基于gsm的煤气泄漏报警装置设计毕业设计(编辑修改稿)

基于gsm的煤气泄漏报警装置设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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 9 第 3 章 煤气泄漏检测报警装置的硬件部分 系统硬件选取 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 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 MQ— 5，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。 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 3v1－ 06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。 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 10 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。 电路设计 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 11 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 3． 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 华北理工大学轻工学院 12 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 传感器模块 通过网上查询检测可燃气体传感器 MQ5 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，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；因此我们通过不断第 3 章煤气泄漏检测报警装置 的硬件部分 13 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。 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 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 14 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 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 15 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G S M 处 理 程 序结 束I R Q = 1。 Y e sN o 图 9 软件 总体 流程图 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 16 初始化指令 1) 设置短消息发送格式 AT+CMGF=0CR, 设置 1 代表 TEXT 模式 ,CR是回车符号。 指令正确则模块返回 CRLFOKCRLF, CRLF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 CR, 设置正确后模块返回CRLFOKCRLF。 设置此命令可使模块在来电到达后向单片机发送指令CRLF+CMTI : ″C″, INDEX(来电号码存储位置 )CRLF。 3) 设置短消息中心 AT+CSCA=″+8613800270500″( 短消息中心 )CR, 设 置 正 确 后 模 块 返 回CRLFOKCRLF。 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=?CR , 模块应该返回CRLF+CSCA: ″+8613800270500″CRLF。 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=NumberCR。 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 CRLFOKCRLF。 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 图 10 短信 处理子程序流程图 第 4 章煤气泄漏检测报警装置的软件部分 17 开 始初 始 化 程 序+ C M T I。 读 取 短 信 子 程 序 F i r s t = 0。 设 定 目 标 地 址初 始 化 设 定 正 确 子 程 序I R Q = 1。 泄 露 警 报 发 送 子 程 序结 束 N oY e sY e sN oY e sN o 图 11 GSM 处理子程序流程图 华北理工大学轻工学院 18 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： 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。