一种消防救援专用多参数毒气监控仪的研制

魏立峰 孙大雷 王庆辉 金 烨

(沈阳化工大学信息工程学院，辽宁 沈阳 110142)

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，工业化、市场化、城市化进程的不断加快，火灾及其他灾害事故呈现突发性、多样性、复杂性和残酷性等特点。由于危险化学品具有易燃易爆的特点，一旦灾害事故发生，破坏力大、杀伤性强，而且伴随有大量的毒气，这都对消防员的生命安全构成威胁。分析中国消防员伤亡调查报告可知，由于中毒、装备供气量不足等造成的死亡比例呈上升趋势，所以研制能够延长压缩空气瓶使用时间的多参数毒气监控仪，对消防安全领域具有十分重要的意义［1］。本文以消防救援现场空气质量检测为出发点，设计了一种面向消防救援的智能型多参数毒气监控仪。

1 系统方案设计特点

首先，在传统空气呼吸器中增加了多参数毒气传感器。该毒气监控仪可以同时检测O2、SO2、H2S和CO这4种气体的浓度，并通过双稳态微控电磁阀在自然呼吸和压缩空气瓶呼吸间进行自动切换，延长压缩空气瓶的使用时间;其次，由于毒气检测仪是消防员随身携带的，在CPU、传感器和电磁阀选型上，所选元件型号均保证了本监控仪的低功耗、长时间工作;最后，通过GPRS网络传输方式，对现场检测环境进行远程监控［2－3］。

2 系统原理与结构

系统总体结构如图1所示。仪器采用电化学式传感元件作为气体传感器，待测气体进入传感器后发生氧化还原反应，产生微小电流;微小电流通过放大调理电路进入到CC430内部集成的12位ADC中，经微处理器运算处理后转化为浓度值;浓度值送LCD12864显示并与预先设定的报警值进行比较，判断是否需要报警，报警方式采用声光报警。如果不需要报警，且外界氧浓度适合人体呼吸，控制芯片CC430将发送一个脉冲信号给压缩空气瓶连接处的双稳态电磁阀，并控制气瓶切换到自然呼吸状态;反之，则切换到气瓶呼吸状态。

图1 系统总体设计框图Fig.1 Overall design of the system

3 系统硬件及电路设计

电化学传感器具有功耗低、价格低廉、精度高、灵敏度高、线性范围宽、抗干扰能力强、重复性和稳定性优异等特点。其测量范围如下:O2为0～25%VOL、CO为0～1000×10－6、SO2为0 ～20 ×10－6、H2S 为0 ～100 ×10－6。

3.1 O2信号调理电路

本系统的O2传感器选用炜盛公司生产的ME3-O2型电化学传感器。O2信号调理电路如图2所示。

图2 O2信号调理电路Fig.2 Conditioning circuit of O2signal

图2 中，R5、R7、RT1构成反馈电路;RT1为热敏电阻，用于硬件温度补偿;C24用于滤除信号的干扰;R8、C25组成滤波电路，用于滤除输出噪声。

根据运放的虚短、虚断原理，电路的理论输入、输出放大关系式为:

式中:Iin为工作电极输出的电流。

ME3-O2型电化学传感器根据电化学原电池的原理，利用待测气体在原电池中阴极上的电化学还原和阳极的氧化过程产生电流。待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比，并遵循法拉第定律［4］。由于传感器的输出信号为毫安级，因此，运放芯片采用高精度的轨到轨运算放大器AD8572。AD8572具有低失调电压、低漂移电流和低偏置电流等特点，可在2.7～5 V的电源下工作;具有自调零功能，自调零是通过定期测量失调电压，然后将它的漂移降至极小。采用AD公司的新拓扑结构时，AD8572具有高精度的特性;具有自调零扩展功能。因此，AD8572适用于位置/压力传感器、温度传感器、精度电路检测、热电偶放大器、医用仪器和应变测量仪等对误差要求极高的仪器中。

3.2 CO、H2S、SO2信号调理电路

本系统选用的CO、H2S、SO2传感器是炜盛公司生产的ME3-CO、ME3-H2S、ME3-SO2型三极电化学传感器，CO、H2S、SO2三种传感器的工作原理相似，其信号调理电路如图3所示。

图3 CO、H2S、SO2传感器信号调理电路Fig.3 Signal conditioning circuits for CO、H2S、SO2sensors

图3中，AD8572的1号运放以及 R12、R14和 C26构成的负反馈电路起到恒电位仪的作用，将参比电极电位恒定为0，没有电流产生;2号运放作为I-V转换放大电路组成部分，将工作电极产生的小电流转换放大为电压变化，供A/D采集。J177为P沟道开关，当栅极(G极)接高电平，漏极(D极)和源极(S极)断开，传感器工作电极和参比电极断开，传感器正常工作;否则，传感器工作电极和参比电极闭合，用于传感器平时断电储存，在下次使用时快速响应气体浓度变化［5］。R11、R13、RT2构成反馈电路，RT2为热敏电阻，用于硬件温度补偿。C27用于滤除信号的干扰，R16、C30组成滤波电路，用于滤除输出噪声［6］。

根据运放的虚短、虚断原理，电路的理论输入、输出放大关系式为:

式中:I毒为三极电化学传感器工作电极产生的电流。

3.3 双稳态电磁阀驱动电路设计

用于控制呼吸模式的关键器件是双稳态电磁阀。双稳态电磁阀具有响应迅速、使用简便、高效节能等优点。其采用先进的脉冲和永磁技术，只需通过控制器切换脉冲的电极触点即可改变阀的开、关状态。当控制器发出电脉冲时，驱动磁芯带动阀瓣克服永磁力产生上下位移，阀瓣到位后在永磁作用下处于自保持状态。

本文使用一款双极型H-桥电机驱动芯片L293D控制双稳态电磁阀。电磁阀外部控制电路如图4所示。

图4 电磁阀驱动电路Fig.4 Drive circuit of solenoid valve

3.4 GPRS模块电路设计

系统使用华为公司的GTM-900C无线GPRS通信GPRS模块。该模块体积小、质量轻，并内嵌TCP/IP、PPP协议，是一款性价比高的国产GPRS模块，现已广泛应用于车载应用、遥控遥测、远程抄表、安全监控等领域。GTM-900C与SIM卡接口电路如图5所示。

图5 GTM-900C与SIM卡接口电路Fig.5 Interface circuit between GTM-900C and SIM card

图5中，32脚接指示灯D0，可根据指示灯亮灭情况了解模块工作状况:指示灯3 s长亮后灭，改为周期1 s左右闪烁，模块正常启动，并通过SIM卡连接移动网络;指示灯周期3 s左右闪烁，模块成功注册到移动数据网。

在本系统设计中，GTM-900C与上位机、单片机通过串口通信，接收 AT命令并实现 GPRS远程通信功能［7－8］。

4 系统软件设计

系统软件程序主要使用C语言编写，采用模块化结构程序设计，主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Flowchart of the main program

系统软件由主程序、初始化子程序和功能子程序三大部分组成。多数功能子程序采用中断处理方式。初始化子程序包括:时钟模块初始化子程序、I/O端口初始化子程序、模数转换器ADC12初始化子程序。功能子程序包括ADC12采样子程序、显示子程序、报警子程序、按键判断子程序、键盘处理子程序、延时子程序和控制电磁阀子程序等。

系统上电复位，在进行时钟、I/O端口、ADC12等功能模块初始化后，进入低功耗模式下休眠，等待中断的唤醒。当多路气体传感器检测到待测气体并发生反应，经过ADC12转换后发生中断请求，系统从休眠状态中跳出［9］，通过计算得出各气体浓度并在LCD上显示。当超出报警值时，可产生声光报警等措施。如果外界有适合呼吸的环境，可以控制压缩空气瓶上的电磁阀进行自然呼吸与压缩空气瓶呼吸模式之间的切换。

5 试验测试

系统可以测量O2、CO、H2S、SO2这4种气体浓度。气体的标定试验需要在标准气体的浓度下进行测试。测试过程中，将实际测量值与标准值进行对比，然后进行气体浓度的标定。由于电化学气体传感器具有良好的线性度，因此，一般在两种不同浓度的标准气体中进行测试，取线性值作为实际的测量值。

由于资金有限，只对气体传感器进行定性试验，再根据厂家提供的传感器参数进行估算标定。由于H2S、SO2难以生成，且信号调理电路与CO相同，故本试验仅使用O2和CO传感器，将点燃的蜡烛和传感器放在一密闭的瓶子里进行试验。

当玻璃瓶打开，与外界通气一段时间至传感器数值趋于稳定，这时认定瓶内气体与外界一样是普通的空气，空气中氧气的浓度为20.9%，CO约为0.1～5×10－6。CO值因环境而异，且含量很小，故不予以采纳，仅认为氧气值为一标准参考值。然后分别测量信号调理电路的输入输出电压，将点燃的蜡烛放入瓶子并盖紧瓶盖，瓶内蜡烛燃烧至熄灭，等待传感器数值稳定。此时，因蜡烛不充分燃烧，消耗掉瓶内的部分氧气，并释放少量CO。最后测量电路的输入输出电压。

由相关试验结果可知，蜡烛燃烧前后氧气值呈下降趋势，CO值呈上升趋势。当蜡烛燃烧时，氧气含量不断减少，蜡烛熄灭后氧气没有继续损耗，氧气值变化不大;而CO在蜡烛燃烧过程中一直持续增加，并在蜡烛熄灭时还会继续产生烟气(烟气中包括CO等气体)，所以CO输出值由蜡烛熄灭瞬间的163.4 MV上升到稳定后的191.46 MV。由此可见，该监测仪可准确地测量到空气中各气体含量的变化。

6 结束语

本文设计了一种消防救援专用多参数毒气监控仪，采用多路传感器检测有毒气体，经处理后在液晶屏上显示，并通过双稳态电磁阀实现自然呼吸和压缩空气瓶呼气之间的模式切换。该监控仪提供声光报警功能，当超出报警值即进行声光报警，并打开供气通路;当外界环境适合呼吸，关闭供气通路，以延长空气瓶使用时间。同时，通过GPRS网络传输方式实现现场检测环境的远程监控。本监控仪器可以提高救援效率和消防人员的生命安全系数，对提升我国消防员使用正压式空气呼吸器装备水平具有较大的实际应用价值。

［1］李树宏.传感器技术的新发展——传感器万维网［J］.红外，2008，29(2):23 －27.

［2］李杰，丛飙，朱海鹰，等.便携式气体检测报警仪在生产中的应用［J］.石油工业技术监督，2006(11):40 －42.

［3］邢涛.工业现场有毒气氛环境监测系统的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2009.

［4］杜黎.电化学传感器测试电路设计与实现［D］.大连:大连理工大学，2009.

［5］王昊，李昕.集成运放应用电路设计360例［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［6］咸金龙，羊阳.基于GTM900的粮情远程测控系统的研究与实现［J］.河南工业大学学报:自然科学版，2011，32(5):79 －82.

［7］刘建平.基于GPRS的无线数据传输模块的设计［J］.信息通信，2009(2):48－50.

［8］沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［9］张晞，王德银，张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计［M］.北京:人民邮电出版社，2005.