具有起火警示功能供電箱的設(shè)計

趙鵬宇，劉暢，張琪，周思辰，楊子琪

（大連科技學(xué)院 交通與電氣工程學(xué)院，遼寧大連，116052）

0 引言

供電箱在日常生活中無處不在，無論在高鐵線路供電、還是學(xué)校、工廠等場所都有使用，是可靠接通電源的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)查詢相關(guān)資料信息顯示，近年來，供電箱電氣火災(zāi)的發(fā)生率一直占火災(zāi)總數(shù)的21%左右，大大影響了人身安全和財產(chǎn)安全，因此，研究具有起火警示功能的供電箱具有一定的現(xiàn)實意義；該設(shè)計以AT89C52 單片機(jī)作為中樞控制芯片，煙霧傳感器實時檢測供電箱內(nèi)部空氣中的煙霧濃度，當(dāng)煙霧濃度超過一定的閾值時，蜂鳴器報警，供電箱內(nèi)部噴射惰性氣體防止火災(zāi)發(fā)生，保證人身安全。

1 整體設(shè)計方案

本項目設(shè)計的具有起火警示功能供電箱由控制模塊、起火預(yù)警模塊、自動滅火模塊組成。其總體設(shè)計框圖如圖1 所示。其中，控制模塊主要包括三大部分，分別為AT89C52 單片機(jī)、信號放大電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路，該模塊為設(shè)計的核心模塊；起火預(yù)警模塊包括MQ-2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器、蜂鳴器和WiFi 等電子元件；自動滅火模塊由電磁閥、惰性氣體罐組成；AT89C52 單片機(jī)將煙霧傳感器采集來的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并和警告值進(jìn)行對比。若大于警告值200ppm 時，則觸發(fā)報警電路，蜂鳴器震動產(chǎn)生聲音，同時自動滅火模塊啟動，惰性氣體罐上的電磁閥自動打開，快速從罐中噴射出大量液態(tài)二氧化碳，液態(tài)二氧化碳噴出后會變成干冰包圍著火點，隔絕著火點周圍氧氣，從而達(dá)到滅火的目的。若小于警告值，則為正常狀態(tài)。為了方便工作人員實時監(jiān)控供電箱內(nèi)部煙霧濃度，單片機(jī)將采集到的數(shù)字信號通過無線傳輸傳至工作端，即工作人員能夠?qū)崟r遠(yuǎn)距離查看供電箱內(nèi)部煙霧濃度、降低火災(zāi)的風(fēng)險。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 具有起火警示功能的供電箱結(jié)構(gòu)

帶有起火警示功能的供電箱外部設(shè)計如圖2 所示，包括箱體、箱門、防護(hù)玻璃等構(gòu)成。該供電箱采用密碼鎖式箱門設(shè)計，能夠避免因鑰匙丟失不能正常作業(yè)的情況發(fā)生，方便檢修人員的檢修作業(yè)，也能避免非工作人員打開供電箱進(jìn)行錯誤操作的情況發(fā)生。同時該供電箱在箱門外部采用防護(hù)玻璃進(jìn)行嵌入設(shè)計，可方便檢修人員從箱體外部就能看見內(nèi)部設(shè)備信息，且若發(fā)生明火起煙等情況時，也能從外部直接觀察到，提升安全等級。箱門與箱體貼合處采用軟膠邊連接，可增加貼合吸附，避免雨水進(jìn)入縫隙，造成供電箱內(nèi)部線路損壞，影響正常供電。因為現(xiàn)有供電箱體內(nèi)部多搭載有電氣控制或電流轉(zhuǎn)接等設(shè)備，若出現(xiàn)電流異?；虿环€(wěn)定等情況，容易堆積高溫，溫度過高時易引發(fā)火災(zāi)。所以在該供電箱內(nèi)設(shè)置隱藏通風(fēng)結(jié)構(gòu)，隱藏通風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。隱藏通風(fēng)結(jié)構(gòu)在主框架兩端對稱設(shè)置散熱槽，散熱槽的內(nèi)壁等距設(shè)置散熱孔，加快供電箱內(nèi)部散熱。并且散熱槽上下兩端采用斜坡設(shè)計，可讓該供電箱在外部雨水環(huán)境中，配合內(nèi)壁等距開設(shè)的散熱孔，將供電箱內(nèi)部的雨水排出。該供電箱可保持散熱效能的同時，也能避免外界水漬進(jìn)入影響內(nèi)部使用，提升安全性和適用范圍。

圖2 供電箱外部設(shè)計圖

圖3 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 硬件電路設(shè)計

■3.1 煙霧傳感器的選擇

氧化錫是MQ-2 型煙霧傳感器實現(xiàn)報警的主要成分，該物質(zhì)是一種離子式為N 型半導(dǎo)體氣敏材料。

當(dāng)它在200℃～300℃的環(huán)境中時，煙霧傳感器中的主要成分吸附供電箱內(nèi)部中的氧氣，在內(nèi)部形成負(fù)氧離子，該負(fù)氧離子可吸收半導(dǎo)體當(dāng)中的電子，隨之會降低半導(dǎo)體中的電子密度，使得電阻增大，當(dāng)煙霧傳感器釋放煙霧被檢測到時，晶粒和晶粒之間的熱壘會隨著不同的煙霧等級變化而變化，最終導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率產(chǎn)生一定改變，通過該方法能夠獲得煙霧的具體信息。

MQ-2 煙霧傳感器工作的最佳環(huán)境即為其工作阻值會受到氣體濃度的改變而發(fā)生改變，發(fā)生改變的速率為該期間的靈敏度，可用K 加以表示，公式表示如下：K=RM/R1，其中，R1為在無煙霧情況下MQ-2 傳感器的電阻值，RM表示在有煙霧情況下MQ-2 傳感器的電阻值，器件靈敏度K 的大小會隨著不同種類的煙霧發(fā)生變化，但器件靈敏度K 的大小都遵循這一公式：logRM=nlogB+m

式中：n為傳感器的煙霧分離能力，n的值為在1/2 到1/3 之間；B為所檢測環(huán)境中煙霧的濃度。m與傳感器本身材料相關(guān)，同時也和測試環(huán)境中的溫度、傳感器材料中的有無增感劑的不同而變化[1～2]。

MQ-2 煙霧傳感器擁有六個引腳，分別是兩個輸出引腳、兩個輸入引腳，還有兩個引腳與電阻絲相連。其中電阻絲能夠能輸出0～1V 的模擬電壓，作為信號的輸出端。其接連方式如圖4 所示。

圖4 MQ-2 的接連方式

該煙霧傳感器需要連接測量電壓VC和加熱電壓VⅡ兩個電壓，其中測量電壓VC的作用是測量與傳感器串聯(lián)連接的電阻RL電壓。加熱電壓VⅡ的作用是保持煙霧傳感器正常工作時所需的特定溫度。

■3.2 煙霧信號放大電路設(shè)計

放大電路的工作原理：靜態(tài)V(i=0，假設(shè)工作在放大狀態(tài)) 分析，又稱直流分析，計算三極管的電流和極間電壓值，應(yīng)采用直流通路(電容開路)。MQ-2 煙霧傳感器發(fā)出的信號通常是比較微小的，需要經(jīng)過技術(shù)手段對信號進(jìn)行加工，如對的信號進(jìn)行緩沖、濾波、放大、電平調(diào)整等，才能到達(dá)AT89C52 單片機(jī)對信號的要求。本設(shè)計采用電阻型煙霧傳感器，所以工作時需串聯(lián)一個電阻進(jìn)行參考對比，最后將得到的信息經(jīng)過一個同比例放大電路發(fā)送給ADC 采集[3]，完成對信號的加工處理。煙霧信號放大電路如圖5 所示。

圖5 煙霧信號放大電路

■3.3 單片機(jī)接口與模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是利用模擬變換技術(shù)將輸進(jìn)的模擬信號，利用數(shù)位轉(zhuǎn)換模擬信號轉(zhuǎn)化成輸出的數(shù)字信號，大多數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將輸進(jìn)的電壓信號轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字信號。因為數(shù)字訊號本身只表示一個相對大小，并不具備實際意義。所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要參考一個模擬量作為標(biāo)準(zhǔn)尺度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。放大電路將采集到的信息進(jìn)行放大后，開始選通地址，芯片進(jìn)行初始化，然后將ADC0809 芯片輸入到IN0，在START 端輸進(jìn)一個高于100nm 的正脈沖信號開始模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換時，EOC 端輸出一個電信號，并且該電信號通過鎖存器傳輸給單片機(jī)P0口[4]。芯片與單片機(jī)接口電路如圖6 所示。

圖6 芯片與單片機(jī)接口電路

工作頻率要求為：芯片時鐘工作的頻率要求為500kHz，AT89C52 單片機(jī)的工作頻率為11.0592MHz，其引腳之一ALE 的工作頻率大小為1.84MHz。經(jīng)過兩次A/D 觸發(fā)器二分頻處理，引腳ALE 的時鐘頻率約為450kHz，達(dá)到A/D 轉(zhuǎn)換器的頻率的標(biāo)準(zhǔn)。

■3.4 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器是報警電路的主要器械元件，本設(shè)計通過晶體三極管來控制電流能否流通蜂鳴器。當(dāng)可控硅開關(guān)開啟時，能有電流從蜂鳴聲中流過。當(dāng)可控硅閉合時，蜂鳴器內(nèi)不能流過電流，從而使之停止鳴叫。當(dāng)煙霧濃度低于警告值時，P2.6 口位于高電平，晶體三極管閉合，蜂鳴器內(nèi)不流通電流，蜂鳴器不鳴叫。當(dāng)煙霧濃度高于警告值時，P2.6 口位于低電平，晶體三極管PNP 導(dǎo)通，蜂鳴器開始報警。蜂鳴器報警電路如圖7 所示。

圖7 蜂鳴器報警電路

4 軟件流程設(shè)計

供電箱內(nèi)部軟件設(shè)計如圖8 所示。安裝好供電箱后，單片機(jī)將儲存的數(shù)據(jù)全部清除，進(jìn)行初始化設(shè)置，煙霧傳感器開始測量供電箱內(nèi)部的煙霧濃度，將測量的煙霧濃度信息通過放大電路將煙霧信號轉(zhuǎn)化為電信號并對其放大后。再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機(jī)對此信號進(jìn)行濾波處理，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若大于警告值200ppm 時，則電磁閥打開，噴射惰性氣體二氧化碳，蜂鳴器報警。反之為正常狀態(tài)，可通過顯示屏觀察到供電箱內(nèi)部煙霧濃度。

圖8 軟件設(shè)計流程圖

5 結(jié)束語

文中設(shè)計的具有起火警示功能供電箱中的煙霧報警系統(tǒng)可達(dá)到預(yù)期功能，并且供電箱內(nèi)部采用斜坡設(shè)計，可以使進(jìn)入供電箱內(nèi)部的積水順斜坡流出、具有良好的防雨性。此供電箱箱門采用密碼鎖式設(shè)計，讓檢修人員的檢修作業(yè)更加方便。同時在箱門中部采用防護(hù)玻璃進(jìn)行嵌入設(shè)計，檢修人員從箱體外部就能看見供電箱內(nèi)部設(shè)備信息，當(dāng)發(fā)生明火起煙等情況時，也能從外部直接觀察到，減少危險事故的發(fā)生。該供電箱能夠穩(wěn)定地為設(shè)備供電，并且價格低廉，具有良好的使用價值。