一種基于VOCs+CO 檢測的微型數字式火災探測器設計

邱志剛

摘要：本設計旨在開發一款體積小、成本低、適用于小空間檢測的微型數字式火災探測器。文中采用了單片機、運放電路、VOCs傳感器、CO傳感器、微型風扇以及緊湊的結構設計，并結合多特征量參數的算法，實現了對探測區域內的VOCs濃度、CO濃度、溫度和濕度的數據采集和報警處理。本設計能夠周期性地進行設備自檢和環境數據采集，并通過接口總線上傳。一旦設備出現故障或檢測到火情，將觸發光電故障報警，提醒用戶及時采取相應措施。

關鍵詞： 陰燃階段；VOCs傳感器；CO傳感器；多特征參量

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）13-0103-04 開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 前言

火災是當前社會中突發頻率較高且危害重大的災害。每年全世界火災造成了大量的人員傷亡和財產損失，因此火災的探測和預防成為全社會關注的話題。燃燒會產生煙霧和火焰，通常以煙霧、熱、光、熱輻射、聲音等特征呈現，因此火災的探測技術也主要基于伴隨火災發生過程中一系列現象的研究[1-2]。早期的火災識別和探測方法包括感光探測、感煙探測、感溫探測、氣體探測和復合探測等方式，其中煙感和溫感技術較為成熟。近年來，視頻火災探測技術逐漸被廣泛應用。然而，隨著現代建筑結構變得越來越復雜，類型也越來越多，上述各種探測器采集的數據容易受到空間大小、空間復雜結構、氣流速度、粉塵等多種因素的影響，難以實現準確及時的早期預警。而火災的有效防止和撲救時間一般都在早期。一旦火災規模擴大，目前的手段很難有效降低危害，尤其是在狹小密閉空間。

在封閉或半封閉的小空間，如重要設備箱、電控箱、走線槽，市場上的傳統氣體探測器無法及時有效地探測到泄漏的氣體或火災產生的不可見煙。針對這種環境，微型數字式火災探測器應運而生。電氣設備可燃物（如電纜）在陰燃階段會釋放大量的特征氣體，其中電纜燃燒時產生包含PVC、氯碳化聚乙烯等VOCs以及CO、CO2、HCL等氣體。環境中的溫度和濕度會發生明顯變化，可采用對不可見煙的產物（即氣體）進行檢測，作為判定早期火災的策略。對高溫環境中釋放的特征氣體和陰燃階段的CO通用特征氣體進行檢測，同時結合環境溫度和濕度參數輔助判定火災的發生或特定環境下的氣體泄漏，可以提高檢測的準確性，降低虛警和漏警，增強系統的可靠性[3-5]。

本設計采用VOCs+CO的復合式氣體探測，結合溫度、濕度傳感器，來獲取被測環境中火災早期階段的多種環境特征參數，并基于火災探測預警算法，實現火災的早期探測功能。其中，選擇專用的VOCs傳感器實現對電纜高溫陰燃的特征氣體靈敏度測試，作為檢測電纜火災的早期特征。同時，基于CO氣體檢測作為火災發生的確定性特征，再根據溫度和濕度參數變化情況，進一步判斷火災情況。

考慮應用場合的特殊性，在硬件選型上選擇小體積封裝器，在結構設計上采用卡扣式安裝，殼體材料選擇耐高溫阻燃尼龍材料。同時，考慮應用于氣體流動性較差的空間，為保證可靠的檢測效果，引入微型鼓風機（可根據使用環境選用），以確保氣體的流通。

1 探測器的組成及工作原理

設計根據復合探測功能、低功耗、小型化、實時檢測等要求，充分利用接口資源豐富的MM32F0020B1T 單片機及其外圍信號處理電路完成對溫度傳感器、濕度傳感器、CO氣體傳感器和VCO氣體傳感器的數據采集及火災報警處理。探測器主要由控制器、電源模塊、運放模塊、傳感器模塊、微型風機和殼體組成，如圖1所示。

探測器電路中，VOCs 傳感器采用HGS1001，CO 傳感器采用HGS1006。由于傳感器內部加熱絲采用PT材質，為保證傳感器內部加熱器溫度不隨著外界環境變化而產生輸出波動，我們需要采用恒電阻加熱，以確保傳感器內部加熱溫度的一致性，并排除生產工藝的干擾。因此，這里采用運放直接對傳感器進行加熱供電，單片機通過PWM輸出DAC，用來動態控制加熱電壓，并采用PID進行加熱功率控制。

工作原理如下：上電后，探測器首先進行環境檢測前的初始化處理，包括風機的上電啟動、傳感器的預熱和自身工作狀態的檢測。首先，控制器對CO傳感器和VCO傳感器進行3分鐘的預熱處理。預熱結束后，探測器進行狀態自檢，如果出現故障，則會進行上報處理；如果工作狀態正常，系統進入正常檢測狀態。探測器通過對環境溫度、濕度、VOCs濃度以及CO濃度進行循環檢測和數據處理，通過內置火災預警算法進行火情判斷，每2秒鐘進行數據打包，通過RS485/422總線上報一次。經過算法判斷如有火情出現，火情打包數據每秒上報1次，同時啟動紅色LED 燈進行閃亮報警。

2 關鍵電路設計

2.1 氣體濃度采集電路

氣體濃度采集電路包括VOCs 濃度采集的HGS1001氣體傳感器、CO濃度采集的HGS1006-B氣體傳感器以及信號處理電路。

氣體傳感器的工作原理如下：當傳感器穩定工作于潔凈空氣環境時，將傳感器的敏感電阻設定為傳感器基準電阻（R0） 。一旦空氣中存在被測氣體，半導體材料的電導率會發生變化，傳感器的敏感電阻（Rs） 也會相應改變。根據傳感器敏感電阻（Rs） 和傳感器基準電阻（R0） 的比值來計算被測氣體的濃度。

傳感器基本檢測電路主要由加熱器電壓（Vh） 、回路測量電壓（Vc） 和負載匹配電阻（Rm） 組成。加熱器電壓（Vh） 用于激活和保持納米材料的靈敏度，回路測量電壓（Vc） 結合負載匹配電阻（Rm） 用于測定負載匹配電壓（Vm） 。傳感器敏感電阻（Rs） 可根據負載匹配電壓（Vm） 的測定值進行計算，即：

HGS1006-B 氣體傳感器與HGS1001 氣體傳感器的工作原理和使用類似，傳感器內部包含一個加熱電路和一個測量電路，其中H+和H-為加熱電路的正負極，C+和C-為測量電路的正負極。傳感器的加熱電源可通過運算放大器進行電壓跟隨供電，同時單片機可通過輸出DAC動態控制電壓，實現傳感器內部的恒電阻加熱。

氣體傳感器信號處理電路采用了2片低成本MSOP8 封裝的ADA4505-2 運放。該運放可采用1.8～5V單電源供電，具有出色的電源抑制比和共模抑制比。每個放大器的工作電源電流小于10uA，可實現軌到軌輸入輸出、零輸入交叉失真和極低的偏置電流。信號處理電路對氣體傳感器測量電流進行調理放大，并將輸出相應的電壓信號到單片機AD端口。

氣體濃度采集模塊電路圖如圖2所示。

2.2 風路設計

在密閉或半密閉小空間內，氣體流動性不佳的情況下，需要考慮進風吸氣設計。本設計選配了MX2508微型風機，風機配有液壓軸承、壽命長、尺寸小（25mm×20mm×8mm） ，使用電壓為2.8～5v，低電壓保持低速運行狀態下功耗功耗在10mA以內。風機安裝在L型底上，風機口正對著L型底座的矩形開口，形成風道。通過單片機端口出PWM波，串接330歐姆電阻接入微型風機，可精準的控制風扇的旋轉電流，使風機保持在2～4r/s。同時，為了指示風機的工作狀態，將一個LED燈并聯連接到風扇上。

2.3 溫度采集設計

溫度采集電路設計如圖3，為了更好地降低功耗，對溫度測量電路的供電電源進行即時控制，即在測量時接通電源。這里采用了零柵壓漏電為uA 級的SI2301 MOS管。溫度傳感器采用MF52-10k，該傳感器測溫范圍為-55～125度。

2.4 濕度采集設計

GXHT3 是中科銀河芯最新推出的一款小尺寸2mm×2mm數字式溫濕度傳感器，其測量精度優異，具有小尺寸、低功耗和性價比高的特點。該傳感器包含一套完整的數據采集處理系統，包括電容式濕度傳感器、帶隙溫度傳感器、模數轉換器、校準數據存儲器和IIC數字通信接口，能夠直接對外輸出已校準的數字信號。傳感器的濕度測量范圍為0%～100%RH，精度為±2%RH，其精度能夠滿足我們的測量要求。

GXHTC3溫濕度傳感器采用3.3V供電，供電電壓（VDD） 需要使用100nF的電容進行去耦，該電容應盡可能靠近傳感器放置。該傳感器可以直接對外輸出已校準的數字信號，與單片機之間采用IIC同步通信方式進行通信。

2.5 控制單元電路設計

該裝置主控模塊采用國產MM32F0020B1T，使用高性能的ARM32位單片機。該款單片機搭載了靈動微電子推出的MCU，其搭載48MHz Arm Cortex-M0內核，提供32KB Flash和2KB SRAM的高速存儲器，具有豐富的增強型I/O端口和多種外設，包括1個12位ADC、1個16位通用定時器、1個16位基本定時器、1 個16位高級定時器、2個UART接口、1個SPI接口和1 個I2C接口。其功能和性能滿足本探測器的設計需求，其控制單元電路設計如圖4所示。

2.6 電源電路設計

設計采用SL1588M電源轉換模塊，該器件是一種具有內部功率MOSFET的高頻、同步、整流、降壓開關模式轉換器。它提供了一個非常緊湊的解決方案，能夠在廣泛的輸入電壓范圍內提供2A連續輸出電流，并具有優良的負載和線路調節。ECOT PSM控制操作提供了非常快速的瞬態響應和簡單的回路設計，以及非常嚴格的輸出調節。此外，它需要較少數量的外部元件，采用了較小的SOT23-6封裝。該模塊的輸出具有可調節的輸出電路，內置了電流限制、電壓保護、打嗝模式下的短路保護和熱關機功能。另外，它還內置了軟啟動功能，在輕負載下可以實現高效率的PFM 模式。

2.7 接口轉換電路設計

探測器對外通信接口采用低成的RS422接口轉換芯片WS3080，封裝為MSOP-8，該芯片接口電路如圖5所示。

3 算法程序設計

一般的火災發展過程經歷初始階段、可見煙階段、火焰階段和極大蔓延階段。基于較早期監測火災的需求，在火災發展的初始階段對環境的氣體及溫度進行測量，并基于溫度和氣體變化趨勢進行算法設計，以具備較強的抗環境干擾能力，從而達到監測準確率高、虛警漏警率低的目的。

本設計基于火災特征參量研究，針對火災特征參量的變化，構建了高準確率的識別模型。

設計采用了復合式多特征參量的火災檢測方法，對環境的溫度、濕度、電纜線高溫產生的VOCs氣體以及火災產生的CO氣體進行監測。同時，基于多特征耦合判斷方法，通過閾值實現不同階段的火災預警設計。

同時，針對氣體受到環境干擾較大的問題，采用氣體變化趨勢的方法進行火災報警設計，如圖6所示。

實際火災產生過程中，火災的特征產物，如特征VOCs氣體和CO氣體，在短時間內會呈現明顯的指數曲線變化趨勢。為了獲取對待測環境使用的線纜進行模擬實驗的結果，我們研究了該線纜材料火災燃燒產物的氣體產生規律及參數，并將其植入到火災判斷的算法中。這樣做可以獲得高準確率、低虛警和低漏警的火災判斷方法。

4 驗證

該復合探測器的性能驗證主要針對VOCs和CO 的檢測性能進行檢驗，尤其是穩定的一致性是該產品設計的關鍵。這里就重點介紹一下該探測器對不同試驗煙火下進行的報警響應一致性性能驗證。我們使用了2臺樣機，分別進行了SH2標準和SH4標準煙的測試，并進行了比較。

根據探測器使用場合，選擇了尺寸高1m、寬0.6m、深1.2m的密閉燃燒實驗箱。火源設置在地面中心處，而探測器則安裝在側壁上。分別采用SH2棉繩陰燃火和SH4正庚烷火作為試驗火，獲得A、B樣機在兩種試驗火種下的試驗數據的一致性，如圖7所示。

5 結束語

本設計是一種應用在密閉小空間（重要電氣箱、數字機柜等設備）內部的火災消防電子產品設計。該設計不僅滿足于監測密閉區域內的火災探測，還可實時監測區域內的健康環境的多特征參數的變化。同時，它具備高集成度的電路設計以及緊湊的外形結構設計（45mm×45mm×56mm） ，安裝方便且性能穩定可靠。

經過一系列測試驗證，本探測器已達到產品級設計的要求：體積小、低功耗、穩定可靠，在密閉的箱體內有火災發生條件下具有正確動作和一致性的數據上報。該設計已在苛刻環境要求的軍工項目中得到了充分的應用驗證，對于應用在綠化能源、軍事裝備、化工、煤礦等領域的特殊火災探測器產品開發具有一定的借鑒作用。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】