熊中剛，劉小雍，李青,劉小芹，李巧巧

（遵義師范學院工學院，貴州遵義563002）

煤氣作為一種重要的燃料被廣泛應用于各種工業(yè)爐和日常生活中，在給人們的生產、生活帶來便利的同時，也帶來了許多不可預知的安全隱患，尤其是當煤氣泄漏達到一定濃度值時，遇到火花，就會發(fā)生爆炸，造成嚴重的人員傷亡。

經查閱相關資料和實地調查，作者發(fā)現(xiàn)，煤氣泄漏報警裝置在人們的日常生活中并沒有得到廣泛應用。據(jù)相關部門測試，燃氣泄漏報警器是防止煤氣中毒和爆炸事故發(fā)生的有力武器，正確安裝和使用煤氣泄漏報警裝置，對預防家庭煤氣泄漏引發(fā)的事故具有重大作用[2]。目前市面上多數(shù)煤氣泄漏報警產品檢測到煤氣泄漏時只具有報警功能，而不具有自動處理功能。針對這一問題，作者設計了集自動檢測與自動控制于一體的基于GSM的煤氣泄漏自動報警裝置。

1 系統(tǒng)總體結構及工作原理

系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示，主要由中央處理模塊、按鍵模塊、復位模塊、GSM通信模塊、一氧化碳氣體濃度采集模塊、液晶顯示模塊、聲光報警提示模塊和負載控制模塊組成。

工作原理：本設計采用MQ-7一氧化碳氣體傳感器實時監(jiān)測室內煤氣濃度，監(jiān)測信號經預處理濾波和逐步放大后，再經轉換電路將模擬信號轉換成數(shù)字信號后傳送給單片機，單片機將接收到的信號與用戶設定的濃度值進行比較，并將比較結果運用GSM通信無線傳輸?shù)接脩艚K端，同時發(fā)出相應執(zhí)行指令，用戶通過手機終端可以實時了解當前家里的煤氣濃度情況，煤氣沒有泄漏或煤氣泄漏濃度沒有達到上限值時，自動報警裝置綠燈亮，表示正常狀態(tài)，當煤氣泄漏的濃度達到上限值時，蜂鳴器報警，并驅動繼電器工作，使風扇轉動起來，同時系統(tǒng)自行關閉煤氣閥。

圖1 系統(tǒng)組成結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 檢測模塊

檢測電路由兩部分構成（如圖2所示），其主要功能是傳感器將檢測到的一氧化碳濃度模擬信號經轉換電路變?yōu)閿?shù)字信號傳送給單片機，單片機讀取傳送過來的信息并作相應加工。

圖2 檢測電路

2.2 聲音報警模塊

聲音報警電路如圖3所示。本設計采用有源蜂鳴器報警，Q1在實物圖中是一個開關，基極所接電壓的高低決定它的作用，只有在基極接低電平時蜂鳴器才能發(fā)出聲音，否則三極管關閉，不能形成通路，蜂鳴器不工作。

圖3 聲音報警電路

2.2 燈光顯示模塊

燈光顯示電路如圖4所示，主要元器件為發(fā)光二極管，本設計采用紅色、藍色和黃色的LED燈。

圖4 燈光顯示電路

2.3 負載控制模塊

繼電器控制負載電路如圖5所示。電磁繼電器由銜鐵、鐵芯、線圈、觸點簧片構成。當有磁場存在時，銜鐵吸附鐵芯，帶動常開觸點和常閉觸點運動，磁場消失后常閉觸點恢復原來的狀態(tài)，從而實現(xiàn)電路的通斷。

圖5 繼電器控制負載電路

當煤氣泄漏的濃度超過設定值時，F(xiàn)S獲得信號，三極管導通，繼電器得電吸附開關K1閉合，電風扇所在的電路形成通路，電風扇便運轉起來。

2.4 按鍵模塊

按鍵電路如圖6所示，該部分運用獨立式按鍵接低電平方式來讀取按鍵信息。操作按鍵時，單片機獲得一個低電平，單片機就會對獲得的信息進行處理。

圖6 按鍵電路

單片機處理按鍵前需要經歷一個消抖過程，消抖過程有硬件消抖和軟件消抖兩種。硬件消抖是用電路對抖動部分加以處理；軟件消抖是不在抖動時間操作，待穩(wěn)定后再對按鍵進行處理，是運用延時處理。

2 軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件結構和流程

系統(tǒng)軟件結構和流程見圖7。首先系統(tǒng)初始化，以避免上一次數(shù)據(jù)的干擾，然后將傳感器檢測到的模擬信號轉化為數(shù)字信號，經單片機讀取后，系統(tǒng)自動將讀取的信息和設置的數(shù)值作比較，判斷出當前的濃度范圍，進而執(zhí)行相應的操作并判斷按鍵是否按下，若為否則返回2，反之則繼續(xù)執(zhí)行下一步，設置相應參數(shù)，顯示設置參數(shù)。

圖7 軟件流程框圖

2.2 通信設計

（1）建立GSM通信連接

系統(tǒng)運行時，本設計采用GSM進行無線數(shù)據(jù)傳輸，為完成上位機和下位機的通信連接，先通過AT指令接入GSM網絡，再通過GSM短信方式實現(xiàn)對現(xiàn)場設施的檢測與控制，并應用ActiveXDataObject對SQL數(shù)據(jù)庫進行訪問，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內容的實時更新。

（2）通信協(xié)議設計

為使上下位機之間形成可靠通信，需設置一定的通信協(xié)議。本設計采用9600 bps的通信波特率，以1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位作為通信中每幀的格式，并將命令設置為設置命令、采集命令和控制命令三種命令類型，詳細通信協(xié)議格式設置如下。

1）設置命令

本系統(tǒng)采用設置命令的目的是實現(xiàn)對閥值參數(shù)和通信參數(shù)的設置，以滿足系統(tǒng)設計中告警與控制的要求。具體格式見表1。

表1 設置命令

表2 參數(shù)采集命令

3）返回數(shù)據(jù)格式

中央控制器接收到檢測數(shù)據(jù)后，自動對數(shù)據(jù)進行處理并返回包含煤氣濃度參數(shù)的數(shù)據(jù)包。指令實行10個字節(jié)的數(shù)據(jù)包長度，系統(tǒng)自行根據(jù)此數(shù)據(jù)包的格式解析和顯示相關數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷揭姳?。

表3 返回數(shù)據(jù)格式

3 仿真及總結

3.1 傳感器性能測試

圖8所示是MQ-7一氧化碳傳感器溫度特性曲線。橫坐標表示溫度，縱坐標表示傳感器電阻比（Rs/Ro），Rs表示在不同溫度下一氧化碳濃度為100ppm時的電阻值，Ro表示在20℃/65%RH條件下一氧化碳濃度為100ppm時的電阻值。

圖8 MQ-7一氧化碳傳感器溫度特性曲線

3.2 仿真測試

用Protus仿真軟件繪制出如圖9的仿真圖。按下打開鍵（play），在液晶顯示屏上可以看到兩組信息：當前一氧化碳濃度（NOW CO:000）、報警濃度（WARNING:025，25是初始值）。報警濃度可以通過連接按鍵與單片機引腳27、28、17連接更改，其中與27引腳相連接的是更改/更改完成鍵，與28引腳相連接的是加一鍵，按一次自動加一，與17引腳相連接的是減一鍵，按一次自動減一。模擬當前一氧化碳濃度可以在MQ-7對應的位置調整，電阻減小一氧化碳濃度升高，電阻增大一氧化碳濃度降低。當一氧化碳濃度大于設置值時，紅色燈亮，蜂鳴器鳴叫，繼電器驅動風扇工作。

圖9 仿真圖

[1]薛連壁.一氧化碳無形的殺手[J].資源與人居環(huán)境,2007,(1):38-39.

[2]王猛,陳浩,張耀,等.燃氣報警器的分類與選擇[J].企業(yè)標準化,2007,(9):53.

[3]袁飛.本質安全型可燃性探測器的研究[D].上海:華東大學,2009.

[4]羅瑩.家庭煤氣泄漏檢測報警及控制裝置[D].福建:福建農業(yè)大學,2012.

[5]王猛.可燃氣體報警器計量檢定現(xiàn)狀與發(fā)展[J].企業(yè)標準,2006,(7):31-32.

[6]童名文.一種新型報警器的研制[D].湖北:武漢理工大學,2003.

[7]郁有文,常鍵.傳感器原理及工程應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.150-154.

[8]何道清.傳感器與傳感器技術[M].北京:科學出版社,2003.37-39.

[9]李冬梅,黃元慶.幾種常見氣體傳感器的研究進展[J].傳感器世界,2006,(5):6-11.

[10]潘小青,劉慶成.氣體傳感器及其發(fā)展[J].華東理工學院學報,2004,(1):89-93.

[11]王雪文,張志勇.傳感器原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.207.

[12]張迪.基于GSM網絡短信息的智能家居報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北京:北京工業(yè)大學,2014.

[13]韓斌杰.GSM原理及其網絡優(yōu)化[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[14]熊中剛.基于集成模塊的超低輻射定位檢測系統(tǒng)設計[J].遵義師范學院學報,2016,(3):79-81.