常見毒性氣體檢測和報警系統(tǒng)設(shè)計

周彪 李萍 李衡

摘? ?要：本設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(dǎo)率相對較低的二氧化錫。當出現(xiàn)火災(zāi)時，會產(chǎn)生毒性氣體、溫度增高的變化，同時傳感器的電導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(fù)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(luò)，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(dǎo)率隨著氣體質(zhì)量濃度的增加而增大。其中，MQ-6半導(dǎo)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(yīng)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(luò)大量普及，相較于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(yīng)用系統(tǒng)包括時鐘電路和復(fù)位電路。系統(tǒng)總設(shè)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(fù)位電路是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)。把復(fù)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(fù)位操作。復(fù)位電路有上電自動復(fù)位和外部按鍵手動復(fù)位。電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是使用按鍵手動復(fù)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(shè)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(shè)置鍵、復(fù)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(fù)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(yù)設(shè)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(shè)置手機短信為文本方式SendString（“AT+CMGF=1”），然后設(shè)置短信文本模式參數(shù)SendString（“AT+CSMP=17，167，0，8”），再設(shè)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(shè)計

先對外部設(shè)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(yù)先設(shè)定的報警值。若當前值超過預(yù)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(yù)先設(shè)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(luò)，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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