學號： 常 州 大 學畢業設計（論文）開題報告（2013屆）題 目 基于單片機和GSM的可燃氣體報警系統設計 學 生 學 院 專 業 班 級 電子101 校內指導教師 屈霞 專業技術職務 副教授 校外指導老師 專業技術職務 二一三年三月題目：基于單片機和GSM的可燃氣體報警系統設計一、前言1 課題研究的意義，國內外研究現狀和發展趨勢在世界范圍內，展中具有劃時代的意義，安防市場發展較快。以美國為例，近二十五年中防盜報警發展突飛猛進，已深入美國社會各個角落。中國的安防市場不僅被國內企業所青睞，也為國際投資者所垂涎。傳統安防系統主要依靠電話網播報警訊，但電話網易被破壞，且由于架設線路困難不適用于偏遠地區或經濟落后地方。GSM網絡是基于TDMA技術和FDMA技術的通信網絡體系，在我國覆蓋面廣，是用戶最多的數字蜂窩移動通信系統。GPRS給現有GSM系統帶來分組業務，使得GSM用戶能通過手機接入因特網或企業網等公用數據網，并且其連接的建立可以用標準協議如IP或X25等。利用GSM網絡實現無線報警與監控具有明顯優勢。研究的意義：隨著我國燃氣的變革及西氣東輸工程的進行,煤氣或者天然氣已成為多數家庭的燃料。每年因煤氣泄漏造成的煤氣中毒事故中，因使用熱水器不當或產品本身的質量問題造成的一氧化碳中毒事故全國均有不少事例。更有因為室內煤氣濃度過高引起煤氣爆炸的事故。所以，人們對可燃氣體的檢測及監控的需求很大，家用燃氣報警器更是時下所需，基于GSM短信息和單片機的可燃氣體報警系統充分利用GSM短信息覆蓋范圍廣，可靠性高，價格低廉，隨時在線等優點，形成了集實時數據采集和遠程監控于一體的安全報警系統，實時準確測量周圍環境中的可燃氣體，有毒有害氣體泄漏，對保護人民的身體健康和財產安全有重要意義。 國內外研究現狀：國外從20世紀30年代開始研究及開發氣體傳感器，且發展迅速，一方面是因為人們安全意識增強，對環境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規的推動。據有關統計，美國1996年2002年氣體傳感器年均增長率為27%30%。隨著傳感器生產工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得氣體檢測儀器的體積也逐漸變小，提高了氣體檢測儀器的便攜性，更加利于生產、運輸及市場推廣。我國在70年代初期開始研制可燃性氣體報警器，生產型號多樣、品種較齊全，應用范圍也由單一的煉油系統擴展到幾乎所有危險作業環境的各種類型報警器，產品數量也在不斷增加。但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產工藝基礎上，進行研究與開發形成自己的特色。近年來，在氣體選擇性和產品穩定性上也有很大進步。燃氣報警器可分為民用可燃氣體報警器、工業用可燃性氣體報警器、有毒有害氣體報警器三大系列產品。發展趨勢：可燃性報警裝置不僅具有報警限制設定、聲光報警、控制輸出功能，而且具有時鐘、氣體濃度顯示、故障自診斷功能。報警儀應可以在較寬的溫度范圍下工作，這樣就可以被家庭、公司等多方面使用。對于化工廠，特別是PVC生產部門早期使用的可燃性氣體檢測報警儀存在易中毒失敗、透氣帽腐蝕堵塞，受風、雨、塵、聚合物等眾多問題及其影響。所以對可燃氣體報警儀的設計要求中不但要考慮技術原理，還要從研制報警儀本身所用材料著手，那樣就會避免很多因為氣體腐蝕性造成報警儀失效的問題。無論是對家庭還是公司企業來說，最重要的還包括可燃性報警儀的價格，價格合理，對于公司企業才能談經濟效益，這樣家庭也很容易接受。總之，具有先進的的科學技術、操作簡單顯示清楚、具有長時間的使用能力、能達到廣大使用者的理想價格的檢測報警裝置才是未來報警系統的發展方向。2課題的研究目標、內容和擬解決的關鍵問題目標：系統應實現對室內可燃氣體的聲光報警，同時通過GSM無線傳輸模塊發送短信給指定人手機，實現遠程報警。 內容：本設計采用單片機作為控制核心。可燃氣體傳感器采集到氣體濃度，然后通過A/D轉換器將信息送至單片機中處理，通過顯示屏顯示。鍵盤電路設置報警值檢測氣體濃度是否在設定范圍以達到聲光報警功能，并通過GSM無線模塊把信息傳輸到用戶手機。設計內容：(1) 選擇一種可燃氣體泄漏傳感器，實現警情檢測及放大。(2) 選擇單片機作為控制處理模塊檢測有無報警信號、是否布防，能及時處理報警信息和觸發聲光報警裝置實現定點報警。(3) 選擇一種GSM/GPRS模塊，實現與單片機通信。當單片機檢測到報警信號后，通過GSM模塊以短信形式發送報警信息到指定用戶手機。關鍵問題：(1) 通過傳感器檢測到的氣體濃度信號是模擬信號不能直接送往單片機進行處理，必須進行A/D轉換（模擬量轉換成數字量），并且檢測到的濃度信號需要通過放大器放大到足夠單片機讀取的幅度。(2) 要實現聲光報警功能必須要通過設計鍵盤電路來設置上下限報警值，并且還可以改變它的上下限的值。當氣體濃度達到或超過預警值時，立即發出聲光報警以提醒用戶采取安全措施。(3) 當發出聲光報警時，為了防止發生爆炸、火災等事故，必須啟動排風扇進行通風，然后啟動電磁閥供給煤氣，正常情況下電磁閥要求處于關閉狀態以切斷煤氣通道，防止煤氣外泄。 (4) 如果檢測到可燃氣體泄漏，用戶又不在現場，就要啟動GSM短消息模塊，向用戶手機發送短消息及時告知用戶情況異常，以便采取相應的安全措施。當濃度回到正常范圍的時候，關閉報警器，同時GSM模塊發送一條短信息，通知用戶，情況已恢復正常。二、設計方案的確定1方案的原理、特點與選擇依據基于單片機和GSM的可燃氣體報警系統設計應包括單片機控制模塊、傳感器模塊、按鍵顯示模塊、聲光報警模塊、故障處理模塊、GSM模塊和用戶手機。單片機控制模塊主要由時鐘電路、復位電路組成，構成單片機的最小系統。按鍵顯示模塊主要由按鍵電路和顯示屏顯示電路組成。根據以上所提及的系統模塊，可以繪制系統方框圖，如圖1所示。單片機控制器傳感器模塊按鍵顯示模塊聲光報警模塊故障處理模塊GSM模塊用戶手機圖1 系統方框圖(1)、傳感器模塊方案選擇方案一：傳感器選擇MQ-2/MQ-2S氣體傳感器。MQ-2/MQ-2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增加。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2/MQ-2S氣體傳感器對液化、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。MQ-2/MQ-2S氣體傳感器作為信號采集器件，采集到的信號通過A/D轉換器送給單片機處理。但是這種傳感器的不足在于該傳感器接觸到水就會造成敏感特性下降，無論是佛偶通電，在高濃度氣體中長期放置，都會影響傳感器特性，而且經長期不通電儲存的傳感器，在使用前需要長時間通電才能使其達到穩定。 方案二：傳感器選擇TGS813氣體傳感器。 TGS813氣體傳感器本方案GPS信息通過串口送入單片機，單片機處理信息并送至顯示器顯示。原理同方案一相同，本方案的優點在于CPU是16位的，處理速度相比較快。加上硬件乘法器，處理GPS數據就更加容易。而且MP430F149內部資源較多，但是本設計并不需要那么多資源，這也正是方案二不足的地方，會造成資源浪費。比較方案一和方案二可知，盡管STC89C54RD+運算能力不及MP430，可是已經可以滿足設計要求了，而且8為單片機軟件操作更簡單，價格也比16位的便宜。綜合各方面考慮CPU選擇方案一。 (2)、GPS模塊方案選擇本設計中GPS信息是以串行數據方式發送到單片機，但是不同的GPS模塊輸出電平并不相同。GARMIN公司的GPS輸出電平是RS-232電平4，HOLUX M-87 GPS則輸出CMOS電平。這里所提到的GPS模塊方案主要指GPS與單片機連接方式。若系統選用的是GARMIN公司的GPS25-LVS GPS模塊，系統設計提出了以下兩種方案。方案一：用MAXIM公司的MAX232芯片連接RS232輸出電平的GPS與單片機RS-232的邏輯電平以公共地對稱，其邏輯0電平規定在+3+25V之間，邏輯1電平則在-3-25V之間，要使用正負極性的雙電源。傳統的CMOS/TTL電平邏輯電平以地為標準不對稱設置，其邏輯0電平規定小于0.7V，邏輯1電平規定大于3.2V。方案圖如圖4所示。GPS串口上位機MAX232單片機GPS信息NMEA圖4 用MAX232芯片方案圖本方案中MAX232芯片能將+5V或者更低的電壓變換成RS-232所需的+10V以上的電壓，然后再用電壓反轉電路(芯片內部電路)將+10V變成-10V，這樣就可以得到RS-232所需的電壓。同時可以將RS-232電平轉成CMOS/TTL電平。但是本設計只是GPS單向往單片機發數據，所以用一個芯片來完成單向電平轉化太浪費。方案二：用三極管完成電平轉換考慮到設計中單片機只需接收GPS發來的數據，不用向GPS發數據。只需將GPS輸出的RS-232電平通過簡易模擬電路轉成TTL電平即可。運用三極管特性設計本方案如圖5所示。本方案借助三極管特性將10V電壓轉成TTL的5V，不僅成本低，而且電路簡單易于實現。但是電路的穩定性不如方案一的芯片。比較方案一與方案二可知，方案二成本低，硬件上易于實現。穩定性上方案一更好。綜合考慮設計需求。當系統選用的是GPS25-LVS GPS模塊的話，GPS模塊選擇方案二更好。GPSNMEAGND+5VTTL上位機串口電阻電阻圖5 用三極管方案圖若系統選用的是HOLUX M-87 GPS模塊的話，需要注意的是HOLUX M-87GPS輸出是CMOS電平，CMOS輸出的高電平可達VCC，低電平約等于GND。單片機的工作電平是TTL電平。在輸入電平高于2V時，就視為TTL高電平；當輸入小于0.8V時，就視為TTL低電平。相比CMOS的輸入輸出電平可以看出，CMOS輸出電平可以直接驅動TTL工作電平的單片機。所以HOLUX M-87 GPS模塊可以與單片機直接連接，無需電平轉換。2設計步驟(1)查找資料，熟悉GSM和可燃氣體報警系統的原理與組成； (2)查找相關文獻，提出幾套系統設計方案；(3)比較各種方案，綜合考慮設計需求，確定系統的硬件方案與控制方案；(4)根據硬件方案選擇氣體傳感器、單片機、GSM等硬件；(5)用相關仿真軟件對系統方案仿真；(6)制作并調試硬件電路；(7)功能測試與實驗結果；(6)撰寫論文。三、階段性設計計劃、設計目標與應用價值1設計計劃周次工 作 內 容預 定 目 標1-2畢業設計調研實習調研相關背景資料，寫實習報告2分析課題，查閱文獻，收集資料，調研論證，確定設計方案。理解課題任務，準備文獻綜述素材,通過調研論證，提出合理的設計方案3撰寫文獻綜述，提出GSM和可燃氣體報警系統方案交英文翻譯，翻譯準確；文獻綜述論述規范，方案合理4-5提出系統詳細設計方案系統結構設計和電路原理圖、印制板設計6-10軟件功能設計設計主程序（GPS接收處理、LCD液晶顯示程序等），并經過軟件調試11-13軟件、硬件聯調實現具有GPS定位及信息顯示的系統14-16撰寫畢業設計論文設計結構嚴謹，邏輯性強，層次清晰，文字流暢，符合規范17答辯準備充分，論述準確，回答問題正確2預期研究成果(1)單片機能夠正確讀取GPS數據；(2)能夠實現硬件設計、軟件設計及聯合調試；(3)液晶顯示的內容可以由鍵盤控制；(4)液晶顯示器能夠顯示時間、經度、緯度、水平高度、捕獲衛星數目和運動軌跡；(5)可以考慮影響GPS測量精度的因素及減少誤差影響。四、參考文獻1 蘇江福基于網絡的智能家居監控系統設計與實現D哈爾濱：哈爾濱工程大學，20082 謝衛華基于單片機的家庭智能防火防盜系統D哈爾濱：東北林業大學，20103 卓成軍 D南京：南京理工大學，20074 李光飛，李良兒單片機C程序設計實例指導M北京：航空航天大學出版社，2004.105 楊永基于GPS模塊與GSM模塊的雙CPU開發與應用D南京：東南大學，20076 陳蕾，仇潤鶴，薛冰雷一種應用于車載系統的GPS接收機射頻前端的設計J.微計算機信息，2005，20（3）：25-277 張惠，張健，梁興忠，張瑞峰全球定位系統（GPS）技術的發展現狀與未來發展趨勢J儀器儀表標準化與計量，2011，20（2）：1-68 胡大可MP430系列FLASH型超低功耗16位單片機M北京：航空航天大學出版社，2001.119 K. Zimmerman，“Experiments in the Use of the Global Positioning System for Space Vehicle Rendezvous” Ph.D.Thesis， Stanfor