一氧化碳智能監測處理系統設計

張兆豐+田華

摘要摘要：為了實時監測一氧化碳濃度，防止事故發生，開發了一種一氧化碳報警器以及一氧化碳濃度超標智能處理系統。該系統以MSP430F149單片機作為中央控制單元，由一氧化碳濃度傳感器、GSM短報文發送、AD轉換電路、聲光報警以及繼電器智能控制等模塊組成，實時監測環境中一氧化碳的濃度值，系統迅速聲光報警以短報文的形式及時將信息發送至手機；利用繼電器控制電機實現自動開窗，從而減少事故發生。

關鍵詞關鍵詞：一氧化碳傳感器；GSM；實時監測；監控軟件

DOIDOI：10.11907/rjdk.162598

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001008603

引言

近年來，世界各地一氧化碳中毒事件頻發，尤以在汽車內和冬季取暖室內居多。造成汽車內一氧化碳中毒的原因主要有兩方面：一是當汽車發動機在怠速空轉時，因燃料不充分燃燒，產生大量含一氧化碳的廢氣；二是在運行中，油門過大，轉速大于3 000r/min時，導致油多空氣少，也會出現含一氧化碳極濃的廢氣[1]。造成室內一氧化碳中毒主要是炭的不充分燃燒以及室內通風不良。一氧化碳對人體是劇毒氣體，其極易與血紅蛋白結合（它與血紅蛋白的親合力比氧與血紅蛋白的親合力大200倍以上），形成碳氧血紅蛋白，從而使血紅蛋白喪失運輸氧氣的作用和能力，導致紅細胞喪失吸氧能力，使人體多個器官嚴重缺氧，造成組織窒息[2]。因此，發明一款超低功耗、高可靠性、低成本的一氧化碳濃度智能報警處理系統，其意義是重大的。

一氧化碳監測儀是一種檢測氣體泄漏濃度的工具，它可將氣體傳感器采集的非電信號轉換成電信號，再通過對電信號控制相應的模塊實現氣體探測的各項具體功能。氣體傳感器是一氧化碳監測儀的核心組成，隨著計算機和氣體傳感器的不斷發展，氣體監測正逐步向智能化、集成化方面發展[3]。目前根據傳感器的類型劃分，可分為紅外式一氧化碳報警器、催化燃燒式一氧化碳報警器、電化學式一氧化碳報警器以及半導體式一氧化碳報警器四大類[4]。目前市面上只有聲光報警的一氧化碳傳感器，還沒有短信報警以及智能處理的一氧化碳傳感器。

1監測系統設計

系統設計如圖1所示，一氧化碳濃度安全監測儀利用了目前非常成熟的單片機控制技術，由單片機、一氧化碳傳感器、A/D轉換模塊、顯示模塊、聲光報警模塊、GSM無線通信模塊、智能處理模塊和手機終端組成。在本設計中，利用MSP430單片機作為一氧化碳智能報警處理系統的中央控制單元，其外圍利用串口分別連接了MQ-7型一氧化碳氣敏傳感器、GSM無線通信模塊。此外，監控儀中還設計了對危險狀態進行報警的聲光報警模塊。

MSP430系列單片機是美國德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低MSP430單片機。它將多個不同功能的模擬電路、數字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，具有處理能力強、運算速度快、超低功耗等特點，可以說MSP430單片機是一款性價比極高的芯片。根據功能要求，本系統采用MSP430F149型單片機。

1.2一氧化碳傳感器

根據美國UL2034標準要求，一氧化碳報警器標準的報警時間如下：濃度70ppm時，應在60～189分鐘內發出警報；濃度在150ppm時，應在10～50分鐘內發出警報；濃度在400ppm時，應在4～15分鐘內發出警報；濃度700ppm時，應在2～6分鐘內發出警報。因此，本系統當一氧化碳濃度超過50ppm時，將進行短信報警和聲光報警。一氧化碳傳感器將一氧化碳濃度轉化為輸出電壓值，如圖2所示。輸出的電壓VS通過AD采樣電路輸出給單片機。AD轉換的主要作用是將模擬信號變成數字信號，本文AD采樣電路的核心芯片選用ADC0809。

GSM是全球移動通信系統，在本系統中提供短信發送功能。TC35i是德國SIEMENS公司提供的一款雙頻高度集成的GSM模塊，電源范圍為5～12V ，可傳輸語音和數據信號，通過AT命令可雙向傳輸指令和數據[5]。為了保證GSM模塊通信可靠穩定，首先將GSM模塊和PC機相連，利用串口調試助手軟件平臺進行通信信號設定與調試，從而驗證GSM模塊的功能。當發送握手信號AT時，通過串口調試助手在發送窗口中給出AT值，設定手動發送，接收窗口收到信息為：OK。發送AT+CMGF=1時，返回OK，說明GSM模塊工作正常，可以進行短報文發送實驗。另外，通過串口調試助手檢測采集的數據，并驗證是否正確，如圖3所示。

智能處理模塊是針對一氧化碳濃度超過閾值的情況，中央控制單元控制繼電器實現電機自動開窗功能。繼電器控制電路原理如圖5所示[6]。繼電器選擇松樂繼電器SRS-05VDC-SL，使用常開觸點連接1、3引腳聯入電路控制電機，當一氧化碳濃度超過閾值，單片機I/O輸出低電平，繼電器線圈吸合，常開觸點連接1、3引腳開關閉合，電機運轉，實現自動開窗。

2監測系統軟件設計

2.1系統控制軟件工作流程

系統控制軟件是智能報警處理系統設計的重要組成部分，軟件控制流程如圖6所示。系統啟動后，進行初始化并自檢，設定程序參量；控制軟件通過微處理器單元給定指令進行CO濃度檢測，檢測到的數據經過A/D轉換后傳送給單片機，單片機將濃度通過12864液晶顯示并判斷CO濃度是否超標，CO濃度未超標，系統重新檢測，否則就發送GSM短信，同時聲光報警。

監控程序軟件用C語言描述，完成系統的安初始化工作，包括看門狗、時鐘序列、端口等，并啟動監控。主控模塊核心代碼如下：

3結語

本項目開發了一款一氧化碳濃度監測智能處理系統，可對一氧化碳環境中的人員安全進行監控。該系統可以安裝于汽車上、家庭中，可實時監控環境中一氧化碳的濃度是否超標，當發生超標時，本系統迅速聲光報警并短信報警，通知事主并發送地理位置信息。同時本系統利用單片機控制電機，實現自動開窗，從而減少事故的發生，提高人員安全性。該智能處理系統成本低、實用，應用前景良好。

參考文獻：

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[2]劉奎學，陳麗華，呂清華.無線有毒氣體濃度采集系統[J].儀器儀表學報，2006，27（z2）：13021304.

[3]趙燕.傳感器原理及應用[M].北京：北京大學出版社，2010.

[4]牛海軍，樊瑜波，楊松巖.基于ARM和DSP的超聲膀胱容積檢測與預警系統的設計[J].儀器儀表學報，2011，32（8）：18581863.

[5]江杰，宋宏龍.基于GSM短信的煙霧傳感報警系統[J].測控技術，2014，33（1）：13.

[6]段現星，王曉侃.基于單片機控制的車載酒精濃度檢測儀設計[J].測控技術，2013，32（8）：13.

責任編輯（責任編輯：孫娟）