红外探测型香菇大棚煤气语音报警系统

何祥宇 周涛

摘要：应用传感器和电子技术提出了一款红外探测型香菇大棚煤气语音报警系统的设计方案。该检测系统采用半导体气敏传感器ＭＱ－７检测环境中的煤气浓度；通过测量电路把煤气的浓度变化转换为相应的电压信号，由信号处理电路进行信号处理及浓度高低显示，一旦超过设定的煤气安全浓度值，当种植人员进入大棚时，红外探测电路控制报警电路发出语音报警信号，提醒种植人员采取安全措施。经实践证明，该系统具有工作可靠、灵敏度高等优点，效果良好。

关键词：香菇大棚；煤气浓度；气敏传感器；语音报警；半导体；红外探测

中图分类号：Ｓ６４６．１＋２；Ｓ６２６文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）18－4118-03

Infrared Gas Detecting Voice Alarm System for Mushroom Greenhouse

ＨＥ Ｘｉａｎｇ－ｙｕ，ＺＨＯＵ Ｔａｏ

（College ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ， Ｌｕｏｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２２，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｏａｌ ｇａｓ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ－ｖｏｉｃｅ ａｌａｒｍ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｕｓｈｒｏｏｍ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ＭＱ－７ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ to ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｂｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ． Ｏｎｃｅ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｅｓｓ ｔｈｅ ｓｅｔ ｓａｆｅ ｖａｌｕｅ， ｔｈｅ ｖｏｉｃｅ ａｌａｒｍ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｐｌａｙｅｄ ｗｈｅｎ ｇｒｏｗｅｒｓ ｇｏ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｔｏ ｒｅｍｉｎｄ ｔｈｅｍ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ， ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｅａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： mushroom greenhouse； ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ； ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ； ｖｏｉｃｅ ａｌａｒｍｉｎｇ； ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ； ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ

香菇是中国著名的食用菌之一，种植香菇已成为农民创收的重要手段之一。但种植香菇是一个非常繁琐的过程，在冬菇的生育期间气温低，菌丝生长缓慢，一般需要在香菇种植大棚内安装煤火炉进行增温，由于大棚面积大、密闭性强，多加温点和昼夜加温导致大棚内煤气浓度很高，一般情况下种植人员进入棚内换煤，几分钟内就会昏厥，非常危险。为了保障种植人员的人身安全，必须对香菇种植大棚内危害人体健康、引起窒息和中毒的煤气浓度进行检测并及时报警，提醒种植人员进入大棚之前先揭棚换气，降低煤气浓度后再入棚操作。

研究设计了一款红外探测型香菇大棚煤气语音报警系统，其能对大棚中危害人体健康的煤气浓度进行实时检测及显示，当种植人员进入大棚时，其根据设定的煤气安全浓度值及时发出语音报警信号，从而有效地保障香菇种植人员的人身安全。

１电路结构及其工作原理

设计的红外探测型香菇大棚煤气语音报警系统由煤气浓度检测及显示电路、红外探测电路和语音报警电路组成。香菇大棚内煤气浓度检测选用半导体气敏传感器ＭＱ－７，半导体气敏传感器对待测的煤气具有很高的灵敏度，具有优异的稳定性、寿命长、有大的电信号输出、有优异的选择性和维护方便等优点，在有毒气体测量中有着广泛的应用［１－４］。

１．１煤气浓度检测及显示电路

图１中A1、A2、A3、A4为４个电压比较器（由集成电压比较器ＬＭ３３９构成）；RP2、R6、R7、R8、R9构成电压采样电路，为电压比较器参考电压输入端（比较器的反向输入端）提供参考电压UF、UG、UH、UI（UF、UG、UH、UI分别为Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ点的对地电压值）；RP1和RP2分别为系统的灵敏度和报警上限调整电位器， RP2可以设定煤气的安全浓度值。电压比较器A1、A2、A3、A4同相输入端的输入信号是与煤气浓度有关的电压信号UＥ（UＥ为Ｅ点的对地电压值），ＭＱ－７工作电压为（５．０±０．５）Ｖ，由加热丝Ｃ、Ｄ和测量电极Ａ、Ｂ组成，在使用ＭＱ－７时需要先进行预热，然后再接通传感器测量电极Ａ、Ｂ间的工作电源，这样可用来防止因ＭＱ－７测量电极间的阻值不稳定而造成的误报警。

ＩＣ１（ＮＥ５５５）为８脚的时基集成电路芯片，其工作电压范围为４．５～１６．０ Ｖ，具有定时精度高、工作稳定、带负载能力强等特点［５］。图１中的ＮＥ５５５集成电路与电阻R1、电容器组C3形成传感器工作延时电路，其作用是为ＭＱ－７的测量电极提供工作电源。在接通电源瞬间，由于电容器C3上的电压不能突变，则ＩＣ１的２、６脚为高电平，ＮＥ５５５复位，３脚输出为低电平，ＭＱ－７不工作。同时，C3开始充电，当充到２脚为５ Ｖ时，ＮＥ５５５置位，３脚由低电平翻转为高电平，ＭＱ－７的测量电极通电工作。ＭＱ－７的充电时间，即ＭＱ－７工作的延时时间t=1.1×C3×R13，调整R13和C3可以改变延时时间，图１中R13和C3的电路参数决定的延时时间约为３．６７ ｍｉｎ。

图１中的A1、A2、A3、A4 ４个电压比较器由ＬＭ３３９集成电路芯片构成，通过对电压比较器输入信号端与参考输入端的电压值进行比较，分别输出高低电平用来控制发光二极管的亮灭，来直观地显示香菇种植大棚内的煤气浓度相对高低的变化情况。ＬＭ３３９集成电路内部含有４个独立的电压比较器，可以采用２～３６ Ｖ单电源工作，共模范围很大，差动输入电压范围较大，输出端电位可灵活方便地选用，利用ＬＭ３３９可以方便地组成各种电压比较器电路。ＬＭ３３９的输出端为集电极开路，在使用时需要接上拉电阻才能输出高电平。图１中的ＬＭ３３９采用５ Ｖ单电源工作，其３脚接５ Ｖ电压，１２脚接地，各比较器的输出端接阻值为１ ｋΩ的上拉电阻，以给发光二极管提供发光时所需的驱动电流。

１．２红外探测电路

ＩＣ２（ＢＩＳＳ０００１）是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，配以热释电红外传感器ＫＤＳ９和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关，工作电压范围为２～６ Ｖ，内置参考电压，由运算放大器、电压比较器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成数模混合专用的集成电路，特别适用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

图２中热释电红外传感器ＫＤＳ９的输出信号送到ＩＣ２的１４脚进行第一级的放大，然后由１６脚输出，接下来由电容器Ｃ６耦合后送给其１３脚进行第二级放大，再经由ＩＣ２内置的两个电压比较器的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器。电阻Ｒ１９和电容器Ｃ１０的电路参数决定输出信号Uｏ２的有效状态的延时时间ｔｘ（ｔｘ≈４９ １５２×Ｒ１９×Ｃ１０），１脚连接电源使ＩＣ２工作于可重复触发方式，电阻Ｒ２１和电容Ｃ１１的电路参数决定触发封锁时间ｔｉ（ｔｉ≈２４×Ｒ２１×Ｃ１１）。热释电红外传感器ＫＤＳ９自身的探测灵敏度很低，一般的探测距离仅为２ ｍ左右，为提高ＫＤＳ９传感器的灵敏度、扩大监视范围，需要在ＫＤＳ９表面罩一块菲涅尔透镜，它可使ＫＤＳ９的检测距离由原来的２ ｍ增加到１０ ｍ［６］。菲涅尔透镜的作用有两个，一是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红敏感元件区上；二是产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以满足热释电探测敏感区不断变化的要求。

１．３语音提示模块

图３中的ＩＣ３（ＢＡ９９０２）是一种Ｆｌａｓｈ电闪模拟直接存储和录放语音的集成电路，录音信息可以长期保存，可重复录１０万次以上，外围电路简单，它用两只按键和自身所带的一只扬声器就可构成一台高音质的语音录放系统［４］。录音时可以直接用其扬声器作话筒，按下系统的录音键，系统进入录音状态，录音指示灯亮，直至ＩＣ３的存储器录满或是放开录音键，录音状态结束，播放事先录制好的警示语，提醒工作人员。放音方法有两种：一种是按下放音键，ＩＣ３进入放音状态，直至放音结束；另一种是用低电平触发。本系统采用低电平触发放音方式。

１．４系统的工作原理

ＭＱ－７的测量电极间的等效电阻RAB与电位器RP1构成的串联电路用来检测香菇种植大棚内的煤气浓度，当空气环境中没有煤气流过敏感元件时，调整电位器RP1使发光二极管ＬＥＤ１熄灭；测量电极ＡＢ两端接通工作电压，加热丝ＣＤ和电阻R1两端加上５ Ｖ的加热电压，此时RAB的阻值很大；当处于含有煤气的环境中时，RAB的阻值变小，RAB和RP1的串联回路中电流增大，UE升高，UE＞UF，A1输出高电平点亮ＬＥＤ１。随着煤气浓度的增加，RAB的阻值降低，UE逐渐升高，ＬＥＤ２、ＬＥＤ３依次点亮。一旦煤气浓度大于设定的安全浓度值时，A4输出的Uo1为高电平，若此时香菇种植人员进入大棚内，ＩＣ２的２脚输出的Uo2为高电平，电压信号Uo1和Uo2通过与门（由VD1和VD2组成）来控制晶体管VT1的导通，VT1集电极变为低电平，触发ＩＣ３播放语音报警信号。

２结论

该研究设计的一款红外探测型香菇大棚煤气语音报警系统，把煤气的浓度检测电路及处理电路、红外探测电路、报警电路、发光二极管显示电路等有机地结合起来，实现了煤气浓度高低的直观动态显示及安全语音报警功能，具有灵敏度及报警浓度值可调、工作可靠、电路简单、使用寿命长和成本低等特点。经在河南省农村香菇种植大棚中的使用证明，该香菇大棚煤气语言报警系统具有反应速度快、误报率低等优点，适合在农村种植规模小的香菇种植大棚中使用，能为香菇种植人员的人身安全提供可靠保障。

参考文献：

［１］ 刘正全，肖兴明，陈旭忠，等． 基于ＡＶＲ单片机的瓦斯浓度检测仪的设计［Ｊ］． 矿山机械，２００７，３５（１０）：１４６－１４８．

［２］ 倪涛． 基于单片机的矿井瓦斯检测报警系统［Ｊ］． 煤矿机械，２０１０，３１（１２）：２０１－２０４．

［３］ 张善俊，李利珍，王松德． 无线遥控可燃气体泄漏报警系统的设计［Ｊ］． 工业安全与环保，２０１１，３７（８）：１０－１１．

［４］ 王松德，张栓记，胡敏． 可燃气体泄漏语音提示器的设计［Ｊ］． 矿山机械，２００７，３５（３）：１０１－１０３．

［５］ 郭继忠，黄继昌，申冰冰，等． 控制专用集成电路及其应用［Ｍ］． 北京：人民邮电出版社，２００６．

［６］ 郁有文，常健，程继红．传感器原理及工程应用［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００８．

收稿日期：２０１１－１０－２１

基金项目：河南省教育厅科技攻关项目（２００９Ａ５１０００９）

作者简介：何祥宇（１９８２－），男，河南泌阳人，讲师，硕士，主要从事自动检测技术研究，（电话）１３６９３８２３１０８（电子信箱）１３６３８８０２７＠ｑｑ．ｃｏｍ。