关于车载CO2监测报警及智能换气装置的设计研究
2014-05-09河海大学大禹学院南京211100
（河海大学大禹学院,南京 211100）
（河海大学大禹学院,南京 211100）
研究设计由二氧化碳传感器与数字门电路结合的二氧化碳监测与报警装置，利用数字门电路的二值逻辑性决定是否驱动三极管，来实现报警与自动换气。
车载；检测；智能换气
车载CO2监测报警及智能换气装置针对校车窒息死亡与车内睡觉窒息死亡案件来研究设计，利用计算机电路所使用的数字电路控制原理来实现，从客观上有效防止车内窒息事件的发生。
1 研究背景
近年来，随着汽车的普及应用，小学生不慎被落在校车里和一些司机习惯性地喜欢在车内休息睡觉而窒息的事件已经屡见不鲜。日常生活中，由于车内CO2浓度过高而引起司机反应迟缓所导致的车祸等事件也时常发生。因此，如果能够在车内安装CO2传感器和适当的控制报警电路，便能有效地预防这类事件的发生。
研究表明，当CO2浓度大于1000ppm（0.1％）时，人的思维决策能力有适度下降；当CO2浓度大于2500ppm（0.25％）时，人的思维决策能力有明显下降；当空气中浓度大于1％时，会使人感到气闷、头昏、心悸；浓度大于4％—5％时，会使人感到气喘、头痛、眩晕；而当空气中CO2体积占到10％时，会使人神志不清呼吸停止，以致死亡。在正常的空气中，CO2浓度占到300ppm（0.03％）。因此，正常情况下汽车内部CO2浓度初始值为300ppm。由于车内人员的呼吸作用使得车内的CO2浓度不断升高，我们设定在汽车行驶时，当车内CO2浓度超过2500ppm，通过控制电路发出定时警报，提醒司机开窗换气。而在汽车静止时，如果浓度超过2500ppm，则通过控制电路发出持续警报并启动换气装置自行换气。
2 基本构思设计
根据设想，当汽车行进时，随着车内人员的呼吸作用及汽车空调等的内循环耗氧，车内CO2浓度不断升高，当CO2传感器探测到浓度超过预设安全值时，发出信号到电子控制电路，控制电路检测到行车信号后控制报警器工作，实现定时报警，提醒司机开窗换气。
当汽车停止时，由于汽车密闭性较高，车内滞留人员呼吸产生的CO2不能及时排到车外，车内CO2不断升高。当CO2传感器探测到浓度超过预设安全值时，发出信号到控制电路，控制电路检测到CO2浓度超标信号和车辆停止信号后，控制报警器持续报警，寻求支援，同时启动换气装置实现换气，直至浓度值降到预设安全值以下。以下为具体实现过程的模拟框图：
（1）防止行车过程中，CO2浓度过高导致司机反应迟缓（见图1）。
图1
（2）防止车辆停止时，CO2浓度过高导致车内窒息事件（见图2）。
图2
3 电路原理
根据数字电路原理，首先把控制信息进行数字化，输入信号中。设定行车信号为A，当汽车行驶时，行车信号A为‘1’；当汽车停止时，行车信号为‘0’；设定B为CO2浓度信号，当CO2浓度超过2500ppm时，浓度信号B为‘1’，当CO2浓度低于2500ppm时，浓度信号B为‘0’。
输出信号中，设定定时报警信号为F1，当F1为‘1’时，实现定时报警，F1为‘0’时，报警器不工作；设定F2为持续报警，当F2为‘1’时，报警器持续报警，当F2为‘0’时，报警器不工作；设定F3为吹风换气，当F3为‘1’时，风扇工作，开始换气，当F3为‘0’时，风扇不工作；
具体的逻辑关系如下表所示：
A B F1 F2 F3 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0
从而得出相应的逻辑表达式
利用与非门实现所有的逻辑关系，利用555定时器构成的单稳触发电路实现定时蜂鸣，最后利用三极管电路驱动风扇与蜂鸣器。具体电路（见图3）。
如图3，CO2浓度传感器输出信号为数字信号，设为B。行车与不行车时电瓶电压值可以看作数字信号，设为A。计算机模拟时均用开关来代替实现，A和B作为电路的输入信号接入与非门输入端，F1、F2、F3的逻辑关系均由与非门实现（如图中标注“逻辑门电路”）。定时报警控制由LM555CM连接实现（如图中标注“555定时器”），定时时长由图中R6、C4乘积决定，具体的报警与开窗换气电路均有三极管控制电路实现（如图中“报警控制电路”、“风扇控制电路”）。
具体的实现过程为：当CO2浓度不超标时，即B为低电平“0”时，逻辑门电路输出均为“0”，报警器1、2与风扇均不工作；当CO2浓度超标且汽车行进时，即A为高电平信号“1”，B为高电平信号“1”时，门电路对报警电路2、风扇控制电路均发出低电平“0”信号，同时对定时器输出高电平信号“1”，报警器2、风扇不工作，定时器工作，并向控制报警电路1发出一定时长的高电平信号，三极管导通，报警器1实现定时工作；当CO2浓度超标且汽车行进时，即A为低电平信号“0”，B为高电平信号“1”时，门电路对定时器发出低电平信号“0”，对报警器2与风扇发出高电平信号“1”，此时定时器、报警器1均不工作，报警器2与风扇工作，实现持续报警与换气。
图3
注：（1）此电路图由电路制图软件ProteIDXP2004 Multisim绘制并测试成功，经截图标注所得；（2）LM555CM端口示意图（见图4）。
1脚GND：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 2脚TRIG：低触发端。3脚OUT：输出端Vo。 4脚RESET：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚CTRL：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压。当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。6脚THR：TH高触发端。7脚DIS：放电端。该端与放电三极管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚VCC：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5～16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ～18V。一般用5V。
4 应用优势
（1）可调节性强。根据设定的不同CO2浓度对人身体的影响，可以分别设定不同的CO2浓度探测值，从而实现不同的功能，以应用到不同的领域中去，提高了该装置的适用范围。
（2）低功耗。该装置由电瓶实施供电，且工作元器件的额定工作电压与电流都很低。因此，既能有效地防止元器件的发热情况，又能够保证电量充足。
（3）人性化的报警设置。根据报警用途的不同，设定了两个报警装置，当车辆行进时，由车内报警装置实现定时报警来提醒司机开窗。当车辆停止时，由车外报警装置实现持续报警，实现向外界求救的目的。
（4）推广应用价值高。该电子控制电路的设计主要依托数字电路控制原理、传感器原理来实现电子线路的控制与CO2浓度的探测，应用了基本的组合逻辑电路元器件和基本的电阻、电容等器件，调试简单，且电路器件方便集成化，便于大型客车、校车等装载使用。且电路适用范围广，便于某些特定场所内部的CO2检测报警及智能换气，具有很高的推广使用价值。
关于车载CO2监测报警及智能换气装置的设计研究
朱思雨
朱思雨（1996—）女，江苏大丰人，本科，学生，研究方向：水利。
