可燃气体报警系统开题报告.doc

学号： 10446301

常 州 大 学
毕业设计（论文）开题报告
（2013届）

题 目 基于单片机和GSM的可燃气体报警系统设计

学 生
学 院 专 业 班 级 电子101
校内指导教师 屈霞 专业技术职务 副教授
校外指导老师 专业技术职务

二○一三年三月
题目：基于单片机和GSM的可燃气体报警系统设计
一、前言
1． 课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势
在世界范围内，展中具有划时代的意义，安防市场发展较快。以美国为例，近二十五年中防盗报警发展突飞猛进，已深入美国社会各个角落。中国的安防市场不仅被国内企业所青睐，也为国际投资者所垂涎。传统安防系统主要依靠电话网播报警讯，但电话网易被破坏，且由于架设线路困难不适用于偏远地区或经济落后地方。GSM网络是基于TDMA技术和FDMA技术的通信网络体系，在我国覆盖面广，是用户最多的数字蜂窝移动通信系统。GPRS给现有GSM系统带来分组业务，使得GSM用户能通过手机接入因特网或企业网等公用数据网，并且其连接的建立可以用标准协议如IP或X．25等。利用GSM网络实现无线报警与监控具有明显优势。
研究的意义：随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行,煤气或者天然气已成为多数家庭的燃料。每年因煤气泄漏造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题造成的一氧化碳中毒事故全国均有不少事例。更有因为室内煤气浓度过高引起煤气爆炸的事故。所以，人们对可燃气体的检测及监控的需求很大，家用燃气报警器更是时下所需，基于GSM短信息和单片机的可燃气体报警系统充分利用GSM短信息覆盖范围广，可靠性高，价格低廉，随时在线等优点，形成了集实时数据采集和远程监控于一体的安全报警系统，实时准确测量周围环境中的可燃气体，有毒有害气体泄漏，对保护人民的身体健康和财产安全有重要意义。
国内外研究现状：国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为27%~30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。
发展趋势：可燃性报警装置不仅具有报警限制设定、声光报警、控制输出功能，而且具有时钟、气体浓度显示、故障自诊断功能。报警仪应可以在较宽的温度范围下工作，这样就可以被家庭、公司等多方面使用。对于化工厂，特别是PVC生产部门早期使用的可燃性气体检测报警仪存在易中毒失败、透气帽腐蚀堵塞，受风、雨、尘、聚合物等众

多问题及其影响。所以对可燃气体报警仪的设计要求中不但要考虑技术原理，还要从研制报警仪本身所用材料着手，那样就会避免很多因为气体腐蚀性造成报警仪失效的问题。无论是对家庭还是公司企业来说，最重要的还包括可燃性报警仪的价格，价格合理，对于公司企业才能谈经济效益，这样家庭也很容易接受。总之，具有先进的的科学技术、操作简单显示清楚、具有长时间的使用能力、能达到广大使用者的理想价格的检测报警装置才是未来报警系统的发展方向。

2．课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题
目标：系统应实现对室内可燃气体的声光报警，同时通过GSM无线传输模块发送短信给指定人手机，实现远程报警。
内容：本设计采用单片机作为控制核心。可燃气体传感器采集到气体浓度，然后通过A/D转换器将信息送至单片机中处理，通过显示屏显示。键盘电路设置报警值检测气体浓度是否在设定范围以达到声光报警功能，并通过GSM无线模块把信息传输到用户手机。设计内容：
(1) 选择一种可燃气体泄漏传感器，实现警情检测及放大。
(2) 选择单片机作为控制处理模块检测有无报警信号、是否布防，能及时处理报警信息和触发声光报警装置实现定点报警。
(3) 选择一种GSM/GPRS模块，实现与单片机通信。当单片机检测到报警信号后，通过GSM模块以短信形式发送报警信息到指定用户手机。
关键问题：
(1) 通过传感器检测到的气体浓度信号是模拟信号不能直接送往单片机进行处理，必须进行A/D转换（模拟量转换成数字量），并且检测到的浓度信号需要通过放大器放大到足够单片机读取的幅度。
(2) 要实现声光报警功能必须要通过设计键盘电路来设置上下限报警值，并且还可以改变它的上下限的值。当气体浓度达到或超过预警值时，立即发出声光报警以提醒用户采取安全措施。
(3) 当发出声光报警时，为了防止发生爆炸、火灾等事故，必须启动排风扇进行通风，然后启动电磁阀供给煤气，正常情况下电磁阀要求处于关闭状态以切断煤气通道，防止煤气外泄。
(4) 如果检测到可燃气体泄漏，用户又不在现场，就要启动GSM短消息模块，向用户手机发送短消息及时告知用户情况异常，以便采取相应的安全措施。当浓度回到正常范围的时候，关闭报警器，同时GSM模块发送一条短信息，通知用户，情况已恢复正常。

二、设计方案的确定
1．方案的原理、特点与选择依据
基于单片机和GSM的可燃气体报警系统设计应包括单片机控制模块、传感器模块、按键显示模块、声光报警模块、故障处理模块、GSM模块和用户手机。单片机控制模块主要由时钟电路、复位电路组成，构成单片机的最小系统。按键显示模块主要由按键电路和显示屏显示电路组成。根据以上所提及的系统模块，可以绘制系统方框图，如图1所示。

单片机
控制器
传感器模块
按键显示模块
声光报警模块
故障处理模块
GSM模块
用户手机

图1 系统方框图
(1)、传感器模块方案选择
方案一：传感器选择MQ-2/MQ-2S气体传感器。
MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增加。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其他可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
MQ-2/MQ-2S气体传感器作为信号采集器件，采集到的信号通过A/D转换器送给单片机处理。但是这种传感器的不足在于该传感器接触到水就会造成敏感特性下降，无论是佛偶通电，在高浓度气体中长期放置，都会影响传感器特性，而且经长期不通电储存的传感器，在使用前需要长时间通电才能使其达到稳定。

方案二：传感器选择TGS813气体传感器。
TGS813气体传感器
本方案GPS信息通过串口送入单片机，单片机处理信息并送至显示器显示。原理同方案一相同，本方案的优点在于CPU是16位的，处理速度相比较快。加上硬件乘法器，处理GPS数据就更加容易。而且MP430F149内部资源较多，但是本设计并不需要那么多资源，这也正是方案二不足的地方，会造成资源浪费。
比较方案一和方案二可知，尽管STC89C54RD+运算能力不及MP430，可是已经可以满足设计要求了，而且8为单片机软件操作更简单，价格也比16位的便宜。综合各方面考虑CPU选择方案一。

(2)、GPS模块方案选择
本设计中GPS信息是以串行数据方式发送到单片机，但是不同的GPS模块输出电平并不相同。GARMIN公司的GPS输出电平是RS-232电平[4]，HOLUX M-87 GPS则输出CMOS电平。这里所提到的GPS模块方案主要指GPS与单片机连接方式。
若系统选用的是GARMIN公司的GPS25-LVS GPS模块，系统设计提出了以下两种方案。
方案一：用MAXIM公司的MAX232芯片连接RS232输出电平的GPS与单片机
RS-232的逻辑电平以公共地对称，其逻辑0电平规定在+3～+25V之间，逻辑1电平则在-3～-25V之间，要使用正负极性的双电源。传统的CMOS/TTL电平逻辑电平以地为标准不对称设置，其逻辑0电平规定小于0.7V，逻辑1电平规定大于3.2V。方案图如图4所示。

GPS
串口
上位机
MAX232
单片机
GPS信息
NMEA

图4 用MAX232芯片方案图
本方案中MAX232芯片能将+5V或者更低的电压变换成RS-232所需的+10V以上的电压，然后再用电压反转电路(芯片内部电路)将+10V变成-10V，这样就可以得到RS-232所需的电压。同时可以将RS-232电平转成CMOS/TTL电平。但是本设计只是GPS单向往单片机发数据，所以用一个芯片来完成单向电平转化太浪费。
方案二：用三极管完成电平转换
考虑到设计中单片机只需接收GPS发来的数据，不用向GPS发数据。只需将GPS输出的RS-232电平通过简易模拟电路转成TTL电平即可。运用三极管特性设计本方案如图5所示。
本方案借助三极管特性将±10V电压转成TTL的±5V，不仅成本低，而且电路简单易于实现。但是电路的稳定性不如方案一的芯片。
比较方案一与方案二可知，方案二成本低，硬件上易于实现。稳定性上方案一更好。综合考虑设计需求。当系统选用的是GPS25-LVS GPS模块的话，GPS模块选择方案二更好。

GPS
NMEA
GND
+5V
TTL
上位机
串口
电阻
电阻

图5 用三极管方案图
若系统选用的是HOLUX M-87 GPS模块的话，需要注意的是HOLUX M-87GPS输出是CMOS电平，CMOS输出的高电平可达VCC，低电平约等于GND。单片机的工作电平是TTL电平。在输入电平高于2V时，就视为TTL高电平；当输入小于0.8V时，就视为TTL低电平。相比CMOS的输入输出电平可以看出，CMOS输出电平可以直接驱动TTL工作电平的单片机。所以HOLUX M-87 GPS模块可以与单片机直接连接，无需电平转换。
2．设计步骤
(1)查找资料，熟悉GSM和可燃气体报警系统的原理与组成；
(2)查找相关文献，提出几套系统设计方案；
(3)比较各种方案，综合考虑设计需求，确定系统的硬件方案与控制方案；
(4)根据硬件方案选择气体传感器、单片机、GSM等硬件；
(5)用相关仿真软件对系统方案仿真；
(6)制作并调试硬件电路；
(7)功能测试与实验结果；
(6)撰写论文。

三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值
1．设计计划
周次
工 作 内 容
预 定 目 标
1-2
毕业设计调研实习
调研相关背景资料，写实习报告
2
分析课题，查阅文献，收集资料，调研论证，确定设计方案。
理解课题任务，准备文献综述素材,通过调研论证，提出合理的设计方案

3
撰写文献综述，提出GSM和可燃气体报警系统方案
交英文翻译，翻译准确；文献综述论述规范，方案合理
4-5
提出系统详细设计方案
系统结构设计和电路原理图、印制板设计
6-10
软件功能设计
设计主程序（GPS接收处理、LCD液晶显示程序等），并经过软件调试
11-13
软件、硬件联调
实现具有GPS定位及信息显示的系统
14-16
撰写毕业设计论文
设计结构严谨，逻辑性强，层次清晰，文字流畅，符合规范
17
答辩
准备充分，论述准确，回答问题正确

2．预期研究成果
(1)单片机能够正确读取GPS数据；
(2)能够实现硬件设计、软件设计及联合调试
(3)液晶显示的内容可以由键盘控制；
(4)液晶显示器能够显示时间、经度、纬度、水平高度、捕获卫星数目和运动轨迹；
(5)可以考虑影响GPS测量精度的因素及减少误差影响。

四、参考文献
[1] 苏江福．基于网络的智能家居监控系统设计与实现[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008．
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[3] 卓成军． [D]．南京：南京理工大学，2007．
[4] 李光飞，李良儿．单片机C程序设计实例指导[M]．北京：航空航天大学出版社，2004.10．
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[13] 邓盈．多功能GPS导航记录系统的研制[D]．北京：北京邮电大学，2009．

五、指导教师审阅意见

查阅了大量的文献资料，较好地理解了课题，提出了合理的方案并实施，同意开题。

签名
2012 年 3 月 12 日