鄭道林，孫耀杰，左兆輝

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

據(jù)世界衛(wèi)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(guó)每年也發(fā)生10萬(wàn)多宗煤氣中毒事故。尤其在我國(guó)廣大的農(nóng)村地區(qū)，由于采用燃煤取暖的方式，一氧化碳中毒事件常有發(fā)生[1]。目前我國(guó)針對(duì)農(nóng)村市場(chǎng)的CO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或儀器還較少，CO監(jiān)測(cè)裝置大多應(yīng)用于煤礦等生產(chǎn)部門，人民的生命安全受到極大威脅。因此我們急需設(shè)計(jì)出一款針對(duì)農(nóng)村市場(chǎng)的CO監(jiān)測(cè)裝置。此裝置應(yīng)該具有穩(wěn)定性高，價(jià)格合理，安裝方便等特點(diǎn)以利于在農(nóng)村地區(qū)推廣。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)采用單片機(jī)為微控核心。首先，通過(guò)CO傳感器收集環(huán)境中的CO數(shù)據(jù)信息。CO傳感器將采集到的模擬信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)邏輯處理判斷是否越限，越限本地聲光報(bào)警并由LCD液晶顯示報(bào)警線路、實(shí)時(shí)濃度，通過(guò)GSM模塊向指定電話發(fā)送報(bào)警短信，系統(tǒng)的報(bào)警閾值，電話號(hào)碼可通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the system

本系統(tǒng)主控芯片選用宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，其具有使用普遍、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，是目前同類技術(shù)中性價(jià)比較高的產(chǎn)品。STC89C52的P0口用于與LCD1602數(shù)據(jù)傳輸，P1口用于接收AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)以及對(duì)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(bào)警等[2]。下面對(duì)各部分器件及其電路設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要闡述：

2.1 CO傳感器模塊

CO傳感器是系統(tǒng)中的重要部件，傳感器的性能直接決定了監(jiān)測(cè)結(jié)果的好壞。市場(chǎng)上的CO傳感器分為兩種，半導(dǎo)體式與電化學(xué)式。電化學(xué)傳感器的靈敏度比半導(dǎo)體傳感器要高，并且功耗低更穩(wěn)定。因此本系統(tǒng)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(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在CO氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)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(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與CO濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2應(yīng)用電路如圖2，其中S1為MQ-2。

圖2 MQ－2應(yīng)用電路圖Fig.2 Application circuit diagram of MQ－2

MQ－2采集的模擬信號(hào)要經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器處理后發(fā)送給單片機(jī)，將MQ－2的輸出端OUT與AD轉(zhuǎn)換器的輸入通道AD0連接。

2.2 AD轉(zhuǎn)換器模塊

系統(tǒng)選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的10位AD轉(zhuǎn)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位開關(guān)電容逐次A/D逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TLC1543的CS（15腳）為片選端，CS端的一個(gè)下降沿將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器并控制和使能芯片。ADDRESS（17腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，用來(lái)選擇下一個(gè)即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測(cè)試電壓。DATA OUT（16腳）為A/D串行輸出端，它與單片機(jī)通信，可對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(tǒng)時(shí)鐘由片內(nèi)產(chǎn)生。我們將TLC1543的15～18引腳分別與單片機(jī)的P1.0～P1.3連接。TLC1543將MQ－2采集的模擬信號(hào)處理后傳送給單片機(jī)。

2.3GSM模塊

系統(tǒng)選用西門子工業(yè)級(jí)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(jī)通信，所以我們將TC35i的RXD、TXD分別與單片機(jī)的TXD、RXD相連。我們用單片機(jī)的P3.4引腳控制TC35i的點(diǎn)火信號(hào)IGT[3]。與單片機(jī)連接如圖3所示。

圖3 GSM模塊部分Fig.3 GSM module part

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(jī)的P0口通過(guò)上拉電阻與LCD1602的D0～D7連接并行傳輸數(shù)據(jù)，將LCD的R/S（數(shù)據(jù)/命令選擇H/L）、R/W（讀/寫選擇）、E（使能端）分別與單片機(jī)的 P2.0、P2.1、P2.2 連接實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的控制[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(duì)其中重要的模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)以電壓的形式表現(xiàn)出來(lái)我們要經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)化后才能輸入單片機(jī)處理，AD轉(zhuǎn)換部分的軟件流程如圖4所示。

圖4 AD轉(zhuǎn)換流程圖Fig.4 AD conversion flowchart

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(jī)通過(guò)串口與其通信。單片機(jī)串口初始化如下：

void Serial_Init（void）//串口初始化函數(shù)

{

SCON=0x50；//串口:方式 1，允許發(fā)送和接收

TMOD=0x20；//定時(shí)器 1:模式 2，8位自動(dòng)重裝模式，用于產(chǎn)生波特率

TH1=0xFD；//11.059 2 MHz晶振，波特率為9 600

TL1=0xFD； //定時(shí)器初值

TR1=1； //開啟定時(shí)器1

ES=1； //開啟串口中斷

EA=1； //開啟全局中斷

}

在使用TC35i之前單片機(jī)要給IGT一個(gè)大于200 μs的上升沿，以啟動(dòng)模塊，之后單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送AT指令來(lái)控制TC35i工作[5]，以本系統(tǒng)中發(fā)送報(bào)警短信為例，具體實(shí)現(xiàn)如下：

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

2）單片機(jī)發(fā)送"AT+CMGF=0 "，設(shè)置TC35i為PDU中文短信模式。設(shè)置成功返回“OK”。

3）單片機(jī)發(fā)送"AT+CMGS=31"，設(shè)置短信長(zhǎng)度。設(shè)置成功返回“OK”。

4） 寫入短信內(nèi)容 “11000D916881082

25397F4000800104E006C27531678

B362A58B66901A9053”。內(nèi)容為經(jīng)過(guò)Unicode編碼后的形式，其中包括運(yùn)營(yíng)商短信中心號(hào)碼、接收端手機(jī)號(hào)碼、中文短信內(nèi)容。此處即為向188XXXX5794手機(jī)號(hào)發(fā)送“一氧化碳報(bào)警”。手機(jī)號(hào)碼可通過(guò)外部按鍵進(jìn)行修改。

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

6）發(fā)送完成 TC35i返回“+CMGS=150”“OK”。 150 為系統(tǒng)發(fā)送短信計(jì)數(shù)，OK表示發(fā)送成功[6]。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

程序首先執(zhí)行初始化程序，完成LCD，GSM模塊的初始化，對(duì)GSM模塊設(shè)定默認(rèn)報(bào)警電話號(hào)碼等工作。然后開始CO濃度采集，A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)接收到采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行運(yùn)算，超過(guò)閾值進(jìn)行聲光報(bào)警以及啟動(dòng)GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信。

4 系統(tǒng)仿真

利用KEIL與Proteus聯(lián)合仿真的方式，對(duì)系統(tǒng)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(jī)串口輸出給TC35i的信號(hào)。設(shè)定虛擬串口終端能響應(yīng)輸入字符，這樣，模仿TC35i的返回信息。仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)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(jiān)測(cè)CO濃度值，第二行為我們?cè)O(shè)定的報(bào)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(hào)報(bào)警。圖中30為溫度，即30℃。單片機(jī)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(cè)試，系統(tǒng)開機(jī)后能在30 s左右完成采集并實(shí)時(shí)顯示，穩(wěn)定性高，操作簡(jiǎn)便。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)采集速率，能夠很好的完成CO監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)越限的本地與遠(yuǎn)程報(bào)警功能。將區(qū)域內(nèi)所有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)手機(jī)號(hào)設(shè)定為相同的號(hào)碼，便可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域性監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)實(shí)物經(jīng)多次測(cè)試，表明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、易于安裝，操作簡(jiǎn)單，成本低廉易于在農(nóng)村大面積推廣等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 系統(tǒng)仿真圖Fig.6 System simulation figure

[1]程利民，朱曉玲.單片機(jī)在CO監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2011（10）:43-45.CHENG Li-min，ZHU Xiao-ling.Application of microcontroller in CO monitoring and alarming system[J].Coal Technology，2011（10）：43-45.

[2]王立紅，李曼.基于單片機(jī)的CO監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)[J].工程技術(shù)，2010（10）:33-34.WANG Li-hong，LI Man.CO monitoring and alarm system based on single chip[J].Engineering and technical2010（10）:33-34.

[3]吳青，仵博.基于TC35i的GSM報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009（2）:36-37.WU Qing，WU Bo.Design and Implementation of GSM Alarm Based on TC35i[J].Microcomputer Information，2009（2）:36-37.

[4]陳素華，王國(guó)志.基于單片機(jī)的LCD顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9:75-78.CHEN Su-hua，WANG Guo-zhi.LCD display system design based on AVR chip[J].Xuchang university Journal，2010（9）:75-78.

[5]馬勝前，張維昭.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控器[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（2）:54-57.MA Sheng-qian，ZHANG Wei-zhao.The smart monitor based on the GSM network[J].JournalofNorthwestNormal University：Natural Science Edition，2010（2）:54-57.

[6]陳凱，秦實(shí)宏.基于GSM模塊T C35I的收發(fā)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）:91-94.CHEN Kai，QIN Shi-hong.Design of receive and transmit control system based on GSM module TC35i[J].Journal of Wuhan Institute of Technology， 2011（1）:91-94.