一种基于VOCs+CO 检测的微型数字式火灾探测器设计

邱志刚

摘要：本设计旨在开发一款体积小、成本低、适用于小空间检测的微型数字式火灾探测器。文中采用了单片机、运放电路、VOCs传感器、CO传感器、微型风扇以及紧凑的结构设计，并结合多特征量参数的算法，实现了对探测区域内的VOCs浓度、CO浓度、温度和湿度的数据采集和报警处理。本设计能够周期性地进行设备自检和环境数据采集，并通过接口总线上传。一旦设备出现故障或检测到火情，将触发光电故障报警，提醒用户及时采取相应措施。

关键词： 阴燃阶段；VOCs传感器；CO传感器；多特征参量

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）13-0103-04 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 前言

火灾是当前社会中突发频率较高且危害重大的灾害。每年全世界火灾造成了大量的人员伤亡和财产损失，因此火灾的探测和预防成为全社会关注的话题。燃烧会产生烟雾和火焰，通常以烟雾、热、光、热辐射、声音等特征呈现，因此火灾的探测技术也主要基于伴随火灾发生过程中一系列现象的研究[1-2]。早期的火灾识别和探测方法包括感光探测、感烟探测、感温探测、气体探测和复合探测等方式，其中烟感和温感技术较为成熟。近年来，视频火灾探测技术逐渐被广泛应用。然而，随着现代建筑结构变得越来越复杂，类型也越来越多，上述各种探测器采集的数据容易受到空间大小、空间复杂结构、气流速度、粉尘等多种因素的影响，难以实现准确及时的早期预警。而火灾的有效防止和扑救时间一般都在早期。一旦火灾规模扩大，目前的手段很难有效降低危害，尤其是在狭小密闭空间。

在封闭或半封闭的小空间，如重要设备箱、电控箱、走线槽，市场上的传统气体探测器无法及时有效地探测到泄漏的气体或火灾产生的不可见烟。针对这种环境，微型数字式火灾探测器应运而生。电气设备可燃物（如电缆）在阴燃阶段会释放大量的特征气体，其中电缆燃烧时产生包含PVC、氯碳化聚乙烯等VOCs以及CO、CO2、HCL等气体。环境中的温度和湿度会发生明显变化，可采用对不可见烟的产物（即气体）进行检测，作为判定早期火灾的策略。对高温环境中释放的特征气体和阴燃阶段的CO通用特征气体进行检测，同时结合环境温度和湿度参数辅助判定火灾的发生或特定环境下的气体泄漏，可以提高检测的准确性，降低虚警和漏警，增强系统的可靠性[3-5]。

本设计采用VOCs+CO的复合式气体探测，结合温度、湿度传感器，来获取被测环境中火灾早期阶段的多种环境特征参数，并基于火灾探测预警算法，实现火灾的早期探测功能。其中，选择专用的VOCs传感器实现对电缆高温阴燃的特征气体灵敏度测试，作为检测电缆火灾的早期特征。同时，基于CO气体检测作为火灾发生的确定性特征，再根据温度和湿度参数变化情况，进一步判断火灾情况。

考虑应用场合的特殊性，在硬件选型上选择小体积封装器，在结构设计上采用卡扣式安装，壳体材料选择耐高温阻燃尼龙材料。同时，考虑应用于气体流动性较差的空间，为保证可靠的检测效果，引入微型鼓风机（可根据使用环境选用），以确保气体的流通。

1 探测器的组成及工作原理

设计根据复合探测功能、低功耗、小型化、实时检测等要求，充分利用接口资源丰富的MM32F0020B1T 单片机及其外围信号处理电路完成对温度传感器、湿度传感器、CO气体传感器和VCO气体传感器的数据采集及火灾报警处理。探测器主要由控制器、电源模块、运放模块、传感器模块、微型风机和壳体组成，如图1所示。

探测器电路中，VOCs 传感器采用HGS1001，CO 传感器采用HGS1006。由于传感器内部加热丝采用PT材质，为保证传感器内部加热器温度不随着外界环境变化而产生输出波动，我们需要采用恒电阻加热，以确保传感器内部加热温度的一致性，并排除生产工艺的干扰。因此，这里采用运放直接对传感器进行加热供电，单片机通过PWM输出DAC，用来动态控制加热电压，并采用PID进行加热功率控制。

工作原理如下：上电后，探测器首先进行环境检测前的初始化处理，包括风机的上电启动、传感器的预热和自身工作状态的检测。首先，控制器对CO传感器和VCO传感器进行3分钟的预热处理。预热结束后，探测器进行状态自检，如果出现故障，则会进行上报处理；如果工作状态正常，系统进入正常检测状态。探测器通过对环境温度、湿度、VOCs浓度以及CO浓度进行循环检测和数据处理，通过内置火灾预警算法进行火情判断，每2秒钟进行数据打包，通过RS485/422总线上报一次。经过算法判断如有火情出现，火情打包数据每秒上报1次，同时启动红色LED 灯进行闪亮报警。

2 关键电路设计

2.1 气体浓度采集电路

气体浓度采集电路包括VOCs 浓度采集的HGS1001气体传感器、CO浓度采集的HGS1006-B气体传感器以及信号处理电路。

气体传感器的工作原理如下：当传感器稳定工作于洁净空气环境时，将传感器的敏感电阻设定为传感器基准电阻（R0） 。一旦空气中存在被测气体，半导体材料的电导率会发生变化，传感器的敏感电阻（Rs） 也会相应改变。根据传感器敏感电阻（Rs） 和传感器基准电阻（R0） 的比值来计算被测气体的浓度。

传感器基本检测电路主要由加热器电压（Vh） 、回路测量电压（Vc） 和负载匹配电阻（Rm） 组成。加热器电压（Vh） 用于激活和保持纳米材料的灵敏度，回路测量电压（Vc） 结合负载匹配电阻（Rm） 用于测定负载匹配电压（Vm） 。传感器敏感电阻（Rs） 可根据负载匹配电压（Vm） 的测定值进行计算，即：

HGS1006-B 气体传感器与HGS1001 气体传感器的工作原理和使用类似，传感器内部包含一个加热电路和一个测量电路，其中H+和H-为加热电路的正负极，C+和C-为测量电路的正负极。传感器的加热电源可通过运算放大器进行电压跟随供电，同时单片机可通过输出DAC动态控制电压，实现传感器内部的恒电阻加热。

气体传感器信号处理电路采用了2片低成本MSOP8 封装的ADA4505-2 运放。该运放可采用1.8～5V单电源供电，具有出色的电源抑制比和共模抑制比。每个放大器的工作电源电流小于10uA，可实现轨到轨输入输出、零输入交叉失真和极低的偏置电流。信号处理电路对气体传感器测量电流进行调理放大，并将输出相应的电压信号到单片机AD端口。

气体浓度采集模块电路图如图2所示。

2.2 风路设计

在密闭或半密闭小空间内，气体流动性不佳的情况下，需要考虑进风吸气设计。本设计选配了MX2508微型风机，风机配有液压轴承、寿命长、尺寸小（25mm×20mm×8mm） ，使用电压为2.8～5v，低电压保持低速运行状态下功耗功耗在10mA以内。风机安装在L型底上，风机口正对着L型底座的矩形开口，形成风道。通过单片机端口出PWM波，串接330欧姆电阻接入微型风机，可精准的控制风扇的旋转电流，使风机保持在2～4r/s。同时，为了指示风机的工作状态，将一个LED灯并联连接到风扇上。

2.3 温度采集设计

温度采集电路设计如图3，为了更好地降低功耗，对温度测量电路的供电电源进行即时控制，即在测量时接通电源。这里采用了零栅压漏电为uA 级的SI2301 MOS管。温度传感器采用MF52-10k，该传感器测温范围为-55～125度。

2.4 湿度采集设计

GXHT3 是中科银河芯最新推出的一款小尺寸2mm×2mm数字式温湿度传感器，其测量精度优异，具有小尺寸、低功耗和性价比高的特点。该传感器包含一套完整的数据采集处理系统，包括电容式湿度传感器、带隙温度传感器、模数转换器、校准数据存储器和IIC数字通信接口，能够直接对外输出已校准的数字信号。传感器的湿度测量范围为0%～100%RH，精度为±2%RH，其精度能够满足我们的测量要求。

GXHTC3温湿度传感器采用3.3V供电，供电电压（VDD） 需要使用100nF的电容进行去耦，该电容应尽可能靠近传感器放置。该传感器可以直接对外输出已校准的数字信号，与单片机之间采用IIC同步通信方式进行通信。

2.5 控制单元电路设计

该装置主控模块采用国产MM32F0020B1T，使用高性能的ARM32位单片机。该款单片机搭载了灵动微电子推出的MCU，其搭载48MHz Arm Cortex-M0内核，提供32KB Flash和2KB SRAM的高速存储器，具有丰富的增强型I/O端口和多种外设，包括1个12位ADC、1个16位通用定时器、1个16位基本定时器、1 个16位高级定时器、2个UART接口、1个SPI接口和1 个I2C接口。其功能和性能满足本探测器的设计需求，其控制单元电路设计如图4所示。

2.6 电源电路设计

设计采用SL1588M电源转换模块，该器件是一种具有内部功率MOSFET的高频、同步、整流、降压开关模式转换器。它提供了一个非常紧凑的解决方案，能够在广泛的输入电压范围内提供2A连续输出电流，并具有优良的负载和线路调节。ECOT PSM控制操作提供了非常快速的瞬态响应和简单的回路设计，以及非常严格的输出调节。此外，它需要较少数量的外部元件，采用了较小的SOT23-6封装。该模块的输出具有可调节的输出电路，内置了电流限制、电压保护、打嗝模式下的短路保护和热关机功能。另外，它还内置了软启动功能，在轻负载下可以实现高效率的PFM 模式。

2.7 接口转换电路设计

探测器对外通信接口采用低成的RS422接口转换芯片WS3080，封装为MSOP-8，该芯片接口电路如图5所示。

3 算法程序设计

一般的火灾发展过程经历初始阶段、可见烟阶段、火焰阶段和极大蔓延阶段。基于较早期监测火灾的需求，在火灾发展的初始阶段对环境的气体及温度进行测量，并基于温度和气体变化趋势进行算法设计，以具备较强的抗环境干扰能力，从而达到监测准确率高、虚警漏警率低的目的。

本设计基于火灾特征参量研究，针对火灾特征参量的变化，构建了高准确率的识别模型。

设计采用了复合式多特征参量的火灾检测方法，对环境的温度、湿度、电缆线高温产生的VOCs气体以及火灾产生的CO气体进行监测。同时，基于多特征耦合判断方法，通过阈值实现不同阶段的火灾预警设计。

同时，针对气体受到环境干扰较大的问题，采用气体变化趋势的方法进行火灾报警设计，如图6所示。

实际火灾产生过程中，火灾的特征产物，如特征VOCs气体和CO气体，在短时间内会呈现明显的指数曲线变化趋势。为了获取对待测环境使用的线缆进行模拟实验的结果，我们研究了该线缆材料火灾燃烧产物的气体产生规律及参数，并将其植入到火灾判断的算法中。这样做可以获得高准确率、低虚警和低漏警的火灾判断方法。

4 验证

该复合探测器的性能验证主要针对VOCs和CO 的检测性能进行检验，尤其是稳定的一致性是该产品设计的关键。这里就重点介绍一下该探测器对不同试验烟火下进行的报警响应一致性性能验证。我们使用了2台样机，分别进行了SH2标准和SH4标准烟的测试，并进行了比较。

根据探测器使用场合，选择了尺寸高1m、宽0.6m、深1.2m的密闭燃烧实验箱。火源设置在地面中心处，而探测器则安装在侧壁上。分别采用SH2棉绳阴燃火和SH4正庚烷火作为试验火，获得A、B样机在两种试验火种下的试验数据的一致性，如图7所示。

5 结束语

本设计是一种应用在密闭小空间（重要电气箱、数字机柜等设备）内部的火灾消防电子产品设计。该设计不仅满足于监测密闭区域内的火灾探测，还可实时监测区域内的健康环境的多特征参数的变化。同时，它具备高集成度的电路设计以及紧凑的外形结构设计（45mm×45mm×56mm） ，安装方便且性能稳定可靠。

经过一系列测试验证，本探测器已达到产品级设计的要求：体积小、低功耗、稳定可靠，在密闭的箱体内有火灾发生条件下具有正确动作和一致性的数据上报。该设计已在苛刻环境要求的军工项目中得到了充分的应用验证，对于应用在绿化能源、军事装备、化工、煤矿等领域的特殊火灾探测器产品开发具有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1] 陈颖. 火灾增长速率对感温火灾探测器响应时间影响的研究[J]. 热科学与技术，2010，9（2）：171-176.

[2] 杜志伟. 基于红外图像动态特征的早期火焰探测方法研究[D]. 天津：天津大学，2019.

[3] 马宝珠，邹方勇. 国外关于火灾初期烟气在空间内扩散的研究[J]. 消防科学与技术，2006，25（1）：43-46. .

[4] 王宇楠，叶代启，林俊敏，等. 漆包线行业挥发性有机物（VOCs）排放特征研究[J]. 中国环境科学，2012，32（6）：980-987. .

[5] 姜朋宇，聂尧声. 以火焰之蓝赞青春之美[J]. 中国消防，2023（6）：23-25.

【通联编辑：梁书】