熊中剛，劉小雍，李青,劉小芹，李巧巧

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

煤氣作為一種重要的燃料被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)爐和日常生活中，在給人們的生產(chǎn)、生活帶來便利的同時(shí)，也帶來了許多不可預(yù)知的安全隱患，尤其是當(dāng)煤氣泄漏達(dá)到一定濃度值時(shí)，遇到火花，就會發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重的人員傷亡。

經(jīng)查閱相關(guān)資料和實(shí)地調(diào)查，作者發(fā)現(xiàn)，煤氣泄漏報(bào)警裝置在人們的日常生活中并沒有得到廣泛應(yīng)用。據(jù)相關(guān)部門測試，燃?xì)庑孤﹫?bào)警器是防止煤氣中毒和爆炸事故發(fā)生的有力武器，正確安裝和使用煤氣泄漏報(bào)警裝置，對預(yù)防家庭煤氣泄漏引發(fā)的事故具有重大作用[2]。目前市面上多數(shù)煤氣泄漏報(bào)警產(chǎn)品檢測到煤氣泄漏時(shí)只具有報(bào)警功能，而不具有自動處理功能。針對這一問題，作者設(shè)計(jì)了集自動檢測與自動控制于一體的基于GSM的煤氣泄漏自動報(bào)警裝置。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由中央處理模塊、按鍵模塊、復(fù)位模塊、GSM通信模塊、一氧化碳?xì)怏w濃度采集模塊、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警提示模塊和負(fù)載控制模塊組成。

工作原理：本設(shè)計(jì)采用MQ-7一氧化碳?xì)怏w傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)煤氣濃度，監(jiān)測信號經(jīng)預(yù)處理濾波和逐步放大后，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的信號與用戶設(shè)定的濃度值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果運(yùn)用GSM通信無線傳輸?shù)接脩艚K端，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)執(zhí)行指令，用戶通過手機(jī)終端可以實(shí)時(shí)了解當(dāng)前家里的煤氣濃度情況，煤氣沒有泄漏或煤氣泄漏濃度沒有達(dá)到上限值時(shí)，自動報(bào)警裝置綠燈亮，表示正常狀態(tài)，當(dāng)煤氣泄漏的濃度達(dá)到上限值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并驅(qū)動繼電器工作，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動起來，同時(shí)系統(tǒng)自行關(guān)閉煤氣閥。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測模塊

檢測電路由兩部分構(gòu)成（如圖2所示），其主要功能是傳感器將檢測到的一氧化碳濃度模擬信號經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)讀取傳送過來的信息并作相應(yīng)加工。

圖2 檢測電路

2.2 聲音報(bào)警模塊

聲音報(bào)警電路如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用有源蜂鳴器報(bào)警，Q1在實(shí)物圖中是一個(gè)開關(guān)，基極所接電壓的高低決定它的作用，只有在基極接低電平時(shí)蜂鳴器才能發(fā)出聲音，否則三極管關(guān)閉，不能形成通路，蜂鳴器不工作。

圖3 聲音報(bào)警電路

2.2 燈光顯示模塊

燈光顯示電路如圖4所示，主要元器件為發(fā)光二極管，本設(shè)計(jì)采用紅色、藍(lán)色和黃色的LED燈。

圖4 燈光顯示電路

2.3 負(fù)載控制模塊

繼電器控制負(fù)載電路如圖5所示。電磁繼電器由銜鐵、鐵芯、線圈、觸點(diǎn)簧片構(gòu)成。當(dāng)有磁場存在時(shí)，銜鐵吸附鐵芯，帶動常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)運(yùn)動，磁場消失后常閉觸點(diǎn)恢復(fù)原來的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電路的通斷。

圖5 繼電器控制負(fù)載電路

當(dāng)煤氣泄漏的濃度超過設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)S獲得信號，三極管導(dǎo)通，繼電器得電吸附開關(guān)K1閉合，電風(fēng)扇所在的電路形成通路，電風(fēng)扇便運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

2.4 按鍵模塊

按鍵電路如圖6所示，該部分運(yùn)用獨(dú)立式按鍵接低電平方式來讀取按鍵信息。操作按鍵時(shí)，單片機(jī)獲得一個(gè)低電平，單片機(jī)就會對獲得的信息進(jìn)行處理。

圖6 按鍵電路

單片機(jī)處理按鍵前需要經(jīng)歷一個(gè)消抖過程，消抖過程有硬件消抖和軟件消抖兩種。硬件消抖是用電路對抖動部分加以處理；軟件消抖是不在抖動時(shí)間操作，待穩(wěn)定后再對按鍵進(jìn)行處理，是運(yùn)用延時(shí)處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和流程

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和流程見圖7。首先系統(tǒng)初始化，以避免上一次數(shù)據(jù)的干擾，然后將傳感器檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)單片機(jī)讀取后，系統(tǒng)自動將讀取的信息和設(shè)置的數(shù)值作比較，判斷出當(dāng)前的濃度范圍，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的操作并判斷按鍵是否按下，若為否則返回2，反之則繼續(xù)執(zhí)行下一步，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，顯示設(shè)置參數(shù)。

圖7 軟件流程框圖

2.2 通信設(shè)計(jì)

（1）建立GSM通信連接

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，本設(shè)計(jì)采用GSM進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，為完成上位機(jī)和下位機(jī)的通信連接，先通過AT指令接入GSM網(wǎng)絡(luò)，再通過GSM短信方式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)施的檢測與控制，并應(yīng)用ActiveXDataObject對SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的實(shí)時(shí)更新。

（2）通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為使上下位機(jī)之間形成可靠通信，需設(shè)置一定的通信協(xié)議。本設(shè)計(jì)采用9600 bps的通信波特率，以1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位作為通信中每幀的格式，并將命令設(shè)置為設(shè)置命令、采集命令和控制命令三種命令類型，詳細(xì)通信協(xié)議格式設(shè)置如下。

1）設(shè)置命令

本系統(tǒng)采用設(shè)置命令的目的是實(shí)現(xiàn)對閥值參數(shù)和通信參數(shù)的設(shè)置，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)中告警與控制的要求。具體格式見表1。

表1 設(shè)置命令

表2 參數(shù)采集命令

3）返回?cái)?shù)據(jù)格式

中央控制器接收到檢測數(shù)據(jù)后，自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并返回包含煤氣濃度參數(shù)的數(shù)據(jù)包。指令實(shí)行10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包長度，系統(tǒng)自行根據(jù)此數(shù)據(jù)包的格式解析和顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷揭姳?。

表3 返回?cái)?shù)據(jù)格式

3 仿真及總結(jié)

3.1 傳感器性能測試

圖8所示是MQ-7一氧化碳傳感器溫度特性曲線。橫坐標(biāo)表示溫度，縱坐標(biāo)表示傳感器電阻比（Rs/Ro），Rs表示在不同溫度下一氧化碳濃度為100ppm時(shí)的電阻值，Ro表示在20℃/65%RH條件下一氧化碳濃度為100ppm時(shí)的電阻值。

圖8 MQ-7一氧化碳傳感器溫度特性曲線

3.2 仿真測試

用Protus仿真軟件繪制出如圖9的仿真圖。按下打開鍵（play），在液晶顯示屏上可以看到兩組信息：當(dāng)前一氧化碳濃度（NOW CO:000）、報(bào)警濃度（WARNING:025，25是初始值）。報(bào)警濃度可以通過連接按鍵與單片機(jī)引腳27、28、17連接更改，其中與27引腳相連接的是更改/更改完成鍵，與28引腳相連接的是加一鍵，按一次自動加一，與17引腳相連接的是減一鍵，按一次自動減一。模擬當(dāng)前一氧化碳濃度可以在MQ-7對應(yīng)的位置調(diào)整，電阻減小一氧化碳濃度升高，電阻增大一氧化碳濃度降低。當(dāng)一氧化碳濃度大于設(shè)置值時(shí)，紅色燈亮，蜂鳴器鳴叫，繼電器驅(qū)動風(fēng)扇工作。

圖9 仿真圖

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