一種車載煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　李珉澄 ¹ ，李?泓 ²

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

　　摘?要：介紹了一種車載煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包含一個帶觸摸屏液晶的主機(jī)和多個分布式安裝的探測器，通過RS485總線連接。方案采用半導(dǎo)體氣體傳感器實(shí)現(xiàn)，靈敏度高、成本低、壽命長，通過基準(zhǔn)電壓自動標(biāo)定、自動校正和測量值溫度補(bǔ)償，解決了半導(dǎo)體氣體傳感器漂移和受溫度影響大的問題，實(shí)現(xiàn)了煙霧的可靠檢測，為汽車火災(zāi)早期預(yù)警提供了可靠保障，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體氣體傳感器；RS485；自動校正；自動標(biāo)定；溫度補(bǔ)償

　　近年來，汽車火災(zāi)事故時有發(fā)生，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，教訓(xùn)是深刻的，目前汽車火災(zāi)事故已經(jīng)成為媒體輿論的焦點(diǎn)，社會各界對此廣泛關(guān)注。特別是城市公交車和長途大巴車由于采用空調(diào)系統(tǒng)使得人們處于一個相對封閉的環(huán)境，給火災(zāi)處理和人員逃離都帶來了很多的不便，控制火災(zāi)的發(fā)生和先期的預(yù)警就顯得尤為重要。因此，抓好火災(zāi)預(yù)防必須借助于高科技防火災(zāi)產(chǎn)品在其汽車領(lǐng)域上的運(yùn)用，將其災(zāi)情早期發(fā)現(xiàn)并控制消滅在隱患萌芽中。

　　1 煙霧檢測原理

　　對于火災(zāi)煙霧方面的監(jiān)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。它們的工作原理就決定了其監(jiān)測方式只有在火災(zāi)達(dá)到一定程度后才能進(jìn)行報(bào)警工作，而且存在對部分特殊火焰的燃燒無法識別的現(xiàn)象，這種監(jiān)測的方式是無法對于早期發(fā)生的火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警的，其監(jiān)測也是不全面的，如果待火災(zāi)達(dá)到一定程度報(bào)警，勢必?zé)o形中給財(cái)產(chǎn)與生命安全造成更大損失。

　　近年來,隨著氣體傳感技術(shù)的發(fā)展，氣體傳感器和傳統(tǒng)火災(zāi)探測器相結(jié)合的探測技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于汽車火災(zāi)煙霧探測領(lǐng)域。在火災(zāi)過程中，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(zāi)更是如此，由火災(zāi)孕育到劇烈燃燒CO和煙霧經(jīng)歷由無到有，由小到大，然后逐漸減小的規(guī)律性變化過程，而且CO和煙霧比空氣密度小，更容易更早漂浮實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警。因此檢測CO和煙霧適合于火災(zāi)早期探測，這對于較早的時間捕捉到火災(zāi)發(fā)生信息非常重要。

　　半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)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、制作簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感度低；它的缺點(diǎn)是對氣體選擇性差、輸出非線性、穩(wěn)定性不理想，適用于單點(diǎn)或少量檢測點(diǎn)報(bào)警，不適合于定量檢測使用。對于汽車使用環(huán)境來說，是比較合適的一種氣體傳感器，但是在使用中要解決穩(wěn)定性不夠的問題。

　　2 車載煙霧報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　整個車載煙霧報(bào)警系統(tǒng)分為兩個部分：安裝于駕駛員側(cè)的主機(jī)和分布安裝在車廂各處的探測器，主機(jī)和探測器通過RS485總線連接在一起。其安裝分布如圖1所示。

　　3 車載煙霧報(bào)警器主機(jī)設(shè)計(jì)

　　車載報(bào)警器主機(jī)用于輪詢探測器狀態(tài)并根據(jù)讀取數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示個探測器的狀態(tài)，如果探測器未連接，相應(yīng)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(bào)警值則根據(jù)超出程度顯示黃色或紅色。

　　車載報(bào)警器主機(jī)系統(tǒng)組成如圖2所示。

　　4 車載報(bào)警器煙霧探測器設(shè)計(jì)

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

　　圖中，電源電路采用開關(guān)降壓芯片XL2596把汽車電源12 V或24 V轉(zhuǎn)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(gòu)成將車箱內(nèi)氣體吸入探測器內(nèi)部進(jìn)行檢測，提供比自然擴(kuò)散型結(jié)構(gòu)更快的檢測速度；半導(dǎo)體氣體傳感器經(jīng)過比較鄭州煒盛公司的MP503、MP801、MP901、日本費(fèi)加羅公司的TGS2602、TGS2602在使用中的穩(wěn)定性、穩(wěn)定時間、信號靈敏度，最終選擇了MP801，可以在開機(jī)2 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，且靈敏度較高、穩(wěn)定性不錯；溫度傳感器使用熱敏電阻檢測半導(dǎo)體氣體傳感器工作環(huán)境溫度，然后單片機(jī)通過算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償；LED只是電路采用紅綠雙色LED，可以實(shí)現(xiàn)綠色、橙色和紅色3種狀態(tài)的顯示；RS485轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的總線連接。

　　5 基準(zhǔn)電壓值自動標(biāo)定和自動校正

　　車載煙霧探測器使用MP801半導(dǎo)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，檢測體的阻值很小，導(dǎo)致輸出電壓VR比較大，需要經(jīng)過一段時間的預(yù)熱以后，檢測體的阻值才會穩(wěn)定下來，此時VR輸出一個穩(wěn)定的值，這個值才可以作為基準(zhǔn)電壓來進(jìn)行煙霧的判斷。

　　在程序設(shè)計(jì)中，考慮到了上電預(yù)熱穩(wěn)定的過程，其自動標(biāo)定基準(zhǔn)電壓的流程如圖5所示。

　　當(dāng)車廂內(nèi)有煙霧時，傳感器檢測體阻值下降，VR輸出電壓上升，通過比較測量到的VR電壓值和基準(zhǔn)電壓比較就可以判斷得到當(dāng)前車廂內(nèi)煙霧的狀態(tài)。但是，在實(shí)際使用中，半導(dǎo)體傳感器存在著漂移的現(xiàn)象。在沒有煙霧的狀態(tài)下，傳感器檢測體的阻值也會發(fā)生緩慢變化，如果時間足夠長，則這種漂移會足夠大，從而導(dǎo)致判斷的錯誤。所以在使用中必須對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行自動校正?；鶞?zhǔn)電壓自動校正算法如下：

　　1）每10 s計(jì)算VR輸出平均電壓，并和基準(zhǔn)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(jì)時清零，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(jì)時清零，返回步驟1。

　　3)計(jì)時值加1，如果計(jì)時值達(dá)到設(shè)定值，則保存新的基準(zhǔn)電壓，并清零計(jì)時值，返回步驟1。

　　6 測量值溫度補(bǔ)償

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

　　7 結(jié)論

　　實(shí)際制作的樣機(jī)，經(jīng)過使用檢驗(yàn)，能夠滿足實(shí)際使用的需要，靈敏度較高，穩(wěn)定性滿足要求，能可靠地進(jìn)行煙霧檢測，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的早期預(yù)警。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] MP801氣體傳感器數(shù)據(jù)手冊.鄭州煒盛電子科技有限公司.

　　[2] MP901氣體傳感器數(shù)據(jù)手冊.鄭州煒盛電子科技有限公司.

　　[3] MP503氣體傳感器數(shù)據(jù)手冊.鄭州煒盛電子科技有限公司.

　　[4] TGS2603用于異味與空氣污染物檢測的氣體傳感器.深圳市新世聯(lián)科技有限公司.

　　[5] DC80480F070_1000_0T 數(shù)據(jù)手冊 V1.0.廣州大彩光電科技有限公司.

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