论文导读：该系统通过多气体传感器采集气体的浓度并传给单片机，由单片机判断是否达到预设报警值并将实时数据递交液晶显示。当达到或者超过阈值时，蜂鸣器报警、液晶显示相应的数值，并将气体种类、气体浓度通过GSM模块发送给指定用户。AVR单片机的PD3脚模拟出时钟信号来控制数据的发送。
关键词：GSM，AVR，传感器，TWI协议
1 前言
近年来，随着全球经济的高速发展，工业排放的废气也与日俱增，这些废气对人类本身和人类的生存造成了不可忽略的损害。随着环保意识深入人心，气体检测系统受到了人们的关注，一些气体检测仪以及监测系统也相继而出，但都存在着诸多弊端。论文发表。如：一般的检测仪只能对单一气体进行检测，检测多气体时就需要购买多种检测仪。
此外一般的多气体检测系统虽然能实现多气体检测，但检测数据只能人工记录，而不能实现自动记录，在一些对人体有害的环境里，人们不能实时观测到气体检测系统的数据，这类气体采集系统也就失去了作用。这些缺点都给气体浓度的检测和环境测量带来了不便。所以，设计一种可以存储数据、实时无线传送数据的新型多气体检测系统已成为研究的目的和重点。论文发表。
2 系统硬件结构
该系统通过多气体传感器采集气体的浓度并传给单片机，由单片机判断是否达到预设报警值并将实时数据递交液晶显示。当达到或者超过阈值时，蜂鸣器报警、液晶显示相应的数值，并将气体种类、气体浓度通过GSM模块发送给指定用户。再把数据送入外部数据存储器，按地址存储此实时数据。当收到GSM信号时，将此时的实时数据传送给发送用户。从而实现气体智能无线检测功能。
硬件系统结构框图如图1所示 ：
图 1 硬件系统结构框图
控制系统部分采用Mega16L单片机作为核心器件，接收气体传感器模块采集的气体浓度数据，经过单片机内部自带的A/D转换处理，送交液晶显示模块显示浓度，并判断浓度是否达到或超过阈值，若达到或超过阈值报警模块将报警。同时，数据通过单片机的TWI串行总线分段存储到AT24C512外部数据存储模块，以记录气体浓度数据。
GSM接收到有效信号后，通过单片机的串口传给单片机。本系统中使用单片机的UART与GSM模块进行通信[2]。
液晶模块采用YM12864，该模块是128*64点阵型LCD，可以显示4行中英文，并自带显示字库。系统使用同步串行数据传送方式与单片进行通信，数据传送端SID和时钟信号端CLK分别与单片机的PD2、PD3相连。AVR单片机的PD3脚模拟出时钟信号来控制数据的发送。
传感器模块主要有酒精传感器MQ303、一氧化碳传感器MQ7、甲烷传感器MQ4组成。通过AMS1117-3.3芯片把单片机所用的电压转换为MQ303的加热电压，而MQ7和MQ4的加热电压为5V，所以可直接用单片机所用电压。各个传感器在经过与电阻的串联或并联后，与单片机的PA0~PA2（AD0~AD2）相连。当系统工作时，传感器预热几秒钟后正常工作，根据气体浓度的变化从而改变电压，并由单片机的内部A/D进行采集[3]。
外部数据存储模块采用AT24C512，该芯片是I2C总线接口的串行EEPROM，容量为64K，可重复擦/写10万次，数据保存100年不丢，写入时间为10ms。AT24C512的5、6引脚和单片机的PC1（SDA）、PC0(SCL)相连。单片机通过I2C总线方式与AT24C512通信，进行数据的存储。
3 系统的软件设计
3.1软件系构
软件系统的核心是主机对外围器件的控制，首先是对气体浓度的采集及液晶显示，其次主机通过TWI协议实现与外部数据存储器的通信，以及通过UART与GSM模块的通信[4]。
主机初始化结束后，传感器感应气体浓度，单片机PA口接收传感器数据，片内A/D开始连续转换，转换完成后进入A/D完成中断提取A/D采集值，送入主机进行处理，并在LCD液晶上显示，再与事先存入的阈值数据进行比较，报警模块将会发出报警，并将气体种类、气体浓度通过GSM模块发送给指定用户；同时把超标数值送入到外部存储器的预先设定好的地址进行存储。论文发表。当GSM模块接收到信息时，将触发主机串口中断，进入中段服务程序，将外部存储器所对应的数值通过UART送给GSM发送端发送，发送完成后继续传感器信号的数据采集处理[5]。若没收到信号，则继续传感器信号的采集处理。
系统程序流程图如图2所示：
图 2 系统程序流程图
3.2传感器数据A/D转换程序设计
系统采用单片机片内的A/D，采用外部供电，数据右对齐。A/D转换程序作为一个子程序供主程序调用，所以通道的选择在主程序里实现。具体的A/D初始化程序如下：
void ad_Init(void)
{ ADMUX = _BV(MUX2); //选择外部供电、ADC4通道、右对齐
ADCSRA= _BV(ADEN) | _BV(ADSC) | _BV(ADATE) | _BV(ADIE);
_BV(ADTS2);
}
void ad_Start(void)
{ADCSRA|=_BV(ADSC); //自由模式开始转换
sei();
}
void ad_Stop()
{ ADCSRA &= ~_BV(ADEN);
}
3.3 外部数据存储器程序设计
外部数据存储器AT24C512与单片机的通信采用的是标准2线串行总线通信TWI，其中TWI总线的启动和关闭的函数如下：
void i2cstart(void)
{
TWCR=BIT(TWINT) | BIT(TWSTA) | BIT(TWEN);
while (!(TWCR &BIT(TWINT)));
}
void i2cstop(void)
{
TWCR = BIT(TWINT) | BIT(TWSTO)| BIT(TWEN);
}
3.4 GSM收发程序设计
系统采用的GSM模块为TC35I，该模块具备GSM无线通信的全部功能，并提供标准的UART串行接口，支持GSM 07.05所定义的AT命令集的指令。根据GSM 07.05的定义，SMS短信息的发送和接收模式共有三种：Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式[6]。本系统采用PDU模式。
串口初始化程序如下：
void init_uart(void)
{ UCSRB = 0x18; // 使能接收发送引脚
UCSRC= 0x86; // 设置数据位为8位宽度(异步、无校验、无停止位、)
UBRRH= 0;
UBRRL= 27; //设置波特率
k=UDR;//数据寄存器空
k=0;
}
接收GSM发送过来的指令与预设指令对比，对符合的指令执行相应控制程序。
其关键程序如下：
Send_AT('AT+CNMI=2,1',11);//新信息指示
putc(0x0d);
while(1)
{rec[i++]=getc();
if(i>=2)
if(rec[i-2]=='O'&&rec[i-1]=='K')
{_delay_ms(10);////
gsm_value=1;
break;
}
}
Clear(rec,i);
Send_AT('AT+CPMS=ME,MT,SM',16);//选择短信息存储区，SM卡
putc(0x0d);
while(1)
{rec[i++]=getc();
if(i>=2)
if(rec[i-2]=='O'&&rec[i-1]=='K')
{_delay_ms(10);
gsm_value=1;
break;
}
}
Clear(rec,i);
Send_AT('AT+CMGS=029',11);//发送短消息
putc(0x0d);
while(1)
{rec[i++]=getc();
if(rec[i-1]=='>')
{_delay_ms(10);
break;
}
}
4 结束语
基于GSM单片机的多气体监测系统实现了多气体同时采集，并能实时提取气体浓度数值，为环境检测提供了最有力的技术工具。多气体传感器，GSM数据无线传输的设计理念，大大提高了该系统的可靠性，该系统将会大大降低恶劣环境对人的伤害，更好的提高气体检测质量，同时也将为环保节能带来较大的帮助和效益。
参考文献：
[1] 吴晓庆，呼和牧仁. 单片机控制GSM模块通信. [J].内蒙古科技与经济，2010年，2期
[2] 马潮.《AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》.[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007年
[3] 高丛. 基于单片机的多气体检测系统设计. [J].中国科技信息，2008 年，18 期
[4] 车朝雄，赵彦敏.基于串口的手机收发短信的设计方法. [J].福建电脑, 2006年，2期：
[5] 段锦，叶霖，黄显澍.基于GSM短消息的远程数据采集传输系统. [J].长春理工大学学报，2005年，4期，28卷
[6] GSM AT命令手册.[z].南京傲屹电子有限公司.2007年
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