毕业设计（论文）-可燃气体泄露无线报警装置设计.doc

陕西理工学院毕业论文（设计）可燃气体泄露无线报警装置设计（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业1203，陕西 汉中 723003）指导教师： 摘要 本设计是利用单片机对于可燃气体浓度进行检测并且可以及时报警的无线报警装置。该系统由MQ-2传感器采集可燃气体浓度信号，系统建立浓度与电压关系并且进行浓度电压之间的相互转换，通过LCD1602液晶显示屏将检测到的浓度及设定值显示出来，当系统检测到可燃气体浓度超过设定值时，就能发出声光报警信号且开启换气装置，同时实现发送短信的无线报警，能及时避免由于可燃气体泄漏所引起的安全事故。关键词 可燃气体 单片机 显示 无线报警 The design of combustible gas alarm systemRenchao(Grade2012,Class3,Major of Communication Engineering，School of Physics and Telecommunication Engineering , Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shaanxi)Tutor: LiCuihuaAbstract: This design is the use of single-chip microcomputer for the detection of combustible gas concentration and timely alarm of the wireless alarm device. The system combustibles gas concentration signal, the setting-up of the system concentration and voltage relationship and mutual conversion between concentration and voltage by the sensor mq-2 acquisition and displays the detected concentration and setting values through the LCD1602.When the system detects that the combustible gas concentration exceeds the set value,it will send out sound and light alarm signal,open the ventilation device and send text messages to the wireless alarm in time in order to avoid the security incidents caused by the gas leakage. Keywords：combustible gas microcontroller display wireless alarmII目 录1.绪论11.1 研究的目的及其意义11.2国内外情况及其发展趋势11.3论文结构12.系统的硬件设计22.1 方案论证及选择22.1.1 方案论证22.1.2 方案选择22.2 传感器部分的设计22.2.1 可燃气体传感器的概述22.2.2 MQ-2传感器及其主要特点32.3 单片机最小系统的设计42.4 显示电路设计62.5 报警电路设计82.5.1 继电器82.5.2 声光报警92.5.3无线报警103.软件系统的设计144.装配与调试174.1 硬件与软件调试174.2 测试结果175.总结19致谢20参考文献21附录A22附录B30附录C31附录D32陕西理工学院毕业论文（设计）1.绪论1.1 研究的目的及其意义随着工业的快速发展，液化石油气、天然气等含有甲烷类、烃类、烯类、醇类及一氧化碳等成分是易燃易爆的气体。其中天然气作为一种新型清洁型高效型能源得到广泛普及并且已经成为人们生活中不可缺少的一部分。有的可燃气体是无色无味或者在浓很小的情况下很难被人们发现。正是由于这一原因，所以煤气中毒和矿井中的瓦斯爆炸时常发生，给人的生活带来了生命和财产安全的危害。现在国内许多已经安装的可燃气体的检测器由于使用年度过久，器件老化，原有的技术指标不达标以及技术落后未淘汰而一直在使用的产品，所以研究新型、性能稳定并且能准确检测可燃气体的简易装置势在必行。家用智能天然气检测报警系统是预防天然气泄漏的一种家用的自动检测报警控制系统，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作为气电转换元件并配以声光报警，当泄漏的气体达到设定值时报警器就会发生鸣响和声光报警。 本设计主要针对可燃气体检测报警系统进行技术改进，使用单片机系统进行系统控制，LCD1602显示屏显示测量值和设定值，GSM实现无线通信。并且还增加了超出安全值时自动开启排风扇装置，这样使得人们的财产安全和生命安全得到进一步的保障。而且本系统成本低，安全性能好，能够监控可燃气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。1.2国内外情况及其发展趋势随着社会的发展，绿色环保的观念越来越成为人们生活中不可缺少的一部分。沼气是一种清洁、高效的可再生能源，可以替代天然气。但是无论沼气还是天然气，在人们的使用过程中若不注意，就会出现安全隐患，造成财产安全和人身事故。因此，对于可燃气体的检测是安全生产生活中的一个非常重要的环节。而我国经济处于高速发展，国家对于安全及环保也越来越重视，相关政策和法规陆续出台，极大地刺激了可燃气体检测仪器仪表行业市场的迅速扩大。然而，现在大多数可燃气体泄漏检测仪器仪表绝大多数都是常规有线仪表，只有少数采用无线。有线仪器在安装时要考虑信号电缆的铺设，这就限制了可燃气体检测仪器仪表的适用范围，在一些场合就不能安装固定的可燃气体监测装置。所以可以通过在不同地方放置便携式进行时时检测与报警。目前，世界各国已经开始将沼气用作燃料和用于照明。用沼气代替汽油、柴油，发动机器的效果也很好。将它作为农村的能源，具有许多优点。例如，修建一个平均每人1.2平方米左右的发酵池，就可以基本解决一年四季的燃柴和照明问题；人、畜的粪便以及各种作物秸秆、杂草等，通过发酵后，既产生了沼气，还可作为肥料，而且由于腐熟程度高使肥效更高，粪便等沼气原料经过发酵后，绝大部分寄生虫卵被杀死，可以改善农村卫生条件，减少疾病的传染。现在，沼气的应用正在各国广大农村推广，沼气能源的开发利用的普及等方面，已经取得了较好的成绩。1.3论文结构论文主要从技术概述、系统硬件电路设计、系统软件设计流程图以及制作与调试等几大方面来介绍可燃气体报警系统的设计和制作过程。其中方案论证及选择是从两种可以实现可燃气体浓度超标报警功能的方案中选出一个能及时报警、易操作、系统性能较高的方案。系统硬件电路设计主要设计包括：单片机最小系统电路、LCD1602显示电路、GSM模块电路、天然气检测电路、继电器控制电路、声光报警电路等。系统软件设计主要是设计单片机进行控制以及处理数据所需的相关C语言程序。最后对是系统整体的调试，将硬件电路与软件程序相结合，调整相关参数，使得系统的各个模块都能实现所要的功能并且达到最优。第 1 页 共 40 页2.系统的硬件设计2.1 方案论证及选择2.1.1 方案论证方案一：基于蓝牙的可燃气体无线报警系统蓝牙技术是一种无线网络技术，其以低成本、短距离无线连接为基础，可用于替代数字设备和计算机外设间的电缆连线以实现数字设备间的无线组网。首先由单片机通过蓝牙模块接收数据，然后将该数据导入LCD屏进行显示，同时单片机对收集的可燃气体浓度数据进行分析处理，并将其与设定值进行比较。当其浓度高于设定值时，系统立刻发出报警，开启排气设备。方案二：基于SIM900A的天然气报警系统。基于SIM900A的火灾报警系统，传感器采集数据传给单片机，单片机将数据进行处理并与设定值进行比较， 当测量值大于设定值时，SIM900A进行无线报警。SIM900A属于双频GSM/GPRS模块，采用SMT封装形式，其性能稳定，性价比高，可以满足打电话，发短息的基本功能。SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。2.1.2 方案选择方案一：蓝牙的通讯速率不是很高，并且受距离的远近影响较大，而且应用成本很高，普及难度大，并且只适用于进程通讯，不能达到远程的目的。故排除方案一。方案二： 目前手机以及全面普及，GSM网络信号覆盖面积广、网络接入灵活、无需布线，打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至全球漫游监控 。短消息(SMS)利用信令信道传输，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由服务中心再发给终端。短消息容量有限（每条短信内容最多140个字节），适于传输小流量的数据；由于建立时间较长，传送过程要受短消息服务中心服务器繁忙程度的影响，因而适于非连续性和实时性要求不太高的传输场合。短消息传输具有实现简单，通信成本低的优点。设计此系统的是基于短消息方式，简单、方便使用、价格低廉的实用性系统，因此我们选择SIM900A。2.2 传感器部分的设计2.2.1 可燃气体传感器的概述可燃气体传感器是气-电转换元件，它能将可燃气体浓度信息转化为模拟信号，然后通过A/D转换单元将模拟信号转化为数字信号送微处理器执行相应的操作。所以可燃气体传感器是系统的一个很关键的部分，它将直接影响到系统的性能，所以选择经济、稳定、精确的可燃气体传感器是设计系统的首要任务。可燃气体检测报警设备的核心部件是能对可燃气进行检测的可燃气体检测。可燃气体的传感器主要有半导体传感器，固体电解质气体传感器，接触燃烧气体传感器，高分子气体传感器，电化学式气体传感器等，由于可燃气体的种类很多，一种类型的气体传感器往往不能检测所有的可燃气体。接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式传感器和催化接触燃烧式传感器。其工作原理是气敏材料在通电状态下可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，燃烧使电热丝升温,从而使其电阻值发生变化。半导体气体传感器是以恒定的直流电源对半导体器件加热，当无可燃气体存在时，半导体两极间呈现高阻状态，传感器无信号输出。当空气中有可燃气体存在并吸附在氧化物烧结体上，引起半导体电导率或热导率的变化，使其阻值变小，从而将被测气体的浓度信息转变为电信号。第 2 页 共 40 页由于接触燃烧式气体传感器是利用可燃性气体氧化燃烧使电热丝升温来达到检测可燃气体的目的，因此这种类型传感器对不燃烧气体不敏感，不会造成其他气体的交叉感染。而且传感器受环境温度湿度的影响比较小，性能稳定。催化燃烧式气体传感器采用电桥原理构成检测电路，其线性度及灵敏度比较好。而半导体气体传感器则是裸露在环境中进行高温检测，故对气体造成的干扰很难克服，易出现误检误报的情况，同时易受温度湿度的影响，离散性比较大。气敏式传感器从检测方式上分，该传感器可分为表面电阻控型。表面电阻控制型有氧化锡、氧化锌等金属氧化物，其原理是当气敏半导体加热到200时，其表面可以吸附可燃气体从而改变电阻值来检测可燃气体浓度。其优点是对微量的可燃气体较为敏感，结构简单成本低。但是当浓度较大时，其选择性和线性较差，所以气敏式传感器多用于可燃气体的检测报警，基本不会用于井下瓦斯爆炸。MQ-2气体传感器的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器检测到可燃气体时，传感器的导电率会随着空气中可燃气体的浓度的增大而增大。在通过模数转化将电导率的变化转变为与该气体浓度相对应的输出信号。并且MQ-2气体传感器对液化气体、丙烷、氢气的林敏度较高，对于天然气和其他可燃气体的检测也很理想，在交宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，有简单的驱动电路，低成本，寿命长。所以可以被用于家庭用气气体泄漏报警器、工业可燃气体报警器以及便携式气体检测器MQ-2气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。若气浓度发生变化，其阻值也将随之变化。根据这一变化，可以从阻值的变化得出吸附气体的种类和浓度。2.2.2 MQ-2传感器及其主要特点MQ-2的主要特点：(1)具有电源指示和TTL信号输出指示；(2)具有D0开关信号（TTL）输出和AO模拟信号输出；(3)TTL输出有效信号为低电平。（当输出为低电平时信号灯亮，可直接单片机或继电器模块）；(4)模拟量输出电压随浓度的越高电压越高；(5)快速的响应恢复特性；(6)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；(7)对液化气，天然气，城市煤气，烟雾有较好的灵敏度；(8)输入电压为DC5V，功耗电流为150mA；(9)DO输出TTL数字量0和1（0.1和5V）；(10)AO输出0.1-0.3V（相对无污染），最高浓度电压是4V左右；当传感器通电后需要预热20S左右，测量的数据相对稳定。传感器内部有电热丝，发热属于正常现象，但是烫手就不正常；MQ-2模块的VCC接5V电源正极，GND接电源负极，AO为模拟信号输出，DO为TTL信号输出；MQ-2天然气传感器实物图如图2.1所示。图2.1 MQ-2烟雾传感器实物图MQ-2传感器原理图如图2.2所示。图2.2 MQ-2传感器原理图其引脚表如表2.1所示表2.1 MQ-2天然气传感器引脚功能引脚功能VCC5V工作电压GND外接GNDD0小板数字开关输出接口（0和1）A0小板模拟量输出接口一般情况下，传感器的电导率是随空气中可燃气体浓度的增大而增大，再通过外围电路就将电导率的变化转变成与气体浓度变化相对应的电信号。由于传感器输出的信号会比较弱并且还有不可避免的干扰，所以要对输出信号放大并要求很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗的放大电路。将传感器的输出信号依次经过放大、滤波、整流后输入到单片机。天然气传感器是气-电变换器，它属于气敏传感器，它将空气中天然气和甲烷气体的含量(即浓度)转化成对应的电压或者电流信号，传感器作为天然气和甲烷报警器的信号采集部分，是整个系统的核心组成部分之一。2.3 单片机最小系统的设计单片机最小系统是指单片机能正常工作所必须的基本电路，主要由单片机、复位电路、晶振电路组成。具体电路图如图2.3所示。电路主要包括：单片机、时钟电路、复位电路。图2.3单片机最小系统电路图(1)单片机芯片STC12C5A60S2单片机与工业标准MCS-51指令和输出管脚相兼容的芯片，是一个低功耗，高性能的CMOS 8位单片机STC15系列增强型8051单片机集成了上电复位电路与高精准R/C振荡器。主要有特性包括用户可直接启动的应用程序有8K字节、6时钟/机器周期和12时钟/机器周期课任意选择，指令代码完全兼容传统的80C51单片机，工作电压宽度达3.3V-5.5V，工作频率范围为0-40MHz，但实际工作频率可以达到48MHz，芯片上有512字节大小的RAM，通用I/O口有32个，P0口是漏极开路输出，在作总线扩展时，不用加上拉电阻，作I/O口时要加上拉电阻。STC12C5A60S2单片机还集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及EEPRM、集成MAX810专用复位电路,2路PWM，8路高速10位A/D、集成了PWM、SPI等高功能接口部件，并且简化最小系统的外围电路，让设计单片机应用系统更加简捷，使系统性能更加高效、可靠。STC12C5A60S2系列单片机内部自带A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达250KHz。8路电压输入型A/D，可做温度检测，电池电压检测，按键扫描等。上电后P1口为弱上拉型IO口，用户可以自己设置8路中的任何一路为A/D转化，不作A/D接口用的可以继续作IO口用。单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。该单片机是逐次比较型的ADC,由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位开始，顺序的对每一输入电压与内置D/A转换器进行比较，经过多次比较，使转换所得数字量逐次逼近输入模拟量对应值，逐次比较型A/D转换器具有度高速，低功耗等优点。 需要作为AD使用的端口要先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为1，将相应端口设为模拟功能。（2）复位电路单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位两种复位方式。51系列单片机复位信号都是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当振荡器运行时，在RST引脚上出现两个机器周期的高电平使单片机复位。如果需要单片机上电源就可以复位，则需在单片机外围加一个复位电路，其功能是在系统上电时为单片机提供复位信号，直到系统电源稳定后，再撤销复位信号。为了防止电源开关闭合引起的抖动对复位的影响，在电源稳定后要经过一定的延时再撤销复位信号。单片机在启动时要进行复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。(3) 时钟电路STC12C5A60S2单片机的工作频率在0-48M，芯片内部是一个反相放大器的输入和输出端，通常用于连接晶体振荡器，其外接晶体的引脚为XTAL1和XTAL2。外接的晶体与电容组成并联谐振回路，构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率可以在4MHz-48MHz之间选择，振荡器的频率取决于晶体的振荡频率，晶体选择11.0592MHz；电容对时钟频率有微调作用，常在5-100pF之间选择，通常取47pF左右的瓷片电容。2.4 显示电路设计 在单片机系统中应用液晶显示屏作为输出器件，显示质量高，体积小，质量轻，功耗低的特点。液晶显示屏每一个点在收到信号后就一直保持其颜色和亮度，恒定发光，不像阴极射线管显示器要不断刷新亮点，所以，液晶显示屏的画质高。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的连接更加方便、可靠，更易操作。液晶显示屏的功耗主要消耗在其内部电极和驱动IC上，所以其耗电量比较小。 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行控制，通电就会有相应的显示。而且液晶显示屏具有厚度薄、适用大规模集成电路直接驱动，易实现全色彩显示的特点。一个字符由6*8或8*8点阵组成，所以用LCD显示一个字符比较困难。但是LCD602内部自带字符发生器，所以字符显示就相对来说比较简单。LCD602是专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。LCD602的基本参数及引脚功能，其基本参数如图2.4。图2.4 LCD1602外形尺寸LCD1602显示屏的主要技术参数：(1) 显示容量为16*2个字符（不能显示汉字）；(2) 芯片工作电压为女4.5V-5.5V；(3) 工作电流为2mA（5V）；(4) 模块最佳工作电压为5V；(5) 字符尺寸为2.95*4.35(W*H)mm；LCD1602采用标准的14脚或16 脚接口，各个引脚接口说明如表2.2。表2.2 LCD1602各引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3V0液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK本光源负极在16个引脚中，V0为液晶显示屏对比度调整端，接电源正极时对比度最弱，接电源地时对比度最高，对比度告示会产生阴影方格，使用时可以通过一个10K的电位器调节对比度。RS为寄存器选择，当其为高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。R/W为读写信号线，高电平时进行读写操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端时使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。D0到D7都为双向的数据端口。单片机最小系统与LCD1602液晶显示屏的连接如图2.5所示。图2.5 单片机最小系统和LCD1602连接图2.5 报警电路设计2.5.1 继电器继电器是当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系，通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器是一种常用的继电器，一般由铁芯、线圈。衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加一定电压，线圈就会产生一定的电流，发生电磁效应，衔铁就会在电磁吸引的作用下克服弹簧的拉力吸向铁芯，使得衔铁的动触点和静触点吸合。当断电后，电磁消失，衔铁在弹簧的拉力下回到原来的位置，使得动态触点和原来静态触点吸合，通过这样的吸合、释放，使得在电路中的导通、切断的目的。其中继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点成为常开触点，处于接通状态的静触点成为常闭触点。其实物图如图2.6所示。图2.6 继电器继电器模块的特点：（1）常开接口最大负载为交流250V /10A，直流30V/10A；（2）采用贴片光耦隔离，驱动能力强，性能稳定，触发电流为5mA；（3）模块工作电压有5V、9V、12V、24V的可选电压；（4）容错设计可以使得控制线断，继电器不会动作（5）该模块可以通过跳线设置高电平或低电平出发；继电器模块有6个接口，其分为输入和输出端。其各个接口的功能如下：继电器输入端：DC+：接电源正极（电压按继电器要求有5V、9V、12V和24V选择）；DC-：接电源负极；IN：可以高或者低电平控制继电器的吸合；继电器输出端:NO：继电器常开接口，继电器吸合前悬空，吸合后与COM短接；COM：继电器公用接口；NC：继电器常闭接口，继电器吸合前与COM短接，吸合后悬空；继电器的工作模式有高电平与低电平之分，当继电器的跳线与LOW短接时为低电平触发，当继电器的跳线与High短接时为低电平触发。由于继电器线圈需要流过较大的电流才能使得继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，所以需要对电流进行放大。并且由于三极管有开关特性，所以可以控制继电器的开和关。2.5.2 声光报警ISD1820录音模块的电源电压3-5V，在录放模式下，按住REC录音按键不放即录音，RECLED灯会亮起来，录音在松开按键时停止，其放音有单通播放（按PALYE键一下即将全段语音放出，除非断电或者语音结束才停止播放）、点动播放（按住PALYL键即可放音，松开按键即可停止）和循环播放（按PALYEA键开始循环播音，当断电时才能停止）。在直通模式下，直通开关闭合，对话筒说话会从喇叭里扩音播放出来，构成喊话功能，由于该模式下的话筒放大时经过AGC自动增益调节和带筒滤波器，其音质比通常的话筒放大器要好，而且不会出现喇叭过载的情况。该模块的独立按键有REC（录音）键、PALYE（单通播放）键和PALYL（点动播放）。REC键当按下后对准咪头喊话就可录音。按下PALYE键，模块喇叭播放已经存起来的录音。当按下PALYL键播放已存录音，松开后播音停止。自锁按键FT键当按下对准咪头喊话可通过喇叭将声音直接播出。当按下PALYE键后模块通过喇叭循环播放已存的录音。该模块通过排针引出各个功能按键的引脚，可通过杜邦线链接到单片机来控制录音播放操作。其实物图如图2.7所示。图2.7录音模块LED 的基本结构是一块电致发光的半导体材料芯片，用银胶或白胶固化到支架上，然后用银线或金线连接芯片和电路板，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，最后安装外壳，所以 LED 灯的抗震性能好。将LED灯和语音报警模块通过与继电器输出端相连接，当单片机接通继电器是，语音报警和声光报警就可以启动。声光报警电路如图2.8所示。图2.8 声光报警电路2.5.3无线报警SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作的频段为EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class10/class8 和GPRS编码格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4。模块和用户移动应用物理接口为68个贴片焊盘，提供了模块和客户电路板的所有接口。键盘和SPI显示可以让用户灵活的设计定制应用，主串口和调试串口可以帮助用户进行开发应用。一路音频接口，包含一个麦克风输入 好扬声器输出并且还包含可编程的通用输入输出接口。SIM900A采用省电技术设计，所以在SLEEP模式下最低耗流只有1mA。其内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP AT命令让用户能容易的使用该协议，这些在用户做数据传输方面的应用非常有用。SIM900A有如下特点：（1） 支持频段为GSM/GPRS 900/1800MHz；（2） 低功耗，待机模式电流低于18Ma、sleep模式低于2mA；（3）支持数据、语音、短消息和传真；（4）语音编码支持半速率、全速率和增强速率；（5）AT 命令集控制；SIM900A主要参数如下：(1)供电范围： 3.3V-5V；(2)串口速率：可调（模块的串口速率为9600,19200,38400,57600,115200可选）；(3)无线协议：通过AT命令控制 （GSM 07.07 ,07.05 and SIMCOM 增强AT命令集）；(4)GPRS数据特性：下行传输最大速率为85.6kbps、上行传输最大速率为42.8kbps；(5)绿色LED指示灯：灭表示关机、64ms亮/800ms灭表示没有注册到网络、64ms亮/3000ms灭灭表示注册到网络、64ms亮/300ms灭表示GPRS通信；（6）工作环境：USB转TTL、51单片机、Arduino、ARM等；SIM900A实物图如2.9所示，SIM900A引脚功能说明如表2.3；与单片机的连接电路如图2.10所示。 图2.9 SIM900A实物图表2.3 SIM900A引脚功能说明管脚功能RX接收引脚TX发送引脚SIM-RTS请求发送，低电平有效GND连接到电源GNDVCC3.35V电源MCU-VCC5V电源图2.10 单片机与GSM连接图SMS的中文名称短信服务，他是在手机间发送文字信息或从个人计算机或手持设备向手机发送信息的一种方式，其中文本信息最大发送量为160（字母、数字或拉丁字母中的字符）个字符，对于中文一般最大发送量为70个字符。SMS信息的通路是控制通道，当发送信息的时候，该短信通过发射塔以控制通道上小型数据包的形式先通过SMSC（短息业务中心），再经过发射塔将短息发送到目的设备。对于消息短息的控制有三种模式：Block Mode、基于AT指令的Text Mode、基于AT指令的PDU Mode。目前默认使用PDU Mode，通过PDU编码的短息内容可以是文字、声音或者图像。在该系统中，通过单片机串口向GSM模块发送相应的AT命令来实现短消息的发送和接受来实现数据的无线传输功能。SIM900A是通过AT指令进行通信的。AT命令是一套用于对GSM模块控制的命令，通常以“AT”开头。一般AT命令以字母“AT”开头，以ASCII码为13的字符结尾。PDU模式收发短消息可有三种编码：7-bit 编码、8-bit 编码和UCSII编码。7位编码用于发送普通的ASCII字符；8位编码用于发送数据信息，如图片或铃声等；UCSII编码用于发送Unieode字符。因本系统发送中文信息，所以必须采用PDU模式的Unicode编码方式。该系统将SIM900A模块设置为PDU模式发送和接收短消息，采用Unieode编码方式。UCSII 编码，是将单个的字符(1-2 个字节)按ISO/IEC10646 的规定，转变为16 位的Unicode 宽字符，待发送的消息以UCSII 码的形式进行发送SIM900A支持规范GSM07.05 和GSM07.07的指令集。其中GSM07.07主要是短消息的应用， GSM07.05指令集提供的AT命令主要实现短消息的发送、删除、存储等操作，下面对某些AT命令进行具体的介绍。其AT指令如表2.4所示。表2.4 相关的GSM AT指令AT+CMGC发出一条短消息命令AT+CMGD删除SIM卡内存的短消息AT+CMGF选择短消息信息格式：0-PDU;1-文本AT+CMGR读短消息AT+CMGS发送短消息AT+CMGW向SIM内存中写入待发的短消息AT+CMSS从SIN|M内存中发送短消息AT+CSCA短消息中心地址AT+CSMS选择短消息服务3.软件系统的设计该系统主要由可燃气体传感器MQ-2，单片机最小系统，报警电路，GSM报警模块以及排气模块组成。其系统原理图如图3.1所示。图3.1系统原理图当系统通电后，系统完成初始化，传感器进行预热并检测，LCD1602显示屏会显示当前环境中的测量结果和设定的报警临界值。当传感器检测到可燃气体时将其采样值传给单片机，单片机进行A/D转化，并与设定的值进行比较，若传感器检测的值低于报警临界值，则系统正常运行，重复执行上述操作。当气体浓度达到或大于临界值时单片机通过最小系统向各个模块发出相应的指令，即打开排气装置，声光报警的同时进行无线报警报，向指定的手机发送报警短信，系统完成报警功能。系统的流程图如图3.2。图3.2 系统流程图此系统的远程报警使用的是SIM900A集成芯片，SIM900A采用工业标准接口，工作频率GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，高度集成的GSM模块。在GSM网络日臻完善的今天，它易于集成。在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域都能看到无线模块在发挥作用，也是产品质量和性能的保证。这些产品可以很容易向GPRS领域过度，花费较少的成本能享受到GPRS技术带来的方便快捷。SIM900A的流程图如图3.3所示。图3.3 SIM900A模块流程图当系统上电后，SIM900A系统数据和波特率初始化，AT+CMGF=0设置为PDU模式，AT+CMGS=85；设置发送数据和数据的个数，单片机接收到报警信号后向SIM900A发送指令，SIM900A开始向指定手机发送报警短信，直至报警结束。4.装配与调试4.1 硬件与软件调试步骤一 将硬件电路完整的焊接在一起；步骤二 先检查单片机最小系统，看是否能正常工作；步骤三 在单片机最小系统功能实现的情况下，分别测试LCD1602显示屏，GSM模块，以及继电器是否能正常工作；步骤四 在各个模块能正常工作的情况下进行软件调试；可燃气体泄漏无线装置电路图如图4.1所示。图4.1 可燃气体泄漏无线装置电路图 在硬件电路完成后，下来是对各个模块进行单独调试，在各个模块完成单独调试后进行整体的调试。在调试过程中注意单片机与各个模块连接的管教以及编程中定义的管教脚要相互匹配。在主函数中调用子函数要进行声明，并且在主函数中要实现的功能注意各个模块的先后次序的书写。在调试SIM900A时出现了一直处于搜索网络的状态，绿色的LED灯64ms亮/3000ms熄灭。该模块的绿色LED指示灯熄灭表示处于关机状态，绿色的LED灯64ms亮/800ms熄灭表示没注册到网络，绿色的LED灯64ms亮/3000ms熄灭表示注册到网络，绿色的LED灯64ms亮/300ms熄灭表示GPRS通信 ，最后在查阅图书和上网查找资料才将这个问题解决。该模块要在5V，1A的电源下才能正常工作。在更换电源后才完成了该模块的软件调试。LCD1602模块在正常显示前要进行初始化，并且在连接电路时要给其V0端口接一个滑动变阻器，以便调节屏幕的亮度。如果不接该滑动变阻器，那么屏幕有时候会出现第一行全是方格子或者显示的字数字母不清晰。D0到D7端口要和单片机的P0到P7端口一一对应，这样可以方便后续检测程序。声光报警电路相对比较简单，通过单片机控制继电器的接通来控制报警电路，在程序中用一个判断语句来实现。继电器的作用相对于一个开关，当气体检测模块测量值满足测量值大于设定值时，单片机给继电器一个高电压，使得继电器接通，这样就打开了声光报警电路和排气系统，同时完成无线报警。4.2 测试结果在系统正常运行并且在可燃气体浓度大于设定值时的到的结果如图4.2所示。图4.2 测试结果操作说明：给系统上电后，电源指示灯会亮，语音报警模块会发出声音，LED报警灯会亮一下，LCD1602显示屏显示WELCOME!。以及各个模块相继完成其初始化。等待各个模块进入正常工作状态时，LCD1602显示屏第一行会显示数设定的值，第二行会显示当前环境中气体传感器检测的值（当环境没有时显示为0），SIM900A模块上的绿色的LED灯由一秒闪一下变到三秒闪一下表示该模块已经注册到网络，可以正常工作。当该系统处于正常工作模式时，检测到的可燃气体浓度低于设定值，声光报警电路和无线短信报警不会被触发。当气体传感器检测到的数值大于设定值，单片机给继电器一个高电压，使得继电器接通，这样就打开了声光报警电路和排气系统，同时完成无线报警，GSM模块会给指定手机发送短信，进行通知。当空气中的浓度降下来并且低于设定值，声光报警电路停止报警。虽然完成了本次毕业设计课题中所要求的基本功能，但还存在许多可以改进的地方，使其应用于不同的场合。例如：（1） 使用蜂鸣器来代替ISD语音模块能使整体电路电路相对简单。但是其缺点在于蜂鸣器的声音比较小，在声音吵杂的环境中不能使用。所以要根据不同的场合来确定声音报警用蜂鸣器还是用带有喇叭的语音模块；（2） 在该控制系统中，仅仅在测量值大于设定值的情况下完成了短信报警，没有完成反馈短息的发送。该反馈消息是指在完成报警短息后，在当前环境中的可燃气体浓度是否下降，如果可燃气体浓度没有及时降下来，则进行再次报警，当其浓度低于设定值时发送短信提示其当前环境处于安全状态。（3） 本系统只用了GSM模块中的发送短信的功能，由于某些原因，有时候短息不能及时的到达对方手机，所以还可以使用其拨打电话的功能，可以进一步提升其报警功能。如果考虑以上因素，在此基础上进一步完善该系统，那么可以在更广的范围内应用。 5.总结 在做毕业设计的这段时间中，经过不断的努力，毕业设计整体即将完成。从开始接到题目到系统功能的基本实现，再到论文的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战。在大学四年的学习生涯中，以前的课程设计至少有两个人共同完成，然而毕业设计要我自己独立完成，对我来说是一个巨大的挑战。通过做毕业设计，让我学到了很多新的知识，同时也有很多感受，我开始了独立的学习和实践，每次遇到困难和挫折，都是在通过查阅图书，上网查找资料，询问老师和寻找同学的帮助下得以解决。毕设每取得一点点的进展，从单个的元器件到最终作品的形成，基本功能的实现，都是对我努力的一次次肯定。 在次毕业设计中，不仅将以前课本上所学的东西用到，而且接触了许多新的知识。对于单片机、气体传感器、LCD1602显示屏、语言报警模块的知识一无所知到最终将它们成功的搭建在一起并且实现对可燃气体检测的无线报警，让我把所学知识跟实际应用相结合，真正的做到了学以致用。特别是此次毕设课题用到了51单片机的增强型单片机STC12C5A60S2，MQ-2气体传感器传感器，开拓了视野。由于网络的全面覆盖，手机的普及，使得人们的日常生活离不开手机。该可燃气体检测的无线报警装置是基于SIM900A模块完成的，将现在人们最常用的通信工具手机与天然气报警控制系统结合起来，使用户更加方便快捷的掌握相关信息，以便在无人的情况下实时监测环境，这对于避免灾害发生和保护人们的财产安全和人生安全起到很大的作用。通过做毕业设计使得我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位李翠花老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文顺利完成。致谢本设计的完成是在导师李翠华老师的细心指导下完成的。在每次遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了李老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师的认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，表示真诚的感谢。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益匪浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。老师的谆谆诱导、同学的出谋划策及家长的支持鼓励，是我坚持完成论文的动力源泉。在此，我特别要感谢我的导师李翠华老师。没有李翠华老师的辛勤栽培孜孜教诲，就没有我论文的顺利我完成。时间的仓促及自身专业水平的不足，整篇论文存在还存在着缺点和不足。恳请阅读此篇论文的老师、同学，给予指点，不胜感激。 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