基于GSM煤气泄漏自动报警装置设计

2018-03-15熊中刚刘小雍李青刘小芹李巧巧

遵义师范学院学报 2018年1期

熊中刚，刘小雍，李青,刘小芹，李巧巧

（遵义师范学院工学院，贵州遵义563002）

煤气作为一种重要的燃料被广泛应用于各种工业炉和日常生活中，在给人们的生产、生活带来便利的同时，也带来了许多不可预知的安全隐患，尤其是当煤气泄漏达到一定浓度值时，遇到火花，就会发生爆炸，造成严重的人员伤亡。

经查阅相关资料和实地调查，作者发现，煤气泄漏报警装置在人们的日常生活中并没有得到广泛应用。据相关部门测试，燃气泄漏报警器是防止煤气中毒和爆炸事故发生的有力武器，正确安装和使用煤气泄漏报警装置，对预防家庭煤气泄漏引发的事故具有重大作用[2]。目前市面上多数煤气泄漏报警产品检测到煤气泄漏时只具有报警功能，而不具有自动处理功能。针对这一问题，作者设计了集自动检测与自动控制于一体的基于GSM的煤气泄漏自动报警装置。

1 系统总体结构及工作原理

系统总体结构框图如图1所示，主要由中央处理模块、按键模块、复位模块、GSM通信模块、一氧化碳气体浓度采集模块、液晶显示模块、声光报警提示模块和负载控制模块组成。

工作原理：本设计采用MQ-7一氧化碳气体传感器实时监测室内煤气浓度，监测信号经预处理滤波和逐步放大后，再经转换电路将模拟信号转换成数字信号后传送给单片机，单片机将接收到的信号与用户设定的浓度值进行比较，并将比较结果运用GSM通信无线传输到用户终端，同时发出相应执行指令，用户通过手机终端可以实时了解当前家里的煤气浓度情况，煤气没有泄漏或煤气泄漏浓度没有达到上限值时，自动报警装置绿灯亮，表示正常状态，当煤气泄漏的浓度达到上限值时，蜂鸣器报警，并驱动继电器工作，使风扇转动起来，同时系统自行关闭煤气阀。

图1 系统组成结构框图

2 硬件电路设计

2.1 检测模块

检测电路由两部分构成（如图2所示），其主要功能是传感器将检测到的一氧化碳浓度模拟信号经转换电路变为数字信号传送给单片机，单片机读取传送过来的信息并作相应加工。

图2 检测电路

2.2 声音报警模块

声音报警电路如图3所示。本设计采用有源蜂鸣器报警，Q1在实物图中是一个开关，基极所接电压的高低决定它的作用，只有在基极接低电平时蜂鸣器才能发出声音，否则三极管关闭，不能形成通路，蜂鸣器不工作。

图3 声音报警电路

2.2 灯光显示模块

灯光显示电路如图4所示，主要元器件为发光二极管，本设计采用红色、蓝色和黄色的LED灯。

图4 灯光显示电路

2.3 负载控制模块

继电器控制负载电路如图5所示。电磁继电器由衔铁、铁芯、线圈、触点簧片构成。当有磁场存在时，衔铁吸附铁芯，带动常开触点和常闭触点运动，磁场消失后常闭触点恢复原来的状态，从而实现电路的通断。

图5 继电器控制负载电路

当煤气泄漏的浓度超过设定值时，FS获得信号，三极管导通，继电器得电吸附开关K1闭合，电风扇所在的电路形成通路，电风扇便运转起来。

2.4 按键模块

按键电路如图6所示，该部分运用独立式按键接低电平方式来读取按键信息。操作按键时，单片机获得一个低电平，单片机就会对获得的信息进行处理。

图6 按键电路

单片机处理按键前需要经历一个消抖过程，消抖过程有硬件消抖和软件消抖两种。硬件消抖是用电路对抖动部分加以处理；软件消抖是不在抖动时间操作，待稳定后再对按键进行处理，是运用延时处理。

2 软件设计

2.1 系统软件结构和流程

系统软件结构和流程见图7。首先系统初始化，以避免上一次数据的干扰，然后将传感器检测到的模拟信号转化为数字信号，经单片机读取后，系统自动将读取的信息和设置的数值作比较，判断出当前的浓度范围，进而执行相应的操作并判断按键是否按下，若为否则返回2，反之则继续执行下一步，设置相应参数，显示设置参数。

图7 软件流程框图

2.2 通信设计

（1）建立GSM通信连接

系统运行时，本设计采用GSM进行无线数据传输，为完成上位机和下位机的通信连接，先通过AT指令接入GSM网络，再通过GSM短信方式实现对现场设施的检测与控制，并应用ActiveXDataObject对SQL数据库进行访问，从而实现数据库内容的实时更新。

（2）通信协议设计

为使上下位机之间形成可靠通信，需设置一定的通信协议。本设计采用9600 bps的通信波特率，以1位起始位、8位数据位和1位停止位作为通信中每帧的格式，并将命令设置为设置命令、采集命令和控制命令三种命令类型，详细通信协议格式设置如下。

1）设置命令

本系统采用设置命令的目的是实现对阀值参数和通信参数的设置，以满足系统设计中告警与控制的要求。具体格式见表1。

表1 设置命令

表2 参数采集命令

3）返回数据格式

中央控制器接收到检测数据后，自动对数据进行处理并返回包含煤气浓度参数的数据包。指令实行10个字节的数据包长度，系统自行根据此数据包的格式解析和显示相关数据，同时将数据保存在数据库中。数据传输的格式见表3。

表3 返回数据格式

3 仿真及总结

3.1 传感器性能测试

图8所示是MQ-7一氧化碳传感器温度特性曲线。横坐标表示温度，纵坐标表示传感器电阻比（Rs/Ro），Rs表示在不同温度下一氧化碳浓度为100ppm时的电阻值，Ro表示在20℃/65%RH条件下一氧化碳浓度为100ppm时的电阻值。

图8 MQ-7一氧化碳传感器温度特性曲线

3.2 仿真测试

用Protus仿真软件绘制出如图9的仿真图。按下打开键（play），在液晶显示屏上可以看到两组信息：当前一氧化碳浓度（NOW CO:000）、报警浓度（WARNING:025，25是初始值）。报警浓度可以通过连接按键与单片机引脚27、28、17连接更改，其中与27引脚相连接的是更改/更改完成键，与28引脚相连接的是加一键，按一次自动加一，与17引脚相连接的是减一键，按一次自动减一。模拟当前一氧化碳浓度可以在MQ-7对应的位置调整，电阻减小一氧化碳浓度升高，电阻增大一氧化碳浓度降低。当一氧化碳浓度大于设置值时，红色灯亮，蜂鸣器鸣叫，继电器驱动风扇工作。