常见毒性气体检测和报警系统设计

周彪 李萍 李衡

摘   要：本设计以STC89C52单片机作为中央处理单元，通过MQ-6气敏传感器对家庭可燃气体质量浓度进行测量。当家庭可燃气体浓度超过阈值时，系统自动实现声光报警并通过GSM实时向屋主发送短信和开启排气扇。该报警器具有灵敏度高、性能稳定、性价比高等特征，能够广泛运用在家庭中。

关键词：可燃气体;单片机;报警器;气敏传感器;GSM短信

在中国早期冶金、石油、煤炭、化工等危险生产活动中，经常伴随着可燃气体泄露而发生爆炸，所以在对施工场所的可燃气体检测是必要的，不仅关系到自身的生命安全和生产安全，也会影响一个家庭的完整性。我国在20世纪70年代初期开始研制报警器，生产型号多样、种类也较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。例如工业中的固定式报警、多路巡检式报警;住宅区中的单体分离报警系统、遮断连动系统。由于气体本身具有扩散性，一旦发生泄露，在局部区域短时间浓度会提高，形成浓度差，会逐渐扩散出去，从而扩大危险区域。因此，在工业的实际应用中经常需要针对某个区域进行多点监测，不仅需要报警器发出报警声音，而且需要进行远程实时监控。

随着我国经济和工业的快速发展，人们对家庭的空气质量和安全越来越重视。人类不断在可燃气体的检测技术上的发展，使检测可燃气体装置的灵敏度越来越高，更加方便，也能让更多的家庭用得起。

单片机是一种集成电路芯片，它由CPU，RAM等组成，也被称作单片微型计算机。ADC0809是CMOS单片型8位逐次逼近式A/D转换器，由8路的多路开关以及逻辑控制和定时电路组成，可以和单片机直接连接。因此，采用STC89C52作为主控电路，控制外围电路的显示以及数据输出和接口电路，完成检测报警等功能。

1    总体设计

气敏传感器能够检测环境中的气体浓度，所以我们一般选择MQ-6气敏传感器，该型号的气敏传感器选取的介质气敏材料是在纯净的空气中电导率相对较低的二氧化锡。当出现火灾时，会产生毒性气体、温度增高的变化，同时传感器的电导率会随着空气中各类气体浓度的增高而变大。整个系统以STC89C52单片机为控制核心，选用MQ-6半导体气体传感器、DS18B20温度传感器以及LM298N驱动芯片与其余电路一起构成常见毒性气体检测与报警系统，其包含7大部分：温度检测部分、气体检测部分、STC89C52单片机控制部分、报警部分、AD采集部分、GSM模块及排风扇模块，如图1所示。

1.1  STC89C52单片机

STC89C52是一种高性能、低功耗CMOS 8位微控制器，拥有高密度非易失性存储技术，具8 K可编程Flash存储器。Flash既可用于常规编程，也可以在线编程。在单芯片上，拥有系统可编程Flash和8位CPU，从而使STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、高效的解决方案。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、计数器/定时器、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。

1.2  DS18B20温度传感器

DS18B20的数字温度输出通过“一线”总线，可以方便多个DS18B20组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了可能。其中，1-Wire是一种特别的信号总线协议，将信号线和电源线用在一条口线上，具有唯一编码、零工耗等特点。

1.3  MQ-6气敏传感器

MQ-6气敏传感器所使用的气敏材料是在纯净空气中较低的二氧化锡。当传感器所在环境有可燃毒性气体时，传感器电导率随着气体质量浓度的增加而增大。其中，MQ-6半导体气敏传感器的主要优点是拥有较宽的浓度范围和响应速度快、稳定性好、能耗少、寿命长的特点，可以满足快速检测的需要。

1.4  GSM短信

目前GSM网络大量普及，相较于传统无线网络在覆盖上有很好的优势。手机可以用作接收报警的装置，把手机号码存储在SIM卡上。SIM900A是一个两频的GSM/GPRS模块，支持GPRS multi-slot class 10/ class 8（可选）和 GPRS 编码格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。当报警系统启用后，它将会自动发短信给所储存在SIM卡的手机号以实现远程报警。

2    硬件电路设计

2.1  单片机模块

STC89C52单片机的工作电压范围为：3.3～5.5 V，所以通常从外界加入5 V直流电源，单片机最小应用系统包括时钟电路和复位电路。系统总设计如图2所示。

时钟电路就是一个振荡器，给单片机提供节拍，按照提供的节拍运行。内有反向放大器，输入端XTAL1，输出端XLAL2。单片机有两种连接方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式电路中，XTAL1和XTAL2引脚两端接在石英晶体振荡器和两个微调电容上。外部时钟电路中，XTAL1接地和XTAL2接外部时钟。

复位电路是为了把电路初始化到一个确定的状态。把复位电路中的RST引脚引入高电平并保持两个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。复位电路有上电自动复位和外部按键手动复位。电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是使用按键手动复位，要连接上拉电阻提高输出高电平的值。

2.2  电路流程

先通过MQ-6气敏传感器采集气体数据，经过ADC0832把收集到的模拟信号转化为数字信号得到气体浓度的电压值，经过多次同一气体不同浓度下实验对比，选出适合的气体质量浓度作为报警值。温度报警器DS18B20可以由用户设置最高报警值和最低报警值。LCD1602液晶显示器显示值是由单片机控制，可以把探测的模拟信号经过单片机数字化，从而在LCD1602液晶显示器上精准地显示出来。该电路有4个按键：加键、减键、设置键、复位键，单片机系统运行时，当遇到外界强干扰出现程序混乱，可以按下复位键从头开始。当按下紧急键时，立刻出现蜂鸣声。当浓度高过预设值时，就会进行声光报警和驱动电机LM298N打开排风扇。单片机与GSM进行交互时，单片机向GSM模块发送多个AT指令来控制GSM发送短信。GSM有两种发送方式：PDU方式和文本方式。一般选择设置手机短信为文本方式SendString（“AT+CMGF=1”），然后设置短信文本模式参数SendString（“AT+CSMP=17，167，0，8”），再设置中英文短信SendString（“AT+CSCS=/”UCS2”/”），最后再发送短信的AT+CMGS=接受方电话号码。其中，中文短信内容为“气体浓度或温度过高！请注意！”，因为中文需要Unicode码进行转码，转换为：6C144F536D535EA662166E295EA68FC79AD8FF018BF76CE8610FFF01

发送短信时黄色LED指示灯一直亮，发送短信后LED指示灯熄灭。同时，除了可以利用中断方式退出报警状态外，还可以手动方式退出。

2.3  系统程序流程设计

先对外部设备进行初始化，通过传感器进行信号采集，用A/D转换成气体值，然后单片机判断当前温度和气体浓度的值是否超过预先设定的报警值。若当前值超过预定的报警值，那么将进入报警程序，触发系统报警、发送报警短信和打开排风扇。若当前值没有超过预先设定报警值，那么将会返回采集环节，直到采集气体浓度活温度达到报警值。系统流程如图3所示。

3    结语

文中主要讨论了单片机、气敏传感器、GSM网络，其适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、氢气等的探测。在日常生活中可以通过该系统对家里的情况有很好的了解，而且传感器探测范围广泛，灵敏度高，稳定性好，价格低廉且电路结构简单，具有较高的实用价值。

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