張瓏

摘要：介紹一種新型一氧化碳傳感器TGS2440和DALLAS&～司的數(shù)字溫度傳感器DSl820B相結(jié)合的復(fù)合型火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)及其性能特點(diǎn)，并對其基本電路以及它在船舶火災(zāi)探測方面的應(yīng)用做了具體敘述。

關(guān)鍵詞：傳感器；一氧化碳；溫度；探測；超低功耗；誤報(bào)

中圖分類號：U665.26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-7973（2016）03-0058-02

船舶消防是船舶營運(yùn)安全的重要組成部分。最近幾年伴隨著航海事業(yè)的蓬勃發(fā)展，船舶智能型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于各類船舶。但由于多種原因，經(jīng)常會(huì)有誤報(bào)火警的事情發(fā)生，給船員的生產(chǎn)和生活帶來一些不必要的精神上的壓力和麻煩。如何降低火警誤報(bào)率是業(yè)界人士一直努力解決的一個(gè)難題，目前大部分火災(zāi)探測器對火災(zāi)的判定主要看煙霧產(chǎn)生和溫度變化，對煙霧的判斷主要靠物理方式進(jìn)行，即煙霧粒子在探測器內(nèi)部對光的散射或?qū)﹄x子的阻擋、吸附等使感煙探測器報(bào)警，而與煙霧非常相似的灰塵、水霧也同樣會(huì)使探測器報(bào)警，這就產(chǎn)生了誤報(bào)。

本系統(tǒng)采用了費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的一種新型一氧化碳傳感器TGS2440和DALAS公司的DS1820B數(shù)字溫度傳感器并與單片機(jī)相結(jié)合而設(shè)計(jì)的一種新型復(fù)合型傳感器，把它引入火災(zāi)探測器，通過TGS2440對煙霧所特有化學(xué)成分一氧化碳的分析，將灰塵、水霧干擾信號產(chǎn)生的誤報(bào)現(xiàn)象徹底濾除，同時(shí)通過DS1820B對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1TGS2440性能特點(diǎn)以及基本的測量電路

1.1超低功耗

氣敏化學(xué)傳感器主要采用氧化物半導(dǎo)體材料添加催化劑的方式制成，對氣體響應(yīng)時(shí)需要在一定的溫度下進(jìn)行，而對不同種類的氣體所需溫度不同，如對一氧化碳?xì)怏w響應(yīng)需要在150—200～C范圍內(nèi)，所以傳感器需要有加熱電路，這往往會(huì)帶來較大的功耗。火災(zāi)探測器在使用時(shí)，要求必須有很低的功耗。因此TGS2440傳感器采用5V電壓供電，加熱絲電流為203mA，功耗最大為14mW，平均電流僅為2.8mA。

1.2對一氧化碳?xì)怏w有很高的靈敏度

TGS 2440傳感器對一氧化碳?xì)怏w的測量范圍是30-1000ppm，正常環(huán)境中，一氧化碳含量小于10ppm，在廚房等位置一氧化碳含量小于20ppm，煙霧中一氧化碳的含量都在50ppm以上。若一氧化碳濃度在100ppm以內(nèi)時(shí)，傳感器變化幅度會(huì)超過滿幅度的一半以上，所以非常適合于火災(zāi)探測。

1.3氣體選擇性非常好

一種好的氣體傳感器應(yīng)該對敏感氣體有很高的靈敏度，而對其它的氣體響應(yīng)度低。一氧化碳、氫氣和酒精氣體都屬于還原性氣體，氫氣和酒精氣體也是影響一氧化碳探測的主要?dú)怏w，TGS2440對這兩種氣體響應(yīng)度很低，抗干擾性好。

1.4TGS2440傳感器基本測量電路

TGS2440傳感器測量電路如圖1所示。傳感器的加熱絲供電V_h=4.8±0.2v，加熱周期為1s，其中5V脈沖持續(xù)14ms，0 v脈沖持續(xù)986ms；采樣電路脈沖為5V，超前加熱脈沖5ms，0V脈沖995ms，整個(gè)周期也是1s。詳見時(shí)序圖（圖2）。傳感器應(yīng)該對一氧化碳有較好的一致性，TGS2440的阻抗R在一氧化碳濃度為100ppm時(shí)為1.62-16.2千歐，靈敏度B為0.26-0.520。在正常環(huán)境下傳感器阻抗都在數(shù)百千歐以上，為了更精確得到所測氣體濃度值，TGS2440傳感器又按靈敏度分了六檔，從A到F，從而保證濃度測量的準(zhǔn)確性。

2DS1820B性能特點(diǎn)

DS1820B數(shù)字溫度傳感器是美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新型溫度檢測器件，它是單片結(jié)構(gòu)，無需外加A/D轉(zhuǎn)換即可輸出數(shù)字量，通信采用單線制。并具有體積小、精度高、無需標(biāo)定等特點(diǎn)，特別適合與單片機(jī)合用構(gòu)成智能溫度檢測系統(tǒng)。DS1820B數(shù)字溫度傳感器的主要特性如下：

a.溫度測量范圍-55-125℃，分辨率為0.5℃；

b.典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為200 ms最大為400 ms；

c.輸出為帶符號的9 bit數(shù)字量，無需A/D轉(zhuǎn)換；

d.命令、數(shù)據(jù)的輸入和輸出共用一條信號線，每個(gè)傳感器內(nèi)固化有不同的地址序列號，多個(gè)傳感器可以共用一條數(shù)據(jù)線；

3復(fù)合傳感器在船舶火災(zāi)探測上的應(yīng)用

3.1電路設(shè)計(jì)

我們把TGS2440和DSl820B應(yīng)用于船舶火災(zāi)探測器中，研制出感溫和一氧化碳復(fù)合探測器，利用TGS 2440對煙霧中一氧化碳成分的分析，并結(jié)合數(shù)字溫度傳感器對溫度的監(jiān)測，達(dá)到了準(zhǔn)確報(bào)警。由于微型單片機(jī)應(yīng)用非常普遍，并且PIC單片機(jī)自帶有AD轉(zhuǎn)換功能，所以我們采用PIC16F870單片機(jī)進(jìn)行控制和測量。

由于TGS 2440傳感器所需瞬間電流較大，為保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定，我們采用限流供電方式，最大供電電流7mA，傳感器所需的203mA電流由內(nèi)部1000uF電容供電，而5V電源則用大功率微型二端穩(wěn)壓器RH5RZ50C（300mA）提供。由PIG16F870的RBI用做加熱絲供電控制口，RB2用做負(fù)載采樣控制口，RB3用做數(shù)字溫度采集控制口，RA0做A/D采樣口。具體電路圖如圖3所示。

3.2工作過程

探測器上電后，TGS2440首先有一個(gè)穩(wěn)定過程，需要經(jīng)過3-5min時(shí)間。在此期間，程序?qū)馂?zāi)信息不進(jìn)行處理。TG s2440穩(wěn)定工作后，光電傳感器和數(shù)字溫度傳感器開始接收外部信號，當(dāng)外部信號（煙霧、水霧、灰塵等引起）發(fā)生變化時(shí)，其變化幅度超過光電傳感器閥值，這時(shí)TGS2440首先會(huì)判斷一氧化碳濃度是否超出設(shè)定值，在判斷溫度值是否超過設(shè)定值，從而決定是否報(bào)警；象水霧、灰塵不會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，火災(zāi)探測器就會(huì)認(rèn)為是誤報(bào)，加以濾除。

3.3實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)在用于火災(zāi)探測的探測器種類非常多，如離子感煙探測器、光電感煙探測器和感溫感煙探測器等，但每種探測器都有一些缺陷，只能在一些特定的場合使用，如光電探測器對煙霧的響應(yīng)度較低，即只有煙霧濃度達(dá)到一定后才能報(bào)出火警，并且對一些有機(jī)物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的黑煙靈敏度很低，有時(shí)會(huì)無法報(bào)出火警。即使能報(bào)出火災(zāi)信息往往也是火災(zāi)發(fā)生到較高的程度，已帶來了一定的損失。而過高的火災(zāi)探測靈敏度也往往會(huì)帶米誤報(bào)率的上升，因此如何早期準(zhǔn)確報(bào)出火警已是消防行業(yè)必需研究的課題。擁有TGS2440一氧化碳傳感器和DS1820B數(shù)字溫度傳感器的探測器應(yīng)用于火災(zāi)探測在消防行業(yè)將是一個(gè)重大突破。因?yàn)榻^大多數(shù)的物質(zhì)都含有碳的成份，其燃燒后必定會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，而且一氧化碳?xì)怏w會(huì)較早地出現(xiàn)在可見煙霧之前，同時(shí)一氧化碳的密度略輕于空氣密度，擴(kuò)散性比煙霧更強(qiáng)，這些都有利于在船舶頂部的探測器探測。

由于TGS2440傳感器能夠感測到很低濃度的一氧化碳，同時(shí)利用光電傳感器探測可見煙霧粒子，通過檢查從這兩種傳感器接收到的數(shù)據(jù)比率和相互關(guān)系，使用一定火災(zāi)算法，可以大大提高火災(zāi)探測的靈敏度，從而不必?fù)?dān)心由灰塵或水汽引起的誤報(bào)。此外，TGS2440工耗低，這不但滿足了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)對探測部件低耗高效的要求，也使該復(fù)合探測器能夠應(yīng)用于更廣泛的場所，如有毒氣體檢測（c0），地下車庫通風(fēng)設(shè)施控制方面這項(xiàng)技術(shù)也有很高的實(shí)用價(jià)值。

4結(jié)束語

一氧化碳傳感器TGS2d40和數(shù)字溫度傳感器DSl820B相結(jié)合的復(fù)合型傳感器在船舶消防行業(yè)的應(yīng)用會(huì)極大提高火災(zāi)探測的準(zhǔn)確性，并推動(dòng)船舶消防技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)對在其它行業(yè)的應(yīng)用也有很好的參考價(jià)值。