一種基于SIM900A的煤氣泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì)

林海翔

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚(yáng)州分院，江蘇揚(yáng)州，225003）

0 引言

煤氣、液化氣作為一種燃料在日常生產(chǎn)生活中起著重要的作用，它為社會(huì)帶來(lái)效益的同時(shí)也存在著一定的危險(xiǎn)，其中CO就是最為重要的危險(xiǎn)源。CO是一種有毒易燃易爆性氣體，常溫下無(wú)色無(wú)味、難溶于水，不易發(fā)現(xiàn)。實(shí)踐表明，當(dāng)空氣中CO濃度過(guò)高時(shí)，人們會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)失去知覺(jué)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成窒息死亡，直接威脅人們的生命安全。

在日常生產(chǎn)生活中，由于種種原因，煤氣泄漏事件時(shí)有發(fā)生。當(dāng)空氣中煤氣含量過(guò)高時(shí)，遇到火就會(huì)引起爆炸，因此，準(zhǔn)確檢測(cè)出環(huán)境中CO的濃度值，對(duì)防止煤氣泄漏導(dǎo)致的中毒和爆炸等安全事故的發(fā)生具有非常重要的意義。圍繞上述問(wèn)題，本文基于51單片機(jī)及SIM900A模塊設(shè)計(jì)了一種煤氣報(bào)警裝置，該報(bào)警器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控環(huán)境中煤氣的泄漏情況，當(dāng)傳感器檢測(cè)值高于設(shè)定值后迅速發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)向指定用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警提醒信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在煤氣發(fā)生泄漏時(shí)該報(bào)警器能夠可靠運(yùn)行，有效地防止了因煤氣泄漏導(dǎo)致的中毒和爆炸等安全事故的發(fā)生。

1 基于GSM短消息煤氣監(jiān)測(cè)報(bào)警器的工作原理

煤氣中主要化學(xué)成分是一氧化碳（CO），我們選擇MQ-7型氣敏傳感器作為檢測(cè)器件。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，MQ-7型CO傳感器的電阻值會(huì)隨著環(huán)境中CO濃度的增大而增加，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后可以實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)輸出。本裝置采用AT89C51作為主控芯片，采用FFT和數(shù)字濾波法將傳感器的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的氣體濃度值，當(dāng)檢測(cè)到的泄漏氣體濃度超過(guò)指定值時(shí)，能夠迅速啟動(dòng)揚(yáng)聲器報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)還通過(guò)GSM短信模塊給指定用戶發(fā)送手機(jī)短信及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警，確保在任何情況下用戶都能夠及時(shí)收到報(bào)警信息[1]。

2 系統(tǒng)組成

煤氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、CO濃度檢測(cè)模塊、揚(yáng)聲器模塊、GSM報(bào)警模塊和電源模塊5大部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。CO濃度檢測(cè)模塊為MQ-7型氣敏傳感器；系統(tǒng)主控模塊由89C51單片機(jī)及相應(yīng)軟件構(gòu)成，它由設(shè)定好的程序處理信息以及發(fā)送控制指令；揚(yáng)聲器模塊主要是發(fā)送聲音報(bào)警信號(hào)；GSM報(bào)警模塊負(fù)責(zé)接受主控模塊指令并將報(bào)警短信發(fā)送到指定用戶手機(jī)上。

圖1 煤氣泄漏報(bào)警器結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 煤氣檢測(cè)模塊

本文選用MQ-7型氣敏傳感器監(jiān)測(cè)煤氣泄漏情況，該半導(dǎo)體氣敏傳感器采用5V直流電源供電，其功耗約為0.7W，普遍適用于以CO為主要成分的氣體的測(cè)量。它的特點(diǎn)是探測(cè)范圍廣泛、靈敏度高、穩(wěn)定性好、相應(yīng)速度快，此外該傳感器不易受煙霧、水蒸氣等影響，抗干擾性能力較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，MQ-7傳感器中的敏感元件先將所測(cè)CO氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電阻值的變化，并與電阻R7組成分壓電路，從傳感器引腳6輸出隨CO濃度變化的電壓信號(hào)。CO氣體報(bào)警裝置采用STC89C51單片機(jī)作為主控模塊對(duì)上面轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和處理，并對(duì)測(cè)得CO數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)所測(cè)CO實(shí)際濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，主控模塊分別向GSM模塊和揚(yáng)聲器模塊發(fā)出報(bào)警指令。

3.2 主控模塊

主控模塊采用89C51型單片機(jī)，該機(jī)型具有功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)中采用了6時(shí)鐘機(jī)器周期，考慮到單片機(jī)的引腳特性，單片機(jī)的中斷觸發(fā)信號(hào)由CO傳感器從單片機(jī)P1.1引腳輸入，低電平有效，P2.2引腳輸出蜂鳴器觸發(fā)信號(hào)，低電平有效，GSM報(bào)警模塊與單片機(jī)之間采用串口通信傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 GSM模塊

設(shè)計(jì)中采用SIMCOM公司的SIM900AGSM/GPRS模塊作為遠(yuǎn)程報(bào)警模塊，該模塊采用SMT貼片形式封裝，硬件部分主要由GSM射頻模塊、GSM基帶處理器、存儲(chǔ)器、電源模塊和接口組成，工作電壓一般為3.3V或5V。該模塊的功耗非常低，待機(jī)模式下的工作電流小于18mA，而sleep模式下的工作電流更是低于2mA。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持頻段900MHz/1800MHz，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，能夠以低功耗模式傳輸語(yǔ)音、短信以及數(shù)據(jù)信息。由于SIM900A模塊具有外觀精巧、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人看守場(chǎng)所的安全監(jiān)測(cè)。

本系統(tǒng)中將該模塊管腳定義如下：引腳1接+5V電源VCC，引腳2接DTR，引腳3接89C51單片機(jī)TXD端P3.1口，SIM900A模塊的引腳4接89C51單片機(jī)RXD端P3.0口，引腳8接GND，如圖2所示。該模塊與80C51單片機(jī)采用串口通信連接，可用AT指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，一旦系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警，GSM模塊就會(huì)立即向指定手機(jī)發(fā)送煤氣泄漏報(bào)警短信，提醒用戶立即采用有效管控措施。

3.4 系統(tǒng)電路原理圖

煤氣泄漏報(bào)警器電路原理圖如圖2所示。

圖2 煤氣泄漏報(bào)警器電路原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)通電按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后先進(jìn)行串口、定時(shí)器初始化，然后MQ-7氣敏傳感器模塊采集所測(cè)環(huán)境中煤氣濃度值，再經(jīng)信號(hào)放大電路傳送給89C51單片機(jī)。當(dāng)煤氣濃度大于用戶設(shè)定的報(bào)警濃度時(shí)，檢測(cè)模塊發(fā)送低電平給單片機(jī)主控模塊，當(dāng)主控模塊檢測(cè)到有報(bào)警信號(hào)時(shí)，先進(jìn)行分析，確認(rèn)報(bào)警信號(hào)真實(shí)有效后，再輸出低電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警，同時(shí)發(fā)送指令給SIM900A執(zhí)行模塊將煤氣泄漏報(bào)警信息發(fā)送到指定用戶手機(jī)上。

圖3 主程序流程圖

主程序部分代碼如下：

4.2 GSM發(fā)送短信報(bào)警程序

本次設(shè)計(jì)采用SIM900A作為短信息發(fā)送模塊，系統(tǒng)中對(duì)SIM900A模塊的控制及發(fā)送短信指令都是由特定字符串命令實(shí)現(xiàn)的，所以，信息發(fā)送指令部分也是本次軟件程序的核心。這里以發(fā)送報(bào)警短消息為例作簡(jiǎn)要說(shuō)明，假定1586133XXXX為指定號(hào)碼，首先使用AT指令向SIM900A發(fā)送“AT+CMGF=1”，表示發(fā)送短信格式為文本格式，等收到SIM900A 回復(fù)“OK”后，再發(fā)送“AT+CMGS=“1586133XXXX””設(shè)置短消息需要發(fā)送的用戶手機(jī)號(hào)，等待模塊應(yīng)答返回，最后輸入需要發(fā)送的短信內(nèi)容“煤氣泄露，請(qǐng)注意！”即可。

SIM900A調(diào)試時(shí)對(duì)字符串格式有特定的要求，程序中必須以“AT”或“at”指令開(kāi)頭，以回車(chē)“ ”結(jié)束，信息發(fā)送指令通過(guò)調(diào)用信息發(fā)送函數(shù)GSM_Work()實(shí)現(xiàn)。

信息發(fā)送部分程序如下：

5 系統(tǒng)的調(diào)試及分析

煤氣泄漏報(bào)警器實(shí)物圖如圖4所示。為了測(cè)試該煤氣報(bào)警裝置的性能，我們將程序中CO報(bào)警極限值設(shè)定為20，并用打火機(jī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了10次測(cè)試。首先插入sim卡，系統(tǒng)通電后按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)MQ-7氣敏傳感器檢測(cè)環(huán)境中的CO達(dá)到或超過(guò)極限值時(shí)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，此時(shí)，紅色報(bào)警燈點(diǎn)亮，啟動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警，同時(shí)通過(guò)GSM模塊向指定手機(jī)終端發(fā)送報(bào)警短信，大約30S后用戶手機(jī)接收到發(fā)送的報(bào)警短信[2]。

圖4 煤氣泄漏報(bào)警器實(shí)物圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本報(bào)警裝置采用STC89C51型單片機(jī)作為主控芯片，它與SIM900A構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)環(huán)境中CO氣體的濃度，一旦CO濃度達(dá)到或超過(guò)極限值時(shí)就通過(guò)SIM900A模塊立即向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程報(bào)警。該報(bào)警裝置具有電路簡(jiǎn)單、精度高、成本低、速度快及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能夠有效地防止因煤氣泄漏導(dǎo)致的中毒和爆炸等安全事故的發(fā)生。