具有起火警示功能供电箱的设计

赵鹏宇，刘畅，张琪，周思辰，杨子琪

（大连科技学院 交通与电气工程学院，辽宁大连，116052）

0 引言

供电箱在日常生活中无处不在，无论在高铁线路供电、还是学校、工厂等场所都有使用，是可靠接通电源的重要环节。根据查询相关资料信息显示，近年来，供电箱电气火灾的发生率一直占火灾总数的21%左右，大大影响了人身安全和财产安全，因此，研究具有起火警示功能的供电箱具有一定的现实意义；该设计以AT89C52 单片机作为中枢控制芯片，烟雾传感器实时检测供电箱内部空气中的烟雾浓度，当烟雾浓度超过一定的阈值时，蜂鸣器报警，供电箱内部喷射惰性气体防止火灾发生，保证人身安全。

1 整体设计方案

本项目设计的具有起火警示功能供电箱由控制模块、起火预警模块、自动灭火模块组成。其总体设计框图如图1 所示。其中，控制模块主要包括三大部分，分别为AT89C52 单片机、信号放大电路和A/D 转换电路，该模块为设计的核心模块；起火预警模块包括MQ-2 型半导体电阻式烟雾传感器、蜂鸣器和WiFi 等电子元件；自动灭火模块由电磁阀、惰性气体罐组成；AT89C52 单片机将烟雾传感器采集来的模拟信号转化成数字信号的数据进行滤波处理，并和警告值进行对比。若大于警告值200ppm 时，则触发报警电路，蜂鸣器震动产生声音，同时自动灭火模块启动，惰性气体罐上的电磁阀自动打开，快速从罐中喷射出大量液态二氧化碳，液态二氧化碳喷出后会变成干冰包围着火点，隔绝着火点周围氧气，从而达到灭火的目的。若小于警告值，则为正常状态。为了方便工作人员实时监控供电箱内部烟雾浓度，单片机将采集到的数字信号通过无线传输传至工作端，即工作人员能够实时远距离查看供电箱内部烟雾浓度、降低火灾的风险。

图1 总体设计框图

2 具有起火警示功能的供电箱结构

带有起火警示功能的供电箱外部设计如图2 所示，包括箱体、箱门、防护玻璃等构成。该供电箱采用密码锁式箱门设计，能够避免因钥匙丢失不能正常作业的情况发生，方便检修人员的检修作业，也能避免非工作人员打开供电箱进行错误操作的情况发生。同时该供电箱在箱门外部采用防护玻璃进行嵌入设计，可方便检修人员从箱体外部就能看见内部设备信息，且若发生明火起烟等情况时，也能从外部直接观察到，提升安全等级。箱门与箱体贴合处采用软胶边连接，可增加贴合吸附，避免雨水进入缝隙，造成供电箱内部线路损坏，影响正常供电。因为现有供电箱体内部多搭载有电气控制或电流转接等设备，若出现电流异常或不稳定等情况，容易堆积高温，温度过高时易引发火灾。所以在该供电箱内设置隐藏通风结构，隐藏通风结构如图3 所示。隐藏通风结构在主框架两端对称设置散热槽，散热槽的内壁等距设置散热孔，加快供电箱内部散热。并且散热槽上下两端采用斜坡设计，可让该供电箱在外部雨水环境中，配合内壁等距开设的散热孔，将供电箱内部的雨水排出。该供电箱可保持散热效能的同时，也能避免外界水渍进入影响内部使用，提升安全性和适用范围。

图2 供电箱外部设计图

图3 通风结构设计图

3 硬件电路设计

■3.1 烟雾传感器的选择

氧化锡是MQ-2 型烟雾传感器实现报警的主要成分，该物质是一种离子式为N 型半导体气敏材料。

当它在200℃～300℃的环境中时，烟雾传感器中的主要成分吸附供电箱内部中的氧气，在内部形成负氧离子，该负氧离子可吸收半导体当中的电子，随之会降低半导体中的电子密度，使得电阻增大，当烟雾传感器释放烟雾被检测到时，晶粒和晶粒之间的热垒会随着不同的烟雾等级变化而变化，最终导致半导体材料的导电率产生一定改变，通过该方法能够获得烟雾的具体信息。

MQ-2 烟雾传感器工作的最佳环境即为其工作阻值会受到气体浓度的改变而发生改变，发生改变的速率为该期间的灵敏度，可用K 加以表示，公式表示如下：K=RM/R1，其中，R1为在无烟雾情况下MQ-2 传感器的电阻值，RM表示在有烟雾情况下MQ-2 传感器的电阻值，器件灵敏度K 的大小会随着不同种类的烟雾发生变化，但器件灵敏度K 的大小都遵循这一公式：logRM=nlogB+m

式中：n为传感器的烟雾分离能力，n的值为在1/2 到1/3 之间；B为所检测环境中烟雾的浓度。m与传感器本身材料相关，同时也和测试环境中的温度、传感器材料中的有无增感剂的不同而变化[1～2]。

MQ-2 烟雾传感器拥有六个引脚，分别是两个输出引脚、两个输入引脚，还有两个引脚与电阻丝相连。其中电阻丝能够能输出0～1V 的模拟电压，作为信号的输出端。其接连方式如图4 所示。

图4 MQ-2 的接连方式

该烟雾传感器需要连接测量电压VC和加热电压VⅡ两个电压，其中测量电压VC的作用是测量与传感器串联连接的电阻RL电压。加热电压VⅡ的作用是保持烟雾传感器正常工作时所需的特定温度。

■3.2 烟雾信号放大电路设计

放大电路的工作原理：静态V(i=0，假设工作在放大状态) 分析，又称直流分析，计算三极管的电流和极间电压值，应采用直流通路(电容开路)。MQ-2 烟雾传感器发出的信号通常是比较微小的，需要经过技术手段对信号进行加工，如对的信号进行缓冲、滤波、放大、电平调整等，才能到达AT89C52 单片机对信号的要求。本设计采用电阻型烟雾传感器，所以工作时需串联一个电阻进行参考对比，最后将得到的信息经过一个同比例放大电路发送给ADC 采集[3]，完成对信号的加工处理。烟雾信号放大电路如图5 所示。

图5 烟雾信号放大电路

■3.3 单片机接口与模数转换的电路设计

模数转换器是利用模拟变换技术将输进的模拟信号，利用数位转换模拟信号转化成输出的数字信号，大多数模数转换器是将输进的电压信号转换成输出的数字信号。因为数字讯号本身只表示一个相对大小，并不具备实际意义。所以模数转换器需要参考一个模拟量作为标准尺度进行转换。放大电路将采集到的信息进行放大后，开始选通地址，芯片进行初始化，然后将ADC0809 芯片输入到IN0，在START 端输进一个高于100nm 的正脉冲信号开始模数转换。当完成模数转换时，EOC 端输出一个电信号，并且该电信号通过锁存器传输给单片机P0口[4]。芯片与单片机接口电路如图6 所示。

图6 芯片与单片机接口电路

工作频率要求为：芯片时钟工作的频率要求为500kHz，AT89C52 单片机的工作频率为11.0592MHz，其引脚之一ALE 的工作频率大小为1.84MHz。经过两次A/D 触发器二分频处理，引脚ALE 的时钟频率约为450kHz，达到A/D 转换器的频率的标准。

■3.4 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器是报警电路的主要器械元件，本设计通过晶体三极管来控制电流能否流通蜂鸣器。当可控硅开关开启时，能有电流从蜂鸣声中流过。当可控硅闭合时，蜂鸣器内不能流过电流，从而使之停止鸣叫。当烟雾浓度低于警告值时，P2.6 口位于高电平，晶体三极管闭合，蜂鸣器内不流通电流，蜂鸣器不鸣叫。当烟雾浓度高于警告值时，P2.6 口位于低电平，晶体三极管PNP 导通，蜂鸣器开始报警。蜂鸣器报警电路如图7 所示。

图7 蜂鸣器报警电路

4 软件流程设计

供电箱内部软件设计如图8 所示。安装好供电箱后，单片机将储存的数据全部清除，进行初始化设置，烟雾传感器开始测量供电箱内部的烟雾浓度，将测量的烟雾浓度信息通过放大电路将烟雾信号转化为电信号并对其放大后。再通过数模转换将电信号转换为数字信号，单片机对此信号进行滤波处理，并与预设值进行比较，若大于警告值200ppm 时，则电磁阀打开，喷射惰性气体二氧化碳，蜂鸣器报警。反之为正常状态，可通过显示屏观察到供电箱内部烟雾浓度。

图8 软件设计流程图

5 结束语

文中设计的具有起火警示功能供电箱中的烟雾报警系统可达到预期功能，并且供电箱内部采用斜坡设计，可以使进入供电箱内部的积水顺斜坡流出、具有良好的防雨性。此供电箱箱门采用密码锁式设计，让检修人员的检修作业更加方便。同时在箱门中部采用防护玻璃进行嵌入设计，检修人员从箱体外部就能看见供电箱内部设备信息，当发生明火起烟等情况时，也能从外部直接观察到，减少危险事故的发生。该供电箱能够稳定地为设备供电，并且价格低廉，具有良好的使用价值。