天然气泄漏报警系统的设计

周 丽

（唐山工业职业技术学院 河北 唐山 063000）

天然气泄漏报警系统的设计

周 丽

（唐山工业职业技术学院 河北 唐山 063000）

为了能够实现对天然气浓度实时跟踪，对天然气泄漏情况实时监测，本文专门设计一种以公共电话网为基础的天然气智能报警系统。该系统采用SPCE061A单片机为控制单元，利用电话或者扬声器对系统异常的感知来启动语音报警程序，再根据报警情况自动关闭天然气管道电磁阀，同时打开排气装置。该系统真正实现了天然气报警系统的自动化，从检测、报警到处理都极具可靠性、实用性和扩展性。

报警系统；天然气泄漏；公共网

1 引言

物质生活水平的不断提高，令天然气的使用成为一种普遍现象，但由于平时的管理不当，致使天然气泄漏事件屡屡发生，给人们的生命及财产造成了极大的威胁。而目前市面上所使用的一般天然气报警系统稳定性和灵活性极差，给普通家庭和中小型企业埋下了很多安全隐患，因此在深入研究之后，本文特意设计了一种智能天然气泄漏报警系统。

2 系统硬件设计

本系统的硬件电路共可分为四大部分，即报警输入电路、控制电路、实现电路以及自动处理电路，详情可见下图1。基于公共电话网的设计令此报警系统同时具备两种报警功能，电话自动播放语音报警和本地语音报警。因此，该系统实际上是由传感器检测、浓度显示、单片机控制、电话报警和本地报警五种电路组成，下面将针对每种电路给出相对详细的分析。

图1 系统硬件框图

2.1 传感器

选择使用气敏传感器，因为它能够对环境中气体浓度和成分等信息进行感知，并将其转换成电信号以实现检测、监控和报警等功能。气敏传感器是一种实用性极强的检测器件，除了感知环境气体外，还能够与计算机接口相连，实现检测、控制与报警的自动化。但在选择这种传感器的同时，还需要考虑一些外在因素可能对检测结果产生的影响，例如检测环境、频率响应特性、自身灵敏度和稳定性、线性范围以及检测对象等。考虑到本文是针对天然气泄露而进行的报警系统设计，因此选择对烟雾、乙醇敏感度较低，对天然气敏感度较高，使用寿命长，稳定性较高、响应恢复速度较快的简单驱动电路较为合适，通过研究比较，MQ-4型气体传感器是本设计的最佳选择。MQ-4气体传感器的工作电压在15V以下，正常使用温度在-10℃到+50℃之间，适合检测范围是300ppm到10000ppm，最好保存在-20℃到+70℃的温度下，其负热电阻RL可根据实际情况进行调节。真对浓度不同、种类不同的气体，MQ-4所产生的气体也是完全不同的，考虑到器件灵敏度对检测结果可能造成的影响，需要在使用前认真调整其灵敏度到5000ppm。

2.2 单片机

本文设计的基于公共电话网的天然气泄漏报警系统需要一个能够集语音识别、录音和放音为一身的单片机。通过市场调研和比较，凌阳SPCE061A是最佳的选择，其内置32 Kword FLASHROM和2 Kword SRAM，有14个中断源、2个16位可编程定时器/计数器，属于16位单片机，输入/输出端口是32位通用可编程的，所特有的语音处理功能完全可以满足本设计所需要的语音提示和报警需求。

2.3 电话报警

当系统中天然气的浓度上升到一定值时，电话报警电路将启动报警模式并且自动拨号，提醒工作人员对此种情况采取应急措施：

（1）信号收发器与其接口电路

系统中，信号收发器主要负责检测电话信号、自动拨号和接收信号。此处选择加拿大公司Mitel生产的型号为MT8888的DTMF信号收发器。MT8888芯片工作稳定、功能强大并且耗能低，是比较新的一种信号编码/解码芯片，图2是其与SPCE061A单片机的接口电路。在系统中，需要对MT8888的输出信号进行放大才能实现信号在电话线上的正常传输。

图2 MT8888与SPCE061A单片机接口电路

（2）摘挂机检测电路

在IOB0处于高电平状态时，摘机；在IOB0处于低电平状态时，挂机。详细情况见图3。

图3 自动摘挂机电路

（3）振铃检测电路

当有信号通过振铃检测电路时，IOB2进行方波的输出，通过计算方波的数量便能够判断出振铃的数量。

2.4 显示电路

单片机对空气中天然气的浓度进行检测，然后通过检测电路的LED数码管显示出4位数字，方便快捷。

2.5 本地报警

想要驱动扬声器进行危险报警，就必须对单片机输出的语音信号进行发大，这就需要在系统中安置一个音频功率放大器，LM386型号放大器与SPCE061A单片机的匹配度最高，所以成为首选。图4是扬声器报警电路图。

图4 扬声器报警电路

2.6 处理警情电路

电话报警一旦启动，单片机将通过控制继电器关闭天然气电磁阀进入自动处理警情模式，同时开启换气装置。DAC0832、电磁阀和变送器等器件共同决定了电磁阀的启闭。从耗能和电压角度考虑，自动式的二位二通节能型燃气电磁阀更适合本系统，通过比较分析，AIDE的M系列是最佳选择，其线圈供电为正负极脉冲式，且在线圈内放置了永久性磁钢，十分节能。正向脉令阀门保持开启状态时，中断电源阀门依然处于开启位置；反向脉冲令阀门保持开启状态时，中断电源阀门则返回关闭位置。系统选择用DAC0832作为波形发生器为电磁阀门提供正负脉冲，以保证其实现自动启闭的功能，另外该发生器是在单缓冲方式下工作的，所以安装位置能够根据实际需求进行合理调节。为了尽可能提高系统的抗干扰能力，还需要将单片机系统和现场信号完全隔离开，此处可放置一个TPL光电隔离器。

至于排风部分，普通家用排风机即可，可搭配电源AC200V、驱动器SN75452、电磁继电器等。

3 软件设计

3.1 主程序

采用循环结构的主程序，对各个控制输入端口和报警入端口进行顺次的逐一查询，一旦有控制信号或者报警信号输入，系统与之对应的程度段将立即进入运行状态，运行结束后在恢复到主程序的整体循环。主程序负责的就是本地控制和实时报警，详见图5。

图5 自动报警主程序

3.2 电话报警子程序

该报警程序中主要涉及语音播报和自动循环拨号。系统会对循环拨号中的所有信息音进行逐一判断，并根据结果给出与之匹配的动作，图6中是整个电话报警过程的详细图解。

（1）通电100ms后，通过读SR对MT8888进行初始化；

（2）拨号程序时，令MT8888在突发模式中工作，设定为发送状态且不可中断，当SR的b1值为1时，本次发送完成，可进入下一个号码的发送；

（3）号码发送后，为了判断是否拨通还需要对电话信息进行检测。设置MT8888工作模式，写CRA-1110B，再写CRB-OOO1B，使MT8888工作于呼叫处理CCALL)模式，TONE OUT不能输出，允许中断，非突发模式。信号音检测程序主要是在Ss内对IRO/CP输出的方波进行计数，计数值大于1792为拨号音1024--1791为比音，256--1023为回铃音，小于25无效信号音。

图6 电话报警子程序

4 结语

融合检测与机械的相关技术，本文设计出这种基于公共电话网络的智能天然气泄漏报警系统。首先选择了SPCE061A型单片机，将其作为系统控制的智能核心，充分发挥出了单片机的灵活性，并尽可能多的在设计中使用了其所具备的各项资源，使整个系统的智能控制变得更加灵活。其次，单片机技术的导入，实现了对天然气浓度的实时监控智能化的管理不但安全可靠，而且操作简单，系统的灵敏性也极高，具有非常强的市场竞争力。

另外，因为该系统使用的场合不同，就必须根据不同报警浓度进行特殊设置。从系统精准度和灵敏度出发，还需要将电源、环境与温度等客观因素列入考虑范围内，将报警浓度范围进行合理设置。该系统虽然实现了智能化控制，但仍存在一些亟待完善的地方，以适各种应用的切实需求。

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TP277 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0130-03

周丽（1979-），女，河北省大城县，讲师，学历：大学本科，研究方向：电子技术及自动化。