毕业设计（论文）-基于GSM的煤气泄漏报警装置设计.doc

华北理工大学轻工学院 QINGGONG COLLEGE, NORTH CHINA UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 毕毕业业设设计计说说明明书书 设计题目：基于设计题目：基于 GSM 的煤气泄漏报警系统设计的煤气泄漏报警系统设计 学生姓名：学生姓名： 学学 号号： 专业班级：专业班级：1111 测控技术与仪器测控技术与仪器 学学 部：信息科学与技术部部：信息科学与技术部 指导教师：指导教师： 2015 年 6 月 1 日 摘 要 -I- 摘 要 煤气已成为人们生活中必不可少的能源了，煤气泄漏时有发生，煤气泄漏 使人中毒，可能会发生爆炸，给人们的人身安全和财产安全带来了很多隐患， 所以防止煤气泄漏检测装置已成为人们迫切的需要，为此开发煤气泄漏报警检 测装置是非常必要的。 家庭智能化的定义，在国际上至今尚无一致的理念，在现代化的城乡住宅 小区中和采用微型计算机、自控装置、通信等技术，建立一个物业管理中心与 安全防护监控系统。而且国家建设部规定，目前住宅小区应实现六项智能化要 求，其中就包括实行安全防范系统自动化监控管理、防盗报警系统应安装红外 或微波与煤气泄漏报警器等各种类型报警装置，基于此项规定，煤气泄漏检测 报警装置实现智能化势在必行。 本系统主要针对传统煤气，液化气的泄漏进行检测，报警。本系统有如下 特点：用单片机实现控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。采用增强型 51 单 片机，MQ-5 气体传感器，煤气泄漏时会发出灯光和声音的报警，因此本系统可 作为智能家居安全防护系统中的一部分。 关键词：GSM 模块；单片机； 传感器；煤气泄漏 Abstract -II- Abstract Gas has become essential to peoples life energy, gas leakage occur from time to time, gas leak caused may explode, to peoples personal safety and property safety brought a lot of hidden dangers, so to prevent gas leakage detection device has become the urgent need, for the development of gas leakage alarm detection device is very necessary. Definition of smart home and in the world so far there has been no unanimous idea, in the modernization of urban and rural residential and the micro computer, an automatic control device, communication technology, establish a property management center and security monitoring system. And national regulations of the Ministry of construction, the residential district should realize six intelligence requirements, including the implementation of security management of automation monitoring system, anti-theft alarm system should be an infrared or microwave and gas leakage alarm, such as various types of alarm device, based on this provision, gas leak detection alarm device to realize intelligent is imperative. This system mainly for the traditional gas, liquefied gas leak detection and alarm. The system has the following features: with single-chip microcomputer control, circuit simple, inexpensive, good reliability. Using the enhanced 51 microcontroller, MQ-5 gas sensor, gas leakage is the alarm and sound, so the system can be used as a smart home security system. Keywords GSM module; Single chip; sensor; gas leakage 目 录 -III- 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论.1 1.1 煤气泄漏检测报警装置的研究背景及意义 .1 1.2 煤气泄漏报警器的研究现状 .1 1.3 设计任务 .2 第 2 章 煤气泄漏检测报警装置的方案设计.4 2.1 设计思想 .4 2.2 气体传感器的选型 .4 2.2.1 气体传感器介绍.4 2.2.2 气体传感器的选定.7 2.3 煤气泄露报警系统的整体设计方案 .7 2.3.1 煤气泄露报警器工作原理.7 2.3.2 煤气泄露报警器的结构.8 2.4 装置功能说明 .8 第 3 章 煤气泄漏检测报警装置的硬件部分.9 3.1 系统硬件选取 .9 3.1.1 主控器（STC89C52 单片机） .9 3.1.2 煤气检测传感器.9 3.1.3 电磁阀.9 3.1.4 GSM 模块.9 3.2 电路设计 .10 3.2.1 串行通讯设计.10 32.2 电源模块.11 3.2.3 传感器模块.12 3.2.4 信号处理与 LED 模块.13 3.2.5 电磁阀模块.13 3.2.6 蜂鸣器模块.14 第 4 章煤气泄漏检测报警装置的软件部分.15 4.1.1 单片机通过串口（SCI）对 GSM（SIM300C）模块的控制 .15 4.2.2 初始化指令.16 4.2.3 发送短消息.16 4.2.4 项目扩展.18 4.2.5 主流程图.18 结 论.20 谢 辞.21 参考文献.22 附 录 1 .23 附 录 2 .33 第 1 章绪论 -1- 第 1 章 绪论 1.1 煤气泄漏检测报警装置的研究背景及意义 近年来随着人们生活水平的普遍提高，管道煤气和罐装煤气深入到百姓的 家庭。但是由于使用时的不注意或者设备老化等原因导致的煤气泄漏极大的威 胁着人们的生命以及财产安全。 CO是一种无色、无味、无刺激性的气体，几乎不溶于水，当与空气混合达 到12580时就有爆炸的可能。此外，CO通过人体呼吸作用进入血液循环， 导致组织缺氧，抑制呼吸。它也是煤气中对人体危害最大的有毒气体。目前， 煤气泄露不仅出现在家庭中，在实验室进行研究工作及工业现场施工时，也经 常出现因有毒气体泄漏而引发的事故，因此，研制有效的，能够用于工业现场 和用于家庭环境的有害气体检测装置具有很大的意义，市场应用前景也广阔。 下面是一氧化碳与健康成年人中毒可能发生的症状 50ppm 健康成年人在八小时内能承受的最大浓度 200ppm 2-3 小时后轻微头痛，乏力 400ppm 1-2 小时内前额疼痛，3 小时后威胁生命 800ppm 45 分钟内眼花、恶心、痉挛；2 小时内失去知觉；2-3 小时内死亡 1600ppm 20 分钟内头痛、眼花、恶心；一小时内死亡 3200ppm 5-10 分钟内头痛、眼花、恶心；25-30 分钟死亡 12800ppm 1-3分钟死亡 根据以上数据，可见煤气泄漏是很危险的，随时都可能夺走我们的生命。 煤气泄漏不仅使人中毒，而且还随时可能发生爆炸的危险，面对煤气泄漏而造 成的种种威胁，我们必需要有一个解决办法。因此使用煤气报警器是对付煤气 这种无形杀手的重要手段之一。煤气专家指出，煤气泄漏是煤气中毒事件的根 源，如果采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门长期测试得出结 论，煤气报警器防止煤气泄漏事故发生的有效率达 95%以上。所以怎样更有效 防止煤气中毒已成为人们的非常关注事情 1.2 煤气泄漏报警器的研究现状 目前，一般的煤气报警器功能单一，稳定性差，而且大型的监控系统价格 昂贵，且需要专门人员管理，不适合居家使用。 家用煤气泄漏的检测与报警是非常重要的煤气安全设备，它是安全使用煤 气的最后一道防线。煤气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度 华北理工大学轻工学院 -2- 可燃气体，将探测信号用模拟量传递给控制电路，当煤气浓度超过设定值时， 装置的报警灯会闪烁，报警器会发出声音报警。煤气报警器的探测煤气体的传 感器主要是有氧化物半导体、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量其他 类型。这些传感器都是通过对周围环境中的煤气的吸附，在传感器表面产生化 学反映或者电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变。煤气泄漏报警器广 泛应用在城市安防、小区、公司、工厂、学校、仓库、化工等众多领域。 通过对现有煤气泄漏报警器研究发现，目前煤气泄漏报警器从功能上可分 为仅有泄漏报警功能的报警器和可以指示所探测到气体浓度并且具有报警功能 的检测报警器。从使用场所上可分为民用报警器和商用报警器。民用的通常是 独立的在住宅中使用的煤气报警器，功能简单。商用的主要使用在煤气运输、 储存场所、使用煤气和可能有煤气泄漏的工厂和公共场所。城市煤气规范中规 定地下室，半地下室，地上密闭空间的用气房间，建筑的管道井，封闭计量表 房等都要安装煤气报警器。建筑和煤气的相关规范和法规也推荐使用民用煤气 泄漏报警装置。 工业用固定式气体报警器是由报警控制器和探测器组成，控制器可放置于 值班室。主要对各监测点进行监控，探测器安装于气体最容易泄漏的地点，其 核心部件为内置气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。探测器将检测到 的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，浓度越高信号越强，当气 体浓度达到或者超过报警点时，报警器发出报警信号，如果是阀门泄漏可启动 电磁阀及排气扇等设备自动排除隐患。便携式检测仪为手持式，工作人员可随 身携带，方便检测不同地点的气体浓度。家庭用气体检测器价格便宜，使用方 便，而且省空间。 目前，随着传感器生产工艺水平的提高，传感器日益小型化，集成度不断 提高，使得气体检测仪器越来越小。能用一种仪器检测多种不同气体是气体检 测仪的发展趋势。国外在气体传感器，其中包含 CO 传感器的研究和应用方面达 到了很高水平，形成了多系列多品种的产品。相比之下我国的研究和应用比较 滞后，特别在产品开发上有待加强。随着中国在世界加工制造业领域地位的不 断提高，国内外技术交流的频繁开展，在传感器制造方面的条件正在成熟，加 上政府对 CO 安全立法的重视和人们对安全的重视，对 CO 传感器需求的持续增 长，CO 传感器的市场正在不断成熟，相信在几年内我国会出现自己知识产权的 CO 传感器产品。 1.3 设计任务 本文设计了一种灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜的 第 1 章绪论 -3- 煤气检测系统，采用气敏传感器和 GSM 短信接收的双重报警。目前，人们对气 敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出一种实用高 效的智能化传感器测试装置是极为必要的。而声光信号是信息的又一主要载体， 如果在这些测量场合能用声光信号直接报出结果，将给操作人员带来极大方便， 本文就介绍一种新型的气敏传感器测试系统，从组成、硬件设计以及程序流程 及代码等几方面对其进行了详细的介绍。 华北理工大学轻工学院 -4- 第 2 章 煤气泄漏检测报警装置的方案设计 2.1 设计思想 煤气泄漏检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度，并具有报警 及短信提醒功能的仪器。仪器的最基本组成部分应包括：气体信号采集电路、 模数转换电路、单片机控制电路。 气体信号采集电路一般由气敏传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转 化为模拟的电信号。模数转换电路将从煤气检测电路送出的模拟信号转换成单 片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处 理后的数据进行分析，是否大于或等于报警限，如果大于则会自动启动报警电 路发出报警声音，反之则为正常状态。为使报警装置更加完善，可以在声音报 警基础上，加入灯光报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中 声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。 气敏传感器及单片机是煤气泄漏报警器的两大核心，根据报警器功能的需 要，选择合适、精确、经济的气敏传感器及单片机芯片是至关重要的。 2.2 气体传感器的选型 气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的 浓度转化成电压或者电流信号，通过 A/D 转换电路，将模拟量转换成数字量后 送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。气体 传感器作为煤气泄漏报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由 此可见，气体传感器的选型是非常重要的。 2.2.1 气体传感器介绍 1、气体传感器的分类 气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： (1)利用物理化学性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧气体 传感器等。 (2)利用物理性质的气体传感器：如热导气体传感器、光干涉气体传感器、 红外传感器等。 (3)利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感 器等。 第 2 章煤气泄漏检测报警装置的方案设计 -5- 2、气体传感器应满足的基本条件 : 一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也 可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器 都必须具备以下条件： (1)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应； (2)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度； (3)对检测信号响应速度快，重复性好； (4)长期工作稳定性好； (5)使用寿命长； (6)制造成本低，使用与维护方便。 3、常见气体传感器简介 （1）半导体气体传感器 半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传 感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自 1962 年半导体金属氧化物 气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、 结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上 产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和 非电阻型。 （2）固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是 利用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。 由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎 打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类 传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域 中有优势。 （3）接触燃烧式气体传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧， 故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝 (也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持 300 C400C 的高温，此时若与气体接触，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因 此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升,通过测量铂丝的电阻值变化的大小， 华北理工大学轻工学院 -6- 就知道气体的浓度。 （4）高分子气体传感器 利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气 敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、 材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、 常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性 气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定 气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它 气体传感器的不足。 （5）电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成 阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定 性好、能够定量检测，但寿命较短。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上 绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 （6）热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原 理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向 目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的 变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的 气体，热传导率是它固有的物理特性。 （7）红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目 标要素的设计思想进行了介绍。下面详细介绍一下在线考试系统在使用遗传算 法进行组卷时所涉及的七大要素的设计方法。 气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外 射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正 比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器 NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。不 同的气体吸收不同波长的 IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括 测量 CO 和 CO2、冷冻剂烟雾和一些易然气。由于非碳氢化合物易燃气体(如氢) 不吸收电磁谱中 IR 部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物， 并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影 响。 4、常见气体传感器可检测气体种类 第 2 章煤气泄漏检测报警装置的方案设计 -7- 由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通 常只能检测某一种或两种特定性质的气体。例如氧化物半导体气体传感器主要 检测各种还原性烟雾，如 CO、H2、C2H5OH、CH3OH 等。固体电解质气体传感器 主要用于检测无机气体，如 O2、CO2、H2、Cl2、SO2 等。 2.2.2 气体传感器的选定 煤气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作 业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用 接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。 使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。阻 缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在 无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而 引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环 境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵 敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空 气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以 致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标 定，是必须且有效的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续 使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中 加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传 感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体 积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气 敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点 更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发 生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体气敏传感 器作为报警器气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气敏传感器中，本设 计选用 MQ-5 型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏 度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 华北理工大学轻工学院 -8- 2.3 煤气泄露报警系统的整体设计方案 2.3.1 煤气泄露报警器工作原理 本论文中的煤气泄漏报警器以 STC12C5A60S2 单片机为控制核心，采用 MQ- 5 型电阻式半导体传感器采集气体信息。 首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入 STC12C5A60S2 单片 机；然后，在 STC12C5A60S2 单片机内 A/D 转换、气体浓度比较，对数据进行线 性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，判断气体 浓度值是否超出报警限，当气体浓度处于正常状态红灯不会闪亮，当气体浓度 超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯亮。另外由于气体传感器需要 在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提 高响应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器 持续输出一个 5V 的电压。 2.3.2 煤气泄露报警器的结构 为适应家庭对可燃性易爆气体安全性要求，设计的可燃性气体报警仪应不 仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可煤气体浓度、可接计算机进行 现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提 高准确性，降低成本，缩小体积。 系统使用 STC12C5A60S2 单片机，选用气敏传感器作为敏感元件，显示电路， 及报警装置开发了可用于家庭或小型单位天煤气泄漏报警器。整个设计由 3 大 部分构成：气敏传感器、STC12C5A60S2 单片机、显示电路。气敏传感器是将现 场气体浓度非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将气体传感器输出的模 拟信号到数字信号的转换。 2.4 装置功能说明 煤气泄漏检测装置，顾名思义是用来检测煤气泄漏，使煤气使用更加安全。 在使用此装置前，首先设置好报警的气体浓度值，设置浓度可调，将装置放置 在煤气容易泄漏的区域，当煤气或者其他煤气泄漏的时候，空气中气体浓度超 过设定值时，装置会发出灯光及声音的报警。 感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间 就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，需要向气体传感 器持续供给 5V 的加热电压。 第 2 章煤气泄漏检测报警装置的方案设计 -9- 气体报警器能实时范围检测工作，当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出 声光报警。如果是电磁阀泄漏，还可以添加自动断阀装置。 在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使可燃性气 体报警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。 第 3 章煤气泄漏检测报警装置的硬件部分 -11- 第 3 章 煤气泄漏检测报警装置的硬件部分 3.1 系统硬件选取 3.1.1 主控器（STC89C52 单片机） 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， ，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模 式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电 保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下 一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选 3.1.2 煤气检测传感器 煤气检测传感器的主要作用是监测当前环境中是否有煤气泄漏，为此我们 选择了专门的可燃气体传感器 MQ5，该传感器主要由气体敏感层、电极、测 量电板引线、加热器、陶瓷管、防爆网、卡环、基座、针状管脚几部分组成， 它对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度，对乙醇、烟雾则几乎不响应， 从而能极大地减少误报的产生。 3.1.3 电磁阀 切断气源的执行器我们选择的是电磁阀，灵感来源于我们学校工作室的气 动射球装置的足球机器人。电磁阀是依靠电磁线圈产生电磁力来驱动阀门开、 关的流体控制元件，也是工业控制过程中常用执行器之一。本系统选用3v106 型AC220V气动电磁阀，如图2所示。其原理是：通电时，电磁线圈产生电磁力把 关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在 阀座上，阀门关闭。它的特点是在真空、负压、零压时能正常工作，而且工作 的可靠性高，稳定性强。 3.1.4 GSM 模块 为了让我们的煤气泄漏报警系统具有远程报警功能，我们最初的想法是将 一台手机改装到报警系统中，为了确认这种方案的可行性，我们在老师的建议 下专门向移动公司的技术人员作了此方面的咨询。他们给我使用支持 GSM 网 络的现有模块，比如 SIM300C 模块。 华北理工大学轻工学院 -12- 通过工程师的介绍和网络搜索，查到 SIM300C 的相关资料和介绍。它采用 了 DIP 板对板连接器，除了具备低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高 速传输，还具有以下短信息服务功能，如点对点、文字及 PDU 和小区广播。使 用其中的短信功能，从硬件上面来说只需要将 SIM300C 模块的串口与单片机的 串口进行连接，从软件上面只需要通过标准的 AT 指令进行通信。串口通信主 要有三根线：发送、接收和地线；两个互相通信的设备，比如 GSM 模块与单 片机均有相应的串口模块，通过这三根的相互连接他们之间就可以实现通信了。 于是我们通过网上订购的方式购买了这款 GSM 模块。 3.2 电路设计 3.2.1 串行通讯设计 单片机在应用中往往要与其他的设备通讯，最常见的通讯方式就是串行通 讯。S12 单片机内置了 2 个 SCI 串行通讯模块。而单片机在与 PC 的通讯中，由 于电脑的串口信号线为正负逻辑关系，即逻 辑“1”为-5 -15V，逻辑“0” 为+5 +15V，这与单片机的逻辑信号电压定义不同，这样就需要对两者之间信 号进行电平转换。最简单的电平转换方法可以利用几个三极管，但是出于稳定 性和可靠性的考虑，老师推荐我们使用电平转换专用芯片 MAX232。通过查阅 飞思卡 S12 单片机系列系统硬件设计 ，我们直接采用 S12 单片机与 MAX232 的电路原理图（如图 3） 。在这部分的电路制作中是严格按照原理图来 购买元件和焊接，这一部分进展得特别顺利。 线路太复杂改装起来的难度大，不如直接使用支持 GSM 网络的现有模块， 比如 SIM300C 模块。 通过网络搜索，查到 SIM300C 的相关资料和介绍。它采用了 DIP 板对板 连接器，除了具备低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，还具 有以下短信息服务功能，如点对点、文字及 PDU 和小区广播。使用其中的短信 功能，从硬件上面来说只需要将 SIM300C 模块的串口与单片机的串口进行连接， 从软件上面只需要通过标准的 AT 指令进行通信。串口通信主要有三根线：发 送、接收和地线；两个互相通信的设备，比如 GSM 模块与单片机均有相应的 串口模块，通过这三根的相互连接他们之间就可以实现通信了。于是我们通过 网上订购的方式购买了这款 GSM 模块。 单片机在应用中往往要与其他的设备通讯，最常见的通讯方式就是串行通 第 3 章煤气泄漏检测报警装置的硬件部分 -13- 讯。S12 单片机内置了 2 个 SCI 串行通讯模块。而单片机在与 PC 的通讯中，由 于电脑的串口信号线为正负逻辑关系，即逻辑“1”为-5 -15V，逻辑“0”为 +5 +15V，这与单片机的逻辑信号的 电压定义不同，这样就需要对两者之间信号进行电平转换。最简单的电平 转换方法可以利用几个三极管，但是出于稳定性和可靠性的考虑，老师推荐我 们使用电平转换专用芯片 MAX232。通过查阅飞思卡 S12 单片机系列系统硬 件设计 ，我们直接采用 S12 单片机与 MAX232 的电路原理图（如图 3） 。在这 部分的电路制作中是严格按照原理图来购买元件和焊接，这一部分进展得特别 顺利。 图 1 串行通信原理图 华北理工大学轻工学院 -14- 32.2 电源模块 因为传感器与单片机的正常工作电压是 5V，而我们常用的锂电电池是 3.7V 一片，这样我们最少需要 2 片锂电电池串联（7 伏）才能满足传感器与单片机 的工作电压。因此在电源部分电路我们采用芯片 7805 型稳压芯片，将输入的电 压降到 5V，电容主要是起稳压（电容值大的 C1,C3）和滤波（电容值比较小的 C2,C4）的作用。 图 2 电源部分原理图 3.2.3 传感器模块 通过网上查询检测可燃气体传感器 MQ-5 的组成结构与工作原理，我们设计 如图 4 所示的传感器电路图。传感器部分电路，作用主要有两个方面：一是针 对相同的环境，能够调节传感器输出的电压；二是针对不同的环境，能够将其 传感器的感应电压的输出范围调节到相同的电压范围。这两项都是通过电阻 R1 实现的。 图 3 传感器电路图 图中电阻 R1，刚开始的时候选择了一个 100 欧电阻，导致传感部分电路调 试时总是出现误报，最后经过分析，发现是由于 R1 过小后导致电路过于灵敏， 第 3 章煤气泄漏检测报警装置的硬件部分 -15- 往往出现气体泄露时可识别但只要气体浓度稍微下降，很快就会消失，而对于 后面的单片机要采集以及识别处理这个信号却需要一定的时间；因此我们通过 不断增大 R1，当 R1 为 1K 欧时既能满足实时性的要求，又不失灵敏性。在相 同的环境下，不同的电阻值对应不同的传感器电压。因此 R1 我们采用可变电阻， 通过 R1 可变电阻调节电压的感应阀值，就能调节传感器的输出电压。 3.2.4 信号处理与 LED 模块 可燃气体传感器在不同浓度下的电子特性，根据这个特性曲线设计出一个 A/D 转换电路，生成数字信号，再把数字信号送给单片机进行处理。信号处理 电路主要是对传感器输出的电压进行处理，也就是识别。在传感模块的设计中 说过，当监测到煤气泄露和没有煤气泄露的时候传感器输出的电压是不一样的， 这里通过一个比较器（芯片 LM339）来进行比较，引脚 Sensor 端（-）就是来 自于传感器的信号， （+）端为比较电压，通过调节电阻 R2 的大小就可以调节这 个引脚的电压，IRQ 引脚即为输出的、比较结果，当（-）端低于（+）端，其 输出+5v 电压，相反即输出 0v 电压。后面紧接着的电路就是执行部分电路，通 过 IRQ 引脚信号来驱动三极管 NPN8050，来驱动指示灯以及后面的蜂鸣器和继 电器，继电器控制电磁阀的开关。 图 4 信号处理与 LED 模块原理图 3.2.5 电磁阀模块 因为我们采用的电磁阀的线圈是 220V 工作电压的，所以此部分电路设计原 华北理工大学轻工学院 -16- 理主要是低压驱动高压。而在实际制作过程中遇到的主要问题是继电器的 保护电路问题。 图 5 电磁阀控制电路原理图 3.2.6 蜂鸣器模块 蜂鸣器的电路相对来说非常简单，我们原来自己买过一些电子元件来做收 音机。所在这个电路的制作中没有遇到什么困难，比较顺利。 第 4 章煤气泄漏检测报警装置的软件部分 -17- 第 4 章煤气泄漏检测报警装置的软件部分 通过对硬件的分析，我们的煤气泄漏报警系统的软件设计的重点在于对报 警信号的检测和对 GSM 模块（即 SIM300C）的控制。 主程序 串口处理程序 GSM处理程序 结束 IRQ=1？ Yes No 图 9 软件总体流程图 4.1.1 单片机通过串口（SCI）对 GSM（SIM300C）模块的控制 单片机通过以下系列 AT 指令对短消息进行控制。 （参考 SIM300C 技术资料） 指令功能 AT+CSCA设置短信中心 AT+CMGC发出一条短信命令 AT+CMGD删除 SIM 卡内存的短消息 AT+CMGF选择短消息信息格式 AT+CMGL列出 SIM 卡中的短消息 AT+CMGR读短消息 AT+CMGS发送短消息 AT+CNMI显示新收到的短消息 AT+CSMP设置短信文本模式参数 华北理工大学轻工学院 -18- 4.2.2 初始化指令 1) 设置短消息发送格式 AT+CMGF=0, 设置 1 代表 TEXT 模式,是回车符号。指令正确则模 块返回OK, 是回车换行符号。 2) 设置来电指令 到达自动提示 AT+CNMI = 1, 1, 0, 0, 1 , 设置正确后模块返回 OK。设置此命令可使模块在来电到达后向单片机发送指令 +CMTI : C, INDEX(来电号码存储位置)。 3) 设置短消息中心 AT+CSCA=+8613800270500(短消息中心), 设置正确后模块返回 OK。短消息中心号码可能会因不同手机或不同区域而不同。 如果读取短消息服务中心则使用命令 AT+CSCA=? , 模块应该返回 +CSCA: +8613800270500。 4.2.3 发送短消息 在 TEXT 模式下发送短消息，首先发送短消息的目标地址。 AT+CMGS=Number。等待 SIM300C 模块返回 ASCII 字符 后单片机 控制 TEXT 数据输入发送。短消息发送成功, 模块返回OK。 主程序 系统初始化 串口初始化 串口中断设置 等待中断 串口中断程序 读数据 是选中信号？ 发送数据 是发送正确信号？ 中断返回 是 否 是 第 4 章煤气泄漏检测报警装置的软件部分 -19- 图 10 短信处理子程序流程图 开始 初始化程序 +CMTI？ 读取短信子程序 First=0？ 设定目标地址 初始化设定正确子程序 IRQ=1？ 泄露警报发送子程序 结束 No Yes Yes No Yes No 图 11 GSM 处理子程序流程图 华北理工大学轻工学院 -20- 4.2.4 项目扩展 基于 GSM 技术的煤气泄漏报警系统的核心为增强型 16 位微控制器 MC9S12DG128 单片机，与 GSM/GPRS 模块 SIM300C 的结合应用，这就给我 们的这套系统提供了一个很好的创新设计平台。在这套系统的基础上我们有以 下几点完善的设想： 1、 将 GSM 煤气泄漏报警系统扩展到以一栋楼或一个小区为一个系统，从使用 上可以将整个系统分为用户部分和监控中心两部分。用户部分主要负责煤 气的监测和报警；而小区监控中心则将各个用户的监测信号进行处理，对 于发生煤气泄漏的用户，通过发送短信的方式通知发生煤气泄漏事件的用 户，以利于用户及时对煤气泄漏事件及时处理。 2、将 GSM 煤气泄漏报警系统主控器集成一些别的功能，例如智能防盗，家电 远程监控等。只要加入合适的传感器和执行器该系统可以升级成一个智能 家居系统。 4.2.5 主流程图 主函数流程图 开始 系统初始化（LCD1602） 从 52 单片机内部 EEPROM 读出 报警值 从 ADC0832 中读出当前烟雾数 据 减键是否按下 把烟雾数据转化成字符格式 调用 LCD 显示函数，把当前烟 雾显示在屏幕上 第 4 章煤气泄漏检测报警装置的软件部分 -21- 把报警值减 1，然后保存到 52 单片机内部 EEPROM 中 加键是否按下 把报警值加 1，然后保存到 52 单片机内部 EEPROM 中 报警值与当前值比 较，不在设定值内 打开蜂鸣器、LED 报警 报警值与当前值比 较，在设定值内 关闭蜂鸣器、LED 取消报警 结束 结论 -22- 结 论 气体检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气 中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间 与发展前景。 本论文在对气体传感器和报警技术进行深入研究的基础上，对仪器的整体 设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。 本论文设计的气体报警器由气体信号采集电路与单片机控制电路以及 GSM 模块三大部分构成。 根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用 MQ-5 型半导体电阻式气体传 感器。该传感器是对以烷类气体为主的多种气体有良好敏感特性的广谱型半导 体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重 现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。 在系统单片机控制电路的设计上，采用了 STC12C5A60S2 单片机作为核心芯 片，充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化 和智能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。 气体报警器能实时范围检测工作，当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出 声光报警。如果是电磁阀泄漏，还可以添加自动断阀装置。 在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使可燃性气 体报警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。 谢辞 -23- 谢 辞 本文的研究工作是在我的老师的悉心指导和严格要求下完成的。.老师在 学习方法、工作方法和研究思路等方面给予了许多有益的启迪；同时，她对我 的研究工作提出了宝贵的建议和意见，使我在研究工作中不断取得新的进展。 王老师深厚的专业知识、严谨的治学精神和求实创新的工作作风深深的影响着 我。在此，谨向王老师致以我最崇高的敬意和真挚的感谢！ 感谢我的