论文总字数：15120字

目 录

1 绪论 2

1.1 研究背景 2

1.2 研究目的和意义 2

1.3 国内外现状 3

1.4 本论文主要任务 3

2 系统总体设计 4

2.1 设计要求 4

2.1.1 煤气泄漏检测系统的功能 4

2.1.2煤气泄露测试系统框图 4

2.2 设计原理 5

2.2.1 气体传感器介绍 5

2.2.2 气体传感器的选定 6

2.3 数据处理 6

2.3.1 传感器非线性信号处理 6

2.3.2 数字滤波处理 6

3硬件设计 8

3.1 主控芯片 8

3.2 GSM模块 9

3.2.1 GSM模块简介 9

3.2.2 sim900A的指令 9

3.2.3 GSM原理 10

3.3 CO传感器模块 10

3.4 电机驱动模块 11

3.5 LCD显示模块 12

3.5.1 LCD12864介绍 12

3.5.2 LCD12864引脚 12

3.6 蜂鸣器模块 13

3.7 电源模块 14

3.8 矩阵键盘 14

3.9 风扇控制模块 15

4 软件设计 17

4.1 软件设计框图 17

4.2 数据处理部分 18

4.2.1 AD转换部分 18

4.2.2 模拟电压与浓度的转换 18

4.3 电子钟设计 18

5 实物演示与说明 20

6 小结 22

参考文献 23

致谢 24

基于430单片机

可自锁智能煤气泄漏控制系统

孙为国

摘要：煤气广泛地应用于千家万户，煤气安全问题也逐渐引起人们的重视，如果操作不当或者其他原因，可能就会导致煤气泄漏的发生, 如果不采取有效的预防措施，就会严重地威胁人们的生命财产安全。本设计研究的基于MSP430单片机的可自锁智能煤气泄漏控制系统能够有效地解决这一问题，本设计包含CO传感器MQ-7、智能短信GSM模块、电机及其驱动模块、蜂鸣器模块、矩阵键盘模块、LCD12864模块等，以单片机为主控核心，实现了煤气泄漏监测、发送报警短信、模拟自动关闭阀门、声音报警、自动打开风扇、显示屏显示危险等强大功能，并且拥有友好的人机交互界面，不仅在显示屏上显示日期，并且可以通过矩阵键盘进行日期的调整、打开或关闭阀门、打开或关闭风扇。本设计实用性强、成本低、稳定性高，有推广的价值。

关键词：MQ-7煤气检测传感器;430 单片机;GSM 智能通信

1 绪论

1.1 研究背景

随着生产力的发展，工业、农业、社会生活等领域在可燃性气体作为能源使用上越来越普遍，逐渐成为人们生产生活中不可或缺的重要部分，并且也给人们带来了很多的便利。但是如果操作不当，在发生煤气泄露的时候无法及时被告知，就容易产生不可预计的后果。一旦泄露的气体遇到火源，就会发生燃烧甚至爆炸等事故，给人们的生产生活带来毁灭性的灾难^[1]。为了使这些事故不再发生，我们必须采取有效的方法来实时监测可燃性气体是否泄漏，我们可以采用精密的传感器实时检测空气中的可燃性气体浓度。

如果我们能够利用气体传感器不停地对环境中的某种气体进行监测，就可以立即发现隐患和危险并且采取相应的措施来处理，这样的话，就可以有效地降低由于可燃性气体而引发的一些悲剧，从而保证人们生活安全和财产安全，因此，研究一款可靠的气体监测系统已经成为当今社会的一个重要课题之一，广泛地引起了人们的重视。

1.2 研究目的和意义

在气体的储存和运输的过程中，如果设备密封性不好或者操作不规范，都会造成气体的泄漏，在遇到明火后造成燃烧甚至爆炸的情况，严重威胁着国家和人们的安全。本论文的研究目的就是研究制造一款可以检测环境中可燃性气体的浓度并且及时地报警的装置。这种装置应用于石油化学工业、生产工厂及家庭防火防爆。家庭生活、工厂生产等方面都在迫切地需要一款性能稳定、准确度高的气体实时检测装置。

目前煤气管道已经铺到了千家万户，使用人口十分庞大，煤气生产基地也多如牛毛。气体检测装置将拥有广阔的应用前景^[2]。随着全社会对人身安全的重视程度的提高以及煤气使用家庭的增长，可燃性气体的检测器的使用将更加地广泛。

根据研究表明，不同的可燃性气体浓度对人的伤害如下表1.1所示（以一氧化碳为例）：

表1.1 CO浓度所对应的危害

1.3 国内外现状

传感器的研究已经跨越了几十年，从一开始不成熟的技术和工艺到如今成熟的制作体系和理论，越来越多的检测装置出现在市场上，一方面由于人们的安全意识不断增强，追求安全和舒适的生活环境；另一方面，由于政府对于安全的重视，一直推动着气体传感器技术的发展和市场的繁荣，根据可靠的数据，传感器的需求量是逐年上升的，这也恰好反过来验证了前面的原因，并且随着工艺技术的进步和新材料的出现，越来越多性能优异、集成度高的气体传感器不断涌现^[3]。

我国气体传感器的研究起步比国外要晚很多，性能不如国外的传感器，但是随着技术的额日趋成熟，应用范围也由单一的工业炼油环境逐渐向各种危险场所发展，产品大家族在不断增加新成员。但主要还是对国外先进的传感器技术进行引进和购买国外先进的生产工艺和机器，再开发带有自己特色的传感器。随着技术的不断发展，稳定性和型号得到提高和增长^[4]。

气体传感器的分类有很多，有应用于民用的，有专门应用于工业的，最后一种是有毒气体传感器。随着人们安全意识的不断增强和市场的推动，传感器的发展朝着更加迅速的方向发展着。

1.4 本论文主要任务

本篇论文是可自锁智能煤气泄露控制系统，本设计主要针对CO气体，主要功能是实现对家庭煤气的检测与报警。并且在检测到有煤气泄漏的时候，立即自动关闭煤气阀门和发送短信提示，打开排风扇进行室内排风。并且配有LCD12864显示和键盘的控制，从而实现智能监控煤气泄漏，保障家庭生活安全。同时本设计兼顾人机友好交互，利用矩阵键盘可以任意实现关闭阀门、打开阀门、关闭风扇、打开风扇，并且在显示屏上配有电子钟，显示日期和时间，非常地实用。

2 系统总体设计

2.1 设计要求

2.1.1 煤气泄漏检测系统的功能

在本设计中，煤气泄漏控制系统的主要功能就是快速准确地检测环境中一氧化碳的含量并且通过LCD显示屏显示出危险还是安全，当气体浓度达到一定门限值时蜂鸣器报警，并且立即自动关闭阀门和发出短信报警。为了提高实用性，本设计具有良好的人机交互界面，在显示屏上显示日期和时间。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LCD数码显示、输入键盘、声音报警单元、GSM模块、电机及其驱动模块。

2.1.2煤气泄露测试系统框图

本设计主要研究并设计一个基于单片机的可自锁智能煤气泄露控制系统，控制系统主要由MSP430系列单片机、电源、LCD显示、AD转换电路、传感器模块、键盘输入模块、电机控制模块等部分组成，如图2.1所示。单片机通过AD转换电路将传感器送来的信号进行处理，设定安全值，一旦超出设定的安全值，在显示屏上显示危险，并且发出报警声音和自动关闭煤气阀门，如果一氧化碳浓度低于安全值，则在显示屏上显示安全。

图2.1 系统框图

本设计的系统工作流程为:由一氧化碳传感器MQ-7获得环境中一氧化碳含量的原始信号,其工作原理是利用电导率较低的气敏材料二氧化锡来检测，它的电导率会随着空气中一氧化碳的含量的增大而增大，根据电导率和浓度的对应关系，利用简单的电路，就可以将电导率转化为电压的形式，再进入单片机的A/D转换,从而可以得到被测对象的数字量信号,再由单片机进行数据处理,得到最终的一氧化碳的含量,再设置一个安全值，如果超标立即通过GSM模块进行短信报警、自动关闭阀门并且发出声音报警，从而提示室内的人赶紧疏散并且关闭气源。

2.2 设计原理

2.2.1 气体传感器介绍

1. 本设计的核心和开始就是一氧化碳气体传感器，它的性能和好坏将直接决定了本设计整体性能。气体传感器根据不同的分类标准，可以分为很多种，这里不一一列举，根据其材料的不同，气体传感器的分类如表2.1所示：

表2.1 气体传感器分类

2.对气体传感器的性能要求一般如下表2.2所示：

表2.2 MQ-7技术指标

3.传感器应该具备的性质:

满足性能要求的能够可靠工作的传感器一般都要满足以下几个条件，如表2.3所示：

表2.3 一个合格的气体传感器条件

2.2.2 气体传感器的选定

气体传感器不仅是本系统检测的起点，也是整个系统的核心部分，合适的传感器将决定这个系统的整体性能。

CO气体传感器将电导率以电压的形式输出，通过单片机内置的A/D转换器将模拟量转换成数字量，进而单片机再对数据进行处理及报警控制等工作。传感器作为智能煤气泄露控制系统的信号采集部分，是本系统的重要部分。由此可见，传感器的选择对整个系统的性能影响是非常大的。

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