便攜式CO 氣體泄漏多模式報警儀設計與實現*

高 濤，袁 帥，翟娟紅，張 策，程 飛

(長安大學 信息工程學院，陜西 西安710072)

0 引 言

CO 是一種無色無味的氣體，由于它與人體內的血紅蛋白有高度的親和力，所以，當它被吸入體內后，使人發生疲憊、氣短、惡心和頭昏眼花等不良癥狀，體內吸入過多時甚至會導致因缺氧而死亡。同時，CO 也是一種易燃易爆的危險氣體，因此，及時準確地對房間室內CO 進行體積分數檢測和報警成為保障群眾生命安全和國家財產安全的一項必不可少的工作。利用嵌入式設計各種儀器儀表已經取得了很多成果，如汽輪機震動信號分析儀［1］、秤儀表［2，3］、指示儀表［4］等，同時也有高精度儀表的設計［5］，便攜式儀表設計［6］，多功能告警儀表設計［7，8］。

本文設計一種便攜式CO 氣體泄漏多模式報警儀。

1 系統總體設計與工作原理

便攜式CO 氣體泄漏多模式報警儀系統設計框圖如圖1所示。系統由MSP430F135 處理器、CO 采集與信號處理模塊、SIM900A GSM 短信模塊、LED 及蜂鳴器組成的報警模塊、LCD 顯示模塊、用戶交互模塊、電源模塊、充電模塊組成。用戶通過按鍵組成的用戶交互模塊設置CO 報警閾值與GSM 短信報警模塊的手機號碼，當CO 體積分數高于CO 報警閾值時，LED 閃爍，蜂鳴器發出報警聲，同時GSM模塊向設定的手機上發送警報信息。為便于使用，儀器電源采用可充電的鋰電池，用戶可方便地用普通的適配器或USB 對儀器進行充電。同時避免因儀器電量不足不能正常工作，儀器實時顯示電池的電量，當電量低于工作電壓時發出報警，提醒用戶充電。

圖1 系統總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 系統硬件電路設計

2.1 4CO—500 CO 傳感器與信號處理電路

本儀器采用CO 傳感器屬于電化學傳感器，氣體擴散進入傳感器就在敏感電極上發生氧化反應，每一反應均可用標準化學方程式表示。CO 在敏感電極上的氧化方程式表示如式(1)所示

在對電極上發生的反應正好與敏感電極上的反應平衡。對電極上的反應如式(2)所示

兩個電極的反應方程式如式(3)所示

兩電極氣體傳感器檢測的體積分數受到一定限制，對于兩電極的極化所受的限制可以用引進第三電極，參比電極，敏感電極曲線相對于參比電極保持固定值。三電極傳感器所能檢測體積分數范圍要比兩電極大得多。本系統采用三電極傳感器，主要特點尺寸小、響應快、功能強大、壽命長。

CO 信號處理電路如圖2 所示。在4CO—500 的RE(參比電極)和RS(工作電極)之間形成穩定電壓，4CO—500 將CO 經過電化學反應形成電流，從RS 流出，RC 流入，積分模塊將從RS 流出的電流轉換為電壓，輸入MSP430 的P6_2口即A/D 轉換通道，同向比例放大器的放大倍數為1+R11/R16=1+820/220=4.73 倍，輸入MSP430 的P6_1 口即A/D 轉換通道，緩沖器將RE 和RS 之間的穩定電壓輸入MSP430 的P6_0 口即A/D 轉換通道。

2.2 用戶交互模塊設計

用戶交互模塊由電源控制按鍵(S1)，設置按鍵(S2)，遞增按鍵(S3)，遞減按鍵(S4)組成，電源按鍵(S1)短按時實現背光的開關，長按實現電源的開關，電路圖如圖3 所示。

2.3 充電模塊設計

圖2 信號處理模塊Fig 2 Signal processing module

圖3 用戶交互模塊Fig 3 User interaction module

本儀器通過充電模塊可以方便地實現對鋰電池的充電。當輸入電壓掉電時，CN3052A 自動進入低功耗的睡眠模式，電流消耗小于3 μA。CHRG 管腳輸出低電平，表示充電正在進行。當電壓低于3 V，充電器用小電流對電池進行預充電;當電池電壓超過3 V 時，充電器采用恒流模式對電流充電，充電電流由ISET 管腳和GND 之間的電阻器RISET確定;當電池電壓接近電池端調制電壓時，充電電流逐漸減小，CN3052A 進入恒壓充電模式。當充電電流減小到充電結束閾值時，充電周期結束，CHRG 端輸出高阻態，表示充電周期結束，充電結束閾值是恒流充電電流的10%。電路圖如圖4 所示。

圖4 充電模塊Fig 4 Charging module

2.4 GSM 短信模塊

本報警儀采用GSM/GPRS 模塊，支持中文信息，工作在EGSM900 和GSM1800 雙頻段，電壓范圍3.2 ～4.8 V;待機模式電流低于18 mA，睡眠模式低于2 mA;SIM900A 的數據接口(CMOS 電平)通過AT 命令可雙向傳輸指令和數據，支持Text 和PDU 格式的短信，可通過AT 命令實現故障恢復。MCP430 的串口發送接口TXD 和串口接收接口RXD，分別與SIM900A 的RXD 和TXD 口連接，實現串口數據的發送和接收。

3 系統軟件設計

3.1 AT 指令

AT 即Attention，一般應用于終端設備與PC 應用之間的連接和通信。AT 指令的數據包定義為:對于AT 指令的發送，除AT 2 個字符外，最多可以接收1 056 個字符的長度。短信發送分為兩種格式，一種是TEXT 格式，一種是PDU 格式，使用TEXT 格式發送的只能是ASCII 字符，使用PDU 格式可以發送中英文字符，使用UNICODE 編碼。本儀器采用PDU 格式。

3.2 中文短信發送

如短信中心號碼為8613010130500，要發送的號碼為8618622944083，要發送的內容為“CO 報警”。根據PDU 的要求本文要寫的編碼為:0891683110100305F011000D91688·16924480F30008000667792525335686，本文把這串編碼分成13 段，詳細的每段含義可以參照PDU 格式的定義，部分的意義如下:08:短信中心地址信息的長度共8 個8 位字節;91:短信中心的號碼為國際號碼。

3.3 儀器程序主流程圖

系統程序主流程圖如圖5 所示。首先進行系統初始化:設置系統的工作頻率、初始化LCD 以便顯示電池電量和CO 體積分數、初始化ADC 來轉換CO 體積分數和電池電量、初始化定時器及其中斷以模擬多任務來完成多項工作。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Software flow chart

4 實 驗

本CO 泄漏報警儀在實驗室和現場都進行了相關測試，測試結果如表1 所示。

表1 CO 泄漏報警儀實驗室測試結果Tab 1 Laboratory test results of CO leak alarm device

由以上實驗數據可得，本儀器能夠實現對CO 體積分數的檢測，報警功能可靠穩定。儀器與泄漏源距離相同時，CO 體積分數越高，儀器響應越快;當CO 體積分數高于一定的值，距離對響應速度的影響會變小。CO 體積分數的時高低不會影響儀器的正常工作。因此，該多模式報警儀滿足精確、快速、多模式報警的要求。

5 結束語

該CO 泄漏報警儀系統結構設計合理，檢測CO 精度高，硬件電路穩定，能較好地滿足家庭CO 報警需求，并且本儀器使用方便簡捷無需專業人員操作。MSP430 單片機與GSM 短信結合實現儀器的智能化，儀器成本低，實用性強，有很大的應用價值，能得到廣泛的應用和發展。

［1］ 張 峰，石現峰.基于嵌入式技術的汽輪機振動信號分析儀［J］.自動化與儀表，2012(10):15－19.

［2］ 劉文武.以W77E58CPU 為核心的皮帶秤儀表設計［J］.儀表技術，2012(2):31－33.

［3］ 陳新喜.于CS5530 的計重計數電子秤的研究與設計［J］.電子設計工程，2014，22(6):165－168.

［4］ 謝少偉.步進電機式4 ～20 mA 液位指示儀表設計［J］.自動化與儀器儀表，2014(1):50－52.

［5］ 程建華.一種高精度低自熱多通道測溫系統設計與實現［J］.傳感器與微系統，2014，33(1):56－63.

［6］ 劉 蒼.基于ARM 的便攜式數據采集存儲系統設計［J］.儀表技術與傳感器，2013(8):89－92.

［7］ 陳 龍，張志達.基于AVR 多功能報警系統溫濕度模塊設計［J］.自動化技術與應用，2011，30(9):72－75.

［8］ 江 杰，宋宏龍.基于GSM 短信的煙霧傳感報警系統［J］.測控技術，2014(1):1－3.