衡陽師范學(xué)院 鄭 哲 許岳兵 姜 潔 鄒 敏
近年來,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覚C(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,國內(nèi)外市場上出現(xiàn)了大量的煤氣報警器,但傳統(tǒng)報警器報警方式單一、沒有安全的煤氣泄露防范措施,且價格昂貴、測量精度低、穩(wěn)定性差,不能對煤氣進(jìn)行定量和多區(qū)域的監(jiān)測。本項目旨在設(shè)計一款靈敏度高、性能可靠、操作簡單家用煤氣智能監(jiān)控系統(tǒng),能通過聲光、給業(yè)主撥打電話、發(fā)送短信等多種方式報警,大大提高了報警率。此外,該項目還具有多點檢測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。
系統(tǒng)組成如圖一所示。它由MQ-9一氧化碳傳感器檢測電路、運放電路、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檢測電路和聲光報警電路等組成(如圖一所示)。

圖一 系統(tǒng)組成框圖

圖二 煤氣檢測電路

圖三 GSM報警模塊

圖四 聲光報警電路

圖五 主程序流程圖
系統(tǒng)通過MQ-9一氧化碳傳感器采集現(xiàn)場的一氧化碳濃度信息并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號,此電壓信號經(jīng)過放大、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,系統(tǒng)將起動通風(fēng)換氣設(shè)備進(jìn)行排氣,并通過電磁閥門將氣體管道關(guān)閉,同時進(jìn)行聲光報警,由GSM模塊在一秒鐘之內(nèi)向業(yè)主發(fā)送報警短信并撥打預(yù)先設(shè)計好的報警電話。當(dāng)一氧化碳濃度降低到安全點時,關(guān)閉通風(fēng)換氣設(shè)備,停止報警,達(dá)到安全保護(hù)的目的。
考慮到系統(tǒng)的程序空間和運算空間較寬,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程序存儲空間和32個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。
煤氣檢測電路如圖二所示。電路中MQ-9為一氧化碳傳感器,具有高靈敏度、使用壽命長和穩(wěn)定性可靠等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于家庭、環(huán)境的一氧化碳探測裝置中。MQ-9氣敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(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,是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號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有效電壓信號VRL體現(xiàn)出來。電壓信號經(jīng)儀表放大器AD620進(jìn)行放大及信號調(diào)理送到ADC0809的模擬量輸入端,然后由單片機(jī)采集并儲存數(shù)字信號。
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,通過軟件將控制繼電器,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,關(guān)閉排氣扇和電磁閥電路,排氣扇停止工作。
本項目采用TC35i模塊實現(xiàn)短信收發(fā)。TC35i模塊是西門子公司為適應(yīng)各個領(lǐng)域?qū)o線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求而開發(fā)的GSM模塊,它設(shè)計小巧、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基帶處理器是整個模塊的核心,它控制著模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過程。GSM射頻部分是一個單片收發(fā)器,它完成對射頻信號的接收和發(fā)送等處理。Flash用來存儲一些用戶配置信息、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,無校驗位,波特率在300bps~115kbps之間可選。單片機(jī)通過串口向GSM模塊發(fā)送AT指令,使TC35i模塊處于語音、數(shù)據(jù)、短消息模式,從而達(dá)到報警目的,圖三即為GSM報警模塊。
聲光報警電路如圖四所示。主要由P3.2,P3.3,P3.4來控制。正常工作時,系統(tǒng)顯示綠燈,由P3.2控制;當(dāng)環(huán)境CO的濃度對人體有危害時,顯示紅燈,由P3.3控制;當(dāng)濃度很高時,由P3.4啟動聲音報警。
軟件設(shè)計使用C語言進(jìn)行編程,開發(fā)效率高,可極大地縮短開發(fā)時間,增加程序可讀性和維護(hù)性。軟件平臺設(shè)計的設(shè)計與實現(xiàn),包括信號采集模塊、開關(guān)控制程序、報警程序。程序流程圖如圖五所示。
初始化時,系統(tǒng)對AD采樣、LCD1602顯示、DS18B20、中斷進(jìn)行初始化,初始化完畢后延時五秒中,等待煤氣探頭進(jìn)入正常工作狀態(tài)。然后AD開始正常采樣,同時單片機(jī)對采樣數(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AD采樣值進(jìn)行檢測。否則,單片機(jī)進(jìn)入報警程序,控制LED及蜂鳴器發(fā)出聲光報警,然后通過串口發(fā)送AT指令,TC35i發(fā)出短息報警。此時若有外部按鍵復(fù)位或上電復(fù)位,則系統(tǒng)重新進(jìn)入初始化。
本項目為基于TC35i家用煤氣智能監(jiān)控器,除了繼承以往煤氣報警器的優(yōu)點外,還具有低功耗、性價比高、穩(wěn)定性高、靈敏度高以及報警率高等優(yōu)點。硬件設(shè)計上結(jié)構(gòu)簡單,體積較??;軟件上編程簡單,開發(fā)時間短;報警方式多樣,當(dāng)一氧化碳?xì)怏w濃度達(dá)到警戒值時,能通過聲光、給業(yè)主撥打電話、發(fā)送短信等方式報警,大大提高了報警率。同時可通過繼電器控制排氣扇、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。
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