一种基于SIM900A的煤气泄漏报警器的设计

林海翔

（江苏联合职业技术学院扬州分院，江苏扬州，225003）

0 引言

煤气、液化气作为一种燃料在日常生产生活中起着重要的作用，它为社会带来效益的同时也存在着一定的危险，其中CO就是最为重要的危险源。CO是一种有毒易燃易爆性气体，常温下无色无味、难溶于水，不易发现。实践表明，当空气中CO浓度过高时，人们会在很短的时间内失去知觉，严重时会造成窒息死亡，直接威胁人们的生命安全。

在日常生产生活中，由于种种原因，煤气泄漏事件时有发生。当空气中煤气含量过高时，遇到火就会引起爆炸，因此，准确检测出环境中CO的浓度值，对防止煤气泄漏导致的中毒和爆炸等安全事故的发生具有非常重要的意义。围绕上述问题，本文基于51单片机及SIM900A模块设计了一种煤气报警装置，该报警器能够实时监控环境中煤气的泄漏情况，当传感器检测值高于设定值后迅速发出声光报警，同时向指定用户手机发送报警提醒信息。实验结果表明，在煤气发生泄漏时该报警器能够可靠运行，有效地防止了因煤气泄漏导致的中毒和爆炸等安全事故的发生。

1 基于GSM短消息煤气监测报警器的工作原理

煤气中主要化学成分是一氧化碳（CO），我们选择MQ-7型气敏传感器作为检测器件。系统运行时，MQ-7型CO传感器的电阻值会随着环境中CO浓度的增大而增加，经过信号转换电路处理后可以实现电压信号输出。本装置采用AT89C51作为主控芯片，采用FFT和数字滤波法将传感器的采样信号转换成相应的气体浓度值，当检测到的泄漏气体浓度超过指定值时，能够迅速启动扬声器报警，同时系统还通过GSM短信模块给指定用户发送手机短信及时进行远程报警，确保在任何情况下用户都能够及时收到报警信息[1]。

2 系统组成

煤气泄漏报警系统主要由单片机模块、CO浓度检测模块、扬声器模块、GSM报警模块和电源模块5大部分构成，系统结构如图1所示。CO浓度检测模块为MQ-7型气敏传感器；系统主控模块由89C51单片机及相应软件构成，它由设定好的程序处理信息以及发送控制指令；扬声器模块主要是发送声音报警信号；GSM报警模块负责接受主控模块指令并将报警短信发送到指定用户手机上。

图1 煤气泄漏报警器结构图

3 硬件设计

3.1 煤气检测模块

本文选用MQ-7型气敏传感器监测煤气泄漏情况，该半导体气敏传感器采用5V直流电源供电，其功耗约为0.7W，普遍适用于以CO为主要成分的气体的测量。它的特点是探测范围广泛、灵敏度高、稳定性好、相应速度快，此外该传感器不易受烟雾、水蒸气等影响，抗干扰性能力较强，可以实现长时间可靠运行。系统运行时，MQ-7传感器中的敏感元件先将所测CO气体浓度的变化转换成相应电阻值的变化，并与电阻R7组成分压电路，从传感器引脚6输出随CO浓度变化的电压信号。CO气体报警装置采用STC89C51单片机作为主控模块对上面转换的结果进行计算和处理，并对测得CO数值与设定值进行比较，当所测CO实际浓度超过设定值时，主控模块分别向GSM模块和扬声器模块发出报警指令。

3.2 主控模块

主控模块采用89C51型单片机，该机型具有功耗低、响应速度快、抗干扰能力强等特点，本次设计中采用了6时钟机器周期，考虑到单片机的引脚特性，单片机的中断触发信号由CO传感器从单片机P1.1引脚输入，低电平有效，P2.2引脚输出蜂鸣器触发信号，低电平有效，GSM报警模块与单片机之间采用串口通信传输数据。

3.3 GSM模块

设计中采用SIMCOM公司的SIM900AGSM/GPRS模块作为远程报警模块，该模块采用SMT贴片形式封装，硬件部分主要由GSM射频模块、GSM基带处理器、存储器、电源模块和接口组成，工作电压一般为3.3V或5V。该模块的功耗非常低，待机模式下的工作电流小于18mA，而sleep模式下的工作电流更是低于2mA。该模块内嵌TCP/IP协议，支持频段900MHz/1800MHz，采用标准化接口，能够以低功耗模式传输语音、短信以及数据信息。由于SIM900A模块具有外观精巧、结构紧凑、性能稳定、性价比高等优点，可以实现对无人看守场所的安全监测。

本系统中将该模块管脚定义如下：引脚1接+5V电源VCC，引脚2接DTR，引脚3接89C51单片机TXD端P3.1口，SIM900A模块的引脚4接89C51单片机RXD端P3.0口，引脚8接GND，如图2所示。该模块与80C51单片机采用串口通信连接，可用AT指令对系统进行调试，一旦系统触发报警，GSM模块就会立即向指定手机发送煤气泄漏报警短信，提醒用户立即采用有效管控措施。

3.4 系统电路原理图

煤气泄漏报警器电路原理图如图2所示。

图2 煤气泄漏报警器电路原理图

4 软件设计

4.1 主程序设计

主程序流程图如图3所示。系统通电按下启动开关后先进行串口、定时器初始化，然后MQ-7气敏传感器模块采集所测环境中煤气浓度值，再经信号放大电路传送给89C51单片机。当煤气浓度大于用户设定的报警浓度时，检测模块发送低电平给单片机主控模块，当主控模块检测到有报警信号时，先进行分析，确认报警信号真实有效后，再输出低电平驱动蜂鸣器发出声音报警，同时发送指令给SIM900A执行模块将煤气泄漏报警信息发送到指定用户手机上。

图3 主程序流程图

主程序部分代码如下：

4.2 GSM发送短信报警程序

本次设计采用SIM900A作为短信息发送模块，系统中对SIM900A模块的控制及发送短信指令都是由特定字符串命令实现的，所以，信息发送指令部分也是本次软件程序的核心。这里以发送报警短消息为例作简要说明，假定1586133XXXX为指定号码，首先使用AT指令向SIM900A发送“AT+CMGF=1”，表示发送短信格式为文本格式，等收到SIM900A 回复“OK”后，再发送“AT+CMGS=“1586133XXXX””设置短消息需要发送的用户手机号，等待模块应答返回，最后输入需要发送的短信内容“煤气泄露，请注意！”即可。

SIM900A调试时对字符串格式有特定的要求，程序中必须以“AT”或“at”指令开头，以回车“ ”结束，信息发送指令通过调用信息发送函数GSM_Work()实现。

信息发送部分程序如下：

5 系统的调试及分析

煤气泄漏报警器实物图如图4所示。为了测试该煤气报警装置的性能，我们将程序中CO报警极限值设定为20，并用打火机现场进行了10次测试。首先插入sim卡，系统通电后按下启动开关，当MQ-7气敏传感器检测环境中的CO达到或超过极限值时就会触发报警系统，此时，红色报警灯点亮，启动蜂鸣器发出声音报警，同时通过GSM模块向指定手机终端发送报警短信，大约30S后用户手机接收到发送的报警短信[2]。

图4 煤气泄漏报警器实物图

6 结束语

本报警装置采用STC89C51型单片机作为主控芯片，它与SIM900A构成一个简单的检测系统，能够实时、准确地检测环境中CO气体的浓度，一旦CO浓度达到或超过极限值时就通过SIM900A模块立即向用户手机发送报警信息，实现了远程报警。该报警装置具有电路简单、精度高、成本低、速度快及稳定性好等特点，能够有效地防止因煤气泄漏导致的中毒和爆炸等安全事故的发生。