一氧化碳智能監(jiān)測處理系統(tǒng)設(shè)計

張兆豐+田華

摘要摘要：為了實時監(jiān)測一氧化碳濃度，防止事故發(fā)生，開發(fā)了一種一氧化碳報警器以及一氧化碳濃度超標(biāo)智能處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430F149單片機作為中央控制單元，由一氧化碳濃度傳感器、GSM短報文發(fā)送、AD轉(zhuǎn)換電路、聲光報警以及繼電器智能控制等模塊組成，實時監(jiān)測環(huán)境中一氧化碳的濃度值，系統(tǒng)迅速聲光報警以短報文的形式及時將信息發(fā)送至手機；利用繼電器控制電機實現(xiàn)自動開窗，從而減少事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：一氧化碳傳感器；GSM；實時監(jiān)測；監(jiān)控軟件

DOIDOI：10.11907/rjdk.162598

中圖分類號：TP319文獻標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001008603

引言

近年來，世界各地一氧化碳中毒事件頻發(fā)，尤以在汽車內(nèi)和冬季取暖室內(nèi)居多。造成汽車內(nèi)一氧化碳中毒的原因主要有兩方面：一是當(dāng)汽車發(fā)動機在怠速空轉(zhuǎn)時，因燃料不充分燃燒，產(chǎn)生大量含一氧化碳的廢氣；二是在運行中，油門過大，轉(zhuǎn)速大于3 000r/min時，導(dǎo)致油多空氣少，也會出現(xiàn)含一氧化碳極濃的廢氣[1]。造成室內(nèi)一氧化碳中毒主要是炭的不充分燃燒以及室內(nèi)通風(fēng)不良。一氧化碳對人體是劇毒氣體，其極易與血紅蛋白結(jié)合（它與血紅蛋白的親合力比氧與血紅蛋白的親合力大200倍以上），形成碳氧血紅蛋白，從而使血紅蛋白喪失運輸氧氣的作用和能力，導(dǎo)致紅細(xì)胞喪失吸氧能力，使人體多個器官嚴(yán)重缺氧，造成組織窒息[2]。因此，發(fā)明一款超低功耗、高可靠性、低成本的一氧化碳濃度智能報警處理系統(tǒng)，其意義是重大的。

一氧化碳監(jiān)測儀是一種檢測氣體泄漏濃度的工具，它可將氣體傳感器采集的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號，再通過對電信號控制相應(yīng)的模塊實現(xiàn)氣體探測的各項具體功能。氣體傳感器是一氧化碳監(jiān)測儀的核心組成，隨著計算機和氣體傳感器的不斷發(fā)展，氣體監(jiān)測正逐步向智能化、集成化方面發(fā)展[3]。目前根據(jù)傳感器的類型劃分，可分為紅外式一氧化碳報警器、催化燃燒式一氧化碳報警器、電化學(xué)式一氧化碳報警器以及半導(dǎo)體式一氧化碳報警器四大類[4]。目前市面上只有聲光報警的一氧化碳傳感器，還沒有短信報警以及智能處理的一氧化碳傳感器。

1監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，一氧化碳濃度安全監(jiān)測儀利用了目前非常成熟的單片機控制技術(shù)，由單片機、一氧化碳傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、聲光報警模塊、GSM無線通信模塊、智能處理模塊和手機終端組成。在本設(shè)計中，利用MSP430單片機作為一氧化碳智能報警處理系統(tǒng)的中央控制單元，其外圍利用串口分別連接了MQ-7型一氧化碳?xì)饷魝鞲衅鳌SM無線通信模塊。此外，監(jiān)控儀中還設(shè)計了對危險狀態(tài)進行報警的聲光報警模塊。

MSP430系列單片機是美國德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低MSP430單片機。它將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，具有處理能力強、運算速度快、超低功耗等特點，可以說MSP430單片機是一款性價比極高的芯片。根據(jù)功能要求，本系統(tǒng)采用MSP430F149型單片機。

1.2一氧化碳傳感器

根據(jù)美國UL2034標(biāo)準(zhǔn)要求，一氧化碳報警器標(biāo)準(zhǔn)的報警時間如下：濃度70ppm時，應(yīng)在60～189分鐘內(nèi)發(fā)出警報；濃度在150ppm時，應(yīng)在10～50分鐘內(nèi)發(fā)出警報；濃度在400ppm時，應(yīng)在4～15分鐘內(nèi)發(fā)出警報；濃度700ppm時，應(yīng)在2～6分鐘內(nèi)發(fā)出警報。因此，本系統(tǒng)當(dāng)一氧化碳濃度超過50ppm時，將進行短信報警和聲光報警。一氧化碳傳感器將一氧化碳濃度轉(zhuǎn)化為輸出電壓值，如圖2所示。輸出的電壓VS通過AD采樣電路輸出給單片機。AD轉(zhuǎn)換的主要作用是將模擬信號變成數(shù)字信號，本文AD采樣電路的核心芯片選用ADC0809。

GSM是全球移動通信系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中提供短信發(fā)送功能。TC35i是德國SIEMENS公司提供的一款雙頻高度集成的GSM模塊，電源范圍為5～12V ，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)[5]。為了保證GSM模塊通信可靠穩(wěn)定，首先將GSM模塊和PC機相連，利用串口調(diào)試助手軟件平臺進行通信信號設(shè)定與調(diào)試，從而驗證GSM模塊的功能。當(dāng)發(fā)送握手信號AT時，通過串口調(diào)試助手在發(fā)送窗口中給出AT值，設(shè)定手動發(fā)送，接收窗口收到信息為：OK。發(fā)送AT+CMGF=1時，返回OK，說明GSM模塊工作正常，可以進行短報文發(fā)送實驗。另外，通過串口調(diào)試助手檢測采集的數(shù)據(jù)，并驗證是否正確，如圖3所示。

智能處理模塊是針對一氧化碳濃度超過閾值的情況，中央控制單元控制繼電器實現(xiàn)電機自動開窗功能。繼電器控制電路原理如圖5所示[6]。繼電器選擇松樂繼電器SRS-05VDC-SL，使用常開觸點連接1、3引腳聯(lián)入電路控制電機，當(dāng)一氧化碳濃度超過閾值，單片機I/O輸出低電平，繼電器線圈吸合，常開觸點連接1、3引腳開關(guān)閉合，電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動開窗。

2監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1系統(tǒng)控制軟件工作流程

系統(tǒng)控制軟件是智能報警處理系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，軟件控制流程如圖6所示。系統(tǒng)啟動后，進行初始化并自檢，設(shè)定程序參量；控制軟件通過微處理器單元給定指令進行CO濃度檢測，檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳送給單片機，單片機將濃度通過12864液晶顯示并判斷CO濃度是否超標(biāo)，CO濃度未超標(biāo)，系統(tǒng)重新檢測，否則就發(fā)送GSM短信，同時聲光報警。

監(jiān)控程序軟件用C語言描述，完成系統(tǒng)的安初始化工作，包括看門狗、時鐘序列、端口等，并啟動監(jiān)控。主控模塊核心代碼如下：

3結(jié)語

本項目開發(fā)了一款一氧化碳濃度監(jiān)測智能處理系統(tǒng)，可對一氧化碳環(huán)境中的人員安全進行監(jiān)控。該系統(tǒng)可以安裝于汽車上、家庭中，可實時監(jiān)控環(huán)境中一氧化碳的濃度是否超標(biāo)，當(dāng)發(fā)生超標(biāo)時，本系統(tǒng)迅速聲光報警并短信報警，通知事主并發(fā)送地理位置信息。同時本系統(tǒng)利用單片機控制電機，實現(xiàn)自動開窗，從而減少事故的發(fā)生，提高人員安全性。該智能處理系統(tǒng)成本低、實用，應(yīng)用前景良好。

參考文獻：

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[3]趙燕.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.

[4]牛海軍，樊瑜波，楊松巖.基于ARM和DSP的超聲膀胱容積檢測與預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2011，32（8）：18581863.

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[6]段現(xiàn)星，王曉侃.基于單片機控制的車載酒精濃度檢測儀設(shè)計[J].測控技術(shù)，2013，32（8）：13.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）