新型汽車電控自動(dòng)滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃展華，蔡偉明

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，福建 漳州 363000）

汽車電路系統(tǒng)故障、燃油系統(tǒng)故障、機(jī)械摩擦產(chǎn)生的高溫以及夏季的高溫等問題使得汽車存在自燃的風(fēng)險(xiǎn)。 國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者都對(duì)汽車著火后可采取的有效滅火方法作了大量研究。 目前，汽車自動(dòng)滅火主要是靠滅火器滅火，在具體的實(shí)現(xiàn)形式上主要有機(jī)械觸發(fā)式和電子觸發(fā)式等形式，其特點(diǎn)是根據(jù)著火點(diǎn)產(chǎn)生的高溫觸發(fā)相關(guān)的機(jī)械裝置或溫控開關(guān)，實(shí)現(xiàn)滅火器的自動(dòng)控制，這些形式的滅火器的智能化程度都比較低。 本文旨在開發(fā)一種具有較好經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的智能化新型汽車電控自動(dòng)滅火系統(tǒng)。

1 電控自動(dòng)滅火系統(tǒng)原理及可行性分析

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。 系統(tǒng)采用煙霧和溫度傳感器對(duì)整車的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出火情后，要能及時(shí)地向駕乘人員報(bào)警提示；當(dāng)檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙火情10 s 后，自動(dòng)啟動(dòng)滅火裝置；當(dāng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)失效時(shí)，駕駛員可以手動(dòng)觸發(fā)滅火裝置；當(dāng)駕駛員確定發(fā)動(dòng)機(jī)艙無(wú)火情，而系統(tǒng)警告發(fā)動(dòng)機(jī)艙失火時(shí)，駕駛員可以在10 s 內(nèi)按下“禁止啟動(dòng)”按鈕以禁止滅火裝置的自動(dòng)觸發(fā)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)總布置

因?yàn)闄C(jī)艙空間狹小，大容量滅火器難以布置，故在機(jī)艙上布置了4 個(gè)小容量滅火器。 將滅火器的噴射點(diǎn)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的四個(gè)角落，而不安裝在油管或排氣管附近。 這是因?yàn)闄C(jī)艙的裝置及線路復(fù)雜，起火點(diǎn)難以預(yù)測(cè)，讓滅火器的噴灑覆蓋盡量大的范圍，可以使得滅火行為的起始點(diǎn)更早，及時(shí)撲滅小火，才不會(huì)形成大火而難以控制。

在機(jī)艙安裝4 組煙霧和溫度傳感器是為了能準(zhǔn)確地采集到機(jī)艙的煙霧和溫度信息。 機(jī)艙的傳感器主要安裝在防火墻附近，這是因?yàn)樵谄囆旭傔^(guò)程中，防火墻處于機(jī)艙的下風(fēng)口位置，有利于收集異常數(shù)據(jù)。

1.3 滅火器選擇

首先，滅火劑材料選用超細(xì)干粉滅火劑。 汽車火災(zāi)主要涉及A、B、C、E 類火災(zāi)，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上可用于撲滅這4 類火災(zāi)的滅火劑主要有二氧化碳滅火劑、鹵代烷滅火劑、七氟丙烷滅火劑、IG541 滅火劑以及干粉滅火劑[1]。 在這幾種滅火劑中，超細(xì)干粉滅火劑對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，對(duì)大氣臭氧層沒有破壞作用，性價(jià)比高，并且具有較高的滅火效率。試驗(yàn)表明，超細(xì)干粉滅火速率是鹵代烷的2.5 倍，是二氧化碳的4 倍，是泡沫的20 倍，是水的40 倍。超細(xì)干粉滅火劑在150 g/m3的用量下，可以有效撲滅A、B、C 火災(zāi)[2]。

其次，選用貯壓式的超細(xì)干粉滅火器。 車用超細(xì)干粉滅火器有2 種，分別是：貯壓式和脈沖式。 脈沖式超細(xì)干粉滅火器是利用火藥瞬間爆炸產(chǎn)生的巨大沖擊力作為啟動(dòng)動(dòng)力，經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)證明其觸發(fā)時(shí)的爆炸聲太大，沖擊波可能會(huì)危及車輛維修人員安全。

綜上所述，選用4 個(gè)2 kg 車用電啟動(dòng)貯壓式超細(xì)干粉滅火器作為本自動(dòng)滅火系統(tǒng)的滅火裝置。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 煙霧信息采集電路設(shè)計(jì)

煙霧傳感器使用MQ-2 氣體傳感器。MQ-2 氣體傳感器使用二氧化錫材料作為可燃?xì)怏w的檢測(cè)媒質(zhì)[3]。 該材料的電導(dǎo)率隨著可燃?xì)怏w濃度的增大而增大。 從MQ-2 的說(shuō)明書上可獲知該傳感器可檢測(cè)可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)范圍為200～10 000 ppm。 在1 000 ppm 的可燃?xì)怏w濃度下，其電導(dǎo)率是正常空氣的5 倍以上。 MQ-2 傳感器內(nèi)部簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 煙霧傳感器內(nèi)部原理

設(shè)計(jì)的煙霧信息采集電路如圖3 所示。 將R3 與煙霧傳感器串聯(lián)連接，當(dāng)煙霧傳感器的電導(dǎo)率發(fā)生變化時(shí)，R3 的分壓也隨之變化。 利用電壓比較器LM393 將R3 的電壓與電位器R1 的信號(hào)作比較，再將比較的結(jié)果送給主控制器。 這樣設(shè)計(jì)的好處是：可以通過(guò)調(diào)整電位器R1 手工設(shè)定煙霧異常指標(biāo)，方便試驗(yàn)調(diào)試。 發(fā)光二極管LED1 在煙霧濃度值超標(biāo)時(shí)點(diǎn)亮。

圖3 煙霧信息采集電路

2.2 溫度信息采集電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的溫度信息采集電路如圖4 所示。 溫度傳感器選用PT100 熱電阻。 該熱電阻可測(cè)試的溫度范圍為-100～750 ℃，精度為±2.5 ℃，滿足使用要求。 從PT100 的使用手冊(cè)上可獲知其在不同溫度下的電阻值。R7 與溫度傳感器串聯(lián)連接，用于監(jiān)測(cè)煙溫度傳感器電阻的變化。 當(dāng)溫度傳感器的電阻發(fā)生變化時(shí)，R7 的分壓隨之變化，由此可計(jì)算出該傳感器所處的溫度值。

2.3 自動(dòng)滅火功能禁止按鍵電路

自動(dòng)滅火功能禁止按鍵電路如圖5 所示。 發(fā)光二級(jí)管在按鍵開關(guān)按下后點(diǎn)亮，用于指示自動(dòng)滅火功能被禁止。

圖4 溫度信息采集電路

圖5 按鍵電路

2.4 滅火器控制電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的滅火器控制電路如圖6 所示。 從滅火器的使用手冊(cè)上查得：滅火器上點(diǎn)火裝置的電阻值為2～3 Ω，工作電壓為12 V，工作電流約為5 A。使用SLA-12VDC-SL-A 繼電器對(duì)點(diǎn)火裝置進(jìn)行控制。該繼電器在12 V 電源電壓下，工作端的額定電流約為10 A，控制端電流約為80 mA，滿足使用要求。 光耦TLP521 起隔離保護(hù)作用。 R8 和R9 使三級(jí)管8050 的工作處于飽和狀態(tài)。

圖6 滅火器控制電路

2.5 報(bào)警系統(tǒng)及信息顯示

報(bào)警系統(tǒng)主要控制報(bào)警喇叭工作，工作電路與滅火器的控制電路類似。 使用TFT 型液晶屏作為警報(bào)顯示器。

2.6 單片機(jī)選擇

溫度信息的讀取需要使用A/D 轉(zhuǎn)換器，為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，選用Microchip 公司的PIC18F4520 單片機(jī)作

3 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)定的功能設(shè)計(jì)主程序流程如圖7 所示。 在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮了系統(tǒng)自檢功能。 當(dāng)溫度傳感器的信號(hào)電壓大于4.5 V 或小于0.1 V 時(shí)，說(shuō)明溫度傳感器的電路存在故障，該溫度傳感器將被停用，其數(shù)據(jù)不再作為著火的判斷依據(jù)。

圖7 主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，本次設(shè)計(jì)的新型汽車電控自動(dòng)滅火系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，可以較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的各項(xiàng)功能。 該系統(tǒng)相對(duì)于市場(chǎng)上其他的汽車電控滅火系統(tǒng)，不僅操作方便，而且經(jīng)濟(jì)性較好，具有一定的應(yīng)用前景。