一種車(chē)載煙霧報警系統的設計

　　李珉澄 ¹ ，李?泓 ²

　?。?.桂林電子科技大學(xué)，廣西?桂林?541004；2.無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇?無(wú)錫?214153）

　　摘?要：介紹了一種車(chē)載煙霧報警系統的設計方案，包含一個(gè)帶觸摸屏液晶的主機和多個(gè)分布式安裝的探測器，通過(guò)RS485總線(xiàn)連接。方案采用半導體氣體傳感器實(shí)現，靈敏度高、成本低、壽命長(cháng)，通過(guò)基準電壓自動(dòng)標定、自動(dòng)校正和測量值溫度補償，解決了半導體氣體傳感器漂移和受溫度影響大的問(wèn)題，實(shí)現了煙霧的可靠檢測，為汽車(chē)火災早期預警提供了可靠保障，具有較強的實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞：半導體氣體傳感器；RS485；自動(dòng)校正；自動(dòng)標定；溫度補償

　　近年來(lái)，汽車(chē)火災事故時(shí)有發(fā)生，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，教訓是深刻的，目前汽車(chē)火災事故已經(jīng)成為媒體輿論的焦點(diǎn)，社會(huì )各界對此廣泛關(guān)注。特別是城市公交車(chē)和長(cháng)途大巴車(chē)由于采用空調系統使得人們處于一個(gè)相對封閉的環(huán)境，給火災處理和人員逃離都帶來(lái)了很多的不便，控制火災的發(fā)生和先期的預警就顯得尤為重要。因此，抓好火災預防必須借助于高科技防火災產(chǎn)品在其汽車(chē)領(lǐng)域上的運用，將其災情早期發(fā)現并控制消滅在隱患萌芽中。

　　1 煙霧檢測原理

　　對于火災煙霧方面的監測，通常主要采用煙霧傳感器與溫度傳感器，其中煙霧傳感器主要有離子式、光電式和氣敏式等幾類(lèi)。它們的工作原理就決定了其監測方式只有在火災達到一定程度后才能進(jìn)行報警工作，而且存在對部分特殊火焰的燃燒無(wú)法識別的現象，這種監測的方式是無(wú)法對于早期發(fā)生的火災進(jìn)行報警的，其監測也是不全面的，如果待火災達到一定程度報警，勢必無(wú)形中給財產(chǎn)與生命安全造成更大損失。

　　近年來(lái),隨著(zhù)氣體傳感技術(shù)的發(fā)展，氣體傳感器和傳統火災探測器相結合的探測技術(shù)，已廣泛應用于汽車(chē)火災煙霧探測領(lǐng)域。在火災過(guò)程中，幾乎每種物質(zhì)均要產(chǎn)生不充分燃燒的CO和煙霧，特別是陰燃階段的火災更是如此，由火災孕育到劇烈燃燒CO和煙霧經(jīng)歷由無(wú)到有，由小到大，然后逐漸減小的規律性變化過(guò)程，而且CO和煙霧比空氣密度小，更容易更早漂浮實(shí)現早期預警。因此檢測CO和煙霧適合于火災早期探測，這對于較早的時(shí)間捕捉到火災發(fā)生信息非常重要。

　　半導體氣體傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化還原反應導致敏感元件組織發(fā)生變化而制成的，它的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉、制作簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應速度快、壽命長(cháng)、對濕度敏感度低；它的缺點(diǎn)是對氣體選擇性差、輸出非線(xiàn)性、穩定性不理想，適用于單點(diǎn)或少量檢測點(diǎn)報警，不適合于定量檢測使用。對于汽車(chē)使用環(huán)境來(lái)說(shuō)，是比較合適的一種氣體傳感器，但是在使用中要解決穩定性不夠的問(wèn)題。

　　2 車(chē)載煙霧報警器系統設計

　　整個(gè)車(chē)載煙霧報警系統分為兩個(gè)部分：安裝于駕駛員側的主機和分布安裝在車(chē)廂各處的探測器，主機和探測器通過(guò)RS485總線(xiàn)連接在一起。其安裝分布如圖1所示。

　　3 車(chē)載煙霧報警器主機設計

　　車(chē)載報警器主機用于輪詢(xún)探測器狀態(tài)并根據讀取數據在液晶屏上顯示個(gè)探測器的狀態(tài)，如果探測器未連接，相應探測器狀態(tài)顯示灰色，如果狀態(tài)正常顯示綠色，如果超出報警值則根據超出程度顯示黃色或紅色。

　　車(chē)載報警器主機系統組成如圖2所示。

　　4 車(chē)載報警器煙霧探測器設計

　　車(chē)載報警器探測器用于檢測煙霧濃度，并根據煙霧濃度確定當前是否存在火災隱患，根據煙霧濃度把當前狀態(tài)判斷為正常、輕度污染或者重度污染。其系統組成入圖3所示。

　　圖中，電源電路采用開(kāi)關(guān)降壓芯片XL2596把汽車(chē)電源12 V或24 V轉換成5 V供探測器其他電路使用；風(fēng)扇為5 V直流風(fēng)扇，用于構成將車(chē)箱內氣體吸入探測器內部進(jìn)行檢測，提供比自然擴散型結構更快的檢測速度；半導體氣體傳感器經(jīng)過(guò)比較鄭州煒盛公司的MP503、MP801、MP901、日本費加羅公司的TGS2602、TGS2602在使用中的穩定性、穩定時(shí)間、信號靈敏度，最終選擇了MP801，可以在開(kāi)機2 min內達到穩定，且靈敏度較高、穩定性不錯；溫度傳感器使用熱敏電阻檢測半導體氣體傳感器工作環(huán)境溫度，然后單片機通過(guò)算法進(jìn)行溫度補償；LED只是電路采用紅綠雙色LED，可以實(shí)現綠色、橙色和紅色3種狀態(tài)的顯示；RS485轉換電路實(shí)現和主機的總線(xiàn)連接。

　　5 基準電壓值自動(dòng)標定和自動(dòng)校正

　　車(chē)載煙霧探測器使用MP801半導體傳感器進(jìn)行煙霧檢測。其基本電路如圖4所示。

　　圖中，傳感器MP801的1腳和4腳之間為加熱體，額定工作電壓5 V，用于保證2、3腳之間的檢測體的正常工作。剛上電時(shí)，檢測體的阻值很小，導致輸出電壓VR比較大，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的預熱以后，檢測體的阻值才會(huì )穩定下來(lái)，此時(shí)VR輸出一個(gè)穩定的值，這個(gè)值才可以作為基準電壓來(lái)進(jìn)行煙霧的判斷。

　　在程序設計中，考慮到了上電預熱穩定的過(guò)程，其自動(dòng)標定基準電壓的流程如圖5所示。

　　當車(chē)廂內有煙霧時(shí)，傳感器檢測體阻值下降，VR輸出電壓上升，通過(guò)比較測量到的VR電壓值和基準電壓比較就可以判斷得到當前車(chē)廂內煙霧的狀態(tài)。但是，在實(shí)際使用中，半導體傳感器存在著(zhù)漂移的現象。在沒(méi)有煙霧的狀態(tài)下，傳感器檢測體的阻值也會(huì )發(fā)生緩慢變化，如果時(shí)間足夠長(cháng)，則這種漂移會(huì )足夠大，從而導致判斷的錯誤。所以在使用中必須對基準電壓進(jìn)行自動(dòng)校正?；鶞孰妷鹤詣?dòng)校正算法如下：

　　1）每10 s計算VR輸出平均電壓，并和基準電壓比較。如果差值小于限值，則進(jìn)入步驟2；如果差值大于限值，則計時(shí)清零，返回步驟1。

　　2)和上一次測量平均值比較，如果差值小于限值，則進(jìn)入步驟3；如果差值大于限值，則計時(shí)清零，返回步驟1。

　　3)計時(shí)值加1，如果計時(shí)值達到設定值，則保存新的基準電壓，并清零計時(shí)值，返回步驟1。

　　6 測量值溫度補償

　　半導體氣體傳感器的性能受溫度的影響比較大，所以在使用時(shí)需要根據溫度對測量電壓值進(jìn)行補償。傳感器輸出電壓溫度補償曲線(xiàn)如圖6所示。

　　7 結論

　　實(shí)際制作的樣機，經(jīng)過(guò)使用檢驗，能夠滿(mǎn)足實(shí)際使用的需要，靈敏度較高，穩定性滿(mǎn)足要求，能可靠地進(jìn)行煙霧檢測，實(shí)現火災的早期預警。

　　參考文獻

　　[1] MP801氣體傳感器數據手冊.鄭州煒盛電子科技有限公司.

　　[2] MP901氣體傳感器數據手冊.鄭州煒盛電子科技有限公司.

　　[3] MP503氣體傳感器數據手冊.鄭州煒盛電子科技有限公司.

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　　[5] DC80480F070_1000_0T 數據手冊 V1.0.廣州大彩光電科技有限公司.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第01期第81頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。