周彪 李萍 李衡

摘? ?要：本設計以STC89C52單片機作為中央處理單元，通過MQ-6氣敏傳感器對家庭可燃氣體質(zhì)量濃度進行測量。當家庭可燃氣體濃度超過閾值時，系統(tǒng)自動實現(xiàn)聲光報警并通過GSM實時向屋主發(fā)送短信和開啟排氣扇。該報警器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、性價比高等特征，能夠廣泛運用在家庭中。

關(guān)鍵詞：可燃氣體;單片機;報警器;氣敏傳感器;GSM短信

在中國早期冶金、石油、煤炭、化工等危險生產(chǎn)活動中，經(jīng)常伴隨著可燃氣體泄露而發(fā)生爆炸，所以在對施工場所的可燃氣體檢測是必要的，不僅關(guān)系到自身的生命安全和生產(chǎn)安全，也會影響一個家庭的完整性。我國在20世紀70年代初期開始研制報警器，生產(chǎn)型號多樣、種類也較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。例如工業(yè)中的固定式報警、多路巡檢式報警;住宅區(qū)中的單體分離報警系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)。由于氣體本身具有擴散性，一旦發(fā)生泄露，在局部區(qū)域短時間濃度會提高，形成濃度差，會逐漸擴散出去，從而擴大危險區(qū)域。因此，在工業(yè)的實際應用中經(jīng)常需要針對某個區(qū)域進行多點監(jiān)測，不僅需要報警器發(fā)出報警聲音，而且需要進行遠程實時監(jiān)控。

隨著我國經(jīng)濟和工業(yè)的快速發(fā)展，人們對家庭的空氣質(zhì)量和安全越來越重視。人類不斷在可燃氣體的檢測技術(shù)上的發(fā)展，使檢測可燃氣體裝置的靈敏度越來越高，更加方便，也能讓更多的家庭用得起。

單片機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算機。ADC0809是CMOS單片型8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，由8路的多路開關(guān)以及邏輯控制和定時電路組成，可以和單片機直接連接。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，完成檢測報警等功能。

1? ? 總體設計

氣敏傳感器能夠檢測環(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率相對較低的二氧化錫。當出現(xiàn)火災時，會產(chǎn)生毒性氣體、溫度增高的變化，同時傳感器的電導率會隨著空氣中各類氣體濃度的增高而變大。整個系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制核心，選用MQ-6半導體氣體傳感器、DS18B20溫度傳感器以及LM298N驅(qū)動芯片與其余電路一起構(gòu)成常見毒性氣體檢測與報警系統(tǒng)，其包含7大部分：溫度檢測部分、氣體檢測部分、STC89C52單片機控制部分、報警部分、AD采集部分、GSM模塊及排風扇模塊，如圖1所示。

1.1? STC89C52單片機

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技術(shù)，具8 K可編程Flash存儲器。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、計數(shù)器/定時器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。

1.2? DS18B20溫度傳感器

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

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。當傳感器所在環(huán)境有可燃毒性氣體時，傳感器電導率隨著氣體質(zhì)量濃度的增加而增大。其中，MQ-6半導體氣敏傳感器的主要優(yōu)點是擁有較寬的濃度范圍和響應速度快、穩(wěn)定性好、能耗少、壽命長的特點，可以滿足快速檢測的需要。

1.4? GSM短信

目前GSM網(wǎng)絡大量普及，相較于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡在覆蓋上有很好的優(yōu)勢。手機可以用作接收報警的裝置，把手機號碼存儲在SIM卡上。SIM900A是一個兩頻的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。當報警系統(tǒng)啟用后，它將會自動發(fā)短信給所儲存在SIM卡的手機號以實現(xiàn)遠程報警。

2? ? 硬件電路設計

2.1? 單片機模塊

STC89C52單片機的工作電壓范圍為：3.3～5.5 V，所以通常從外界加入5 V直流電源，單片機最小應用系統(tǒng)包括時鐘電路和復位電路。系統(tǒng)總設計如圖2所示。

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

復位電路是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)。把復位電路中的RST引腳引入高電平并保持兩個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作。復位電路有上電自動復位和外部按鍵手動復位。電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是使用按鍵手動復位，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MQ-6氣敏傳感器采集氣體數(shù)據(jù)，經(jīng)過ADC0832把收集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號得到氣體濃度的電壓值，經(jīng)過多次同一氣體不同濃度下實驗對比，選出適合的氣體質(zhì)量濃度作為報警值。溫度報警器DS18B20可以由用戶設置最高報警值和最低報警值。LCD1602液晶顯示器顯示值是由單片機控制，可以把探測的模擬信號經(jīng)過單片機數(shù)字化，從而在LCD1602液晶顯示器上精準地顯示出來。該電路有4個按鍵：加鍵、減鍵、設置鍵、復位鍵，單片機系統(tǒng)運行時，當遇到外界強干擾出現(xiàn)程序混亂，可以按下復位鍵從頭開始。當按下緊急鍵時，立刻出現(xiàn)蜂鳴聲。當濃度高過預設值時，就會進行聲光報警和驅(qū)動電機LM298N打開排風扇。單片機與GSM進行交互時，單片機向GSM模塊發(fā)送多個AT指令來控制GSM發(fā)送短信。GSM有兩種發(fā)送方式：PDU方式和文本方式。一般選擇設置手機短信為文本方式SendString（“AT+CMGF=1”），然后設置短信文本模式參數(shù)SendString（“AT+CSMP=17，167，0，8”），再設置中英文短信SendString（“AT+CSCS=/”UCS2”/”），最后再發(fā)送短信的AT+CMGS=接受方電話號碼。其中，中文短信內(nèi)容為“氣體濃度或溫度過高！請注意！”，因為中文需要Unicode碼進行轉(zhuǎn)碼，轉(zhuǎn)換為：6C144F536D535EA662166E295EA68FC79AD8FF018BF76CE8610FFF01

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

2.3? 系統(tǒng)程序流程設計

先對外部設備進行初始化，通過傳感器進行信號采集，用A/D轉(zhuǎn)換成氣體值，然后單片機判斷當前溫度和氣體濃度的值是否超過預先設定的報警值。若當前值超過預定的報警值，那么將進入報警程序，觸發(fā)系統(tǒng)報警、發(fā)送報警短信和打開排風扇。若當前值沒有超過預先設定報警值，那么將會返回采集環(huán)節(jié)，直到采集氣體濃度活溫度達到報警值。系統(tǒng)流程如圖3所示。

3? ? 結(jié)語

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

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