一种车载烟雾报警系统的设计

李珉澄 李泓

摘要：介绍了一种车载烟雾报警系统的设计方案，包含一个带触摸屏液晶的主机和多个分布式安装的探测器，通过RS485总线连接。方案采用半导体气体传感器实现，灵敏度高、成本低、寿命长，通过基准电压自动标定、自动校正和测量值温度补偿，解决了半导体气体传感器漂移和受温度影响大的问题，实现了烟雾的可靠检测，为汽车火灾早期预警提供了可靠保障，具有较强的实用性。

关键词：半导体气体传感器;RS485;自动校正;自动标定;温度补偿

近年来，汽车火灾事故时有发生，给国家和人民的生命财产造成了巨大的损失，教训是深刻的，目前汽车火灾事故已经成为媒体舆论的焦点，社会各界对此广泛关注。特别是城市公交车和长途大巴车由于采用空调系统使得人们处于一个相对封闭的环境，给火灾处理和人员逃离都带来了很多的不便，控制火灾的发生和先期的预警就显得尤为重要。因此，抓好火灾预防必须借助于高科技防火灾产品在其汽车领域上的运用，将其灾情早期发现并控制消灭在隐患萌芽中。

1烟雾检测原理

对于火灾烟雾方面的监测，通常主要采用烟雾传感器与温度传感器，其中烟雾传感器主要有离子式、光电式和气敏式等几类。它们的工作原理就决定了其监测方式只有在火灾达到一定程度后才能进行报警工作，而且存在对部分特殊火焰的燃烧无法识别的现象，这种监测的方式是无法对于早期发生的火灾进行报警的，其监测也是不全面的，如果待火灾达到一定程度报警，势必无形中给财产与生命安全造成更大损失。

近年来，随着气体传感技术的发展，气体传感器和传统火灾探测器相结合的探测技术，已广泛应用于汽车火灾烟雾探测领域。在火灾过程中，几乎每种物质均要产生不充分燃烧的CO和烟雾，特别是阴燃阶段的火灾更是如此，由火灾孕育到剧烈燃烧CO和烟雾经历由无到有，由小到大，然后逐渐减小的规律性变化过程，而且CO和烟雾比空气密度小，更容易更早漂浮实现早期预警。因此检测CO和烟雾适合于火灾早期探测，这对于较早的时间捕捉到火灾发生信息非常重要。

半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的，它的优点是成本低廉、制作简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感度低：它的缺点是对气体选择性差、输出非线性、稳定性不理想，适用于单点或少量检测点报警，不适合于定量检测使用。对于汽车使用环境来说，是比较合适的一种气体传感器，但是在使用中要解决稳定性不够的问题。

2车载烟雾报警器系统设计

整个车载烟雾报警系统分为两个部分：安装于驾驶员侧的主机和分布安装在车厢各处的探测器，主机和探测器通过RS485总线连接在一起。其安装分布如图1所示。

3车载烟雾报警器主机设计

车载报警器主机用于轮询探测器状态并根据读取数据在液晶屏上显示个探测器的状态，如果探测器未连接，相应探测器状态显示灰色，如果状态正常显示绿色，如果超出报警值则根据超出程度显示黄色或红色。

车载报警器主机系统组成如图2所示。

4车载报警器烟雾探测器设计

车载报警器探测器用于检测烟雾浓度，并根据烟雾浓度确定当前是否存在火灾隐患，根据烟雾浓度把当前状态判断为正常、轻度污染或者重度污染。其系统组成入图3所示。

图中，电源电路采用开关降压芯片XL2596把汽车电源12V或24V转换成5V供探测器其他电路使用：风扇为5V直流风扇，用于构成将车箱内气体吸入探测器内部进行检测，提供比自然扩散型结构更快的检测速度：半导体气体传感器经过比较郑州炜盛公司的MP503、MP801、MP901、日本费加罗公司的TGS2602、TGS2602在使用中的稳定性、稳定时间、信号灵敏度，最终选择了MP801，可以在开机2min内达到稳定，且灵敏度较高、稳定性不错：温度传感器使用热敏电阻检测半导体气体传感器工作环境温度，然后单片机通过算法进行温度补偿;LED只是电路采用红绿双色LED，可以实现绿色、橙色和红色3种状态的显示：RS485转换电路实现和主机的总线连接。

5基准电压值自动标定和自动校正

车载烟雾探测器使用M P801半导体传感器进行烟雾检测。其基本电路如图4所示。

图中，传感器MP801的1脚和4脚之间为加热体，额定工作电压5V，用于保证2、3脚之间的检测体的正常工作。刚上电时，检测体的阻值很小，导致输出电压VR比较大，需要经过一段时间的预热以后，检测体的阻值才会稳定下来，此时VR输出一个稳定的值，这个值才可以作為基准电压来进行烟雾的判断。

在程序设计中，考虑到了上电预热稳定的过程，其自动标定基准电压的流程如图5所示。

当车厢内有烟雾时，传感器检测体阻值下降，VR输出电压上升，通过比较测量到的VR电压值和基准电压比较就可以判断得到当前车厢内烟雾的状态。但是，在实际使用中，半导体传感器存在着漂移的现象。在没有烟雾的状态下，传感器检测体的阻值也会发生缓慢变化，如果时间足够长，则这种漂移会足够大，从而导致判断的错误。所以在使用中必须对基准电压进行自动校正。基准电压自动校正算法如下：

1）每10s计算VR输出平均电压，并和基准电压比较。如果差值小于限值，则进入步骤2;如果差值大于限值，则计时清零，返回步骤10

2）和上一次测量平均值比较，如果差值小于限值，则进入步骤3;如果差值大于限值，则计时清零，返回步骤1。

3）计时值加1，如果计时值达到设定值，则保存新的基准电压.并清零计时值，返回步骤1。

6测量值温度补偿

半导体气体传感器的性能受温度的影响比较大.所以在使用时需要根据温度对测量电压值进行补偿。传感器输出电压温度补偿曲线如图6所示。

7结论

实际制作的样机，经过使用检验，能够满足实际使用的需要，灵敏度较高，稳定性满足要求，能可靠地进行烟雾检测，实现火灾的早期预警。