一种气体实时监测及应急处理系统的设计实现

摘  要：以凌阳SPCE061A为控制核心，不断监测环境中CO气体的浓度，并做出相应实时控制及报警处理。此系统前端由专用CO传感器感知环境中气体的浓度并转换成相应电信号以供处理，后端由控制核心单片机接通排气扇、给予语音报警提示并自动拨打110或主人报警。该装置提供了一种在CO浓度威胁居民生命安全时能够及时予以排解的有效方法，具有实际的应用意义。

关键词：SPCE061A单片机;CO传感器;语音提示;自动报警

中图分类号：TP212.9;TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0013-03

Abstract：With Lingyang SPCE061A as the control core，the concentration of CO in the environment is continuously monitored，and the corresponding real-time control and alarm processing are made. The front end of the system is sensed by a dedicated CO sensor and converted into corresponding electrical signals for processing. The back end is connected to the exhaust fan by the control core MCU，and gives voice alarm prompt and dials 110 or master alarm automatically. The device provides an effective method to remove CO concentration in time when it threatens the life safety of residents，and has practical application significance.

Keywords：SPCE061A SCM;CO sensor;voice prompt;automatic alarm

0  引  言

家庭居室通风差的情况下，会因为煤炉产生的煤气、液化气管道漏气、工业生产煤气以及矿井中的一氧化碳吸入而导致中毒。在保证人们冬季取暖需要的同时必须提供一种装置能够实时监测环境中CO的浓度并给予报警，以保证居民的生命安全。

1  实现功能

此家用CO浓度报警装置安装在家里煤气旁边，通过专用传感器监测环境中CO的浓度并输出代表不同浓度值的电压信号。取出此电压信号送入后级电路进行处理，先通过预先设置比较电压值的三个比较器，比较得出的结果分别驱动三个警示灯，并分别送入凌阳SPCE061A单片机的IOA5、IOA6、IOA7口作为不同的语音报警的驱动信号，并从单片机的IOB0口输出电压打开排气扇，IOA14、IOA15口输出控制电话自动拨号及免提功能的接通，便于单片机通过电话自动向主人或警察语音报警“这里是×××地址，CO浓度过高，请求支援”。

2  系统设计方案

2.1  总体设计

根据要实现的功能，将系统分为电源模块、CO传感模块、电平转换及比较器模块、单片机控制模块、外部机械装置、弱电控强电模块。系统功能框图如图1所示。

2.2  模块设计

2.2.1  电源模块

系统需要提供5V和15V两种不同值的电压，CO传感器及单片机需要5V工作电压，比较电路模块中LM324需要15V电源电压。供电电路两种电压均由220V交流电压通过变压器及三端稳压器7815和7805得到。工作原理为，交流220V电压经电源变压器T1降压、整流桥（由四个二极管VD1～VD4组成）整流、电容器滤波后，得到直流电压。直流稳压电源主要负责对集成运放和继电器控制模块供电。另外，部分供电电路采用可充电的锂电池组，锂离子电池充满电时的终止充电电压约4.2V，终止放电电压为2.5V～2.75V。由于锂离子电池过大电流放电时会降低放电时间，故我们在使用时将锂电池组进行适当串并联，以增大其输出电流，扩大其容量，同时保证其较长的供電时间。

2.2.2  CO传感模块

此模块主要包括CO传感器及其信号所需的外围处理电路。市场上CO传感器的种类繁多，此处采用HSE2一氧化碳传感器。传感器结构采用密闭式设计，由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线（管脚）、壳体等部分组成。

2.2.3  电平转换及比较器模块

由于CO的浓度不同，传感器输出信号的大小不同，所以将其输出的信号与基准电压加以比较，以驱动不同的报警灯及后续电路。此处采用三种浓度比较，当CO浓度超过标准A时，指示灯A亮;当CO浓度超过标准B时，指示灯A及B亮;当CO浓度超过标准C时，指示灯A、B及C亮。由此分别得到三个警示灯的驱动电平，将其送至后级单片机模块以供监测并给予相应处理。

本系统中采用LM324作为比较器比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。电压比较器可以用运放构成也可以用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UOH可接近于正电源电压UCC，低电平UOL可接近于副电源电压-UEE。但事实上，由于集成运放和专用比较器芯片的Aud不是无穷大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区，Aud越大，这个不灵敏区越小，称其灵敏度越高。

此功能模块电路原理如图2所示。图中比较基准电压为由5V电源通过电阻分压而得，传感器输出实际上是指通过电阻之后的电压值，所以可以直接接入比较器一端的输入。

2.2.4  单片机控制模块

此系统采用凌阳SPCE061A单片机，其内部自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚輸出，DAC输出为电流型输出，经SPY0030音频放大，即可驱动喇叭放音。为了体现人机交互功能，加入了RESET键，即在语音警示过程中，若有人发现此危险状况并予以排解，可以通过按键RESET使单片机重新进入睡眠状态，以节约能源，并能进行后续监测。

2.2.5  控制外部机械装置及弱电控强电装置

驱动外部排气扇运转需要较大电压，而单片机输出的高电平最高也只有3.5V左右，不能驱动排气扇工作，所以需要设计一个弱电控强电电路。此系统采用三极管与继电器控制排气扇的工作及自动拨号电路的接通。继电器分为常开点和常闭点，当常闭点之间的线圈有电流通过的时候，常开点吸合，外接电路接通，当电流消失后断开。故而可以用其实现弱电控强电，即电流控制的开关。单片机通过继电器控制接通自动拨号电路如图3所示。

2.2.6  自动拨号电路

此系统中自动拨号电路通过电话自动拨号装置来实现。实现功能为：当CO浓度严重超标时，从IOA15口输出一高电平，通过继电器吸合接通免提线，并通过IOA14口控制自动拨号装置自动拨号给主人或110进行报警。此后监测听筒中是忙音还是接通音，若是忙音就挂断，重新监测IOA口以决定是否再次拨打电话报警;若是接通音，则自动播报“这里是×××地址，CO浓度太高，请求支援”，从而达到自动拨号报警的目的。

2.3  软件设计

此程序用SPCE061A的C语言实现了一系列功能。主程序流程图如图4所示。

系统启动后，首先进行训练，然后持续监测IOA口电平高度（即CO浓度高低）。根据浓度情况，分别将风扇调节至相应档次，加快空气流通，降低室内CO浓度。并启动报警程序，自动多次拨打报警电话，直至接通后，语音提示地址及求救信息两遍后，挂断电话。继续监测CO浓度，如果仍然偏高，则进入下一次开风扇和报警动作。

3  结  论

CO浓度监测及应急报警装置在生活中具有实际意义，可以有效地减少甚至防止因为煤气泄漏而造成的悲剧。此装置还有进一步提升功能的空间，如果可以找到一种更有效地监测环境中CO浓度的方法，便可以降低装置生产及使用的成本。

参考文献：

[1] 魏永广，刘存.现代传感技术 [M].哈尔滨：东北大学出版社，2001.

[2] 薛钧义，张彦斌，樊波，等.凌阳十六位单片机原理及应用 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[3] 罗亚非.凌阳16位单单片机应用基础 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

作者简介：孟凡文（1987-），女，汉族，山东日照人，工程师，硕士研究生，研究方向：智能装备系统与电子信息系统。