基于GSM的煤氣濃度檢測器設(shè)計

馬仲恒 李厚杰 羅敬超

摘要：煤氣的廣泛使用給居民生活帶來了諸多便利，提高了生活質(zhì)量效率，還減少了環(huán)境污染。但是，煤氣具有一定的危險性，一旦發(fā)生不同程度的泄漏，若處理不及時，就可能引發(fā)中毒，甚至是爆炸，給廣大群眾的人身與財產(chǎn)安全帶來威脅。面對煤氣泄漏而帶來的各種安全隱患，如何對其實現(xiàn)統(tǒng)一化智能控制和預(yù)警成了一個急需解決的問題。本文設(shè)計了一種新型煤氣濃度檢測器，其使用基于GSM 作為通訊模塊，以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，配合使用MQ-2氣體傳感器和ADC0809芯片，采集煤氣泄漏的信息。該檢測器實現(xiàn)了對煤氣濃度的識別以及智能化控制并能發(fā)出危險報警，使用戶與智能設(shè)備的溝通更加方便，具有一定的使用價值。

關(guān)鍵詞： GSM；煤氣泄漏；傳感器；報警；智能處理

The design of gas concentration detector based on GSM

MA Zhongheng， LI Houjie， LUO Jingchao

（ College of Information & Communication Engineering， Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116600，China）

Abstract： The widespread use of the gas brings human beings lots of convenience， which not only improves the quality and efficiency of life， but also reduces the environment pollution. However， gas has a certain risk， once the different degree of leakage occurred， if not handled in time，it may cause a toxication ， even an explosion， threating the safety of people and property. Due to the security risks caused by gas leakage， it has been a problem how to realize the unified intelligent control and early warning of the leakage. In this paper， the design of a new type of gas concentration detector，which is based on GSM as the communication module， and takes STC89C52 Microcontroller as the main controlling chip. With the use of MQ-2 gas sensor and ADC0809 chip ，the detecter can collect the information of gas leakage. The detector realizes the identification and intelligent control of gas concentration and it can send alarm， so its more convenient and valuable for the users to communicate with intelligent equipment .

Keywords： GSM； gas leakage； sensor；alarm； intelligent processing

0 引 言

近年來，液化氣、燃?xì)獾瓤扇夹詺怏w在家庭中的使用需求正日漸攀升，但是這些氣體易燃、易爆，使得隱患事故頻見報導(dǎo)。一旦氣體泄漏時不能做到及時發(fā)現(xiàn)與處理，就會給家庭甚至鄰居帶來災(zāi)害，甚至將威脅到廣大群眾的人身與財產(chǎn)安全。針對煤氣泄漏而形成的各類的各種安全隱患，家用煤管道氣體泄漏報警器即已成為應(yīng)對煤氣泄漏的重要手段。當(dāng)前，GSM 是應(yīng)用最為廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。全球已有超過200個國家和地區(qū)的10余億人正在使用GSM電話。所有用戶可以在簽署了"漫游協(xié)定"移動電話運營商之間自由無礙地實現(xiàn)漫游。將前述二者加以結(jié)合則可看出，基于GSM的煤氣濃度檢測器正在日常生活中發(fā)揮著舉足輕重的關(guān)鍵作用，因而已然成為時下具有高度需求和發(fā)展價值的研究方向。本文即圍繞這一內(nèi)容給出系統(tǒng)論述和設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

控制設(shè)備的主要原理通過MQ-2氣體傳感器檢測可燃?xì)怏w，輸出模擬電壓值，模擬信號再通過ADC0809芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，STC89C52單片機(jī)將作為主控單元讀取數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。當(dāng)煤氣濃度超限時，發(fā)出聲光報警信號，系統(tǒng)就會自動關(guān)閉煤氣閥門，打開排氣風(fēng)扇，再通過GSM短信模塊發(fā)送報警短信給手機(jī)用戶。本方案能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、智能診斷以及遠(yuǎn)程管理功能，提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，并具有高可靠性、分散控制、集中監(jiān)視和集約管理的優(yōu)良特性。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

單片機(jī)煤氣濃度檢測器系統(tǒng)的硬件主要有7部分，即單片機(jī)主控模塊、氣體濃度檢測模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報警模塊、GSM短信報警模塊、按鍵模塊、繼電器電路。硬件電路設(shè)計可如圖1所示。

2.1單片機(jī)微控系統(tǒng)電路

對于煤氣濃度檢測器，為了獲得良好操作實踐、且完備呈現(xiàn)其使用效果，此次設(shè)計選用STC89C52單片機(jī)作為控制芯片。最小系統(tǒng)將STC89C52芯片定制為整個電路的中央控制器，內(nèi)部有4KB閃爍存儲器，復(fù)位電路用，晶振電路。微處理器構(gòu)成了最小應(yīng)用系統(tǒng)后，只需將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路，便可以進(jìn)入正常工作。該系統(tǒng)與其他最小系統(tǒng)相比，省去了外擴(kuò)程序存儲器的設(shè)計工作。單片機(jī)微控制電路如圖2所示。

2.2氣體檢測電路

氣體檢測電路分為2個部分。主要部分是氣體傳感器，可將檢測到的氣體而產(chǎn)生的電壓信號傳送給ADC0809，再通過ADC0809內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供送至單片機(jī)用于判定識別，單片機(jī)將依據(jù)讀取的相應(yīng)數(shù)值控制調(diào)整電路工作狀態(tài)。MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的升降變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對丙烷、煙霧的靈敏度頗高，對天然氣和其它可燃蒸氣的檢測也堪稱理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多累場合優(yōu)質(zhì)應(yīng)用的低成本傳感器。具體到研發(fā)設(shè)計中，首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿則啟動 A/D轉(zhuǎn)換，此后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。本文設(shè)計實現(xiàn)的采集電路的總體原理如圖3所示。

2.3 GSM模塊電路

本次設(shè)計采用了sim900A芯片作為開發(fā)芯片，模塊主要由GSM基帶、存儲器、GSM射頻、天線接口、其他接口共同構(gòu)建組成。GSM是全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications） 的簡稱，同時也是當(dāng)前流行廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計時，對其空中接口采用了時分多址技術(shù)。同原初GSM相比，現(xiàn)有GSM的信令和語音信道均已實現(xiàn)了數(shù)字化。因此GSM將可視作為第二代（2G）移動電話系統(tǒng)。模塊接入微控制器、并插上SIM卡即能和普通手機(jī)用戶通信。

3 智能報警設(shè)備

智能報警設(shè)備由紅色發(fā)光二極管、蜂鳴器、GSM短信模塊提供功能組成。LED紅色發(fā)光二級管是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，并具備使用壽命長，光電轉(zhuǎn)換效能高、而且節(jié)能等長足優(yōu)點。該系統(tǒng)選取紅色燈指示作為報警信號，當(dāng)紅燈閃爍時，說明煤氣濃度已超過安全值。采用四位共陽數(shù)碼管顯示煤氣濃度數(shù)值。信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再由單片機(jī)處理，并將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，提示人們需及時做出判斷。LED紅色二極管可用于視覺上的警示，而蜂鳴器則用于聲音上的報警，GSM短信重點用于當(dāng)無人在家的情況下來發(fā)出預(yù)警。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 主程序設(shè)計流程

本文設(shè)計的GSM煤氣濃度檢測器是以STC89C52 單片機(jī)為控制核心、并由MQ-2 型傳感器來檢測氣體濃度。傳感器將檢測到的氣體濃度電壓信號經(jīng)A/D 單元轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換可得的數(shù)字信號就送入STC89C 52 單片機(jī)內(nèi)，由其對氣體濃度信號執(zhí)行比較處理并顯示在數(shù)碼管上，由此即可判斷氣體濃度值是否大于報警規(guī)定值。當(dāng)氣體濃度處于正常數(shù)值范圍內(nèi)，聲光報警系統(tǒng)不會發(fā)出警報；但當(dāng)氣體濃度大于設(shè)定值時，報警系統(tǒng)則發(fā)出警報聲并啟動紅燈閃爍。然后繼電器關(guān)閉煤氣電磁閥，啟動排氣風(fēng)扇，把有害氣體排出室內(nèi)。同時，GSM短信模塊自動給用戶發(fā)送提醒短信。本系統(tǒng)所有程序均采用C 語言來實現(xiàn)編寫調(diào)制，設(shè)計的主程序流程如圖5 所示。

4.2 程序調(diào)試

本程序使用Keil 軟件對程序進(jìn)行設(shè)計并組織調(diào)試。Keil C51 軟件為美國Keil Software 公司的研發(fā)產(chǎn)品，是51 系列兼容單片機(jī)C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，其在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上具有明顯的優(yōu)勢。

5結(jié)束語

綜合考慮設(shè)計要求、使用環(huán)境、加工成本等因素，所以選用MQ-2型氣體傳感器。MQ-2型氣體傳感器主要對以氫氣為主的城市煤氣、天然氣及液化石油氣具有良好的敏感特性，并且同時表現(xiàn)出響應(yīng)回復(fù)快，工作穩(wěn)定、時間長等明確優(yōu)點。在系統(tǒng)單片機(jī)控制電路設(shè)計中，采用STC89C52單片機(jī)作為核心芯片，可以充分利用其高速數(shù)據(jù)處理能力，并實現(xiàn)了系統(tǒng)儀器簡單化和智能化，使儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、體積小巧，成本低廉等穩(wěn)定特點。氣體報警能實時進(jìn)行氣體濃度檢測工作，當(dāng)氣體的濃度大于設(shè)定的濃度時，發(fā)光報警。然而對于該系統(tǒng)，仍然存在不足之處。如：室內(nèi)煤氣發(fā)生泄露，氣體不能及時排出；室內(nèi)沒有反饋系統(tǒng)，不能實現(xiàn)自動關(guān)斷危險氣源。所以，增加智能排氣扇功能，以便在發(fā)生警報時將有害氣體盡短時間排出。此外，還增加了互聯(lián)網(wǎng)功能，當(dāng)報警器報警時，主機(jī)會給用戶手機(jī)發(fā)送消息，提醒用戶發(fā)生煤氣泄露。為智能家居的理想規(guī)劃實踐奠定了基礎(chǔ)，具有一定的現(xiàn)實推廣價值。

收稿日期：

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