便携式CO 气体泄漏多模式报警仪设计与实现*

高 涛，袁 帅，翟娟红，张 策，程 飞

(长安大学 信息工程学院，陕西 西安710072)

0 引 言

CO 是一种无色无味的气体，由于它与人体内的血红蛋白有高度的亲和力，所以，当它被吸入体内后，使人发生疲惫、气短、恶心和头昏眼花等不良症状，体内吸入过多时甚至会导致因缺氧而死亡。同时，CO 也是一种易燃易爆的危险气体，因此，及时准确地对房间室内CO 进行体积分数检测和报警成为保障群众生命安全和国家财产安全的一项必不可少的工作。利用嵌入式设计各种仪器仪表已经取得了很多成果，如汽轮机震动信号分析仪［1］、秤仪表［2，3］、指示仪表［4］等，同时也有高精度仪表的设计［5］，便携式仪表设计［6］，多功能告警仪表设计［7，8］。

本文设计一种便携式CO 气体泄漏多模式报警仪。

1 系统总体设计与工作原理

便携式CO 气体泄漏多模式报警仪系统设计框图如图1所示。系统由MSP430F135 处理器、CO 采集与信号处理模块、SIM900A GSM 短信模块、LED 及蜂鸣器组成的报警模块、LCD 显示模块、用户交互模块、电源模块、充电模块组成。用户通过按键组成的用户交互模块设置CO 报警阈值与GSM 短信报警模块的手机号码，当CO 体积分数高于CO 报警阈值时，LED 闪烁，蜂鸣器发出报警声，同时GSM模块向设定的手机上发送警报信息。为便于使用，仪器电源采用可充电的锂电池，用户可方便地用普通的适配器或USB 对仪器进行充电。同时避免因仪器电量不足不能正常工作，仪器实时显示电池的电量，当电量低于工作电压时发出报警，提醒用户充电。

图1 系统总体框图Fig 1 Overall block diagram of system

2 系统硬件电路设计

2.1 4CO—500 CO 传感器与信号处理电路

本仪器采用CO 传感器属于电化学传感器，气体扩散进入传感器就在敏感电极上发生氧化反应，每一反应均可用标准化学方程式表示。CO 在敏感电极上的氧化方程式表示如式(1)所示

在对电极上发生的反应正好与敏感电极上的反应平衡。对电极上的反应如式(2)所示

两个电极的反应方程式如式(3)所示

两电极气体传感器检测的体积分数受到一定限制，对于两电极的极化所受的限制可以用引进第三电极，参比电极，敏感电极曲线相对于参比电极保持固定值。三电极传感器所能检测体积分数范围要比两电极大得多。本系统采用三电极传感器，主要特点尺寸小、响应快、功能强大、寿命长。

CO 信号处理电路如图2 所示。在4CO—500 的RE(参比电极)和RS(工作电极)之间形成稳定电压，4CO—500 将CO 经过电化学反应形成电流，从RS 流出，RC 流入，积分模块将从RS 流出的电流转换为电压，输入MSP430 的P6_2口即A/D 转换通道，同向比例放大器的放大倍数为1+R11/R16=1+820/220=4.73 倍，输入MSP430 的P6_1 口即A/D 转换通道，缓冲器将RE 和RS 之间的稳定电压输入MSP430 的P6_0 口即A/D 转换通道。

2.2 用户交互模块设计

用户交互模块由电源控制按键(S1)，设置按键(S2)，递增按键(S3)，递减按键(S4)组成，电源按键(S1)短按时实现背光的开关，长按实现电源的开关，电路图如图3 所示。

2.3 充电模块设计

图2 信号处理模块Fig 2 Signal processing module

图3 用户交互模块Fig 3 User interaction module

本仪器通过充电模块可以方便地实现对锂电池的充电。当输入电压掉电时，CN3052A 自动进入低功耗的睡眠模式，电流消耗小于3 μA。CHRG 管脚输出低电平，表示充电正在进行。当电压低于3 V，充电器用小电流对电池进行预充电;当电池电压超过3 V 时，充电器采用恒流模式对电流充电，充电电流由ISET 管脚和GND 之间的电阻器RISET确定;当电池电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3052A 进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束，CHRG 端输出高阻态，表示充电周期结束，充电结束阈值是恒流充电电流的10%。电路图如图4 所示。

图4 充电模块Fig 4 Charging module

2.4 GSM 短信模块

本报警仪采用GSM/GPRS 模块，支持中文信息，工作在EGSM900 和GSM1800 双频段，电压范围3.2 ～4.8 V;待机模式电流低于18 mA，睡眠模式低于2 mA;SIM900A 的数据接口(CMOS 电平)通过AT 命令可双向传输指令和数据，支持Text 和PDU 格式的短信，可通过AT 命令实现故障恢复。MCP430 的串口发送接口TXD 和串口接收接口RXD，分别与SIM900A 的RXD 和TXD 口连接，实现串口数据的发送和接收。

3 系统软件设计

3.1 AT 指令

AT 即Attention，一般应用于终端设备与PC 应用之间的连接和通信。AT 指令的数据包定义为:对于AT 指令的发送，除AT 2 个字符外，最多可以接收1 056 个字符的长度。短信发送分为两种格式，一种是TEXT 格式，一种是PDU 格式，使用TEXT 格式发送的只能是ASCII 字符，使用PDU 格式可以发送中英文字符，使用UNICODE 编码。本仪器采用PDU 格式。

3.2 中文短信发送

如短信中心号码为8613010130500，要发送的号码为8618622944083，要发送的内容为“CO 报警”。根据PDU 的要求本文要写的编码为:0891683110100305F011000D91688·16924480F30008000667792525335686，本文把这串编码分成13 段，详细的每段含义可以参照PDU 格式的定义，部分的意义如下:08:短信中心地址信息的长度共8 个8 位字节;91:短信中心的号码为国际号码。

3.3 仪器程序主流程图

系统程序主流程图如图5 所示。首先进行系统初始化:设置系统的工作频率、初始化LCD 以便显示电池电量和CO 体积分数、初始化ADC 来转换CO 体积分数和电池电量、初始化定时器及其中断以模拟多任务来完成多项工作。

图5 软件流程图Fig 5 Software flow chart

4 实 验

本CO 泄漏报警仪在实验室和现场都进行了相关测试，测试结果如表1 所示。

表1 CO 泄漏报警仪实验室测试结果Tab 1 Laboratory test results of CO leak alarm device

由以上实验数据可得，本仪器能够实现对CO 体积分数的检测，报警功能可靠稳定。仪器与泄漏源距离相同时，CO 体积分数越高，仪器响应越快;当CO 体积分数高于一定的值，距离对响应速度的影响会变小。CO 体积分数的时高低不会影响仪器的正常工作。因此，该多模式报警仪满足精确、快速、多模式报警的要求。

5 结束语

该CO 泄漏报警仪系统结构设计合理，检测CO 精度高，硬件电路稳定，能较好地满足家庭CO 报警需求，并且本仪器使用方便简捷无需专业人员操作。MSP430 单片机与GSM 短信结合实现仪器的智能化，仪器成本低，实用性强，有很大的应用价值，能得到广泛的应用和发展。

［1］ 张 峰，石现峰.基于嵌入式技术的汽轮机振动信号分析仪［J］.自动化与仪表，2012(10):15－19.

［2］ 刘文武.以W77E58CPU 为核心的皮带秤仪表设计［J］.仪表技术，2012(2):31－33.

［3］ 陈新喜.于CS5530 的计重计数电子秤的研究与设计［J］.电子设计工程，2014，22(6):165－168.

［4］ 谢少伟.步进电机式4 ～20 mA 液位指示仪表设计［J］.自动化与仪器仪表，2014(1):50－52.

［5］ 程建华.一种高精度低自热多通道测温系统设计与实现［J］.传感器与微系统，2014，33(1):56－63.

［6］ 刘 苍.基于ARM 的便携式数据采集存储系统设计［J］.仪表技术与传感器，2013(8):89－92.

［7］ 陈 龙，张志达.基于AVR 多功能报警系统温湿度模块设计［J］.自动化技术与应用，2011，30(9):72－75.

［8］ 江 杰，宋宏龙.基于GSM 短信的烟雾传感报警系统［J］.测控技术，2014(1):1－3.