便攜式CO 氣體泄漏多模式報(bào)警儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

高 濤，袁 帥，翟娟紅，張 策，程 飛

(長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安710072)

0 引 言

CO 是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，由于它與人體內(nèi)的血紅蛋白有高度的親和力，所以，當(dāng)它被吸入體內(nèi)后，使人發(fā)生疲憊、氣短、惡心和頭昏眼花等不良癥狀，體內(nèi)吸入過(guò)多時(shí)甚至?xí)?dǎo)致因缺氧而死亡。同時(shí)，CO 也是一種易燃易爆的危險(xiǎn)氣體，因此，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)房間室內(nèi)CO 進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)和報(bào)警成為保障群眾生命安全和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全的一項(xiàng)必不可少的工作。利用嵌入式設(shè)計(jì)各種儀器儀表已經(jīng)取得了很多成果，如汽輪機(jī)震動(dòng)信號(hào)分析儀［1］、秤儀表［2，3］、指示儀表［4］等，同時(shí)也有高精度儀表的設(shè)計(jì)［5］，便攜式儀表設(shè)計(jì)［6］，多功能告警儀表設(shè)計(jì)［7，8］。

本文設(shè)計(jì)一種便攜式CO 氣體泄漏多模式報(bào)警儀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

便攜式CO 氣體泄漏多模式報(bào)警儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由MSP430F135 處理器、CO 采集與信號(hào)處理模塊、SIM900A GSM 短信模塊、LED 及蜂鳴器組成的報(bào)警模塊、LCD 顯示模塊、用戶(hù)交互模塊、電源模塊、充電模塊組成。用戶(hù)通過(guò)按鍵組成的用戶(hù)交互模塊設(shè)置CO 報(bào)警閾值與GSM 短信報(bào)警模塊的手機(jī)號(hào)碼，當(dāng)CO 體積分?jǐn)?shù)高于CO 報(bào)警閾值時(shí)，LED 閃爍，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)GSM模塊向設(shè)定的手機(jī)上發(fā)送警報(bào)信息。為便于使用，儀器電源采用可充電的鋰電池，用戶(hù)可方便地用普通的適配器或USB 對(duì)儀器進(jìn)行充電。同時(shí)避免因儀器電量不足不能正常工作，儀器實(shí)時(shí)顯示電池的電量，當(dāng)電量低于工作電壓時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒用戶(hù)充電。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 4CO—500 CO 傳感器與信號(hào)處理電路

本儀器采用CO 傳感器屬于電化學(xué)傳感器，氣體擴(kuò)散進(jìn)入傳感器就在敏感電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，每一反應(yīng)均可用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)方程式表示。CO 在敏感電極上的氧化方程式表示如式(1)所示

在對(duì)電極上發(fā)生的反應(yīng)正好與敏感電極上的反應(yīng)平衡。對(duì)電極上的反應(yīng)如式(2)所示

兩個(gè)電極的反應(yīng)方程式如式(3)所示

兩電極氣體傳感器檢測(cè)的體積分?jǐn)?shù)受到一定限制，對(duì)于兩電極的極化所受的限制可以用引進(jìn)第三電極，參比電極，敏感電極曲線相對(duì)于參比電極保持固定值。三電極傳感器所能檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)范圍要比兩電極大得多。本系統(tǒng)采用三電極傳感器，主要特點(diǎn)尺寸小、響應(yīng)快、功能強(qiáng)大、壽命長(zhǎng)。

CO 信號(hào)處理電路如圖2 所示。在4CO—500 的RE(參比電極)和RS(工作電極)之間形成穩(wěn)定電壓，4CO—500 將CO 經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)形成電流，從RS 流出，RC 流入，積分模塊將從RS 流出的電流轉(zhuǎn)換為電壓，輸入MSP430 的P6_2口即A/D 轉(zhuǎn)換通道，同向比例放大器的放大倍數(shù)為1+R11/R16=1+820/220=4.73 倍，輸入MSP430 的P6_1 口即A/D 轉(zhuǎn)換通道，緩沖器將RE 和RS 之間的穩(wěn)定電壓輸入MSP430 的P6_0 口即A/D 轉(zhuǎn)換通道。

2.2 用戶(hù)交互模塊設(shè)計(jì)

用戶(hù)交互模塊由電源控制按鍵(S1)，設(shè)置按鍵(S2)，遞增按鍵(S3)，遞減按鍵(S4)組成，電源按鍵(S1)短按時(shí)實(shí)現(xiàn)背光的開(kāi)關(guān)，長(zhǎng)按實(shí)現(xiàn)電源的開(kāi)關(guān)，電路圖如圖3 所示。

2.3 充電模塊設(shè)計(jì)

圖2 信號(hào)處理模塊Fig 2 Signal processing module

圖3 用戶(hù)交互模塊Fig 3 User interaction module

本儀器通過(guò)充電模塊可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)，CN3052A 自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，電流消耗小于3 μA。CHRG 管腳輸出低電平，表示充電正在進(jìn)行。當(dāng)電壓低于3 V，充電器用小電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電;當(dāng)電池電壓超過(guò)3 V 時(shí)，充電器采用恒流模式對(duì)電流充電，充電電流由ISET 管腳和GND 之間的電阻器RISET確定;當(dāng)電池電壓接近電池端調(diào)制電壓時(shí)，充電電流逐漸減小，CN3052A 進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值時(shí)，充電周期結(jié)束，CHRG 端輸出高阻態(tài)，表示充電周期結(jié)束，充電結(jié)束閾值是恒流充電電流的10%。電路圖如圖4 所示。

圖4 充電模塊Fig 4 Charging module

2.4 GSM 短信模塊

本報(bào)警儀采用GSM/GPRS 模塊，支持中文信息，工作在EGSM900 和GSM1800 雙頻段，電壓范圍3.2 ～4.8 V;待機(jī)模式電流低于18 mA，睡眠模式低于2 mA;SIM900A 的數(shù)據(jù)接口(CMOS 電平)通過(guò)AT 命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，支持Text 和PDU 格式的短信，可通過(guò)AT 命令實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)。MCP430 的串口發(fā)送接口TXD 和串口接收接口RXD，分別與SIM900A 的RXD 和TXD 口連接，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 AT 指令

AT 即Attention，一般應(yīng)用于終端設(shè)備與PC 應(yīng)用之間的連接和通信。AT 指令的數(shù)據(jù)包定義為:對(duì)于AT 指令的發(fā)送，除AT 2 個(gè)字符外，最多可以接收1 056 個(gè)字符的長(zhǎng)度。短信發(fā)送分為兩種格式，一種是TEXT 格式，一種是PDU 格式，使用TEXT 格式發(fā)送的只能是ASCII 字符，使用PDU 格式可以發(fā)送中英文字符，使用UNICODE 編碼。本儀器采用PDU 格式。

3.2 中文短信發(fā)送

如短信中心號(hào)碼為8613010130500，要發(fā)送的號(hào)碼為8618622944083，要發(fā)送的內(nèi)容為“CO 報(bào)警”。根據(jù)PDU 的要求本文要寫(xiě)的編碼為:0891683110100305F011000D91688·16924480F30008000667792525335686，本文把這串編碼分成13 段，詳細(xì)的每段含義可以參照PDU 格式的定義，部分的意義如下:08:短信中心地址信息的長(zhǎng)度共8 個(gè)8 位字節(jié);91:短信中心的號(hào)碼為國(guó)際號(hào)碼。

3.3 儀器程序主流程圖

系統(tǒng)程序主流程圖如圖5 所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化:設(shè)置系統(tǒng)的工作頻率、初始化LCD 以便顯示電池電量和CO 體積分?jǐn)?shù)、初始化ADC 來(lái)轉(zhuǎn)換CO 體積分?jǐn)?shù)和電池電量、初始化定時(shí)器及其中斷以模擬多任務(wù)來(lái)完成多項(xiàng)工作。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Software flow chart

4 實(shí) 驗(yàn)

本CO 泄漏報(bào)警儀在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)都進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 CO 泄漏報(bào)警儀實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果Tab 1 Laboratory test results of CO leak alarm device

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，本儀器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CO 體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)，報(bào)警功能可靠穩(wěn)定。儀器與泄漏源距離相同時(shí)，CO 體積分?jǐn)?shù)越高，儀器響應(yīng)越快;當(dāng)CO 體積分?jǐn)?shù)高于一定的值，距離對(duì)響應(yīng)速度的影響會(huì)變小。CO 體積分?jǐn)?shù)的時(shí)高低不會(huì)影響儀器的正常工作。因此，該多模式報(bào)警儀滿(mǎn)足精確、快速、多模式報(bào)警的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

該CO 泄漏報(bào)警儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，檢測(cè)CO 精度高，硬件電路穩(wěn)定，能較好地滿(mǎn)足家庭CO 報(bào)警需求，并且本儀器使用方便簡(jiǎn)捷無(wú)需專(zhuān)業(yè)人員操作。MSP430 單片機(jī)與GSM 短信結(jié)合實(shí)現(xiàn)儀器的智能化，儀器成本低，實(shí)用性強(qiáng)，有很大的應(yīng)用價(jià)值，能得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

［1］ 張 峰，石現(xiàn)峰.基于嵌入式技術(shù)的汽輪機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析儀［J］.自動(dòng)化與儀表，2012(10):15－19.

［2］ 劉文武.以W77E58CPU 為核心的皮帶秤儀表設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2012(2):31－33.

［3］ 陳新喜.于CS5530 的計(jì)重計(jì)數(shù)電子秤的研究與設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014，22(6):165－168.

［4］ 謝少偉.步進(jìn)電機(jī)式4 ～20 mA 液位指示儀表設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2014(1):50－52.

［5］ 程建華.一種高精度低自熱多通道測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(1):56－63.

［6］ 劉 蒼.基于ARM 的便攜式數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2013(8):89－92.

［7］ 陳 龍，張志達(dá).基于AVR 多功能報(bào)警系統(tǒng)溫濕度模塊設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(9):72－75.

［8］ 江 杰，宋宏龍.基于GSM 短信的煙霧傳感報(bào)警系統(tǒng)［J］.測(cè)控技術(shù)，2014(1):1－3.