jī)。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和比較，凌陽(yáng)SPCE061A是最佳的選擇，其內(nèi)置32 Kword FLASHROM和2 Kword SRAM，有14個(gè)中斷源、2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，屬于16位單片機(jī)，輸入/輸出端口是32位通用可編程的，所特有的語(yǔ)音處理功能完全可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)所需要的語(yǔ)音提示和報(bào)警需求。

2.3 電話(huà)報(bào)警

當(dāng)系統(tǒng)中天然氣的濃度上升到一定值時(shí)，電話(huà)報(bào)警電路將啟動(dòng)報(bào)警模式并且自動(dòng)撥號(hào)，提醒工作人員對(duì)此種情況采取應(yīng)急措施：

（1）信號(hào)收發(fā)器與其接口電路

系統(tǒng)中，信號(hào)收發(fā)器主要負(fù)責(zé)檢測(cè)電話(huà)信號(hào)、自動(dòng)撥號(hào)和接收信號(hào)。此處選擇加拿大公司Mitel生產(chǎn)的型號(hào)為MT8888的DTMF信號(hào)收發(fā)器。MT8888芯片工作穩(wěn)定、功能強(qiáng)大并且耗能低，是比較新的一種信號(hào)編碼/解碼芯片，圖2是其與SPCE061A單片機(jī)的接口電路。在系統(tǒng)中，需要對(duì)MT8888的輸出信號(hào)進(jìn)行放大才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)在電話(huà)線上的正常傳輸。

圖2 MT8888與SPCE061A單片機(jī)接口電路

（2）摘掛機(jī)檢測(cè)電路

在IOB0處于高電平狀態(tài)時(shí)，摘機(jī)；在IOB0處于低電平狀態(tài)時(shí)，掛機(jī)。詳細(xì)情況見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)摘掛機(jī)電路

（3）振鈴檢測(cè)電路

當(dāng)有信號(hào)通過(guò)振鈴檢測(cè)電路時(shí)，IOB2進(jìn)行方波的輸出，通過(guò)計(jì)算方波的數(shù)量便能夠判斷出振鈴的數(shù)量。

2.4 顯示電路

單片機(jī)對(duì)空氣中天然氣的濃度進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)檢測(cè)電路的LED數(shù)碼管顯示出4位數(shù)字，方便快捷。

2.5 本地報(bào)警

想要驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警，就必須對(duì)單片機(jī)輸出的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行發(fā)大，這就需要在系統(tǒng)中安置一個(gè)音頻功率放大器，LM386型號(hào)放大器與SPCE061A單片機(jī)的匹配度最高，所以成為首選。圖4是揚(yáng)聲器報(bào)警電路圖。

圖4 揚(yáng)聲器報(bào)警電路

2.6 處理警情電路

電話(huà)報(bào)警一旦啟動(dòng)，單片機(jī)將通過(guò)控制繼電器關(guān)閉天然氣電磁閥進(jìn)入自動(dòng)處理警情模式，同時(shí)開(kāi)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(dòng)式的二位二通節(jié)能型燃?xì)怆姶砰y更適合本系統(tǒng)，通過(guò)比較分析，AIDE的M系列是最佳選擇，其線圈供電為正負(fù)極脈沖式，且在線圈內(nèi)放置了永久性磁鋼，十分節(jié)能。正向脈令閥門(mén)保持開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，中斷電源閥門(mén)依然處于開(kāi)啟位置；反向脈沖令閥門(mén)保持開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，中斷電源閥門(mén)則返回關(guān)閉位置。系統(tǒng)選擇用DAC0832作為波形發(fā)生器為電磁閥門(mén)提供正負(fù)脈沖，以保證其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉的功能，另外該發(fā)生器是在單緩沖方式下工作的，所以安裝位置能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。為了盡可能提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還需要將單片機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)完全隔離開(kāi)，此處可放置一個(gè)TPL光電隔離器。

至于排風(fēng)部分，普通家用排風(fēng)機(jī)即可，可搭配電源AC200V、驅(qū)動(dòng)器SN75452、電磁繼電器等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

采用循環(huán)結(jié)構(gòu)的主程序，對(duì)各個(gè)控制輸入端口和報(bào)警入端口進(jìn)行順次的逐一查詢(xún)，一旦有控制信號(hào)或者報(bào)警信號(hào)輸入，系統(tǒng)與之對(duì)應(yīng)的程度段將立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行結(jié)束后在恢復(fù)到主程序的整體循環(huán)。主程序負(fù)責(zé)的就是本地控制和實(shí)時(shí)報(bào)警，詳見(jiàn)圖5。

圖5 自動(dòng)報(bào)警主程序

3.2 電話(huà)報(bào)警子程序

該報(bào)警程序中主要涉及語(yǔ)音播報(bào)和自動(dòng)循環(huán)撥號(hào)。系統(tǒng)會(huì)對(duì)循環(huán)撥號(hào)中的所有信息音進(jìn)行逐一判斷，并根據(jù)結(jié)果給出與之匹配的動(dòng)作，圖6中是整個(gè)電話(huà)報(bào)警過(guò)程的詳細(xì)圖解。

（1）通電100ms后，通過(guò)讀SR對(duì)MT8888進(jìn)行初始化；

（2）撥號(hào)程序時(shí)，令MT8888在突發(fā)模式中工作，設(shè)定為發(fā)送狀態(tài)且不可中斷，當(dāng)SR的b1值為1時(shí)，本次發(fā)送完成，可進(jìn)入下一個(gè)號(hào)碼的發(fā)送；

（3）號(hào)碼發(fā)送后，為了判斷是否撥通還需要對(duì)電話(huà)信息進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)置MT8888工作模式，寫(xiě)CRA-1110B，再寫(xiě)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(fā)模式。信號(hào)音檢測(cè)程序主要是在Ss內(nèi)對(duì)IRO/CP輸出的方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值大于1792為撥號(hào)音1024--1791為比音，256--1023為回鈴音，小于25無(wú)效信號(hào)音。

圖6 電話(huà)報(bào)警子程序

4 結(jié)語(yǔ)

融合檢測(cè)與機(jī)械的相關(guān)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)出這種基于公共電話(huà)網(wǎng)絡(luò)的智能天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)。首先選擇了SPCE061A型單片機(jī)，將其作為系統(tǒng)控制的智能核心，充分發(fā)揮出了單片機(jī)的靈活性，并盡可能多的在設(shè)計(jì)中使用了其所具備的各項(xiàng)資源，使整個(gè)系統(tǒng)的智能控制變得更加靈活。其次，單片機(jī)技術(shù)的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控智能化的管理不但安全可靠，而且操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的靈敏性也極高，具有非常強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

另外，因?yàn)樵撓到y(tǒng)使用的場(chǎng)合不同，就必須根據(jù)不同報(bào)警濃度進(jìn)行特殊設(shè)置。從系統(tǒng)精準(zhǔn)度和靈敏度出發(fā)，還需要將電源、環(huán)境與溫度等客觀因素列入考慮范圍內(nèi)，將報(bào)警濃度范圍進(jìn)行合理設(shè)置。該系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了智能化控制，但仍存在一些亟待完善的地方，以適各種應(yīng)用的切實(shí)需求。

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TP277 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）02-0130-03

周麗（1979-），女，河北省大城縣，講師，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：電子技術(shù)及自動(dòng)化。