衡陽(yáng)師范學(xué)院 鄭 哲 許岳兵 姜 潔 鄒 敏

1.引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、焦?fàn)t煤氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言趪?guó)家機(jī)關(guān)、餐飲業(yè)等得到廣泛應(yīng)用。然而煤氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故卻不斷發(fā)生，為了減少并杜絕因煤氣泄漏而發(fā)生的事故，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上出現(xiàn)了大量的煤氣報(bào)警器，但傳統(tǒng)報(bào)警器報(bào)警方式單一、沒(méi)有安全的煤氣泄露防范措施，且價(jià)格昂貴、測(cè)量精度低、穩(wěn)定性差，不能對(duì)煤氣進(jìn)行定量和多區(qū)域的監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款靈敏度高、性能可靠、操作簡(jiǎn)單家用煤氣智能監(jiān)控系統(tǒng)，能通過(guò)聲光、給業(yè)主撥打電話、發(fā)送短信等多種方式報(bào)警，大大提高了報(bào)警率。此外，該項(xiàng)目還具有多點(diǎn)檢測(cè)功能和安全的防煤氣泄漏措施，為人們的安全生活提供了保障。

2.系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)組成如圖一所示。它由MQ-9一氧化碳傳感器檢測(cè)電路、運(yùn)放電路、ADC0809構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換電路、STC89C52單片機(jī)控制電路、繼電器控制電路、GSM模塊、單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)電路和聲光報(bào)警電路等組成（如圖一所示）。

圖一 系統(tǒng)組成框圖

圖二 煤氣檢測(cè)電路

圖三 GSM報(bào)警模塊

圖四 聲光報(bào)警電路

圖五 主程序流程圖

系統(tǒng)通過(guò)MQ-9一氧化碳傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的一氧化碳濃度信息并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由STC89C52單片微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可獲取一氧化碳?xì)怏w的濃度值并在1602液晶顯示屏上顯示。當(dāng)一氧化碳?xì)怏w的濃度達(dá)到警戒值時(shí)，系統(tǒng)將起動(dòng)通風(fēng)換氣設(shè)備進(jìn)行排氣，并通過(guò)電磁閥門(mén)將氣體管道關(guān)閉，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，由GSM模塊在一秒鐘之內(nèi)向業(yè)主發(fā)送報(bào)警短信并撥打預(yù)先設(shè)計(jì)好的報(bào)警電話。當(dāng)一氧化碳濃度降低到安全點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉通風(fēng)換氣設(shè)備，停止報(bào)警，達(dá)到安全保護(hù)的目的。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 STC89C52單片機(jī)

考慮到系統(tǒng)的程序空間和運(yùn)算空間較寬，CPU采用STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)。該單片機(jī)工作速度快，功耗低，帶有8kB程序存儲(chǔ)空間和32個(gè)IO口，能夠滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)中單片機(jī)端口ALE經(jīng)分頻后為ADC0809提供時(shí)鐘，P1口作為采樣數(shù)據(jù)接收端口，P0口用作顯示數(shù)據(jù)通信端口。整個(gè)系統(tǒng)充分利用了STC89C52的內(nèi)部資源，極大的發(fā)揮了單片機(jī)控制功能。

3.2 煤氣檢測(cè)電路

煤氣檢測(cè)電路如圖二所示。電路中MQ-9為一氧化碳傳感器，具有高靈敏度、使用壽命長(zhǎng)和穩(wěn)定性可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家庭、環(huán)境的一氧化碳探測(cè)裝置中。MQ-9氣敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。傳感器的表面電阻Rs，是通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號(hào)VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為：Rs/RL=(Vc-VRL)/VRL外界一氧化碳濃度大小可通過(guò)有效電壓信號(hào)VRL體現(xiàn)出來(lái)。電壓信號(hào)經(jīng)儀表放大器AD620進(jìn)行放大及信號(hào)調(diào)理送到ADC0809的模擬量輸入端，然后由單片機(jī)采集并儲(chǔ)存數(shù)字信號(hào)。

3.3 繼電器控制電路

該電路由繼電器、排氣扇、電磁閥等組成。當(dāng)泄漏氣體濃度達(dá)到警戒值時(shí)，通過(guò)軟件將控制繼電器，從而使排氣扇工作，進(jìn)行換氣，電磁閥電路接通，將煤氣管道關(guān)閉。當(dāng)氣體濃度下降安全值時(shí)，關(guān)閉排氣扇和電磁閥電路，排氣扇停止工作。

3.4 GSM報(bào)警模塊

本項(xiàng)目采用TC35i模塊實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)。TC35i模塊是西門(mén)子公司為適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域?qū)o(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求而開(kāi)發(fā)的GSM模塊，它設(shè)計(jì)小巧、功耗很低，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻部分、電源、閃存(Flash)4部分組成。

GSM基帶處理器是整個(gè)模塊的核心，它控制著模塊內(nèi)各種信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過(guò)程。GSM射頻部分是一個(gè)單片收發(fā)器，它完成對(duì)射頻信號(hào)的接收和發(fā)送等處理。Flash用來(lái)存儲(chǔ)一些用戶配置信息、電話本和其他信息。

本系統(tǒng)使用的TC35i模塊，符合RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率在300bps～115kbps之間可選。單片機(jī)通過(guò)串口向GSM模塊發(fā)送AT指令，使TC35i模塊處于語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、短消息模式，從而達(dá)到報(bào)警目的，圖三即為GSM報(bào)警模塊。

3.5 報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路如圖四所示。主要由P3.2，P3.3，P3.4來(lái)控制。正常工作時(shí)，系統(tǒng)顯示綠燈，由P3.2控制；當(dāng)環(huán)境CO的濃度對(duì)人體有危害時(shí)，顯示紅燈，由P3.3控制；當(dāng)濃度很高時(shí)，由P3.4啟動(dòng)聲音報(bào)警。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)效率高，可極大地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，增加程序可讀性和維護(hù)性。軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括信號(hào)采集模塊、開(kāi)關(guān)控制程序、報(bào)警程序。程序流程圖如圖五所示。

初始化時(shí)，系統(tǒng)對(duì)AD采樣、LCD1602顯示、DS18B20、中斷進(jìn)行初始化，初始化完畢后延時(shí)五秒中，等待煤氣探頭進(jìn)入正常工作狀態(tài)。然后AD開(kāi)始正常采樣，同時(shí)單片機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并處理，若處理得到的煤氣濃度不高于預(yù)設(shè)的警戒濃度，則單片機(jī)不斷的對(duì)AD采樣值進(jìn)行檢測(cè)。否則，單片機(jī)進(jìn)入報(bào)警程序，控制LED及蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警，然后通過(guò)串口發(fā)送AT指令，TC35i發(fā)出短息報(bào)警。此時(shí)若有外部按鍵復(fù)位或上電復(fù)位，則系統(tǒng)重新進(jìn)入初始化。

5.結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目為基于TC35i家用煤氣智能監(jiān)控器，除了繼承以往煤氣報(bào)警器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有低功耗、性價(jià)比高、穩(wěn)定性高、靈敏度高以及報(bào)警率高等優(yōu)點(diǎn)。硬件設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較??；軟件上編程簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)時(shí)間短；報(bào)警方式多樣，當(dāng)一氧化碳?xì)怏w濃度達(dá)到警戒值時(shí)，能通過(guò)聲光、給業(yè)主撥打電話、發(fā)送短信等方式報(bào)警，大大提高了報(bào)警率。同時(shí)可通過(guò)繼電器控制排氣扇、電磁閥電路，有效防止煤氣的泄漏，為人們的生活安全提供了保障，非常適用于家用煤氣監(jiān)測(cè)。

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