作者：劉文霞，張威虎，李娜，楊會彩

隨著人民生活水平的提高，天然氣已普遍使用。但由于使用不當或疏于管理等原因導致的天然氣泄漏極大地威脅著人們的生命財產安全。目前，一般的天然氣報警器功能單一，或是手動復位閥門系統，性能穩定性低；而大型的監控系統又價格不菲，需專門的技術人員來管理，不適用于中小企業和家庭。針對這類天然氣管理現狀，研究設計了一種用單片機控制的智能天然氣監控系統，具有結構簡單，價格低廉，易于操作和便于擴展等特點。它利用SPCE061A單片機的強大功能和可擴充性為后盾，可以實現對天然氣監控系統的各種實時有效、多功能的控制操作，尤其適合作為家用智能報警器及小區、廠礦等場所的天然氣監控系統來使用。系統的主要功能有：實現對天然氣泄漏的實時監測；實時跟蹤顯示現場天然氣濃度；具有語音報警功能；根據報警狀況自動關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。它能夠實時檢測并顯示空氣中天然氣的濃度，當濃度達到一定值的時候，發出本地語音報警，若報警3 min后仍然無人關閉警報時，則電話報警，開始撥打預先存入單片機的電話號碼；當第一個無人應答時，開始撥打下一個號碼，這樣循環撥打直至有人接聽，則開始播報警情，與此同時，在單片機的控制下關閉天然氣電磁閥門，并打開換氣設備。

1 硬件設計

該設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、濃度等有關信息轉換成電信號，通過控制系統可以進行檢測、監控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統，它是很重要的監測器件。在氣敏傳感器選擇上要考慮測量對象與測量環境、靈敏度、頻率響應特性、線性范圍、穩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，有快速的響應恢復特性，具有長期的使用壽命、可靠的穩定性和簡單的驅動電路，使它已成為該設計的首選器件。MQ-4主要用于家庭或工業天然氣的探測裝置，其工作電壓小于15 V，負熱電阻RL可調，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，靈敏度的調整是很重要的，一般用5 000 ppm天然氣校準傳感器。

1．2 單片機SPC2E061A

凌陽SPCE061A是16位的單片機，內置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／計數器，14個中斷源，具有語音處理功能，能實現放音、錄音、語音識別等功能。該系統就是利用凌陽單片機的語音播報功能來實現報警語音和提示語音。

1．3 電話報警電路

電話報警電路是當天然氣濃度到達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信號收發器選用加拿大Mitel公司的MT8888。它是該公司生產的DTMF信號編碼／解碼系列芯片中較新的一種。該芯片功能強，功耗低，工作穩定可靠。MT8888在該系統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與凌陽單片機的接口電路如圖2所示。MT8888輸出的DTMF信號還需經過放大再送到電話線上。

1．3．2 摘掛機檢測電路

自動摘掛機電路如圖3所示。當IOB0為低電平時，掛機；當IOB0為高電平時，摘機。

1．3．3 振鈴檢測電路

振鈴檢測電路，當有鈴流信號來時，IOB2輸出方波，對此方波計數，就可判斷振鈴的個數。

1．4 顯示電路

顯示電路主要是用4位LED數碼管將單片機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對凌陽單片機輸出的語音信號進行放大，驅動揚聲器報警。揚聲器報警電路如圖4所示。

1．6 處理警情電路

在進行電話報警的同時，單片機控制繼電器開始自動處理警情，即關閉天然氣電磁閥，并且打開換氣設備。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系列二位二通節能型燃氣電磁閥（直動式），其特點是低電壓、小能耗。結構在線圈處配置永久性磁鋼，線圈為正、負極脈沖供電。當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；當反向脈沖供電時閥門關閉并保持，此時電源切斷閥門為關閉位置。由于電磁閥需由脈沖信號驅動，系統采用在單緩沖方式下工作的DAC0832作為波形發生器，以提供正負脈沖，故其能夠自動啟閉，實現安裝位置的可調性。排氣部分選用DAC0832、普通家用排風機、電磁繼電器、SN75452驅動器、AC220V電源，用TPL光電隔離器使現場信號與單片機系統實現完全電隔離，提高系統抗干擾能力。

2 軟件設計

2．1 主程序

主程序的主要功能是實現報警和本地控制。采用循環結構，順序查詢各個報警輸入端口和控制輸入端口，當有某報警信號或控制信號輸入時，程序轉到相應的程序段運行，運行完畢后又進入循環。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行自動循環撥號及語音播報。在循環撥號的過程中判斷各種信號音，然后根據判斷作出相應的動作。具體流程圖如圖6所示。

2．3 MT8888軟件設計

2．3．1 MT8888初始化

MT8888在上電100 ms內需進行初始化。MT8888初始化要經過讀SR；寫CRA=0000B；再寫CRA=0000B；寫CRA=1000B；寫CRB=0000B；讀SR。

2．3．2 DTMF信號的發送

在DTMF發送（即撥號）程序中，把MT8888設定為DTMF模式，并使之工作于突發模式，不允許中斷。寫發送寄存器R后讀狀態寄存器SR，若SR的b1=l，則表示本次發送結束，可發送下一個號碼。

2．3．3 電話信號音檢測

號碼撥出以后，還需要進行電話信號音檢測，以判斷是否撥通。首先，設置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，非突發模式。信號音檢測程序主要是在5 s內對IRQ／cP輸出的方波進行計數，計數值大于1792為撥號音，1024～1791為忙音，256～1023為回鈴音，小于255無效信號音。

3 結 語

該智能天然氣監控報警系統的設計是結合了機械和檢測等相關學科的技術而實現的。在智能控制方面。采用了單片機SPCE061A作為系統控制核心，最大限度地將其具備的資源應用到設計中，既體現了單片機小系統的應用的靈活性，又實現了功能多樣的智能控制。由于采用了單片機技術為主導的智能化管理，可實現對天然氣濃度的動態監控，運行穩定可靠，靈敏度高，操作更加方便，具有非常重要的市場應用價值。在實際使用中，不同的應用場合有著不同的報警濃度下限。因此，為了提高系統的靈敏度和準確度，考慮到溫度、環境和電源電壓的影響，開始報警濃度也應有一定的變化范圍。此外，也可根據實際應用的情況對該系統進行改造擴展，以滿足不同的應用需求。

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