本科毕业论文---可燃气体报警系统的设计(论文)设计正稿.doc

陕西理工学院毕业论文（设计）

可燃气体报警系统的设计
翟豪勋
（陕西理工学院 物理与电信工程学院 通信工程专业1104，陕西 汉中 723003）
指导教师：李翠华
[摘要]近年来，由于可燃气体泄漏所引起的安全事故时有发生，为了有效避免此类事故的发生，本文设计了一款家用的可燃气体报警系统。此系统主要由单片机最小系统；天然气检测电路；数码管显示电路；远程报警和声光电路等组成。此系统能有效检测环境中可燃气体的浓度，一旦其浓度超出报警限定值，就能发出声光报警信号，开启换气装置，并且能随着浓度的增加报警音量逐渐增大，同时实现远程报警，能及时起到安全防范的作用。
[关键词] SIM900A；单片机；天然气检测；报警；显示；

The design of combustible gas alarm system
ZhaiHaoxun
(Grade2011,Class4,Major of Communication Engineering，School of Physics and Telecommunication Engineering , Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shaanxi)
Tutor: LiCuihua
Abstract:In recent years,caused by combustible gas leakage accidents have occurred, in order to avoid such accidents, we design a home combustible gas alarm system. This system consists of smallest single chip microcomputer system; gas detection circuit; digital display circuit; remote alarm sound and light circuit. This system can detect the concentration of combustible gases in the environment, once the concentration exceeds the alarm limit value can be audible and visual alarm signal, open ventilation devices, and can alarm volume increases as the concentration increases, while remote alarm , in time to play a security role.
Keywords: SIM900A; MCU; Gas detection ; Alarm; Display;
II

目 录
1.绪论 1
1.1研究的目的和意义 1
1.2国内外情况及其发展趋势 1
1.3论文结构 1
2.硬件系统的设计 2
2.1方案论证及选择 2
2.1.1方案论证 2
2.1.2方案选择 2
2.2传感器部分的设计 3
2.2.1传感器的概述 3
2.2.2 MQ-5传感器的主要特点 3
2.2.3 MQ-5传感器的引脚功能及 3
2.2.4 OP07精密运算放大器 5
2.2.5信号处理电路 5
2.2.6正负电源 6
2.3单片机最小系统的设计 7
2.3.1最小系统的设计 7
2.3.2 ADC采样 9
2.4数码管显示电路的设计 10
2.4.1器件概述 10
2.4.2显示电路设计 11
2.5继电器电路的设计 13
2.5.1继电器概述 13
2.5.2功能实现 13
2.6声光报警电路的设计 13
2.7远程报警电路的设计 14
2.7.1 SIM900A模块的概述 14
2.7.2 SIM900A的引脚功能 15
2.7.3 SIM900A的工作原理 16
2.7.4 SIM900A的PUD短信息编码方式 16
3软件系统的设计 18
4.装配与调试 21
4.1硬件调试 21
4.2软件调试 21
4.3测试结果 21
5.总结 23
致谢 24
参考文献 25
附录A 26
附录B 33
附录C 34
附录D 42
附录E 43

V

陕西理工学院毕业论文（设计）

1.绪论
1.1 研究的目的和意义
天然气作为一种新型清洁型高效型能源近年来得到广泛普及成为人民的首选燃料，但是当它给
人民带来方便的同时也带来了安全隐患。每一栋居民楼被天然气“笼罩”伴之而来的是天然气泄漏引发的爆炸、火灾等事故的发生。这在某种程度上增加了人民生命财产的不安全和不稳定因素。为了使天然气更好地服务群众服务社会减少各种因天然气泄漏而引发的爆炸及火灾事故。各天然气使用单位尤其是居民用户选择一种适当的天然气检测报警器十分重要, 因此本设计对室内天然气检测报警系统进行了研究。为了预防天然气的泄漏切实保障人民安全，人们采取了各种措施。家用智能天然气检测报警系统是预防天然气泄漏的一种家用的自动检测报警控制系统，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警[1]。
本设计主要针对传统天然气检测报警系统进行技术改进以满足要求具有如下特点，用单片机实现检测并控制电路，设计简单、价格适中、稳定、增加了超出安全值时自动开启排风扇，而且采用气敏传感器，安全可靠，因此本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。
1.2国内外情况及其发展趋势
当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器已普及应用于气体泄漏检测和监控。仅用安全保护家用天然气泄漏报警器为例，不少西方发达国家在法律上已经明确规定家庭、公寓、餐厅、医院、学校、工厂的必须按要求安装报警器。国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，是由于人们安全意识很强对环境安全性和生活舒适性要求较高，另一方面是由于燃气泄漏报警器市场的增长受到政府安全法规的推动。因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展。据有关统计：美国在1996年—2002年就天然气报警器的年均增长率为27%--30%。在这些方面，国内方面有待增强。
1.3论文结构
论文主要从技术概述、总体电路设计、硬件电路设计、系统软件设计流程图、制作与调试等几大方面来介绍天然气报警系统的设计和制作过程。其中方案论证及选择主要从三种可以实现天然气超标报警功能的方案中选择一个成本低、易操作、系统性能较高的方案。硬件电路设计主要是针对选择的方案进行具体的电路设计。其中主要设计的电路包括：单片机最小系统电路，SIM900A模块电路，天然气检测电路，继电器控制电路，声光报警电路等。系统软件设计则主要是设计单片机进行控制所需要的相关程序，这部分程序采用C语言进行编写。最后的制作与调试主要是进行硬件仿真与制作，并对硬件进行相关功能的测试，检测是否能达到设计所要实现的功能。最后对全文进行概括的总结，并提出相关扩展功能，有待进一步完善。
第一章：绪论，介绍了设计此系统的目的和意义，同时简要介绍了此系统在国内外的情况及其发展的趋势。
第二章：详细介绍了此系统的硬件设计。此系统的主要有传感器，单片机最小系统，数码管显示，声光报警及远程报警五个模块组成。
第三章：介绍了此系统的软件设计。
第四章：介绍了此系统的装配与调试过程。
第五章：完成此系统设计后的总结与展望。

2.硬件系统的设计
2.1 方案论证及选择
2.1.1 方案论证
方案一：基于蓝牙设计的天然气报警系统
蓝牙技术是一种短距无线通信技术，用于替代数字设备和计算机外设间的电缆连线以及实现数字设备间的无线组网。首先由单片机通过蓝牙模块接收数据，然后将该数据导入LCD屏进行显示，
同时单片机对天然气值进行分析处理，将天然气值与设定值进行比较，若天然气值大于设定的值即刻启动报警。
方案二：采用SIM340 
SIM340 GSM／GPRS模块应用于WLL，M2M和手持设备的GSM／GPRS模块。SIM340是小体积即插即用模块中完善的四频GSM／GPRS解决方案使用工业标准界面，使得具备GSM／GPRS 850／900／1800／1900MHz功能的SIM340以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM340的优良性能让它应用于许多方面，例如WLL、M2M、手持设备等等。四频GSM／GPRS模块，外形尺寸40mm x33mm x2.85mm 。支持用户定制的MMI和键盘／LCD内嵌强大的TCP／IP协议栈。
方案三：基于SIM900A的天然气报警系统。
基于SIM900A的火灾报警系统原理框图如图2.1所示。

单

片

机

声光报警模块
SIM900A远程报警模块

自动换气模块
传感器模块

图2.1 基于SIM900A的报警系统图
SIMCom推出新款紧凑型产品—SIM900A. 它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价比高，能满足您的多种需求。SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。另外，SIM900A的尺寸大小为24x24x3mm，能适用于M2M应用中的各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品设计。
2.1.2 方案选择
方案一：蓝牙
蓝牙的通讯速率不是很高，而且应用成本很高，普及难度大，并且只适用于进程通讯，无法达到远程的目的。故排除方案一。
方案二与方案三：
GSM网络信号覆盖面积广、网络接入灵活、无需布线，打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至全球漫游监控 。短消息(SMS)利用信令信道传输，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由服务中心再发给终端。短消息容量有限（每条短信内容最多140个字节），适于传输小流量的数据；由于建立时间较长，传送过程要受短消息服务中心服务器繁忙程度的影响，因而适于非连续性和实时性要求不太高的传输场合。短消息传输具有实现简单，通信成本低的优点。
设计此系统的是基于短消息方式，简单、方便使用、价格低廉的实用性系统，因此我们选择SIM900A。两者功能相似，SIM340在相同技术领域相对SIM900A更胜一筹，但对本系统而言SIM900A性价比更高。因此，综合考虑成本、易操作性、系统性能等因素，最终选择方案三。
2.2 传感器部分的设计
2.2.1 传感器的概述
天然气和甲烷传感器的主要分为离子式传感器、光电式传感和气敏式传感器。
（1）离子式传感器：离子式传感器是一种先进的技术，是一种工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，它的性能远优于由光电式传感器构成的报警器。
（2）光电式传感：该传感器内部有一个光学迷宫，安装有红外对管，没有天然气和甲烷时红外接收管接收不到红外发射管发射出来的红外光线，当天然气和甲烷进入光学迷宫时，通过折射、反射后，接收管将接收到红外光线，报警电路判断是否超过阈值，超过则发出警报，反之则不然。
（3）气敏式传感器：该传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器[2]。
半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小，P型阻值随气体浓度的增大而增大。当温度在200～300℃时半导体气敏元件让空气中的氧吸附在元件表面，当氧负离子吸附在半导体气敏元件表面可以形成氧负离子吸附，氧负离子的减少就会使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到空气中可燃气体时，由于可燃气体能够提供给电子，可燃气体中就会有正离子吸附在金属氧化物半导体表面，氧负离子放出电子使可燃气体以正离子的吸附也要放出电子，电阻值下降就是因为半导体电子密度增加。当气体中可燃气体的浓度减少或可燃性气体不存在了，半导体气敏元件中金属氧化物半导体就能恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。
此次使用的气敏式传感器选择的具体型号为MQ-5。该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于天然气和甲烷的探测。本设计选用的MQ-5型气体传感器，这种型号的传感器的特点是灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长、价格低廉等优点。
MQ-5气体传感器是SnO2(氧化锡)半导体气敏传感器属于电阻型气敏元件。它是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化。若气浓度发生变化，其阻值也将随之变化。根据这一变化，可以从阻值的变化得出吸附气体的种类和浓度[3]。
2.2.2 MQ-5传感器的主要特点
MQ-5的主要特点：
(1)具有信号输出指示。
(2)双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
(3)TTL输出有效信号为低电平。（当输出为低电平时信号灯亮，可直接单片机）
(4)模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压值越高。
(5)快速的响应恢复特性。
(6)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。
(7)适宜于天然气和甲烷的探测。
2.2.3 MQ-5传感器的引脚功能及
MQ-5天然气传感器实物图如图2.2所示。

图2.2 MQ-5烟雾传感器实物图
MQ-5天然气传感器部分电路如图2.3所示，主要由天然气传感器MQ-5和比较器LM393构成。

图2.3 天然气传感器电路图
其引脚表如表2.1所示
表2.1 MQ-5天然气传感器引脚功能
引脚
功能
VCC
5V工作电压
GND
外接GND
D0
小板数字开关输出接口（0和1）
A0
小板模拟量输出接口

传感器的电导率是随空气中可燃气体浓度的增大而增大，再使用相应的外围电路就可将电导率的变化转变成与该气体浓度变化相对应的电信号。一般情况下，传感器输出的信号会比较弱，而且其中还包括了一些避免不了的干扰，对这种信号的放大就需要有很好的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗的放大电路。当传感器输出的信号经过前置放大电路对其进行的放大、滤波、电平调整后，输出的信号才能满足单片机对输入信号的要求。天然气传感器是气-电变换器，它属于气敏传感器，它将空气中天然气和甲烷气体的含量(即浓度)转化成对应的电压或者电流信号，传感器作为天然气和甲烷报警器的信号采集部分，是整个系统的核心组成部分之一。一个天然气和甲烷传感器既可以只实现单个功能，也可以实现多种功能的。一个完整的天然气和甲烷传感器都必须具备：(a)能够检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；(b)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；(c)对检测信号响应速度快，重复性好；(d)长期工作稳定性好，制造成本低，使用与维护方便等条件[4]。
2.2.4 OP07精密运算放大器
OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。
性能指标：
超低偏移： 150μV最大。
低输入偏置电流： 1.8nA 。
低失调电压漂移： 0.5μV/℃ 。
超稳定。
时间： 2μV/month。
最大高电源电压范围：±3V至±22V。

图2.4 OP07芯片
2.2.5 信号处理电路
传感器的输出是是一个很小的电压信号。经由运算放大器的6倍放大，在经过一个相减电路。之后电压信号进行A/D采样。
相减电路的设计源于对可靠性和适用性的考虑。不同的环境传感器的输出电压可能不同，但经过一个相减电路，都可以输出一个定值，作为单片机A/D采样的数据。可以通过调整电位器的旋钮来调节出在当前环境的稳定值。

图2.5 信号处理电路

2.2.6正负电源
正电源由外来的稳压5V电源提供。小功率极性反转电源转换器ICL7660 。
ICL7660是Maxim公司生产的小功率极性反转电源转换器。 ICL7660的静态电流典型值为170μA，输入电压范围为1.5-10V，(Intersil公司ICL7660A输入电压范围为1.5-12）工作频率为10 kHz只需外接10 kHz的小体积电容，只需外接10μF的小体积电容效率高达98％合输出功率可达700mW（以DIP封装为例），符合输出100mA的要求。
 (2)内部电路与引脚功能
 ICL7660提供DIP、SO，μMAX TO-99等封装形式。
表2.2 ICL7660引脚
引脚号
引脚符号
引脚功能
1
N.C
空脚
2
CAP+
储能电容正极
3
GND
接地
4
CAP-
储能电容负极
5
VOUT
负电压输出端
6
LV
输入低压电压控制端，输入电压低于3.5V时，该脚接地，输入电压高于5V时，该脚必须悬空。
7
OSC
工作时钟输入端
8
V+
电源输入端

图2.6 负电源模块
2.3 单片机最小系统的设计
2.3.1 最小系统的设计
单片机最小系统的具体电路图如图2.7所示。电路主要包括：单片机、时钟电路、复位电路。

图2.7 单片机最小系统电路图
(1)STC15f2k60S2单片机
STC15f2k60S2是一个低功耗，高性能的CMOS 8位单片机。STC15系列增强型8051单片机集成了上电复位电路与高精准R/C振荡器，给单片机芯片加上电源就可跑程序；集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及EEPRM，集成了PWM、SPI等高功能接口部件，可大大地简化单片机应用系统的外围电路，使单片机应用系统的设计更加简捷，系统性能更加高效、可靠。 
STC12C5A60S2/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D。针对电机控制，强干扰场合[5]。 
STC15系列中STC15F2K60S2单片机使用最为频繁，用户应用程序空间60K，足以满足多数应用此芯片的用户编程。外部掉电检测电路: 在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.33V，误差为±5%,3.3V 单片机为1.31V，误差为±3% 。共4个16位定时器 ，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口 。 工作温度范围：-40 ~ +85℃(工业级) / 0 ~ 75℃(商业级) 。封装：LQFP-48, LQFP-44, PDIP-40, PLCC-44, QFN-40I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口[6]。
（2）复位电路
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作,复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。15系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。
根据实际情况选择如图2.3所示的电路，该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，按键按下，复位下拉电阻R上的电压接近电源电压，即RST为高电平，可以保证RST高电平有效时间大于10ms，CPU能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。
(3) 时钟电路
外部时钟方式。外部时钟方式片内高增益反相放大器通过XTAL1和XTAL2外接作为反馈元件的晶体与电容组成的并联谐振回路，构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，晶体选择12.000MHz；电容的值则有微调作用，通常取47pF左右的瓷片电容[7]。
2.3.2 ADC采样
STC15系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构通过逐次比较逻辑，从最高位(MSB)开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。
STC15系列单片机ADC（A/D转换器）的结构如图2.8所示。

图2.8 STC15系列单片机ADC结构
从上图可以看出，通过模拟多路开关，将通过ADC0~7的模拟量输入送给比较器。用数/模转换器(DAC)转换的模拟量与输入的模拟量通过比较器进行比较将比较结果保存到逐次比较寄存器。并通过逐次比较寄存器输出转换结果。A/D转换结束后，最终的转换结果保存到ADC转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL。同时，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG,以供程序查询或发出中断申请。模拟通道的选择控制由ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2~CHS0确定。ADC的转换速度由ADC控制寄存器中的SPEED1,SPEED0确定。在使用ADC之前应先给ADC上电也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位[8]。
计算公式如下：

当ADRJ=0时，如果取8位结果，按下面公式计算：
8-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES[7:0])=256x
当ADRJ=1时，如果取10位结果，则按下面公式计算：
10-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES[1:0],ADC_RESL[7:0])=1024x
本次设计采用10位结果。
ADC的相关寄存器如下图：

图2.9 ADC的相关寄存器
本次设计采用单片机内部A/D模块，直接采样输出的模拟电压。
2.4 数码管显示电路的设计
2.4.1 器件概述
LED数码管（LED Segment Displays）由发光二极管多个封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
74HC164、74HCT164 是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164、74HCT164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空[9]。

图2.10 74HC164 图2.11 数码管
表2.3 74HC164芯片说明
符号
引脚
说明
DSA
1
数据输入
DSB
2
数据输入
Q0~Q3
3~6
输出
GND
7
地 (0 V)
CP
8
时钟输入（低电平到高电平边沿触发）
/M/R
9
中央复位输入（低电平有效）
Q4~Q7
10~13
输出
VCC
14
正电源

2.4.2 显示电路设计
74HC164 时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA 和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。
主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。
将1个字节的8个数据位，在8个时钟信号的作用下，逐个送入移位寄存器74HC164，就能够将同步串行传输方式的数据格式转换为并行数据格式。在这个逐个送入的过程中，移位寄存器74HC164的8个并行输出管脚的状态处于不断地变化中，但是如果这个传送过程很快，眼睛实际是分辨不出数码管对应的变化。
如果在完成1个字节的8个数据位传送以后，不再有时钟信号到来，移位寄存器74HC164的并行输出管脚的状态将保持不变，数码管就处于稳定地显示状态。
微控制器芯片与数码管之间采用串行同步数据传送方式节省了输入/输出管脚资源，采用74HC164锁存数据将实现数码管的静态显示，不再需要微控制器对其进行进一步的管理，这时能够使用微控制器完成其它任务。

表2.4 74HC164
工作模式
输入
输出

/M/R
CP
DSA
DSB
Q0
Q1 至 Q7
复位（清除）
L
L
X
X
L:L至L
移位
H
↑
l
l
L:qo至q6
H
↑
l
h
L
q0 至 q6
H
↑
h
l
L
q0 至 q6
H
↑
h
h
H
q0 至 q6

H = HIGH（高）电平
h = 先于低-至-高时钟跃变一个建立时间 (set-up time) 的 HIGH（高）电平
L = LOW（低）电平
l = 先于低-至-高时钟跃变一个建立时间 (set-up time) 的 LOW（低）电平
q = 小写字母代表先于低-至-高时钟跃变一个建立时间的参考输入 (referenced input) 的状态
↑ = 低-至-高时钟跃变

图2.12 数码管显示电路
2.5 继电器电路的设计
2.5.1 继电器概述
电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器的构造：如图所示，A是电磁铁，B是衔铁，C是弹簧，D是动触点，E是静触点。电磁继电器工作电路可分为低压控制电路和高压工作电路组成。控制电路是由电磁铁A、衔铁B、低压电源E1和开关组成；工作电路是由小灯泡L、电源E2和相当于开关的静触点、动触点组成。连接好工作电路，在常态时，D、E间未连通，工作电路断开。用手指将动触点压下，则D、E间因动触点与静触点接触而将工作电路接通，小灯泡L发光。闭合开关S，衔铁被电磁铁吸下来，动触点同时与两个静触点接触，使D、E间连通。这时弹簧被拉长，观察到工作电路被接通，小灯泡L发光。断开开关S，电磁铁失去磁性，对衔铁无吸引力。衔铁在弹簧的拉力作用下回到原来的位置，动触点与静触点分开，工作电路被切断，小灯泡L不发光。

图2.13 继电器
2.5.2功能实现
利用三极管的开关特性，单片机的一个端口控制三极管的状态，进行控制继电器的开和关。Fan端口为1（高电平）使三极管处于饱和区，继电器闭合。Fan端口为1（高电平）使三极管处于饱和区，继电器闭合。Fan端口为0（低电平）使三极管处于截止区，继电器打开。
2.6 声光报警电路的设计
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器。它广泛应用于计算机、打印机、报警器、电话机等电子产产品中作发生器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用产生声音
压电式蜂鸣器主要由多谢振荡器、压电蜂鸣器片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谢振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5V-15V直流工作电压），多谢振荡器起振，输出1.5-2.5KHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣器片发声。
LED 是英文 light emitting diode （发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料芯片，用银胶或白胶固化到支架上，然后用银线或金线连接芯片和电路板，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，最后安装外壳，所以 LED 灯的抗震性能好。
本设计中使用蜂鸣器和LED灯来做提示报警，当烟雾浓度大于设定值时蜂鸣器就会发出发声音，LED灯会提示。

图2.14 声光报警电路

2.7 远程报警电路的设计
2.7.1 SIM900A模块的概述
SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，高度集成的GSM模块。在GSM网络日臻完善的今天，它易于集成，使用它您可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域您都能看到无线模块在发挥作用，使用它是产品质量和性能的保证。这些产品可以很容易向GPRS领域过度，您将会发现花费较少的成本就能享受到GPRS技术带给您的方便快捷[10]。
SIM900A自身特点如下：
（1）SIM900A短信模块体积小、重量轻
（2）低功耗
（3）支持数据、语音、短消息和传真
（4）SIM 应用工具包
（5）AT 命令集控制
（6）R&TTE 认证、GCF认证
（7）SMS：MT/MO/CB/PDU模式
（8）音频: 最高速率，升级最高速率和半速率
（9）便于集成

SIM900A主要参数如下：
输入电压：范围：3.1V~4.8V
温度范围：-40℃~85℃
串口速率：可调（模块的串口速率为9600,19200,38400,57600,115200可选）
无线协议：通过AT命令控制 （GSM 07.07 ,07.05 and SIMCOM 增强AT命令集）
传输距离：中国范围内
低功耗性：1.5mA（睡眠模式）

2.7.2 SIM900A的引脚功能
SIM900A模块引脚如图2.15所示，实物图如2.16所示，SIM900A引脚功能说明如表2.5。

图2.15 SIM900A模块引脚图

图2.16 SIM900A实物图
表2.5 SIM900A引脚功能说明
管脚
功能
RX
接收引脚
TX
发送引脚
SIM-RTS
请求发送，低电平有效
GND
连接到电源GND
VCC3.3
5V电源
MCU-VCC
5V电源
2.7.3 SIM900A的工作原理
本系统中，单片机通过串口向GSM模块发送相应的AT命令来实现短消息的发送和接受。采用GSM模块的短消息业务（SMS）实现数据的远距离传输功能。此业务被所有手机支持，可以使用任何字符集。本系统采用此业务的PDU模式将SMS地址、中心电话号码、用户电话号码和湿度信息通过Unicode编码方式进行编码压缩成PDU数据包，以UCSII码的格式发送出去[11]。
然而，SIM900A是通过AT指令进行通信的。AT命令是一套用于对GSM模块控制的命令，通常以“AT”开头。单片机通过向GSM模块的控制。不同的AT命令控制GSM模块的不同动作。通常情况下，AT命令以字母“AT”开头，以ASCII码为13的字符结尾。下面介绍几种常用的AT指令，下面的命令如果不做特殊说明，都是需要带ASCII码为13的字符结尾，如果不带，则会对该条命令进行说明[12]。
作为GSM模块，它支持满足规范GSM07.05 和GSM07.07的指令集。其中GSM07.07主要是短消息的应用，考虑到本章介绍的是短消息应用系统，这里只讨论GSM07.05指令集。GSM07.05指令集提供的AT命令主要实现短消息的发送、删除、存储等操作，下面对某些AT命令进行具体的介绍。
SIM900A 模块中与 SMS 有关的 GSM AT 指令介绍。GSM引擎模块提供的命令接口符合 GSM07.05和GSM07.07规范。GSM07.07中定义的AT Command 接口。提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口；GSM07.05 对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向 GSM 模块发送各种命令。GSM AT 指令集如表格所示，是由诺基亚、爱立信、摩托罗拉和 HP 等厂家共同为GSM 系统研制的，其中包含了对 SMS(Short Message Service)的控制[13]。
表2.6 相关的GSM AT指令
AT+CMGC
发出一条短消息命令
AT+CMGD
删除SIM卡内存的短消息
AT+CMGF
选择短消息信息格式：0-PDU;1-文本
AT+CMGR
读短消息
AT+CMGS
发送短消息
AT+CMGW
向SIM内存中写入待发的短消息
AT+CMSS
从SIN|M内存中发送短消息
AT+CSCA
短消息中心地址
AT+CSMS
选择短消息服务

2.7.4 SIM900A的PUD短信息编码方式
目前通过GSM无线模块收发短信息主要分为Block模式、基于AT指令的Text模式和基于AT指令的PDU模式三种模式。Block模式需要手机生产厂家提供驱动支持，已经逐渐被PDU模式取代。BLOCK 模式现在用的很少了； TEXT 模式则只能发送ASCII 码,它不能发送中文的UNICODE码，从技术上来讲是可以用于发送中文短消息的，但是国内的手机基本上不支持；而PDU 模式开发起来则较为复杂,它需要编写专门的函数来将文本转换为PDU 格式,但PDU 模式被所有手机支持，可以使用任何字符集，它也是手机默认的编码方式。所以本系统采用基于AT指令的PDU模式[14]。
PDU模式收发短消息可以使用三种编码：7-bit 编码、8-bit 编码和UCSII编码。7位编码用于发送普通的ASCII字符；8位编码用于发送数据信息，如图片或铃声等；UCSII编码用于发送Unieode字符。因本系统发送中文信息，所以必须采用PDU模式的Unicode编码方式。该系统将SIM900A模块设置为PDU模式发送和接收短消息，采用Unieode编码方式。
所谓UCSII 编码，是将单个的字符(1-2 个字节)按ISO/IEC10646 的规定，转变为16 位的Unicode 宽字符。即将单个的字符转换为由四位的‘0’-‘9’、‘A’-‘F’的数字和字母组成的字符串。待发送的消息以UCSII 码的形式进行发送。
通过UCSII编码我们就可得到中文Unicod