常見(jiàn)毒性氣體檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周彪 李萍 李衡

摘? ?要：本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)作為中央處理單元，通過(guò)MQ-6氣敏傳感器對(duì)家庭可燃?xì)怏w質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)家庭可燃?xì)怏w濃度超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警并通過(guò)GSM實(shí)時(shí)向屋主發(fā)送短信和開(kāi)啟排氣扇。該報(bào)警器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等特征，能夠廣泛運(yùn)用在家庭中。

關(guān)鍵詞：可燃?xì)怏w;單片機(jī);報(bào)警器;氣敏傳感器;GSM短信

在中國(guó)早期冶金、石油、煤炭、化工等危險(xiǎn)生產(chǎn)活動(dòng)中，經(jīng)常伴隨著可燃?xì)怏w泄露而發(fā)生爆炸，所以在對(duì)施工場(chǎng)所的可燃?xì)怏w檢測(cè)是必要的，不僅關(guān)系到自身的生命安全和生產(chǎn)安全，也會(huì)影響一個(gè)家庭的完整性。我國(guó)在20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始研制報(bào)警器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、種類也較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。例如工業(yè)中的固定式報(bào)警、多路巡檢式報(bào)警;住宅區(qū)中的單體分離報(bào)警系統(tǒng)、遮斷連動(dòng)系統(tǒng)。由于氣體本身具有擴(kuò)散性，一旦發(fā)生泄露，在局部區(qū)域短時(shí)間濃度會(huì)提高，形成濃度差，會(huì)逐漸擴(kuò)散出去，從而擴(kuò)大危險(xiǎn)區(qū)域。因此，在工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要針對(duì)某個(gè)區(qū)域進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，不僅需要報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲音，而且需要進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)家庭的空氣質(zhì)量和安全越來(lái)越重視。人類不斷在可燃?xì)怏w的檢測(cè)技術(shù)上的發(fā)展，使檢測(cè)可燃?xì)怏w裝置的靈敏度越來(lái)越高，更加方便，也能讓更多的家庭用得起。

單片機(jī)是一種集成電路芯片，它由CPU，RAM等組成，也被稱作單片微型計(jì)算機(jī)。ADC0809是CMOS單片型8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，由8路的多路開(kāi)關(guān)以及邏輯控制和定時(shí)電路組成，可以和單片機(jī)直接連接。因此，采用STC89C52作為主控電路，控制外圍電路的顯示以及數(shù)據(jù)輸出和接口電路，完成檢測(cè)報(bào)警等功能。

1? ? 總體設(shè)計(jì)

氣敏傳感器能夠檢測(cè)環(huán)境中的氣體濃度，所以我們一般選擇MQ-6氣敏傳感器，該型號(hào)的氣敏傳感器選取的介質(zhì)氣敏材料是在純凈的空氣中電導(dǎo)率相對(duì)較低的二氧化錫。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生毒性氣體、溫度增高的變化，同時(shí)傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨著空氣中各類氣體濃度的增高而變大。整個(gè)系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，選用MQ-6半導(dǎo)體氣體傳感器、DS18B20溫度傳感器以及LM298N驅(qū)動(dòng)芯片與其余電路一起構(gòu)成常見(jiàn)毒性氣體檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，其包含7大部分：溫度檢測(cè)部分、氣體檢測(cè)部分、STC89C52單片機(jī)控制部分、報(bào)警部分、AD采集部分、GSM模塊及排風(fēng)扇模塊，如圖1所示。

1.1? STC89C52單片機(jī)

STC89C52是一種高性能、低功耗CMOS 8位微控制器，擁有高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，具8 K可編程Flash存儲(chǔ)器。Flash既可用于常規(guī)編程，也可以在線編程。在單芯片上，擁有系統(tǒng)可編程Flash和8位CPU，從而使STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、高效的解決方案。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。

1.2? DS18B20溫度傳感器

DS18B20的數(shù)字溫度輸出通過(guò)“一線”總線，可以方便多個(gè)DS18B20組建成傳感器網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的建立和組合提供了可能。其中，1-Wire是一種特別的信號(hào)總線協(xié)議，將信號(hào)線和電源線用在一條口線上，具有唯一編碼、零工耗等特點(diǎn)。

1.3? MQ-6氣敏傳感器

MQ-6氣敏傳感器所使用的氣敏材料是在純凈空氣中較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所在環(huán)境有可燃毒性氣體時(shí)，傳感器電導(dǎo)率隨著氣體質(zhì)量濃度的增加而增大。其中，MQ-6半導(dǎo)體氣敏傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是擁有較寬的濃度范圍和響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、能耗少、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以滿足快速檢測(cè)的需要。

1.4? GSM短信

目前GSM網(wǎng)絡(luò)大量普及，相較于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在覆蓋上有很好的優(yōu)勢(shì)。手機(jī)可以用作接收?qǐng)?bào)警的裝置，把手機(jī)號(hào)碼存儲(chǔ)在SIM卡上。SIM900A是一個(gè)兩頻的GSM/GPRS模塊，支持GPRS multi-slot class 10/ class 8（可選）和 GPRS 編碼格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。當(dāng)報(bào)警系統(tǒng)啟用后，它將會(huì)自動(dòng)發(fā)短信給所儲(chǔ)存在SIM卡的手機(jī)號(hào)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

2? ? 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 單片機(jī)模塊

STC89C52單片機(jī)的工作電壓范圍為：3.3～5.5 V，所以通常從外界加入5 V直流電源，單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)如圖2所示。

時(shí)鐘電路就是一個(gè)振蕩器，給單片機(jī)提供節(jié)拍，按照提供的節(jié)拍運(yùn)行。內(nèi)有反向放大器，輸入端XTAL1，輸出端XLAL2。單片機(jī)有兩種連接方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式電路中，XTAL1和XTAL2引腳兩端接在石英晶體振蕩器和兩個(gè)微調(diào)電容上。外部時(shí)鐘電路中，XTAL1接地和XTAL2接外部時(shí)鐘。

復(fù)位電路是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)。把復(fù)位電路中的RST引腳引入高電平并保持兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作。復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位。電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是使用按鍵手動(dòng)復(fù)位，要連接上拉電阻提高輸出高電平的值。

2.2? 電路流程

先通過(guò)MQ-6氣敏傳感器采集氣體數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)ADC0832把收集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)得到氣體濃度的電壓值，經(jīng)過(guò)多次同一氣體不同濃度下實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選出適合的氣體質(zhì)量濃度作為報(bào)警值。溫度報(bào)警器DS18B20可以由用戶設(shè)置最高報(bào)警值和最低報(bào)警值。LCD1602液晶顯示器顯示值是由單片機(jī)控制，可以把探測(cè)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)字化，從而在LCD1602液晶顯示器上精準(zhǔn)地顯示出來(lái)。該電路有4個(gè)按鍵：加鍵、減鍵、設(shè)置鍵、復(fù)位鍵，單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)遇到外界強(qiáng)干擾出現(xiàn)程序混亂，可以按下復(fù)位鍵從頭開(kāi)始。當(dāng)按下緊急鍵時(shí)，立刻出現(xiàn)蜂鳴聲。當(dāng)濃度高過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，就會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警和驅(qū)動(dòng)電機(jī)LM298N打開(kāi)排風(fēng)扇。單片機(jī)與GSM進(jìn)行交互時(shí)，單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送多個(gè)AT指令來(lái)控制GSM發(fā)送短信。GSM有兩種發(fā)送方式：PDU方式和文本方式。一般選擇設(shè)置手機(jī)短信為文本方式SendString（“AT+CMGF=1”），然后設(shè)置短信文本模式參數(shù)SendString（“AT+CSMP=17，167，0，8”），再設(shè)置中英文短信SendString（“AT+CSCS=/”UCS2”/”），最后再發(fā)送短信的AT+CMGS=接受方電話號(hào)碼。其中，中文短信內(nèi)容為“氣體濃度或溫度過(guò)高！請(qǐng)注意！”，因?yàn)橹形男枰猆nicode碼進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，轉(zhuǎn)換為：6C144F536D535EA662166E295EA68FC79AD8FF018BF76CE8610FFF01

發(fā)送短信時(shí)黃色LED指示燈一直亮，發(fā)送短信后LED指示燈熄滅。同時(shí)，除了可以利用中斷方式退出報(bào)警狀態(tài)外，還可以手動(dòng)方式退出。

2.3? 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

先對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行初始化，通過(guò)傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，用A/D轉(zhuǎn)換成氣體值，然后單片機(jī)判斷當(dāng)前溫度和氣體濃度的值是否超過(guò)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警值。若當(dāng)前值超過(guò)預(yù)定的報(bào)警值，那么將進(jìn)入報(bào)警程序，觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警、發(fā)送報(bào)警短信和打開(kāi)排風(fēng)扇。若當(dāng)前值沒(méi)有超過(guò)預(yù)先設(shè)定報(bào)警值，那么將會(huì)返回采集環(huán)節(jié)，直到采集氣體濃度活溫度達(dá)到報(bào)警值。系統(tǒng)流程如圖3所示。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

文中主要討論了單片機(jī)、氣敏傳感器、GSM網(wǎng)絡(luò)，其適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、氫氣等的探測(cè)。在日常生活中可以通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)家里的情況有很好的了解，而且傳感器探測(cè)范圍廣泛，靈敏度高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬鵬飛.基于單片機(jī)的燃?xì)鈭?bào)警器的設(shè)計(jì)[J].科技展望，2015（16）：22-23.

[2]段榮霞，崔少輝.單片機(jī)與GSM模塊通信技術(shù)的研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2012（1）：85-88.

[3]李景民.基于單片機(jī)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2011（1）：28-29.

[4]江杰，宋宏龍.基于GSM短信的煙霧報(bào)警傳感系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)，2014（1）：1-3.

[5]蔚晨月，高宇鵬.基于STC89C51單片機(jī)的智能家庭安防報(bào)警系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與工程，2019（15）：231-232.

[6]韓興國(guó)，蘇慶勇，王為慶.基于STC89C52單片機(jī)的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2013（3）：52-54.