基于HT46RU232单片机的沼气实时监测预防报警装置

摘　要： 以HT46RU232单片机为核心，配以沼气气体传感器、,通过甲烷气敏元件将甲烷浓度信号转换成电信号,然后通过单片机自带的A/D转换芯片再将电信号转换成数字信号进行实时处理,判断检测到的甲烷浓度数据是否超限并自动报警,主要利用单片机控制GSM模块TC35I以短消息(SMS)的方式进行报警和控制的装置。具有推广价值。

关键词：沼气； 单片机； 报警
一、引言
　　近年来，农村越来越多了建设了沼气池，我们知道，沼气主要成分是甲烷，当其浓度达到一定程度(5%～16%)时容易产生爆炸。因此为了预防沼气类爆炸事故发生，同时当沼气池沼气浓度不够时，及时提醒用户添加原料，以免影响使用，所以保证农村安全利用沼气，开发一种低功耗、实时性好、灵敏度高的智能甲烷浓度实时监测预防报警装置很有必要。
　　我们在各个沼气池监测点（这里我们假设有1个监测点）装上甲烷传感器、单片机HT46RU232、 无线收发器。在各个沼气池，由甲烷传感器把检测甲烷浓度的模拟直接信息传入单片机HT46RU232中，信号经单片机处理后，控制TC35I向外发送预先存储在SIM卡中的报警短信，可以给用户以手机短信提示！本装置结构简单、传输可靠，稍做改进即可应用矿山采矿甲烷浓度监测、化粪池甲烷监测场合等。
二、系统方案设计
　　MQ-4甲烷传感器获得沼气池甲烷浓度信号，输出的是模拟电压信号，此信号直接接到单片机PB0, 当测量浓度大于设定浓度时，单片机驱动TC35I开始短信报警。这样，用户变可以收到报警信息，对沼气池采取稀释甲烷措施或添加增加原料措施。图2-1给出了系统基本引脚分配图。

　　图2-1 单片机引脚分配图
三、系统硬件电路设计
信号检测电路设计
　　甲烷探头是传感器的信号来源。传感元件的性能对传感器系统有着很大的影响，在选用传感元件时。一是测量精度要高，二是工作可靠．三是工作条件能适应恶劣环境的要求。通过慎重调研对比最后选用了MQ-4新型传感器，其优于传统的催化元件，在响应特性，长期储存特性，温度特性和长期稳定性方面都有了明显的改进。
　　MQ-4甲烷传感器，该传感器可以双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出），TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机），模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。

　　图3-1 MQ-4甲烷传感器电路
　　此系统选择AOUT，模拟量输出，直接将AOUT脚接单片机PB0。当传感器检测到被测气体时，电压每升高0.1V，实际被测气体的浓度增加200ppm（简单的说：1ppm=1mg/kg=1mg/L=1×10-6 常用来表示气体浓度。），根据这个参数就可以在单片机里面将测得的模拟量电压值转换为浓度值。当测量浓度大于设定浓度时，单片机驱动TC35I开始短信报警。
通信控制电路
　　通信控制电路主要完成单片机、TC35I模块和SIM卡之间的连接和控制功能，如图3-2所示。单片机的PA2管脚与模块的点火端IGT相连，在IGT线信号转换区间必须保证VBATT+的电压不能低于3.0V。TC35I的接口电路使用了9 针串口的全部引脚，和单片机通信时只需要用到其中的PC0(TX)和PC1(RX)两个引脚。值得注意的是TC35I是作为数据通信设备，因此其和单片机通信连接时是TX接TXD，RX接RXD，不能交叉。TC35i的TxD表示：这个腿应该连到对方的TxD上去，是input；而RxD是output，表示应该连到对方的RxD上去。

　　图3-2 单片机与TC35I接口
存储部件设计
　　为了实现对预设电话号码的存储、报警信息的记录、以及对中英文字符的字模点阵的存储，本系统采用了能够保证掉电数据不丢失的片外存储器AT24C02。该芯片是一种I2C总线的存储器，和MCU的数据通信只需要两个引脚SDA和SCL即可，和通常的并行存储器相比，可以大大节约MCU的端口引脚资源和PCB的布线面积。AT24C02使用二线制协议串行总线（I2C总线）及其传输规约进行双向传输。
　　　　
　　图3-3  单片机与AT24C02接口电路结构图
其他电路设计
　　包括电源电路、单片机的复位和晶振电路、单片机外扩EEPROM存储器电路、TC35I信号指示灯和单片机控制的系统状态指示灯电路，在此不再赘述。
四、系统功能与软件设计
　　软件设计编制的程序易于调试、修改，可读性好，软件的设计是一个将需求转变为软件陈述的过程。系统软件设计采用自顶向下、模块化、结构化的程序设计方法，把总的编程过程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个模块相互独立，其正确与否不依赖其它模块，每个模块都能完成一个明确的任务、实现某个具体的功能。
4.1 主程序
　　单片机系统上电后，首先要对系统进行初始化，初始化程序包括内存空间的分配、初始变量的设置、设定堆栈指针等。正常初始化后开放定时器中断，外部中断和串行口中断，然后启动定时器定时。每隔一段时间对甲烷的浓度采集一次，将采集到的模拟量浓度数据存到寄存器中，当系统在取数据进行显示的过程中要产生中断，调用中断处理子程序，在中断处理子程序中进行数据转换及显示浓度。主程序编好后编制各从属的程序和子程序，最后完成整个系统的软件设计。系统软件设计中要实现的功能有：用户机的单片机系统要完成定时地对甲烷浓度的进行检测，将甲烷浓度值的进行A/D转换，动态地显示采集到的甲烷浓度值，同时利用TC35I采集到得浓度信息上传到用户手机报警提示。
　　　
　　　图4-1  主程序流程图
4.2 子程序设计
4.2.1中断子程序
　　为了较准确的监测甲烷浓度，我们需要对甲烷浓度进行数据采集。甲烷浓度浓度经过传感器送入单片机中，单片机查询此值是否浓度超限，如果超限，便启动短信报警发送程序。限于篇幅AT指令发送程序程序。4-2是中断子程序流程图。限于篇幅，不给出具体程序了。
　　　
　　图4-2  中断子程序流程图
五、结束语
　　本文设计的智能甲烷传感器，采用了多种创新的硬件／软件手段，确保了系统的高精度和工作的可靠性，并在同类产品中率先实现了浓度信号的报告机制。经过实际试用，取得了良好的社会和经济效益，受到用户的高度评价。
参考文献:
[l] 孙继平．矿井安全监控系统[M]．2004
[2] 李学海．PIC单片机原理『M1．北京航空航天大学出版社．2005.
[3] 龚孟君、陈锡洪．影响甲烷传感器稳定性的原 及改善途径[J]．煤矿自动化，1996(2)：32—34.
[4] 孙建民,杨清梅. 传感器技术[M] . 北京: 清华大学出版社,2005.
[5] 谢宝卫,李国斌. 催化燃烧型的甲烷检测仪器性能.
[6] 郎风华.基于GSM 的远程电力监控系统的设计与开发[J].无线电工程，2004，(4).
[7] 樊振方，彭爱华. 基于GSM 网络的汽车防盗报警系统设计[J].电子技术应用,2006,32(3).
[8] 徐淑华,程退安.单片微型机原理及应用[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994.