一種消防救援專用多參數毒氣監(jiān)控儀的研制

魏立峰 孫大雷 王慶輝 金 燁

(沈陽化工大學信息工程學院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，工業(yè)化、市場化、城市化進程的不斷加快，火災及其他災害事故呈現(xiàn)突發(fā)性、多樣性、復雜性和殘酷性等特點。由于危險化學品具有易燃易爆的特點，一旦災害事故發(fā)生，破壞力大、殺傷性強，而且伴隨有大量的毒氣，這都對消防員的生命安全構成威脅。分析中國消防員傷亡調查報告可知，由于中毒、裝備供氣量不足等造成的死亡比例呈上升趨勢，所以研制能夠延長壓縮空氣瓶使用時間的多參數毒氣監(jiān)控儀，對消防安全領域具有十分重要的意義［1］。本文以消防救援現(xiàn)場空氣質量檢測為出發(fā)點，設計了一種面向消防救援的智能型多參數毒氣監(jiān)控儀。

1 系統(tǒng)方案設計特點

首先，在傳統(tǒng)空氣呼吸器中增加了多參數毒氣傳感器。該毒氣監(jiān)控儀可以同時檢測O2、SO2、H2S和CO這4種氣體的濃度，并通過雙穩(wěn)態(tài)微控電磁閥在自然呼吸和壓縮空氣瓶呼吸間進行自動切換，延長壓縮空氣瓶的使用時間;其次，由于毒氣檢測儀是消防員隨身攜帶的，在CPU、傳感器和電磁閥選型上，所選元件型號均保證了本監(jiān)控儀的低功耗、長時間工作;最后，通過GPRS網絡傳輸方式，對現(xiàn)場檢測環(huán)境進行遠程監(jiān)控［2－3］。

2 系統(tǒng)原理與結構

系統(tǒng)總體結構如圖1所示。儀器采用電化學式傳感元件作為氣體傳感器，待測氣體進入傳感器后發(fā)生氧化還原反應，產生微小電流;微小電流通過放大調理電路進入到CC430內部集成的12位ADC中，經微處理器運算處理后轉化為濃度值;濃度值送LCD12864顯示并與預先設定的報警值進行比較，判斷是否需要報警，報警方式采用聲光報警。如果不需要報警，且外界氧濃度適合人體呼吸，控制芯片CC430將發(fā)送一個脈沖信號給壓縮空氣瓶連接處的雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，并控制氣瓶切換到自然呼吸狀態(tài);反之，則切換到氣瓶呼吸狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖Fig.1 Overall design of the system

3 系統(tǒng)硬件及電路設計

電化學傳感器具有功耗低、價格低廉、精度高、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾能力強、重復性和穩(wěn)定性優(yōu)異等特點。其測量范圍如下:O2為0～25%VOL、CO為0～1000×10－6、SO2為0 ～20 ×10－6、H2S 為0 ～100 ×10－6。

3.1 O2信號調理電路

本系統(tǒng)的O2傳感器選用煒盛公司生產的ME3-O2型電化學傳感器。O2信號調理電路如圖2所示。

圖2 O2信號調理電路Fig.2 Conditioning circuit of O2signal

圖2 中，R5、R7、RT1構成反饋電路;RT1為熱敏電阻，用于硬件溫度補償;C24用于濾除信號的干擾;R8、C25組成濾波電路，用于濾除輸出噪聲。

根據運放的虛短、虛斷原理，電路的理論輸入、輸出放大關系式為:

式中:Iin為工作電極輸出的電流。

ME3-O2型電化學傳感器根據電化學原電池的原理，利用待測氣體在原電池中陰極上的電化學還原和陽極的氧化過程產生電流。待測氣體電化學反應所產生的電流與其濃度成正比，并遵循法拉第定律［4］。由于傳感器的輸出信號為毫安級，因此，運放芯片采用高精度的軌到軌運算放大器AD8572。AD8572具有低失調電壓、低漂移電流和低偏置電流等特點，可在2.7～5 V的電源下工作;具有自調零功能，自調零是通過定期測量失調電壓，然后將它的漂移降至極小。采用AD公司的新拓撲結構時，AD8572具有高精度的特性;具有自調零擴展功能。因此，AD8572適用于位置/壓力傳感器、溫度傳感器、精度電路檢測、熱電偶放大器、醫(yī)用儀器和應變測量儀等對誤差要求極高的儀器中。

3.2 CO、H2S、SO2信號調理電路

本系統(tǒng)選用的CO、H2S、SO2傳感器是煒盛公司生產的ME3-CO、ME3-H2S、ME3-SO2型三極電化學傳感器，CO、H2S、SO2三種傳感器的工作原理相似，其信號調理電路如圖3所示。

圖3 CO、H2S、SO2傳感器信號調理電路Fig.3 Signal conditioning circuits for CO、H2S、SO2sensors

圖3中，AD8572的1號運放以及 R12、R14和 C26構成的負反饋電路起到恒電位儀的作用，將參比電極電位恒定為0，沒有電流產生;2號運放作為I-V轉換放大電路組成部分，將工作電極產生的小電流轉換放大為電壓變化，供A/D采集。J177為P溝道開關，當柵極(G極)接高電平，漏極(D極)和源極(S極)斷開，傳感器工作電極和參比電極斷開，傳感器正常工作;否則，傳感器工作電極和參比電極閉合，用于傳感器平時斷電儲存，在下次使用時快速響應氣體濃度變化［5］。R11、R13、RT2構成反饋電路，RT2為熱敏電阻，用于硬件溫度補償。C27用于濾除信號的干擾，R16、C30組成濾波電路，用于濾除輸出噪聲［6］。

根據運放的虛短、虛斷原理，電路的理論輸入、輸出放大關系式為:

式中:I毒為三極電化學傳感器工作電極產生的電流。

3.3 雙穩(wěn)態(tài)電磁閥驅動電路設計

用于控制呼吸模式的關鍵器件是雙穩(wěn)態(tài)電磁閥。雙穩(wěn)態(tài)電磁閥具有響應迅速、使用簡便、高效節(jié)能等優(yōu)點。其采用先進的脈沖和永磁技術，只需通過控制器切換脈沖的電極觸點即可改變閥的開、關狀態(tài)。當控制器發(fā)出電脈沖時，驅動磁芯帶動閥瓣克服永磁力產生上下位移，閥瓣到位后在永磁作用下處于自保持狀態(tài)。

本文使用一款雙極型H-橋電機驅動芯片L293D控制雙穩(wěn)態(tài)電磁閥。電磁閥外部控制電路如圖4所示。

圖4 電磁閥驅動電路Fig.4 Drive circuit of solenoid valve

3.4 GPRS模塊電路設計

系統(tǒng)使用華為公司的GTM-900C無線GPRS通信GPRS模塊。該模塊體積小、質量輕，并內嵌TCP/IP、PPP協(xié)議，是一款性價比高的國產GPRS模塊，現(xiàn)已廣泛應用于車載應用、遙控遙測、遠程抄表、安全監(jiān)控等領域。GTM-900C與SIM卡接口電路如圖5所示。

圖5 GTM-900C與SIM卡接口電路Fig.5 Interface circuit between GTM-900C and SIM card

圖5中，32腳接指示燈D0，可根據指示燈亮滅情況了解模塊工作狀況:指示燈3 s長亮后滅，改為周期1 s左右閃爍，模塊正常啟動，并通過SIM卡連接移動網絡;指示燈周期3 s左右閃爍，模塊成功注冊到移動數據網。

在本系統(tǒng)設計中，GTM-900C與上位機、單片機通過串口通信，接收 AT命令并實現(xiàn) GPRS遠程通信功能［7－8］。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件程序主要使用C語言編寫，采用模塊化結構程序設計，主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of the main program

系統(tǒng)軟件由主程序、初始化子程序和功能子程序三大部分組成。多數功能子程序采用中斷處理方式。初始化子程序包括:時鐘模塊初始化子程序、I/O端口初始化子程序、模數轉換器ADC12初始化子程序。功能子程序包括ADC12采樣子程序、顯示子程序、報警子程序、按鍵判斷子程序、鍵盤處理子程序、延時子程序和控制電磁閥子程序等。

系統(tǒng)上電復位，在進行時鐘、I/O端口、ADC12等功能模塊初始化后，進入低功耗模式下休眠，等待中斷的喚醒。當多路氣體傳感器檢測到待測氣體并發(fā)生反應，經過ADC12轉換后發(fā)生中斷請求，系統(tǒng)從休眠狀態(tài)中跳出［9］，通過計算得出各氣體濃度并在LCD上顯示。當超出報警值時，可產生聲光報警等措施。如果外界有適合呼吸的環(huán)境，可以控制壓縮空氣瓶上的電磁閥進行自然呼吸與壓縮空氣瓶呼吸模式之間的切換。

5 試驗測試

系統(tǒng)可以測量O2、CO、H2S、SO2這4種氣體濃度。氣體的標定試驗需要在標準氣體的濃度下進行測試。測試過程中，將實際測量值與標準值進行對比，然后進行氣體濃度的標定。由于電化學氣體傳感器具有良好的線性度，因此，一般在兩種不同濃度的標準氣體中進行測試，取線性值作為實際的測量值。

由于資金有限，只對氣體傳感器進行定性試驗，再根據廠家提供的傳感器參數進行估算標定。由于H2S、SO2難以生成，且信號調理電路與CO相同，故本試驗僅使用O2和CO傳感器，將點燃的蠟燭和傳感器放在一密閉的瓶子里進行試驗。

當玻璃瓶打開，與外界通氣一段時間至傳感器數值趨于穩(wěn)定，這時認定瓶內氣體與外界一樣是普通的空氣，空氣中氧氣的濃度為20.9%，CO約為0.1～5×10－6。CO值因環(huán)境而異，且含量很小，故不予以采納，僅認為氧氣值為一標準參考值。然后分別測量信號調理電路的輸入輸出電壓，將點燃的蠟燭放入瓶子并蓋緊瓶蓋，瓶內蠟燭燃燒至熄滅，等待傳感器數值穩(wěn)定。此時，因蠟燭不充分燃燒，消耗掉瓶內的部分氧氣，并釋放少量CO。最后測量電路的輸入輸出電壓。

由相關試驗結果可知，蠟燭燃燒前后氧氣值呈下降趨勢，CO值呈上升趨勢。當蠟燭燃燒時，氧氣含量不斷減少，蠟燭熄滅后氧氣沒有繼續(xù)損耗，氧氣值變化不大;而CO在蠟燭燃燒過程中一直持續(xù)增加，并在蠟燭熄滅時還會繼續(xù)產生煙氣(煙氣中包括CO等氣體)，所以CO輸出值由蠟燭熄滅瞬間的163.4 MV上升到穩(wěn)定后的191.46 MV。由此可見，該監(jiān)測儀可準確地測量到空氣中各氣體含量的變化。

6 結束語

本文設計了一種消防救援專用多參數毒氣監(jiān)控儀，采用多路傳感器檢測有毒氣體，經處理后在液晶屏上顯示，并通過雙穩(wěn)態(tài)電磁閥實現(xiàn)自然呼吸和壓縮空氣瓶呼氣之間的模式切換。該監(jiān)控儀提供聲光報警功能，當超出報警值即進行聲光報警，并打開供氣通路;當外界環(huán)境適合呼吸，關閉供氣通路，以延長空氣瓶使用時間。同時，通過GPRS網絡傳輸方式實現(xiàn)現(xiàn)場檢測環(huán)境的遠程監(jiān)控。本監(jiān)控儀器可以提高救援效率和消防人員的生命安全系數，對提升我國消防員使用正壓式空氣呼吸器裝備水平具有較大的實際應用價值。

［1］李樹宏.傳感器技術的新發(fā)展——傳感器萬維網［J］.紅外，2008，29(2):23 －27.

［2］李杰，叢飆，朱海鷹，等.便攜式氣體檢測報警儀在生產中的應用［J］.石油工業(yè)技術監(jiān)督，2006(11):40 －42.

［3］邢濤.工業(yè)現(xiàn)場有毒氣氛環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2009.

［4］杜黎.電化學傳感器測試電路設計與實現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學，2009.

［5］王昊，李昕.集成運放應用電路設計360例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［6］咸金龍，羊陽.基于GTM900的糧情遠程測控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.河南工業(yè)大學學報:自然科學版，2011，32(5):79 －82.

［7］劉建平.基于GPRS的無線數據傳輸模塊的設計［J］.信息通信，2009(2):48－50.

［8］沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［9］張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機實用C語言程序設計［M］.北京:人民郵電出版社，2005.