一種預(yù)防室內(nèi)二氧化碳中毒的安全系統(tǒng)

劉曉會　宋琴瑤　蔡益勉　夏光瓊

摘要：本文基于光干涉法檢測氣體濃度，提出了一種預(yù)防室內(nèi)二氧化碳中毒的安全系統(tǒng).研究了二氧化碳?xì)怏w濃度對邁克耳遜干涉儀條紋變化數(shù)的影響，使用支持向量機對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，采用單片機控制空調(diào)換氣功能或換氣扇，開合門窗，聲光警報三個功能。當(dāng)危險度較低時僅開啟空調(diào)換氣功能或換氣扇等裝置，危險度較高時即控制自動打開門窗通風(fēng)，若仍不能緩解危險就發(fā)出聲光警報，人為采取措施。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)具有報警準(zhǔn)確，靈敏度高，使用方便，安全度高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：光干涉、支持向量機、單片機

中圖分類號： X651 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

眾所周知，二氧化碳濃度過高時會對人體產(chǎn)生很大的危害。據(jù)了解，當(dāng)大氣中二氧化碳濃度達(dá)50ppm時就會對人體產(chǎn)生危害，800ppm時就可能引起死亡。但是一直以來，二氧化碳?xì)怏w因其無色無味而很容易被忽視從而引起中毒，對人體產(chǎn)生很大的危害。所以能夠研究出一種實用，有效的預(yù)防室內(nèi)二氧化碳中毒的安全系統(tǒng)就顯得極其重要。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與理論模型

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先利用光干涉法檢測氣體的濃度，然后利用支持向量機對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，最后通過單片機分別對應(yīng)控制空調(diào)換氣功能，門窗開合與聲光警報三種防護(hù)措施。

圖1.1 光干涉氣體檢測儀圖1.2 聲光報警

圖中代碼含義如下

1：激光發(fā)射器；2，3：相同的兩個玻璃氣體室；4：邁克爾遜干涉儀條紋自動計數(shù)裝置（它的型號）；5：LED顯示器；6：聲音提示裝置

按照裝置流程圖，將單片機出口接入中央處理器TMS320LF2407中，可將單片機讀出的數(shù)字信號傳入中央處理器并對其進(jìn)行處理，利用支持向量機（SVM算法）依據(jù)所建立的數(shù)據(jù)庫對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將其分為一般危險，危險，非常危險三類。

在中央處理器的三個出口處分別接入三個AT89S5單片機，這三個AT89S5單片機分別對應(yīng)控制空調(diào)或換氣扇的開啟、門窗開合和聲光警報。當(dāng)數(shù)據(jù)顯示一般危險時，僅控制開啟空時調(diào)換氣功能或換氣扇，當(dāng)顯示危險時打開門窗，當(dāng)數(shù)據(jù)顯示非常危險即發(fā)出聲光警報。下面以聲光警報為例作具體說明。

首先采用有發(fā)光二極管和壓電式蜂鳴器作為核心的聲光報警電路，報警電路的功能是在AT89S52單片機的控制下實現(xiàn)聲光報警或解除報警。當(dāng)AT89S52單片機檢測工作間隙超過規(guī)定的量值時，通過報警電路向報警器發(fā)出有效信號（高電平有效），聲音報警電路接到有效電平后則自動發(fā)出預(yù)置的報警聲，同時紅色報警指示燈發(fā)出耀眼的紅色信號。當(dāng)P2.1為低電平時，三極管基極為0電平，發(fā)射極接地，三極管截止，集電極電流為0，發(fā)射極電流也為0，蜂鳴器不工作。當(dāng)P2.0為低電平時，LED燈也沒有電流通過，不工作。當(dāng)P2.1和P2.0都為高電平時，LED燈有電流通過，正常工作，此時三極管的基極為高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器也工作，處于報警狀態(tài)。報警電路如圖1.2所示。

2實驗方法

使用光干涉氣體檢測儀來檢測二氧化碳?xì)怏w濃度。在裝置中，將邁克爾遜干涉儀的一條光路用氣室完全密封起來，而另一條光路裸露在空氣中，若室內(nèi)二氧化碳?xì)怏w濃度變化△c，會引起空氣折射率的變化△n（忽略氣體壓強等次要因素的影響），就會導(dǎo)致光成差增大，引起干涉條紋N個環(huán)的變化，設(shè)氣室空氣柱長為2l，則：

△n =2l=N?

N=2l?

3結(jié)果與討論

實驗結(jié)果如表1所示：

根據(jù)以上實驗結(jié)果可以將光干涉氣體檢測儀所測得的條紋變化數(shù)分為以下三種類型，如表2所示。然后即可依據(jù)表2對光干涉氣體檢測儀進(jìn)行定標(biāo)。

表2條紋變化數(shù)分類結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用光干涉法檢測氣體濃度，測得了二氧化碳?xì)怏w濃度為50ppm、200ppm、400ppm時邁克爾遜干涉儀所對應(yīng)的條紋變化數(shù)分別為21.0、68.4、123.3條；使用AT89S52單片機進(jìn)行自動控制，設(shè)計了報警電路圖。本系統(tǒng)靈敏度高，測量精確，使用方便且安全系數(shù)高，可用于室內(nèi)檢測二氧化碳濃度并預(yù)防二氧化碳中毒。

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