【文章內容簡介】 泄漏的區(qū)域，當煤氣或者其他煤氣泄漏的時候，空氣中氣體濃度超過設定值時，裝置會發(fā)出燈光及聲音的報警。 感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。 為提高響應時間，保證傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，需要向氣體傳感器持續(xù)供給 5V 的加熱電壓。 氣體報警器能實時范圍檢測工作，當煙霧的濃度達到設定的濃度時，發(fā)出聲光報警。如果是電磁閥泄漏，還可以添加自動斷閥裝置。 在本論文研制的報警器的基礎上，可以再做適當?shù)墓δ軘U展，使可燃性氣體報警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。 第 3 章煤氣泄漏檢測報警裝置 的硬件部分 9 第 3 章 煤氣泄漏檢測報警裝置的硬件部分 系統(tǒng)硬件選取 主 控器（ STC89C52 單片機） 具有以下標準功能 ： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口 線，內置 4KB EEPROM， MAX810 復位電路， 3 個 16 位計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結構（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結構），全雙工 串行口 。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選 煤氣檢測 傳感器 煤氣檢測 傳感器的主要作用是 監(jiān)測 當前環(huán)境 中是否有煤氣泄漏，為此我們選擇了專門的可燃氣體傳感器 MQ— 5，該傳感器主要由氣體敏感層、電極、測量電板引線、加熱器、陶瓷管、防爆網(wǎng)、卡環(huán)、基座、針狀管腳幾部分組成，它對液化氣、天然氣、城市煤氣有較好的靈敏度，對乙醇、煙霧則幾乎不響應，從而能極大地減少誤報的產(chǎn)生 。 電磁閥 切斷氣源的執(zhí)行器我們選擇的是電磁閥，靈感來源于我們學校工作室的氣動射球裝置的足球機器人。 電磁閥是依靠電磁線圈產(chǎn)生電磁力來驅動閥門開、關的流體控制元件，也是工業(yè)控制過程中常用執(zhí)行器之一。本系統(tǒng)選用 3v1－ 06型AC220V氣動電磁閥 ，如圖 2所示 。其原理是 ：通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧力把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。它的特點是在真空、負壓、零壓時能正常工作 ，而且工作的可靠性高，穩(wěn)定性強。 GSM 模塊 為了讓我們的煤氣泄漏報警系統(tǒng)具有遠程報警功能，我們最初的想法是將一臺手機改裝到報警系統(tǒng)中，為了確認這種方案的可行性，我們在老師的建議下專門向移動公司的技術人員作了此方面的咨詢。他們給我使用支持 GSM 網(wǎng)絡的現(xiàn)有模塊，比如 SIM300C 模塊。 華北理工大學輕工學院 10 通過工程師的介紹和網(wǎng)絡搜 索，查到 SIM300C 的相關資料和介紹。 它采用了 DIP 板對板連接器 ，除了 具備低功耗實現(xiàn)語音、 SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸 ， 還具有以下短信息服務功能 ，如 點對點 、 文字及 PDU 和 小區(qū)廣播 。使用其中的短信功能，從硬件上面來說只需要將 SIM300C 模塊的串口與單片機的串口進行連接，從軟件上面只需要通過標準的 AT 指令進行通信。串口通信主要有三根線：發(fā)送、接收和地線；兩個互相通信的設備，比如 GSM 模塊與單片機均有相應的串口模塊，通過這三根的相互連接他們之間就可以實現(xiàn)通信了。于是我們通過網(wǎng)上訂購的方式購買了這款 GSM 模塊。 電路設計 串行通訊設計 單片機在應用中往往要與其他的設備通訊，最常見的通訊方式就是串行通訊。 S12 單片機內置了 2 個 SCI 串行通訊模塊。而單片機在與 PC 的通訊中，由于電腦的串口信號線為正負邏輯關系，即邏 輯“ 1”為 5— 15V，邏輯“ 0”為+5— +15V，這與單片機的邏輯信號電壓定義不同，這樣就需要對兩者之間信號進行電平轉換。最簡單的電平轉換方法可以利用幾個三極管，但是出于穩(wěn)定性和可靠性的考慮，老師推薦我們使用電平轉換專用芯片 MAX232。通過查閱《飛思卡 S12 單片機系列系統(tǒng)硬件 設計》，我們直接采用 S12 單片機與 MAX232 的電路原理圖（如圖 3）。在這部分的電路制作中是嚴格按照原理圖來購買元件和焊接，這一部分進展得特別順利。 線 路太復雜改裝起來的難度大，不如直接使用支持 GSM 網(wǎng)絡的現(xiàn)有模塊，比如 SIM300C 模塊。 通過網(wǎng)絡搜索，查到 SIM300C 的相關資料和介紹。 它采用了 DIP 板對板連接器 ，除了 具備低功耗實現(xiàn)語音、 SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸 ， 還具有以下短信息服務功能 ，如 點對點 、 文字及 PDU 和 小區(qū)廣播 。使用其中的短信功能，從硬件上面來說只需要將 SIM300C 模塊的串口與單片 機的串口進行連接，從軟件上面只需要通過標準的 AT 指令進行通信。串口通信主要有三根線：發(fā)送、接收和地線；兩個互相通信的設備，比如 GSM 模塊與單片機均有相應的串口模塊，通過這三根的相互連接他們之間就可以實現(xiàn)通信了。于是我們通過網(wǎng)上訂購的方式購買了這款 GSM 模塊。 單片機在應用中往往要與其他的設備通訊，最常見的通訊方式就是串行通第 3 章煤氣泄漏檢測報警裝置 的硬件部分 11 訊。 S12 單片機內置了 2 個 SCI 串行通訊模塊。而單片機在與 PC 的通訊中，由于電腦的串口信號線為正負邏輯關系，即邏輯“ 1”為 5— 15V，邏輯“ 0”為+5— +15V，這與單片機的邏輯信 號 的 … 電壓定義不同，這樣就需要對兩者之間信號進行電平轉換。最簡單的電平轉換方法可以利用幾個三極管，但是出于穩(wěn)定性和可靠性的考慮，老師推薦我們使用電平轉換專用芯片 MAX232。通過查閱《飛思卡 S12 單片機系列系統(tǒng)硬件設計》，我們直接采用 S12 單片機與 MAX232 的電路原理圖（如圖 3）。在這部分的電路制作中是嚴格按照原理圖來購買元件和焊接，這一部分進展得特別順利。 圖 1 串行通信原理圖 3． 電源模塊 因為傳感器與單片機的正常工作電壓是 5V，而我們常用的鋰電電池是 華北理工大學輕工學院 12 一片，這樣我們最少需要 2 片 鋰電電池串聯(lián)（ 7 伏） 才能滿足傳感器與單片機的工作電壓。因此在電源部分電路我們采用芯片 7805 型穩(wěn)壓芯片，將輸入的電壓降到 5V，電容主要是起穩(wěn)壓（電容值大的 C1,C3）和濾波（電容值比較小的 C2,C4）的作用 。 圖 2 電源部分原理圖 傳感器模塊 通過網(wǎng)上查詢檢測可燃氣體傳感器 MQ5 的組成結構與工作原理，我們設計如 圖 4 所示的 傳感器電路圖 。傳感器部分電路，作用主要有兩個方面：一是針對相同的環(huán)境，能夠調節(jié)傳感器輸出的電壓；二是針對不同的環(huán)境，能夠將其傳感器的感應電壓的輸出范圍調節(jié)到相同的電壓范圍 。這兩項都是通過電阻 R1 實現(xiàn)的。 圖 3 傳感器電路圖 圖中電阻 R1，剛開始的時候選擇了一個 100 歐電阻，導致傳感部分電路調試時總是出現(xiàn)誤報，最后經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是由于 R1 過小后導致電路過于靈敏，往往出現(xiàn)氣體泄露時可識別但只要氣體濃度稍微下降，很快就會消失，而對于后面的單片機要采集以及識別處理這個信號卻需要一定的時間；因此我們通過不斷第 3 章煤氣泄漏檢測報警裝置 的硬件部分 13 增大 R1，當 R1 為 1K 歐時既能滿足實時性的要求，又不失靈敏性。在相同的環(huán)境下，不同的電阻值對應不同的傳感器電壓。因此 R1 我們采用可變電阻，通過R1 可變電阻調節(jié)電壓的感應閥值，就 能調節(jié)傳感器的輸出電壓。 信號處理與 LED 模塊 可燃氣體傳感器在不同濃度下的電子特性，根據(jù)這個特性曲線設計出一個A/D 轉換電路，生成數(shù)字信號，再把數(shù)字信號送給單片機進行處理。信號處理電路主要是對傳感器輸出的電壓進行處理，也就是識別。在傳感模塊的設計中說過，當監(jiān)測到煤氣泄露和沒有煤氣泄露的時候傳感器輸出的電壓是不一樣的，這里通過一個比較器（芯片 LM339）來進行比較，引腳 Sensor 端（ ）就是來自于傳感器的信號，（ +）端為比較電壓，通過調節(jié)電阻 R2 的大小就可以調節(jié)這個引腳的電壓， IRQ 引腳即為輸出 的、比較結果，當（ ）端低于（ +）端，其輸出 +5v 電壓，相反即輸出 0v 電壓。后面緊接著的電路就是執(zhí)行部分電路，通過 IRQ 引腳信號來驅動三極管 NPN8050，來驅動指示燈以及后面的蜂鳴器和繼電器，繼電器控制電磁閥的開關。 圖 4 信號處理與 LED 模塊 原理圖 電磁閥模塊 因為我們采用的電磁閥的線圈是 220V 工作電壓的，所以此部分電路設計原 華北理工大學輕工學院 14 理主要是低壓驅動高壓。而在實際制作過程中遇到的主要問題是繼電器的保護電路問題。 圖 5 電 磁 閥控制電路原理圖 蜂鳴器模塊 蜂鳴器的電路相對來說 非常簡單，我們原來自己買過一些電子元件來做收音機。所在這個電路的制作中沒有遇到什么困難，比較順利。 第 4 章煤氣泄漏檢測報警裝置的軟件部分 15 第 4 章煤氣泄漏檢測報警裝置的軟件部分 通過對硬件的分析，我們的 煤氣泄漏報警系統(tǒng)的軟件設計的重點在于對報警信號的檢測和對 GSM 模塊（即 SIM300C） 的控制 。 主 程 序串 口 處 理 程 序G S M 處 理 程 序結 束I R Q = 1 ？Y e sN o 圖 9 軟件 總體 流程圖 單片機通過 串口（ SCI） 對 GSM（ SIM300C） 模塊的控制 單片機通過以下 系列 AT 指令對短消息進行控制。 （參考 SIM300C 技術資料） 指令 功能 AT+CSCA 設置短信中心 AT+CMGC 發(fā)出一條短信命令 AT+CMGD 刪除 SIM 卡內存的短消息 AT+CMGF 選擇短消息信息格式 AT+CMGL 列出 SIM 卡中的短消息 AT+CMGR 讀短消息 AT+CMGS 發(fā)送短消息 AT+CNMI 顯示新收到的短消息 AT+CSMP 設置短信文本模式參數(shù) 華北理工大學輕工學院 16 初始化指令 1) 設置短消息發(fā)送格式 AT+CMGF=0CR, 設置 1 代表 TEXT 模式 ,CR是回車符號。指令正確則模塊返回 CRLFOKCRLF, CRLF是回車換行符號。 2) 設置來電指令 到達自 動提示 AT+CNMI = 1, 1, 0, 0, 1 CR, 設置正確后模塊返回CRLFOKCRLF。設置此命令可使模塊在來電到達后向單片機發(fā)送指令CRLF+CMTI : ″C″, INDEX(來電號碼存儲位置 )CRLF。 3) 設置短消息中心 AT+CSCA=″+8613800270500″( 短消息中心 )CR, 設 置 正 確 后 模 塊 返 回CRLFOKCRLF。短消息中心號碼可能會因不同手機或不同區(qū)域而不同。如果讀取短消息服務中心則使用命令 AT+CSCA=?CR , 模塊應該返回CRLF+CSCA: ″+8613800270500″CRLF。 發(fā)送短消息 在 TEXT 模 式 下 發(fā) 送 短 消 息 ， 首 先 發(fā) 送 短 消 息 的 目 標 地 址 。AT+CMGS=NumberCR。等待 SIM300C 模塊返回 ASCII 字符 后單片機控制 TEXT 數(shù)據(jù)輸入發(fā)送。短消息發(fā)送成功 , 模塊返回 CRLFOKCRLF。 主 程 序系 統(tǒng) 初 始 化串 口 初 始 化串 口 中 斷 設 置等 待 中 斷串 口 中 斷 程 序讀 數(shù) 據(jù)是 選 中 信 號 ？發(fā) 送 數(shù) 據(jù)是 發(fā) 送 正 確 信 號 ？中 斷 返 回是否是 圖 10 短信 處理子程序流程圖 第 4 章煤氣泄漏檢測報警裝置的軟件部分 17 開 始初 始 化 程 序+ C M T I ？讀 取 短 信 子 程 序 F i r s t = 0 ？設 定 目 標 地 址初 始 化 設 定 正 確 子 程 序I R Q = 1 ？泄 露 警 報 發(fā) 送 子 程 序結 束 N oY e sY e sN oY e sN o 圖 11 GSM 處理子程序流程圖 華北理工大學輕工學院 18 項目擴展 基于 GSM 技術的煤氣泄漏報警系統(tǒng)的核心為 增強型 16 位微控制器——MC9S12DG128 單片機 ，與 GSM/GPRS 模塊 SIM300C 的結合應用，這就給我們的這套系統(tǒng)提供了一個很好的創(chuàng)新設計平臺。在這套系統(tǒng)的基礎上 我們有以下幾點完善的設想： 將 GSM 煤氣泄漏報警系統(tǒng)擴展到以一棟樓或一個小區(qū)為一個系統(tǒng)，從使用上可以將整個系統(tǒng)分為用戶部分和監(jiān)控中心兩部分。用戶部分主要負責煤氣的監(jiān)測