一种预防室内二氧化碳中毒的安全系统

刘晓会　宋琴瑶　蔡益勉　夏光琼

摘要：本文基于光干涉法检测气体浓度，提出了一种预防室内二氧化碳中毒的安全系统.研究了二氧化碳气体浓度对迈克耳逊干涉仪条纹变化数的影响，使用支持向量机对数据进行分类，采用单片机控制空调换气功能或换气扇，开合门窗，声光警报三个功能。当危险度较低时仅开启空调换气功能或换气扇等装置，危险度较高时即控制自动打开门窗通风，若仍不能缓解危险就发出声光警报，人为采取措施。研究结果表明，系统具有报警准确，灵敏度高，使用方便，安全度高等优点。

关键词：光干涉、支持向量机、单片机

中图分类号： X651 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

众所周知，二氧化碳浓度过高时会对人体产生很大的危害。据了解，当大气中二氧化碳浓度达50ppm时就会对人体产生危害，800ppm时就可能引起死亡。但是一直以来，二氧化碳气体因其无色无味而很容易被忽视从而引起中毒，对人体产生很大的危害。所以能够研究出一种实用，有效的预防室内二氧化碳中毒的安全系统就显得极其重要。

1系统结构与理论模型

系统结构框图如图1所示。首先利用光干涉法检测气体的浓度，然后利用支持向量机对数据进行分类处理，最后通过单片机分别对应控制空调换气功能，门窗开合与声光警报三种防护措施。

图1.1 光干涉气体检测仪图1.2 声光报警

图中代码含义如下

1：激光发射器；2，3：相同的两个玻璃气体室；4：迈克尔逊干涉仪条纹自动计数装置（它的型号）；5：LED显示器；6：声音提示装置

按照装置流程图，将单片机出口接入中央处理器TMS320LF2407中，可将单片机读出的数字信号传入中央处理器并对其进行处理，利用支持向量机（SVM算法）依据所建立的数据库对测量数据进行分类，将其分为一般危险，危险，非常危险三类。

在中央处理器的三个出口处分别接入三个AT89S5单片机，这三个AT89S5单片机分别对应控制空调或换气扇的开启、门窗开合和声光警报。当数据显示一般危险时，仅控制开启空时调换气功能或换气扇，当显示危险时打开门窗，当数据显示非常危险即发出声光警报。下面以声光警报为例作具体说明。

首先采用有发光二极管和压电式蜂鸣器作为核心的声光报警电路，报警电路的功能是在AT89S52单片机的控制下实现声光报警或解除报警。当AT89S52单片机检测工作间隙超过规定的量值时，通过报警电路向报警器发出有效信号（高电平有效），声音报警电路接到有效电平后则自动发出预置的报警声，同时红色报警指示灯发出耀眼的红色信号。当P2.1为低电平时，三极管基极为0电平，发射极接地，三极管截止，集电极电流为0，发射极电流也为0，蜂鸣器不工作。当P2.0为低电平时，LED灯也没有电流通过，不工作。当P2.1和P2.0都为高电平时，LED灯有电流通过，正常工作，此时三极管的基极为高电平，三极管导通，蜂鸣器也工作，处于报警状态。报警电路如图1.2所示。

2实验方法

使用光干涉气体检测仪来检测二氧化碳气体浓度。在装置中，将迈克尔逊干涉仪的一条光路用气室完全密封起来，而另一条光路裸露在空气中，若室内二氧化碳气体浓度变化△c，会引起空气折射率的变化△n（忽略气体压强等次要因素的影响），就会导致光成差增大，引起干涉条纹N个环的变化，设气室空气柱长为2l，则：

△n =2l=N?

N=2l?

3结果与讨论

实验结果如表1所示：

根据以上实验结果可以将光干涉气体检测仪所测得的条纹变化数分为以下三种类型，如表2所示。然后即可依据表2对光干涉气体检测仪进行定标。

表2条纹变化数分类结果

4 结论

本文采用光干涉法检测气体浓度，测得了二氧化碳气体浓度为50ppm、200ppm、400ppm时迈克尔逊干涉仪所对应的条纹变化数分别为21.0、68.4、123.3条；使用AT89S52单片机进行自动控制，设计了报警电路图。本系统灵敏度高，测量精确，使用方便且安全系数高，可用于室内检测二氧化碳浓度并预防二氧化碳中毒。

参考文献：

[1]胡传镛.利用光电信号转换元件实现光干涉条纹转换的可行性研究[J].大学物理研究，1995

[2]赵继文，何玉彬.传感器与应用电路设计[M]北京科学出版社，2002，9

[3]何苏勤，王忠勇. TMS320C2000系列DSP原理及实用技术[M].电子工业出版社，2003