基于SPC2E061A单片机实现新型天然气传感器测试系统的设计

作者：刘文霞，张威虎，李娜，杨会彩

随着人民生活水平的提高，天然气已普遍使用。但由于使用不当或疏于管理等原因导致的天然气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全。目前，一般的天然气报警器功能单一，或是手动复位阀门系统，性能稳定性低；而大型的监控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小企业和家庭。针对这类天然气管理现状，研究设计了一种用单片机控制的智能天然气监控系统，具有结构简单，价格低廉，易于操作和便于扩展等特点。它利用SPCE061A单片机的强大功能和可扩充性为后盾，可以实现对天然气监控系统的各种实时有效、多功能的控制操作，尤其适合作为家用智能报警器及小区、厂矿等场所的天然气监控系统来使用。系统的主要功能有：实现对天然气泄漏的实时监测；实时跟踪显示现场天然气浓度；具有语音报警功能；根据报警状况自动关闭天然气管道电磁阀并开启排气装置。值得注意的是语音报警功能。其中，语音信号是信息的主要载体，如果在这些测量场合能用语音直接报出结果，将给操作人员带来极大方便，下面就介绍一种具有新功能的新型天然气传感器测试系统。它能够实时检测并显示空气中天然气的浓度，当浓度达到一定值的时候，发出本地语音报警，若报警3 min后仍然无人关闭警报时，则电话报警，开始拨打预先存入单片机的电话号码；当第一个无人应答时，开始拨打下一个号码，这样循环拨打直至有人接听，则开始播报警情，与此同时，在单片机的控制下关闭天然气电磁阀门，并打开换气设备。

1 硬件设计

该设计的硬件电路主要由报警输入电路、报警控制电路、报警实现电路和自动处理警情电路4部分组成，如图1所示。其中，报警实现有本地语音报警和电话自动播放语音报警2种。具体上说是由传感器检测电路、单片机控制电路、浓度显示电路、本地报警电路、电话报警5部分组成。下面具体分析各个电路。

1．1 传感器

气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关信息转换成电信号，通过控制系统可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统，它是很重要的监测器件。在气敏传感器选择上要考虑测量对象与测量环境、灵敏度、频率响应特性、线性范围、稳定性和精度等多种因素。MQ-4气体传感器以其对天然气有很高的灵敏度，对乙醇、烟雾有很低的灵敏度，有快速的响应恢复特性，具有长期的使用寿命、可靠的稳定性和简单的驱动电路，使它已成为该设计的首选器件。MQ-4主要用于家庭或工业天然气的探测装置，其工作电压小于15 V，负热电阻RL可调，使用温度范围是-10～+50℃，存储温度范围是-20～+70℃，适用测量范围为300～10 000 ppm。因为MQ-4型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值，因此在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的，一般用5 000 ppm天然气校准传感器。

1．2 单片机SPC2E061A

凌阳SPCE061A是16位的单片机，内置2 KwordSRAM和32 KWOrd FLASHROM，32位通用可编程输入／输出端口，2个16位可编程定时器／计数器，14个中断源，具有语音处理功能，能实现放音、录音、语音识别等功能。该系统就是利用凌阳单片机的语音播报功能来实现报警语音和提示语音。

1．3 电话报警电路

电话报警电路是当天然气浓度到达一定值时开始自动拨号，警告主人采取一定的措施，主要由下面3部分组成。

1．3．1 MT8888及其接口电路

DTMIF信号收发器选用加拿大Mitel公司的MT8888。它是该公司生产的DTMF信号编码／解码系列芯片中较新的一种。该芯片功能强，功耗低，工作稳定可靠。MT8888在该系统中的主要功能是自动拨号、电话信号音检测以及DTMF信号的接收。MT8888与凌阳单片机的接口电路如图2所示。MT8888输出的DTMF信号还需经过放大再送到电话线上。

1．3．2 摘挂机检测电路

自动摘挂机电路如图3所示。当IOB0为低电平时，挂机；当IOB0为高电平时，摘机。

1．3．3 振铃检测电路

振铃检测电路，当有铃流信号来时，IOB2输出方波，对此方波计数，就可判断振铃的个数。

1．4 显示电路

显示电路主要是用4位LED数码管将单片机检测到的空气中的浓度实时的显示出来，非常便利。

1．5 本地报警电路

采用音频功率放大器LM386对凌阳单片机输出的语音信号进行放大，驱动扬声器报警。扬声器报警电路如图4所示。

1．6 处理警情电路

在进行电话报警的同时，单片机控制继电器开始自动处理警情，即关闭天然气电磁阀，并且打开换气设备。处理警情电路由电磁阀启闭和排气两部分电路组成；电磁阀启闭由电磁阀、变送器、DAC0832等组成。采用AIDE的M系列二位二通节能型燃气电磁阀（直动式），其特点是低电压、小能耗。结构在线圈处配置永久性磁钢，线圈为正、负极脉冲供电。当正向脉冲供电时阀门开启并保持，此时电源切断阀门为开启位置；当反向脉冲供电时阀门关闭并保持，此时电源切断阀门为关闭位置。由于电磁阀需由脉冲信号驱动，系统采用在单缓冲方式下工作的DAC0832作为波形发生器，以提供正负脉冲，故其能够自动启闭，实现安装位置的可调性。排气部分选用DAC0832、普通家用排风机、电磁继电器、SN75452驱动器、AC220V电源，用TPL光电隔离器使现场信号与单片机系统实现完全电隔离，提高系统抗干扰能力。

2 软件设计

2．1 主程序

主程序的主要功能是实现报警和本地控制。采用循环结构，顺序查询各个报警输入端口和控制输入端口，当有某报警信号或控制信号输入时，程序转到相应的程序段运行，运行完毕后又进入循环。流程图如图5所示。

2．2 电话报警子程序

电话报警子程序主要进行自动循环拨号及语音播报。在循环拨号的过程中判断各种信号音，然后根据判断作出相应的动作。具体流程图如图6所示。

2．3 MT8888软件设计

2．3．1 MT8888初始化

MT8888在上电100 ms内需进行初始化。MT8888初始化要经过读SR；写CRA=0000B；再写CRA=0000B；写CRA=1000B；写CRB=0000B；读SR。

2．3．2 DTMF信号的发送

在DTMF发送（即拨号）程序中，把MT8888设定为DTMF模式，并使之工作于突发模式，不允许中断。写发送寄存器R后读状态寄存器SR，若SR的b1=l，则表示本次发送结束，可发送下一个号码。

2．3．3 电话信号音检测

号码拨出以后，还需要进行电话信号音检测，以判断是否拨通。首先，设置MT8888工作模式，写CRA=1110B，再写CRB=0001B，使MT8888工作于呼叫处理（CALL）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5 s内对IRQ／cP输出的方波进行计数，计数值大于1792为拨号音，1024～1791为忙音，256～1023为回铃音，小于255无效信号音。

3 结 语

该智能天然气监控报警系统的设计是结合了机械和检测等相关学科的技术而实现的。在智能控制方面。采用了单片机SPCE061A作为系统控制核心，最大限度地将其具备的资源应用到设计中，既体现了单片机小系统的应用的灵活性，又实现了功能多样的智能控制。由于采用了单片机技术为主导的智能化管理，可实现对天然气浓度的动态监控，运行稳定可靠，灵敏度高，操作更加方便，具有非常重要的市场应用价值。在实际使用中，不同的应用场合有着不同的报警浓度下限。因此，为了提高系统的灵敏度和准确度，考虑到温度、环境和电源电压的影响，开始报警浓度也应有一定的变化范围。此外，也可根据实际应用的情况对该系统进行改造扩展，以满足不同的应用需求。

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