煙草煙霧檢測警示系統分析

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摘要：在學校、電梯等公共場所的禁煙區，少部分吸煙人群無法自覺禁止吸煙。針對這一問題，文章設計了一個小型、高效、低功耗、易安裝、廉價的煙草煙霧檢測警示儀器。本設計以ARM芯片STM8S103為核心，通過ME2-CO傳感器檢測一氧化碳濃度變化，從而判斷是否有人吸煙，或者發生火災。文章介紹了煙草煙霧傳感器的設計、煙霧報警系統的硬件及軟件設計方法。

關鍵詞：煙草煙霧檢測；ME2-CO傳感器；一氧化碳檢測

近年來，隨著人們健康觀念、安全意識的提高和法律法規政策的完善，人們對二手煙的危害越來越重視。政府、學校與企事業單位等都會對封閉空間設立禁煙區，如電梯、廁所等。吸煙群體中少部分人公共意識淡薄，無視禁煙區的規定，在禁煙區吸煙。面對這類現象，公共管理力量薄弱，管理監控上比較困難，群眾監督往往又容易帶來沖突和矛盾。通過本設計，可以對禁煙區進行吸煙監測，當檢測到香煙質量濃度達到一定值的時候進行語音提示，當出現大量煙霧的時候，進行火災警報。

1煙草煙霧傳感器的設計

煙草煙霧是指吸煙時產生的煙霧。氣相成分占總量的92%，主要是一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、揮發性低分子烷烴和烯烴等；固相成分占總量的8%，為粒徑0.1~2μm的煙塵，冷凝即為焦油，每支紙煙約產生20~35mg焦油[1]。一氧化碳在香煙煙霧中的濃度約4×10﹣4，所占比例相對較大，是香煙的主要危害物之一。一氧化碳與紅血球的結合力約為氧和紅血球結合力量的210倍，所以一氧化碳被吸入入體后，紅血球輸送氧氣的能力會降低，而導致體內缺氧。一氧化碳在公共場所不易產生，所以選定一氧化碳作為被測量氣體，能準確地識別香煙，避免干擾。ME2-CO傳感器是檢測一氧化碳濃度的電化學式氣敏元件。ME2-CO型電化學元件根據電化學的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學氧化過程，待測氣體電化學反應所產生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度[2]。ME2-CO傳感器的量程為1×10﹣3、靈敏度1.5±0.5μA/×10﹣8、分辨率為5×10﹣7，滿足對煙草煙霧中一氧化碳的濃度的檢測。濃度特性曲線如圖1所示。ME2-CO傳感器，輸出信號是電流量，輸出的基本電路如圖2所示。因此，選定ME2-CO傳感器，作為本設計的煙霧檢測傳感器。ME2-CO傳感器能對除目標氣體外的其他氣體產生響應。對該傳感器影響比較大的3種常見的干擾氣體的響應特性如表1所示。對ME2-CO傳感器影響比較大的是氫氣和乙烯。但一般情況下，這兩種氣體在公共場合濃度一般相對較低。一氧化碳在自然水平（MOPITT）濃度為1×10﹣7，普通家庭的平均水平濃度為（0.5~5）×10﹣6，香煙煙霧中的濃度約4×10﹣4，考慮煙霧在空氣中耗散稀釋，我們設定一氧化碳的質量濃度為5×10﹣6為香煙檢測的閾值，4×10﹣4為火災警報閾值。

2系統方案設計

系統由5部分組成：鋰電池、電源管理模塊、主控芯片ARM芯片STM8S103、ME2-CO傳感器模塊、聲音模塊。系統方案框如圖3所示。主控芯片選用ARM芯片的STM8S103，其具有高級STM8內核和3級流水線的哈佛結構，高度集成了內部時鐘震蕩器、看門狗和掉電復位功能，CPU時鐘頻率為16MHz[3]。該芯片具有低成本、低功耗、高性能的優點。芯片中擁有10位的ADC功能，滿足ME2-CO傳感器采樣精度。電源管理低功耗模式有4種：等待模式、開啟調壓器的活躍停機模式、調壓器關閉的活躍停機模式、停機模式[4]。我們選用調壓器關閉的活躍停機模式：此模式除了主電壓調壓器斷電以外，其他皆與調壓器開啟的主動暫停模式相同，所以喚醒時間較長，但是功耗較低，且可以內部定時喚醒。綜上STM8S103芯片，滿足設計需求。電源模塊主要負責電壓調節、系統供電與鋰電池充放電管理。ME2-CO傳感器模塊包含ME2-CO傳感器和基本放大電路，負責采集一氧化碳濃度信息，將電流信息轉化成電壓信息，通過ARM的ADC功能采集到芯片中。聲音模塊具備播放錄音功能。

3軟件方案設計

軟件方面，主程序的流程如圖4所示。首先對STM8S103芯片進行初始化參數的設置，然后進入循環，通過ME2-CO傳感器檢測煙霧濃度是否大于5×10﹣6。如果檢測結果未大于閾值，則進入活躍停機狀態的省電模式，5s后通過ARM定時器喚醒，重新檢測。如果檢測結果大于閾值，則延遲1s，再次進行判斷，防止誤判。再次檢測的結果為否，則重新檢測。若檢測結果為是，則進一步判斷濃度是否大于400×10﹣6。如果大于，則播放火災警報，如果小于則播放吸煙提示的警告。

4結語

綜上所述，本設計以ARM芯片STM8S103與ME2-CO傳感器為核心，并輔以可充電的鋰電池與活躍停機的低功耗設計。可以較迅速、準確地監測到是否有人吸煙，同時具備避免布線安裝簡單，手持移動操作等優點。并能根據一氧化碳濃度不同，提示吸煙警告語音提示或者火災警報語音提示。是一種結構簡單、性能穩定、使用方便、智能化的煙霧濃度檢測儀器，具有一定的實用價值。

[參考文獻]

[1]趙莉，陳相宇，李福春.國產香煙礦物組成的初步研究[J].巖石礦物學雜志，2009（2）：135-140.

[2]邱志剛.一種點式煙溫氣復合火災探測器的設計[J].電腦知識與技術，2018（1）：252-254.

[3]STM8S_微控制器家族參考手冊_v4.0.PDF[EB/OL].（2017-10-10）

[4]STM8S103xx系列數據手冊（2009年3月）cn.PDF（2017-02-14）

作者:劉旭 單位:遼寧軌道交通職業學院