基于MSP430F149单片机的煤气泄露监测与报警系统的设计

摘要：随着煤气的普及，煤气安全成为一个非常普遍的问题。本系统为解决这个问题提供一种有效的思路。系统以MSP430F149单片机为核心，由一氧化碳气体传感器、语音报警电路、D/A转换电路、GSM无线传输电路等电路组成，能够对煤气的浓度进行实时的监测。当一氧化碳的浓度超多预警值时就会发出报警，还可以自动关闭煤气阀门以保障人们的生命和财产安全。此外本系统由于成本低、功耗低、稳定性好、实时性好等特点，可以大范围地应用。

关键词：MSP430单片机；ISD1420；GSM无线模块；气体传感器

The Designof Gas-Leaking Monitoring

and Alarming System Based on MSP430F149

ZHANG Fei，SUN Xu，ZHANG Shi-ling

（Information Engineering College，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：With the popularity of gas, gas security has become a very common problem. The design provides an effective idea in order to solve this problem. MSP430F149 microcontroller as the core system composed ofcarbon monoxide gas sensor, voice alarm circuit, D / A converter circuit, GSM wireless transmission circuits and other peripheral circuits, it can intelligently monitors gas concentration. When the concentration of carbon monoxide is over warning value, it will alarm you, and system can automatically turn off the gas switch to protect people's lives and property. In addition, the system can be used in a wide range of applications due to its low cost, low power consumption, good stability, good real-time characteristics.

Keywords：MSP430 microcontroller; ISD1420; GSM wireless module; Gas sensors

1引言

随着生活水平的不断提高，人们对个人安全和家庭财产安全越来越重视，安全已成为一种市场需求。CO是一种无色、无嗅、无味、无刺激性的气体，几乎不溶于水，当与空气混合达到12.5%~80%时具有爆炸性。此外，CO通过人体呼吸作用进入血液循环，造成缺氧血症，导致组织缺氧，抑制组织呼吸。它又是煤气中对人体危害最大的有毒气体。无论是在农村还是城市，都存在煤气泄露造成事故的隐患，因此要对室内的煤气进行检测。当室内气体的浓度达到设定预警值时，该装置应该能够及时发出报警信号，关闭气源，排除险情，有效避免爆炸、窒息、死亡等恶性事故的发生。系统的设计是基于单片机技术的智能型煤气监控系统，可对煤气浓度进行实时检测和监控、并且能够自动关闭煤气管道阀门，及时发送短信通知户主煤气发生泄漏。利用GSM网络传输数据无须再专门组建通信网络，因此采用短消息方式传送数据的系统应用将越来越广泛。

2系统工作原理

气体传感器作为整个系统的信号源，通过MQ-7一氧化碳气体传感器采集空气中的CO 的浓度，将检测到的气体信号连接到MSP430F149单片机的A/D转化A0通道，经过单片机处理后与设定的警报值进行比较。当检测值小于警报设定值时，系统继续检测气体浓度。如果大于设定值时，进行D/A转化控制关闭煤气管道阀门，启动语音报警电路，同时发送短信给户主通知煤气发生泄露，让户主能够及时检查煤气线路，系统整体硬件框图如图1所示。

3系统硬件设计

3.1 单片机微控制器

系统采用是MSP430F149单片机作为整个系统的MCU，MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）的一种 16 位的混合信号处理器，它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。它采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址 4 种目的操作数寻址）简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8 MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序，在低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，抗干扰性好，所以非常适合应用于智能仪器仪表。

3.2 气体传感器

系统选用的气体传感器是MQ-7，该传感器适用于工业和家庭的气体检测，特别对CO气体敏感。一氧化碳的检测范围10 PPM-1000 PPM，MQ-7最高加热电压为5 V，最低加热电压为1.5 V。烟雾传感器MQ-7内部有电阻丝，所以在工作前要预热1到2分钟。MQ-7的工作过程是，当MQ-7 检测腔内，空气有一氧化碳气体，A、B电极的电阻就会下降，然后与负载电阻分压得到输出电压，把电压送给比较器反相输入端。比较器的同相输入端为比较参考电压，调制P12电位器就可以调制比较基准，即传感器灵敏度。平时反相输入端电平比同相端的基准低，LM393输出端为高电平。当有烟雾时，MQ-7 的A、B极电阻下降，则在R10上的输出电压就升高，当反相端比同相端的参考基准电压高时，LM393 输出变为低电平。单片机通过P6.0口对其电压值进行采样从而判断空气中的一氧化碳的浓度。当浓度大于200 PPM时，就执行报警电路和D/A转化电路等操作，传感器电路如图2所示。

3.3 语音电路

系统采用语音芯片是ISD1420。ISD1420 为美国 ISD 公司出品的优质单片语音录放集成电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国 ISD 公司的专利――直接模拟存储技术（DAST TM）实现的。语音电路如图3所示，首先要进行录音，P4.5口置底，P4.0，P4.1，P4.2全部为低电平时，进入录音状态，D1发光显示可以录音，录音长度为20S。录音结束后，设置P4.0，P4.1，P4.2为高电平进入循环播放模式，当P4.3口为低电平时开始播放录音。当检测到煤气发生泄漏时，单片机控制语音芯片发出语音报警，语音报警持续90 s，90 s过后使P4.4口为高电平，停止报警。

3.4 无线传输电路

GSM无线通信模块采用 Siemens 公司的TC35。TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟数字功能。该模块采用单电源供电，其电压范围为3. 3～5. 5 V，且电源峰值电流大于2A，任何时候的瞬间压降小于 400 mV。TC35 模块的启动采用单片机 IO 口拉低模块信号端 IGT的电平来触发模块开启。模块上电 10 ms 后，为使之正常工作必须使IGT控制端加时长至少为 100 ms 的低电平信号，且该信号下降沿时间小于 1 ms。启动后IGT引脚信号保持高电平，TC35 模块支持标准的RS232 接口并可实现在 4.8 ～ 115 kB 之间自动波特率调整。通过 RXD、 TXD 和 GND 引脚与单片机的串口实现通信。TC35 模块的控制由单片机串口发送 A T命令来实现。其主要操作是通过A T + CMGS 和 A T + CMGR 指令分别进行短信发送和读取。系统采用ZIF连接器把TC35与SIM卡连接在一起，电路如图4所示。

3.5 执行电路

系统采用是DAC0832作为D/A转化芯片。电磁阀启闭由DAC0832、电磁阀、变送器等组成。采用AIDE的M系列二位二通节能型燃气电磁阀，当正向脉冲供电时阀门开启并保持，此时电源切断阀门为开启位置；当反向脉冲供电时阀门关闭并保持，此时电源切断阀门为关闭位置。由于电磁阀需由脉冲信号驱动，系统采用在单缓冲方式下工作DAC0832作为波形发生器，以提供正负脉冲，使其能够自动启闭，实现安装位置的可调性。

3.6 看门狗电路

为了保证检测系统正常工作，使单片机系统尽快摆脱因干扰而产生的程序跑飞或死循环得现象，就需要一种监视器，提供某种状态使CPU重新回到用户程序。这种监视器即“看门狗”，本系统采用了MAX708和MSP430F149单片机构成的硬件看门狗电路。

4软件设计

软件部分主要由数据采集子程序、串口发送子程序、语音报警子程序、D/A转化子程序组成，主程序流程图如图5所示。

5结束语

煤气已近进入千家万户，但是由于设备老化、使用不当等许多原因，给人们生命安全带来极大的隐患，同时人们又提倡节能型社会。本设计是基于低功耗单片机的智能煤气泄露监测报警系统，针对家庭中的煤气浓度进行检测，可以节能、方便、快捷、灵敏地检测是否发生煤气泄露。系统的语音报警系统很灵活，可以针对不同的用户设置不同的报警声音和报警模式。系统的无线报警也很方便，现在很多家庭已经没有电话了，用户不需要为了煤气泄露检测装置专门安装电话，只需要一张SIM卡就可以随时报警，这样更加贴切用户，拥有更加广阔的前景。

参考文献

[1]MSP430单片机基础与实践[M]. 谢兴红,林凡强,吴雄英编著. 北京航空航天大学出版

社.2008:82-96,120-140

[2]MSP430单片机常用模块与系统设计[M]. 秦龙编著. 京航空航天大学出版

社.2007: 418-461

[3]基于GSM的温湿度环境参数远程无线监测系统[J]. 施云波，周磊, 修德斌. 传感器与微系统,2009（29）:97-98

[4]基于89C52的煤气泄露监测与报警系统设计[J]. 高凌云, 谌海云, 林立凭. 中国仪器仪表，2010（11）:70-72

作者简介

张飞，成都理工大学在读硕士研究生，主要从事于EDA和信号处理研究。