一種基于SIM900A的煤氣泄漏報警器的設計

林海翔

（江蘇聯合職業技術學院揚州分院，江蘇揚州，225003）

0 引言

煤氣、液化氣作為一種燃料在日常生產生活中起著重要的作用，它為社會帶來效益的同時也存在著一定的危險，其中CO就是最為重要的危險源。CO是一種有毒易燃易爆性氣體，常溫下無色無味、難溶于水，不易發現。實踐表明，當空氣中CO濃度過高時，人們會在很短的時間內失去知覺，嚴重時會造成窒息死亡，直接威脅人們的生命安全。

在日常生產生活中，由于種種原因，煤氣泄漏事件時有發生。當空氣中煤氣含量過高時，遇到火就會引起爆炸，因此，準確檢測出環境中CO的濃度值，對防止煤氣泄漏導致的中毒和爆炸等安全事故的發生具有非常重要的意義。圍繞上述問題，本文基于51單片機及SIM900A模塊設計了一種煤氣報警裝置，該報警器能夠實時監控環境中煤氣的泄漏情況，當傳感器檢測值高于設定值后迅速發出聲光報警，同時向指定用戶手機發送報警提醒信息。實驗結果表明，在煤氣發生泄漏時該報警器能夠可靠運行，有效地防止了因煤氣泄漏導致的中毒和爆炸等安全事故的發生。

1 基于GSM短消息煤氣監測報警器的工作原理

煤氣中主要化學成分是一氧化碳（CO），我們選擇MQ-7型氣敏傳感器作為檢測器件。系統運行時，MQ-7型CO傳感器的電阻值會隨著環境中CO濃度的增大而增加，經過信號轉換電路處理后可以實現電壓信號輸出。本裝置采用AT89C51作為主控芯片，采用FFT和數字濾波法將傳感器的采樣信號轉換成相應的氣體濃度值，當檢測到的泄漏氣體濃度超過指定值時，能夠迅速啟動揚聲器報警，同時系統還通過GSM短信模塊給指定用戶發送手機短信及時進行遠程報警，確保在任何情況下用戶都能夠及時收到報警信息[1]。

2 系統組成

煤氣泄漏報警系統主要由單片機模塊、CO濃度檢測模塊、揚聲器模塊、GSM報警模塊和電源模塊5大部分構成，系統結構如圖1所示。CO濃度檢測模塊為MQ-7型氣敏傳感器；系統主控模塊由89C51單片機及相應軟件構成，它由設定好的程序處理信息以及發送控制指令；揚聲器模塊主要是發送聲音報警信號；GSM報警模塊負責接受主控模塊指令并將報警短信發送到指定用戶手機上。

圖1 煤氣泄漏報警器結構圖

3 硬件設計

3.1 煤氣檢測模塊

本文選用MQ-7型氣敏傳感器監測煤氣泄漏情況，該半導體氣敏傳感器采用5V直流電源供電，其功耗約為0.7W，普遍適用于以CO為主要成分的氣體的測量。它的特點是探測范圍廣泛、靈敏度高、穩定性好、相應速度快，此外該傳感器不易受煙霧、水蒸氣等影響，抗干擾性能力較強，可以實現長時間可靠運行。系統運行時，MQ-7傳感器中的敏感元件先將所測CO氣體濃度的變化轉換成相應電阻值的變化，并與電阻R7組成分壓電路，從傳感器引腳6輸出隨CO濃度變化的電壓信號。CO氣體報警裝置采用STC89C51單片機作為主控模塊對上面轉換的結果進行計算和處理，并對測得CO數值與設定值進行比較，當所測CO實際濃度超過設定值時，主控模塊分別向GSM模塊和揚聲器模塊發出報警指令。

3.2 主控模塊

主控模塊采用89C51型單片機，該機型具有功耗低、響應速度快、抗干擾能力強等特點，本次設計中采用了6時鐘機器周期，考慮到單片機的引腳特性，單片機的中斷觸發信號由CO傳感器從單片機P1.1引腳輸入，低電平有效，P2.2引腳輸出蜂鳴器觸發信號，低電平有效，GSM報警模塊與單片機之間采用串口通信傳輸數據。

3.3 GSM模塊

設計中采用SIMCOM公司的SIM900AGSM/GPRS模塊作為遠程報警模塊，該模塊采用SMT貼片形式封裝，硬件部分主要由GSM射頻模塊、GSM基帶處理器、存儲器、電源模塊和接口組成，工作電壓一般為3.3V或5V。該模塊的功耗非常低，待機模式下的工作電流小于18mA，而sleep模式下的工作電流更是低于2mA。該模塊內嵌TCP/IP協議，支持頻段900MHz/1800MHz，采用標準化接口，能夠以低功耗模式傳輸語音、短信以及數據信息。由于SIM900A模塊具有外觀精巧、結構緊湊、性能穩定、性價比高等優點，可以實現對無人看守場所的安全監測。

本系統中將該模塊管腳定義如下：引腳1接+5V電源VCC，引腳2接DTR，引腳3接89C51單片機TXD端P3.1口，SIM900A模塊的引腳4接89C51單片機RXD端P3.0口，引腳8接GND，如圖2所示。該模塊與80C51單片機采用串口通信連接，可用AT指令對系統進行調試，一旦系統觸發報警，GSM模塊就會立即向指定手機發送煤氣泄漏報警短信，提醒用戶立即采用有效管控措施。

3.4 系統電路原理圖

煤氣泄漏報警器電路原理圖如圖2所示。

圖2 煤氣泄漏報警器電路原理圖

4 軟件設計

4.1 主程序設計

主程序流程圖如圖3所示。系統通電按下啟動開關后先進行串口、定時器初始化，然后MQ-7氣敏傳感器模塊采集所測環境中煤氣濃度值，再經信號放大電路傳送給89C51單片機。當煤氣濃度大于用戶設定的報警濃度時，檢測模塊發送低電平給單片機主控模塊，當主控模塊檢測到有報警信號時，先進行分析，確認報警信號真實有效后，再輸出低電平驅動蜂鳴器發出聲音報警，同時發送指令給SIM900A執行模塊將煤氣泄漏報警信息發送到指定用戶手機上。

圖3 主程序流程圖

主程序部分代碼如下：

4.2 GSM發送短信報警程序

本次設計采用SIM900A作為短信息發送模塊，系統中對SIM900A模塊的控制及發送短信指令都是由特定字符串命令實現的，所以，信息發送指令部分也是本次軟件程序的核心。這里以發送報警短消息為例作簡要說明，假定1586133XXXX為指定號碼，首先使用AT指令向SIM900A發送“AT+CMGF=1”，表示發送短信格式為文本格式，等收到SIM900A 回復“OK”后，再發送“AT+CMGS=“1586133XXXX””設置短消息需要發送的用戶手機號，等待模塊應答返回，最后輸入需要發送的短信內容“煤氣泄露，請注意！”即可。

SIM900A調試時對字符串格式有特定的要求，程序中必須以“AT”或“at”指令開頭，以回車“ ”結束，信息發送指令通過調用信息發送函數GSM_Work()實現。

信息發送部分程序如下：

5 系統的調試及分析

煤氣泄漏報警器實物圖如圖4所示。為了測試該煤氣報警裝置的性能，我們將程序中CO報警極限值設定為20，并用打火機現場進行了10次測試。首先插入sim卡，系統通電后按下啟動開關，當MQ-7氣敏傳感器檢測環境中的CO達到或超過極限值時就會觸發報警系統，此時，紅色報警燈點亮，啟動蜂鳴器發出聲音報警，同時通過GSM模塊向指定手機終端發送報警短信，大約30S后用戶手機接收到發送的報警短信[2]。

圖4 煤氣泄漏報警器實物圖

6 結束語

本報警裝置采用STC89C51型單片機作為主控芯片，它與SIM900A構成一個簡單的檢測系統，能夠實時、準確地檢測環境中CO氣體的濃度，一旦CO濃度達到或超過極限值時就通過SIM900A模塊立即向用戶手機發送報警信息，實現了遠程報警。該報警裝置具有電路簡單、精度高、成本低、速度快及穩定性好等特點，能夠有效地防止因煤氣泄漏導致的中毒和爆炸等安全事故的發生。