具有起火警示功能供電箱的設計

趙鵬宇，劉暢，張琪，周思辰，楊子琪

（大連科技學院 交通與電氣工程學院，遼寧大連，116052）

0 引言

供電箱在日常生活中無處不在，無論在高鐵線路供電、還是學校、工廠等場所都有使用，是可靠接通電源的重要環節。根據查詢相關資料信息顯示，近年來，供電箱電氣火災的發生率一直占火災總數的21%左右，大大影響了人身安全和財產安全，因此，研究具有起火警示功能的供電箱具有一定的現實意義；該設計以AT89C52 單片機作為中樞控制芯片，煙霧傳感器實時檢測供電箱內部空氣中的煙霧濃度，當煙霧濃度超過一定的閾值時，蜂鳴器報警，供電箱內部噴射惰性氣體防止火災發生，保證人身安全。

1 整體設計方案

本項目設計的具有起火警示功能供電箱由控制模塊、起火預警模塊、自動滅火模塊組成。其總體設計框圖如圖1 所示。其中，控制模塊主要包括三大部分，分別為AT89C52 單片機、信號放大電路和A/D 轉換電路，該模塊為設計的核心模塊；起火預警模塊包括MQ-2 型半導體電阻式煙霧傳感器、蜂鳴器和WiFi 等電子元件；自動滅火模塊由電磁閥、惰性氣體罐組成；AT89C52 單片機將煙霧傳感器采集來的模擬信號轉化成數字信號的數據進行濾波處理，并和警告值進行對比。若大于警告值200ppm 時，則觸發報警電路，蜂鳴器震動產生聲音，同時自動滅火模塊啟動，惰性氣體罐上的電磁閥自動打開，快速從罐中噴射出大量液態二氧化碳，液態二氧化碳噴出后會變成干冰包圍著火點，隔絕著火點周圍氧氣，從而達到滅火的目的。若小于警告值，則為正常狀態。為了方便工作人員實時監控供電箱內部煙霧濃度，單片機將采集到的數字信號通過無線傳輸傳至工作端，即工作人員能夠實時遠距離查看供電箱內部煙霧濃度、降低火災的風險。

圖1 總體設計框圖

2 具有起火警示功能的供電箱結構

帶有起火警示功能的供電箱外部設計如圖2 所示，包括箱體、箱門、防護玻璃等構成。該供電箱采用密碼鎖式箱門設計，能夠避免因鑰匙丟失不能正常作業的情況發生，方便檢修人員的檢修作業，也能避免非工作人員打開供電箱進行錯誤操作的情況發生。同時該供電箱在箱門外部采用防護玻璃進行嵌入設計，可方便檢修人員從箱體外部就能看見內部設備信息，且若發生明火起煙等情況時，也能從外部直接觀察到，提升安全等級。箱門與箱體貼合處采用軟膠邊連接，可增加貼合吸附，避免雨水進入縫隙，造成供電箱內部線路損壞，影響正常供電。因為現有供電箱體內部多搭載有電氣控制或電流轉接等設備，若出現電流異常或不穩定等情況，容易堆積高溫，溫度過高時易引發火災。所以在該供電箱內設置隱藏通風結構，隱藏通風結構如圖3 所示。隱藏通風結構在主框架兩端對稱設置散熱槽，散熱槽的內壁等距設置散熱孔，加快供電箱內部散熱。并且散熱槽上下兩端采用斜坡設計，可讓該供電箱在外部雨水環境中，配合內壁等距開設的散熱孔，將供電箱內部的雨水排出。該供電箱可保持散熱效能的同時，也能避免外界水漬進入影響內部使用，提升安全性和適用范圍。

圖2 供電箱外部設計圖

圖3 通風結構設計圖

3 硬件電路設計

■3.1 煙霧傳感器的選擇

氧化錫是MQ-2 型煙霧傳感器實現報警的主要成分，該物質是一種離子式為N 型半導體氣敏材料。

當它在200℃～300℃的環境中時，煙霧傳感器中的主要成分吸附供電箱內部中的氧氣，在內部形成負氧離子，該負氧離子可吸收半導體當中的電子，隨之會降低半導體中的電子密度，使得電阻增大，當煙霧傳感器釋放煙霧被檢測到時，晶粒和晶粒之間的熱壘會隨著不同的煙霧等級變化而變化，最終導致半導體材料的導電率產生一定改變，通過該方法能夠獲得煙霧的具體信息。

MQ-2 煙霧傳感器工作的最佳環境即為其工作阻值會受到氣體濃度的改變而發生改變，發生改變的速率為該期間的靈敏度，可用K 加以表示，公式表示如下：K=RM/R1，其中，R1為在無煙霧情況下MQ-2 傳感器的電阻值，RM表示在有煙霧情況下MQ-2 傳感器的電阻值，器件靈敏度K 的大小會隨著不同種類的煙霧發生變化，但器件靈敏度K 的大小都遵循這一公式：logRM=nlogB+m

式中：n為傳感器的煙霧分離能力，n的值為在1/2 到1/3 之間；B為所檢測環境中煙霧的濃度。m與傳感器本身材料相關，同時也和測試環境中的溫度、傳感器材料中的有無增感劑的不同而變化[1～2]。

MQ-2 煙霧傳感器擁有六個引腳，分別是兩個輸出引腳、兩個輸入引腳，還有兩個引腳與電阻絲相連。其中電阻絲能夠能輸出0～1V 的模擬電壓，作為信號的輸出端。其接連方式如圖4 所示。

圖4 MQ-2 的接連方式

該煙霧傳感器需要連接測量電壓VC和加熱電壓VⅡ兩個電壓，其中測量電壓VC的作用是測量與傳感器串聯連接的電阻RL電壓。加熱電壓VⅡ的作用是保持煙霧傳感器正常工作時所需的特定溫度。

■3.2 煙霧信號放大電路設計

放大電路的工作原理：靜態V(i=0，假設工作在放大狀態) 分析，又稱直流分析，計算三極管的電流和極間電壓值，應采用直流通路(電容開路)。MQ-2 煙霧傳感器發出的信號通常是比較微小的，需要經過技術手段對信號進行加工，如對的信號進行緩沖、濾波、放大、電平調整等，才能到達AT89C52 單片機對信號的要求。本設計采用電阻型煙霧傳感器，所以工作時需串聯一個電阻進行參考對比，最后將得到的信息經過一個同比例放大電路發送給ADC 采集[3]，完成對信號的加工處理。煙霧信號放大電路如圖5 所示。

圖5 煙霧信號放大電路

■3.3 單片機接口與模數轉換的電路設計

模數轉換器是利用模擬變換技術將輸進的模擬信號，利用數位轉換模擬信號轉化成輸出的數字信號，大多數模數轉換器是將輸進的電壓信號轉換成輸出的數字信號。因為數字訊號本身只表示一個相對大小，并不具備實際意義。所以模數轉換器需要參考一個模擬量作為標準尺度進行轉換。放大電路將采集到的信息進行放大后，開始選通地址，芯片進行初始化，然后將ADC0809 芯片輸入到IN0，在START 端輸進一個高于100nm 的正脈沖信號開始模數轉換。當完成模數轉換時，EOC 端輸出一個電信號，并且該電信號通過鎖存器傳輸給單片機P0口[4]。芯片與單片機接口電路如圖6 所示。

圖6 芯片與單片機接口電路

工作頻率要求為：芯片時鐘工作的頻率要求為500kHz，AT89C52 單片機的工作頻率為11.0592MHz，其引腳之一ALE 的工作頻率大小為1.84MHz。經過兩次A/D 觸發器二分頻處理，引腳ALE 的時鐘頻率約為450kHz，達到A/D 轉換器的頻率的標準。

■3.4 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器是報警電路的主要器械元件，本設計通過晶體三極管來控制電流能否流通蜂鳴器。當可控硅開關開啟時，能有電流從蜂鳴聲中流過。當可控硅閉合時，蜂鳴器內不能流過電流，從而使之停止鳴叫。當煙霧濃度低于警告值時，P2.6 口位于高電平，晶體三極管閉合，蜂鳴器內不流通電流，蜂鳴器不鳴叫。當煙霧濃度高于警告值時，P2.6 口位于低電平，晶體三極管PNP 導通，蜂鳴器開始報警。蜂鳴器報警電路如圖7 所示。

圖7 蜂鳴器報警電路

4 軟件流程設計

供電箱內部軟件設計如圖8 所示。安裝好供電箱后，單片機將儲存的數據全部清除，進行初始化設置，煙霧傳感器開始測量供電箱內部的煙霧濃度，將測量的煙霧濃度信息通過放大電路將煙霧信號轉化為電信號并對其放大后。再通過數模轉換將電信號轉換為數字信號，單片機對此信號進行濾波處理，并與預設值進行比較，若大于警告值200ppm 時，則電磁閥打開，噴射惰性氣體二氧化碳，蜂鳴器報警。反之為正常狀態，可通過顯示屏觀察到供電箱內部煙霧濃度。

圖8 軟件設計流程圖

5 結束語

文中設計的具有起火警示功能供電箱中的煙霧報警系統可達到預期功能，并且供電箱內部采用斜坡設計，可以使進入供電箱內部的積水順斜坡流出、具有良好的防雨性。此供電箱箱門采用密碼鎖式設計，讓檢修人員的檢修作業更加方便。同時在箱門中部采用防護玻璃進行嵌入設計，檢修人員從箱體外部就能看見供電箱內部設備信息，當發生明火起煙等情況時，也能從外部直接觀察到，減少危險事故的發生。該供電箱能夠穩定地為設備供電，并且價格低廉，具有良好的使用價值。