什么是烟雾监测报警系统解决什么样的问题？

 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。

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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。

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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12 V或24 V转换成5 V供探测器其他电路使用；风扇为5 V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2 min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。

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5 基准电压值自动标定和自动校正

车载烟雾探测器使用MP801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5 V，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，这个值才可以作为基准电压来进行烟雾的判断。

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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10 s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1。

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。

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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。

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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。

参考文献

[1] MP801气体传感器数据手册.郑州炜盛电子科技有限公司.

[2] MP901气体传感器数据手册.郑州炜盛电子科技有限公司.

[3] MP503气体传感器数据手册.郑州炜盛电子科技有限公司.

[4] TGS2603用于异味与空气污染物检测的气体传感器.深圳市新世联科技有限公司.

[5] DC80480F070_1000_0T 数据手册 V1.0.广州大彩光电科技有限公司.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第01期第81页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物（CH）和氮氧化物（NOx）等一次污染物，在阳光的作用下发生化学反应，生成臭氧（O3）、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象叫做光化学烟雾。 经过研究表明，在60N（北纬）～60S（南纬）之间的一些大城市，都可能发生光化学烟雾。光化学烟雾主要发生在阳光强烈的夏、秋季节。随着光化学反应的不断进行，反应生成物不断蓄积，光化学烟雾的浓度不断升高约3h~4h后达到最大值。这种光化学烟雾可随气流飘移数百公里，使远离城市的农村庄稼也受到损害。 20世纪40年代之后，随着全球工业和汽车业的迅猛发展，光化学烟雾污染在世界各地不断出现，如美国洛杉矶、日本东京、大阪、英国伦敦、澳大利亚、德国等大城市及中国北京、南宁、兰州均发生过光化学烟雾现象。鉴于光化学烟雾的频繁发生及其造成危害巨大，如何控制其形成已成为令人注目的研究课题。

化学反应过程 20世纪40年代，在美国加利福尼亚州洛杉矶首先发现了光化学烟雾。1951年A.J.哈根最先指出臭氧是氮氧化物、碳氢化合物和空气的混合物通过光化学反应生成的。以后F. W. 温特发现臭氧与不饱和烃（如汽车废气中的烃类）的化学反应产物跟洛杉矶烟雾有相同的伤害效应。形成臭氧的活性有机物和氮氧化物的主要来源是汽车排放的尾气。 通过对光化学烟雾形成的模拟实验，已经初步明确在碳氢化合物和氮氧化物的相互作用方面主要有以下过程： 1、污染空气中NO2的光解是光化学烟雾形成的起始反应。 （ 化学式： NO2==NO+O（条件为光照） O+O2==O3 2NO+O2==2NO2 分析： 2NO2（排放的）==2NO[（3）式中有用）]+2O[（2）式中有用）]（条件为光照） 2O[（1）式中的O]+2O2（空气中的）==2O3（刺激性气体） 2NO[（1）式中的NO]+O2==2NO2（生成NO2，开始继续反应） 综合一下： 3O2==2O3（光照，NO2） ） 2、碳氢化合物被HO、O等自由基和臭氧氧化，导致醛、酮、醇、酸等产物以及重要的中间产物RO2、HO2、RCO等自由基的生成。 3、过氧自由基引起NO向NO2的转化，并导致O3和PAN等的生成。 光化学反应中生成的臭氧、醛、酮、醇、PAN等统称为光化学氧化剂，以臭氧为代表，所以光化学烟雾污染的标志是臭氧浓度的升高。 光化学烟雾与大气物理 光化学烟雾的形成及其浓度，除直接决定于汽车排气中污染物的数量和浓度以外，还受太阳辐射强度、气象以及地理等条件的影响。太阳辐射强度是一个主要条件，太阳辐射的强弱，主要取决于太阳的高度，即太阳辐射线与地面所成的投射角以及大气透明度等。因此，光化学烟雾的浓度，除受太阳辐射强度的日变化影响外，还受该地的纬度、海拔高度、季节、天气和大气污染状况等条件的影响。光化学烟雾是一种循环过程，白天生成，傍晚消失。污染区大气的实测表明，一次污染物CH和一氧化氮的最大值出现在早晨交通繁忙时刻，随着NO浓度的下降，NO2浓度增大，O3和醛类等二次污染物随着阳光增强和NO2、HC浓度降低而积聚起来。它们的峰值一般要比NO峰值的出现要晚4~5小时。二次污染物PAN浓度随时间的变化与臭氧和醛类相似。城市和城郊的光化学氧化剂浓度通常高于乡村，但2005年后发现许多乡村地区光化学氧化剂的浓度增高，有时甚至超过城市。这是因为光化学氧化剂的生成不仅包括光化学氧化过程，而且还包括一次污染物的扩散输送过程，是两个过程的结果。因此光化学氧化剂的污染不只是城市的问题，而且是区域性的污染问题。短距离运输可造成臭氧的最大浓度出现在污染源的下风向，中尺度运输可使臭氧扩散到上百公里的下风向，如果同大气高压系统相结合可传输几百公里。

[编辑本段]光化学烟雾的主要危害

光化学烟雾的成分非常复杂，但是对人类、动植物和材料有害的主要是臭氧、PAN和丙烯醛、甲醛等二次污染物。臭氧、PAN等还能造成橡胶制品的老化、脆裂，使染料褪色，并损害油漆涂料、纺织纤维和塑料制品等。 有害影响主要表现在以下几个方面： 损害人和动物的健康 人和动物受到主要伤害是眼睛和粘膜受刺激、头痛、呼吸障碍、慢性呼吸道疾病恶化、儿童肺功能异常等。 臭氧是一种强氧化剂，在0.Ippm浓度时就具有特殊的臭味。并可达到呼吸系统的深层，刺激下气道黏膜，引起化学变化，其作用相当于放射线，使染色体异常，使红血球老化。PAN、甲醛、丙烯醛等产物对人和动物的眼睛、咽喉、鼻子等有刺激作用，其刺激域约为0.1ppm。此外光化学烟雾能促使哮喘病患者哮喘发作，能引起慢性呼吸系统疾病恶化、呼吸障碍、损害肺部功能等症状，长期吸入氧化剂能降低人体细胞的新陈代谢，加速人的衰老。PAN 还是造成皮肤癌的可能试剂。在1943年美国洛杉矶发生的首宗事件曾引起400多人死亡。 PAN、PBN的结构式光化学烟雾明显的危害是对人眼睛的刺激作用。在美国加利福尼亚州，由于光化学烟雾的作用，曾使该州3/4的人发生红眼病。日本东京1970年发生光化学烟雾时期，有2万人患了红眼病。研究表明光化学烟雾中的过氧乙酰硝酸酯（PAN）是一种极强的催泪剂，其催泪作用相当于甲醛的200倍。另一种眼睛强刺激剂是过氧苯酰硝酸酯（PBN），它对眼的刺激作用比PAN大约强100倍。空气中的飘尘在眼刺激剂作用方面能起到把浓缩眼刺激剂送入眼中的作用。 影响植物生长 臭氧影响植物细胞的渗透性，可导致高产作物的高产性能消失，甚至使植物丧失遗传能力。植物受到臭氧的损害，开始时表皮褪色，呈蜡质状，经过一段时间后色素发生变化，叶片上出现红褐色斑点。PAN使叶子背面呈银灰色或古铜色，影响植物的生长，降低植物对病虫害的抵抗力。 影响材料质量 光化学烟雾会促成酸雨形成，造成橡胶制品老化、脆裂，使染料褪色，建筑物和机器受腐蚀，并损害油漆涂料、纺织纤维和塑料制品等。

[编辑本段]光化学烟雾的预防措施

控制污染源，减少氮氧化物和碳氢化合物污染源的排放 预防光化学烟雾主要是控制污染源，减少氮氧化物和碳氢化合物的排放。NO的主要来源是燃煤，近70％来自于煤炭的直接燃烧，可见固定源是NO排放的重要来源。因此控制固定源的排放尤为重要。为此应采取以下措施： （1 ）改善能源结构。推广使用天然气和二次能源，如煤气、液化石油气、电等，加强对太阳能、风能、地热等清洁能源的利用。 （2）区域集中供热发展区域集中供暖供热，设立规模较大的热电厂和供热站，取缔市区矮小烟囱。 （3）推广燃煤电厂烟气脱N技术。如选择性催化还原法（SCR）、非选择性催化还原法（SNCR）和吸收法。选择性催化还原法是以金属铂的氧化物作为催化剂，以氨、硫化氢和一氧化碳等作为还原剂，选择最佳脱硝反应温度，将烟气中的氮氧化物还原为N2。非选择性催化还原法与选择性催化还原法不同的是非选择性控制一定的反应温度，在将烟气中的氮氧化物还原为N2的同时，一定量的还原剂还与烟气中的过剩氧发生反应。吸收法是利用特定的吸收剂吸收烟气中的NO 。根据所使用的吸收剂，可分为碱吸收法，溶融盐吸收法和稀硝酸吸收法。 减少机动车尾气的排放 NO和碳氢化合物的另一个重要来源是机动车尾气的排放。当燃料在发动机汽缸里进行燃烧时，由于内燃机所用的燃料中含有碳、氢、氧之外的杂质，使得内燃机的燃烧不完全，排放的尾气中含有一定量的CO、碳氢化合物、NO、微粒物质和臭气（甲醛、丙烯醛等）。碳氢化合物成分复杂，含有强致癌物质。因此控制机动车尾气排放对于预防光化学烟雾有很大的积极作用。 利用化学抑制剂 使用化学抑制剂目的是消除自由基，以抑制链式反应的进行，从而控制光化学烟雾的形成。人们发现二乙基羟胺，苯胺，二苯胺，酚等对氢氧自由基有不同的抑制作用，尤其是二乙基羟胺（DEHA）对光化学烟雾有较好的抑制作用。在大气中喷洒0. 05PPm的二乙基羟胺，能有效抑制光化学烟雾，利于环保。但在使用的过程中，要注意抑制剂对人体和动植物的毒害作用，并注意防止抑制剂产生二次污染。 植树造林 实验证明，树木在一定浓度范围内，吸收各种有毒气体，使污染的空气得以净化。因此应大力提倡植树造林，绿化环境。[4]

[编辑本段]主要事例

1943年，美国洛杉矶市发生了世界上最早的光化学烟雾事件。此后，在北美、日 本、澳大利亚和欧洲部分地区也先后出现这种烟雾。经过反复的调查研究,直到1958年才发现，这一事件是由于洛杉矶市拥有的250万辆汽车排气污染造成的，这些汽车每天消耗约1600t汽油，向大气排放1000多吨碳氢化合物和400多吨氮氧化物。这些气体受阳光作用，酿成了危害人类的光化学烟雾事件。 1970年，美国加利福尼亚州发生光化学烟雾事件，农作物损失达2500多万美元。 1971年，日本东京发生了较严重的光化学烟雾事件，使一些学生中毒昏倒。与此同时，日本的其他城市也有类似的事件发生。此后，日本一些大城市连续不断出现光化学烟雾。日本环保部门经对东京几个主要污染源排放的主要污染物进行调查后发现，汽车排放的CO、NOx、HC三种污染物约占总排放量的80%。 1997年夏季，拥有80万辆汽车的智利首都圣地亚哥也发生光化学烟雾事件。由于光化学烟雾的作用，迫使政府对该市实行紧急状态：学校停课、工厂停工、影院歇业，孩子、孕妇和老人被劝告不要外出，使智利首都圣地亚哥处于“半瘫痪状态”。在北美、英国、澳大利亚和欧洲地区也先后出现这种烟雾。

[编辑本段]中国光化学烟雾的潜在威胁

20世纪90年代之后，随着工业的迅猛发展，中国汽车油耗增高，污染控制水平较低，以致造成汽车污染日益严重。部分大城市交通干道氮氧化物（NOX）和一氧化碳（CO）严重超过国家标准，汽车污染已成为主要的空气污染物，一些城市汽车排放浓度严重超标，已具有发生光化学烟雾的潜在危险。上海的汽车尾气污染已跃居大气污染的首位。1996年上海机动车的一氧化碳（CO）排放量为38万T，碳氢化合物(HC)排放量为10万T，氮氧化物(NOX)排放量为8.15万T，铅排放量为123T。其中，中心城市大气中86%的一氧化碳、96%的碳氢化合物和56%的氮氧化合物来自汽车尾气。2007年末，有关专家认为，按照上海的发展趋势，如果不采取有效措施加以控制，在特定的气象条件下，光化学烟雾的事件随时都有可能发生。广州大气污染经历了从1986年至1991年的煤烟型与机动车污染型共存阶段后，1997年90万辆机动车终于使广洲大气污染类型变成氧化型。汽车尾气排放的氮氧化物已从20世纪80年代后期的64%上升至2007年的80%，一氧化碳则从6成增加到9成。正是由于汽车尾气的污染，1993年将行驶至岗顶交叉路口的一车小学生“熏”晕、呕吐，急送医院抢救。汽车排放的尾气使连续6年稳坐全国“城考”前10名的广州市，1996年降至全国“城考”的第14位。1997年以后的近10年，武汉市大气环境中的氮氧化物含量总体呈上升趋势。“八五”期间氮氧化物的浓度比“七五”期间上升18%，1995年日均值比1990年上升60%，比1986年上升70%以上。武汉汽车拥有量增长过快，促进了氮氧化物浓度的迅速升高。针对汉口航空路1993年监测出氮氧化物严重超标的情况，权威人士分析，这次大气中氮氧化物等污染物含量浓度比英国伦敦发生的光化学烟雾事件时还高，如果遇到不利的天气情况，其后果将难以想象。随着中国汽车拥有量的激增，大城市氮氧化物污染逐渐加重，发生光化学烟雾的可能性越来越大。据有关专家介绍：1997年，中国大气污染的比例约为5%左右，但到了2007年，一些城市的交通干道比例达到40%以上。尤其是北京、广州、沈阳、西安等大城市，已属于由煤烟型向综合型过渡的类型。据中国国家环境保护局《一九九六年环境质量通报》，中国大城市氮氧化物污染逐渐加重。1996年，中国污染较为严重的大城市是广州、北京、上海、鞍山、武汉、郑州、沈阳、兰州、大连、杭州等。从整体上看，氮氧化物污染突出表现在人口为100万以上的大城市或特大城市中。据测算，中国汽车拥有量2000年已达到1800~2100万辆，2021年将达到4400~5000万辆。若论及汽车尾气污染等因素，NOX和CO排放量2000年已分别达到119万T和1412万T，2010年将分别达到228万T和2476万T。这就为光化学烟雾的发生和发展，创造了一定的外部条件，进而导致严重的汽车尾气影响环保事件的发生。到2008年止，中国还没有发生过像美国、日本等国家那样严重的光化学烟雾事件，这是因为烟雾与气候和阳光有关，只要有充足的阳光，干燥的气候，加上汽车尾气的排放和污染，就会具备形成光化学烟雾的外部条件。在以北京、太原、上海、南京、成都为中心的重污染地区，污染指数随时都可能处在发生光化学烟雾事件的危险之中。因此，迫切需要中国有关部门采取各种有效的措施，制定严格的环保法规，加大治理汽车尾气污染的力度，避免光化学烟雾事件在我国发生和蔓延。这亦应该成为汽车设计、制造、流通、使用部门引起高度重视的警觉，以保护中国的环境和人类生存条件

1943年，美国洛杉矶市发生了世界上最早的光化学烟雾事件。人们因此眼睛发红，咽喉疼痛，呼吸憋闷、头昏、头痛。1970年，日本东京发生了较严重的光化学烟雾事件，一些学生中毒昏倒，交通警察上岗时也不得不戴上防毒面具。1974年，中国部分地区也出现过光化学烟雾。光化学烟雾已经开始向人类宣战了!

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