基于MQ-2與GSM的CO監測報警系統的設計

摘要：開(kāi)發(fā)了一款具有短信發(fā)送功能的CO監測與報警系統。系統利用STC89C52單片機與MQ-2傳感器相結合的方式對多路CO信號進(jìn)行監測，濃度可實(shí)時(shí)顯示，當濃度超過(guò)閾值時(shí)本地聲光報警，利用GSM模塊TC35i向指定的手機發(fā)送報警短信。報警閾值、手機號碼可通過(guò)按鍵進(jìn)行設定。系統操作簡(jiǎn)便、精度高、靈敏度強，并且很好的控制了成本有利于推廣，達到了設計要求

據世界衛生組織公布，世界上每年有超過(guò)250萬(wàn)人死于CO中毒，我國每年也發(fā)生10萬(wàn)多宗煤氣中毒事故。尤其在我國廣大的農村地區，由于采用燃煤取暖的方式，一氧化碳中毒事件常有發(fā)生。目前我國針對農村市場(chǎng)的CO監測系統或儀器還較少，CO監測裝置大多應用于煤礦等生產(chǎn)部門(mén)，人民的生命安全受到極大威脅。因此我們急需設計出一款針對農村市場(chǎng)的CO監測裝置。此裝置應該具有穩定性高，價(jià)格合理，安裝方便等特點(diǎn)以利于在農村地區推廣。

1 系統總體方案

本系統采用單片機為微控核心。首先，通過(guò)CO傳感器收集環(huán)境中的CO數據信息。CO傳感器將采集到的模擬信號通過(guò)AD轉換器轉化為數字信號后傳送給單片機，單片機經(jīng)邏輯處理判斷是否越限，越限本地聲光報警并由LCD液晶顯示報警線(xiàn)路、實(shí)時(shí)濃度，通過(guò)GSM模塊向指定電話(huà)發(fā)送報警短信，系統的報警閾值，電話(huà)號碼可通過(guò)按鍵進(jìn)行設定。系統結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

本系統主控芯片選用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52單片機，其具有使用普遍、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，是目前同類(lèi)技術(shù)中性?xún)r(jià)比較高的產(chǎn)品。STC 89C52的P0口用于與LCD1602數據傳輸，P1口用于接收AD轉換器的數據以及對液晶1602的控制，串口RXD、TXD與TC35i通信，其余管腳用在按鍵和聲光報警等。下面對各部分器件及其電路設計作簡(jiǎn)要闡述：

2.1 CO傳感器模塊

CO傳感器是系統中的重要部件，傳感器的性能直接決定了監測結果的好壞。市場(chǎng)上的CO傳感器分為兩種，半導體式與電化學(xué)式。電化學(xué)傳感器的靈敏度比半導體傳感器要高，并且功耗低更穩定。因此本系統選用了電化學(xué)CO傳感器MQ-2，其使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在CO氣體時(shí)，傳感器的電導率隨空氣中CO濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導率的變化轉換為與CO濃度相對應的輸出信號。MQ-2應用電路如圖2，其中S1為MQ-2。

MQ-2采集的模擬信號要經(jīng)過(guò)AD轉換器處理后發(fā)送給單片機，將MQ-2的輸出端OUT與AD轉換器的輸入通道ADO連接。

2.2 AD轉換器模塊

系統選用美國TI公司生產(chǎn)的10位AD轉換器TLC1543。它具有多通道、低價(jià)格的特點(diǎn)。TLC1543為20腳DIP封裝的CMOS 10位開(kāi)關(guān)電容逐次A/D逼近模數轉換器。TLC1543的CS(15腳)為片選端，CS端的一個(gè)下降沿將復位內部計數器并控制和使能芯片。ADDRESS(17腳)為串行數據輸入端，用來(lái)選擇下一個(gè)即將被轉換的模擬輸入或測試電壓。DATA OUT(16腳)為A/D串行輸出端，它與單片機通信，可對數據長(cháng)度和格式靈活編程。I/O CLOCK(18腳)時(shí)鐘輸入/輸出提供同步時(shí)鐘，系統時(shí)鐘由片內產(chǎn)生。我們將TLC1543的15～18引腳分別與單片機的P1.0～P1.3連接。TLC1543將MO-2采集的模擬信號處理后傳送給單片機。

2.3 GSM模塊

系統選用西門(mén)子工業(yè)級GSM模塊TC35i來(lái)發(fā)送短信，它工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V。TC35i利用串口與單片機通信，所以我們將TC35i的RXD、TXD分別與單片機的TXD、RXD相連。我們用單片機的P3.4引腳控制TC35i的點(diǎn)火信號IGT。與單片機連接如圖3所示。

2.4 液晶LCD1602模塊

1602為工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16*2即32個(gè)字符。將單片機的P0口通過(guò)上拉電阻與LCD1602的D0～D7連接并行傳輸數據，將LCD的R/S(數據/命令選擇H/L)、R/W(讀/寫(xiě)選擇)、E(使能端)分別與單片機的P2.0、P2.1、P2.2連接實(shí)現對LCD的控制。

3 系統軟件設計

系統的軟件部分采用C語(yǔ)言編程，具有很好的模塊化和移植性。我們對其中重要的模數轉換，以及短信發(fā)送模塊進(jìn)行介紹。

氣敏傳感器MQ-2采集到的模擬信號以電壓的形式表現出來(lái)我們要經(jīng)過(guò)AD轉化后才能輸入單片機處理，AD轉換部分的軟件流程如圖4所示。

選用的短信模塊TC35i支持多種通信波特率，這里使用9600bps的波特率，單片機通過(guò)串口與其通信。單片機串口初始化如下：

在使用TC35i之前單片機要給IGT一個(gè)大于200μs的上升沿，以啟動(dòng)模塊，之后單片機通過(guò)串口發(fā)送AT指令來(lái)控制TC35i工作，以本系統中發(fā)送報警短信為例，具體實(shí)現如下：

1)啟動(dòng)后單片機通過(guò)串口發(fā)送指令“AT”，若TC35i與單片機通信正常，TC35i向單片機返回“OK”

2)單片機發(fā)送“AT+CMGF=0n”，設置TC35i為PDU中文短信模式。設置成功返回“OK”。

3)單片機發(fā)送“AT+CMGS=31”，設置短信長(cháng)度。設置成功返回“OK”。

4)寫(xiě)入短信內容“11000D916881082

25397F4000800104E006C27531678

B362A58866901A9053”。內容為經(jīng)過(guò)Unicode編碼后的形式.其中包括運營(yíng)商短信中心號碼、接收端手機號碼、中文短信內容。此處即為向188XXXX5794手機號發(fā)送“一氧化碳報警”。手機號碼可通過(guò)外部按鍵進(jìn)行修改。

5)單片機發(fā)送結束符“0x1a”，TC35i收到結束符后發(fā)送短信。

6)發(fā)送完成TC35i返回“+CMGS=150”“OK”。150為系統發(fā)送短信計數，OK表示發(fā)送成功。

系統主程序流程圖如圖5所示。

程序首先執行初始化程序，完成LCD，GSM模塊的初始化，對GSM模塊設定默認報警電話(huà)號碼等工作。然后開(kāi)始CO濃度采集，A/D轉換，單片機接收到采集數據后進(jìn)行運算，超過(guò)閾值進(jìn)行聲光報警以及啟動(dòng)GSM模塊發(fā)送報警短信。

4 系統仿真

利用KEIL與Proteus聯(lián)合仿真的方式，對系統進(jìn)行仿真，仿真中我們以滑動(dòng)變阻器變化產(chǎn)生不同的電壓值來(lái)模擬MQ-2采集到的不同濃度CO值，利用模擬串口終端讀取單片機串口輸出給TC35i的信號。設定虛擬串口終端能響應輸入字符，這樣，模仿TC35i的返回信息。仿真結果達到預期，仿真圖如圖6所示。

液晶顯示器的第一行顯示的736、184、327(單位ppm)實(shí)時(shí)顯示的為3個(gè)CO傳感器監測CO濃度值，第二行為我們設定的報警閾值(600 ppm上限)，可以看到只有第一個(gè)濃度736 ppm超過(guò)了上限600 ppm所以在顯示器的右下角顯示1，即表示1號報警。圖中30為溫度，即30℃。單片機串口發(fā)送了正確的AT指令。仿真后我們制作了實(shí)物，經(jīng)多次測試，系統開(kāi)機后能在30 s左右完成采集并實(shí)時(shí)顯示，穩定性高，操作簡(jiǎn)便。

5 結論

本系統具有較高的數據采集速率，能夠很好的完成CO監測并實(shí)現越限的本地與遠程報警功能。將區域內所有的監測系統目標手機號設定為相同的號碼，便可以實(shí)現區域性監測。系統實(shí)物經(jīng)多次測試，表明該系統具有穩定可靠、易于安裝，操作簡(jiǎn)單，成本低廉易于在農村大面積推廣等特點(diǎn)，達到了設計要求。