李珉澄 ¹ ，李?泓 ²

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

　　摘?要：介紹了一種車載煙霧報警系統(tǒng)的設計方案，包含一個帶觸摸屏液晶的主機和多個分布式安裝的探測器，通過RS485總線連接。方案采用半導體氣體傳感器實現(xiàn)，靈敏度高、成本低、壽命長，通過基準電壓自動標定、自動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題，實現(xiàn)了煙霧的可靠檢測，為汽車火災早期預警提供了可靠保障，具有較強的實用性。

　　關鍵詞：半導體氣體傳感器；RS485；自動校正；自動標定；溫度補償

　　近年來，汽車火災事故時有發(fā)生，給國家和人民的生命財產造成了巨大的損失，教訓是深刻的，目前汽車火災事故已經成為媒體輿論的焦點，社會各界對此廣泛關注。特別是城市公交車和長途大巴車由于采用空調系統(tǒng)使得人們處于一個相對封閉的環(huán)境，給火災處理和人員逃離都帶來了很多的不便，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品在其汽車領域上的運用，將其災情早期發(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)測方式只有在火災達到一定程度后才能進行報警工作，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)生的火災進行報警的，其監(jiān)測也是不全面的，如果待火災達到一定程度報警，勢必無形中給財產與生命安全造成更大損失。

　　近年來,隨著氣體傳感技術的發(fā)展，氣體傳感器和傳統(tǒng)火災探測器相結合的探測技術，已廣泛應用于汽車火災煙霧探測領域。在火災過程中，幾乎每種物質均要產生不充分燃燒的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，更容易更早漂浮實現(xiàn)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)點是成本低廉、制作簡單、靈敏度高、響應速度快、壽命長、對濕度敏感度低；它的缺點是對氣體選擇性差、輸出非線性、穩(wěn)定性不理想，適用于單點或少量檢測點報警，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 車載煙霧報警器系統(tǒng)設計

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

　　3 車載煙霧報警器主機設計

　　車載報警器主機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(jù)超出程度顯示黃色或紅色。

　　車載報警器主機系統(tǒng)組成如圖2所示。

　　4 車載報警器煙霧探測器設計

　　車載報警器探測器用于檢測煙霧濃度，并根據(jù)煙霧濃度確定當前是否存在火災隱患，根據(jù)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(tǒng)組成入圖3所示。

　　圖中，電源電路采用開關降壓芯片XL2596把汽車電源12 V或24 V轉換成5 V供探測器其他電路使用；風扇為5 V直流風扇，用于構成將車箱內氣體吸入探測器內部進行檢測，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過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(wěn)定性、穩(wěn)定時間、信號靈敏度，最終選擇了MP801，可以在開機2 min內達到穩(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體氣體傳感器工作環(huán)境溫度，然后單片機通過算法進行溫度補償；LED只是電路采用紅綠雙色LED，可以實現(xiàn)綠色、橙色和紅色3種狀態(tài)的顯示；RS485轉換電路實現(xiàn)和主機的總線連接。

　　5 基準電壓值自動標定和自動校正

　　車載煙霧探測器使用MP801半導體傳感器進行煙霧檢測。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，導致輸出電壓VR比較大，需要經過一段時間的預熱以后，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電壓來進行煙霧的判斷。

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

　　當車廂內有煙霧時，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電壓值和基準電壓比較就可以判斷得到當前車廂內煙霧的狀態(tài)。但是，在實際使用中，半導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，從而導致判斷的錯誤。所以在使用中必須對基準電壓進行自動校正。基準電壓自動校正算法如下：

　　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，則進入步驟2；如果差值大于限值，則計時清零，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，則進入步驟3；如果差值大于限值，則計時清零，返回步驟1。

　　3)計時值加1，如果計時值達到設定值，則保存新的基準電壓，并清零計時值，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，所以在使用時需要根據(jù)溫度對測量電壓值進行補償。傳感器輸出電壓溫度補償曲線如圖6所示。

　　7 結論

　　實際制作的樣機，經過使用檢驗，能夠滿足實際使用的需要，靈敏度較高，穩(wěn)定性滿足要求，能可靠地進行煙霧檢測，實現(xiàn)火災的早期預警。

　　參考文獻

　　[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。