何祥宇 周濤

摘要：應(yīng)用傳感器和電子技術(shù)提出了一款紅外探測(cè)型香菇大棚煤氣語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該檢測(cè)系統(tǒng)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器ＭＱ－７檢測(cè)環(huán)境中的煤氣濃度；通過(guò)測(cè)量電路把煤氣的濃度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，由信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)處理及濃度高低顯示，一旦超過(guò)設(shè)定的煤氣安全濃度值，當(dāng)種植人員進(jìn)入大棚時(shí)，紅外探測(cè)電路控制報(bào)警電路發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，提醒種植人員采取安全措施。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有工作可靠、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，效果良好。

關(guān)鍵詞：香菇大棚；煤氣濃度；氣敏傳感器；語(yǔ)音報(bào)警；半導(dǎo)體；紅外探測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：Ｓ６４６．１＋２；Ｓ６２６文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０12）18－4118-03

Infrared Gas Detecting Voice Alarm System for Mushroom Greenhouse

ＨＥ Ｘｉａｎｇ－ｙｕ，ＺＨＯＵ Ｔａｏ

（College ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ， Ｌｕｏｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２２，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃｏａｌ ｇａｓ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ－ｖｏｉｃｅ ａｌａｒｍ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｕｓｈｒｏｏｍ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ＭＱ－７ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ to ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｂｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ． Ｏｎｃｅ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｅｓｓ ｔｈｅ ｓｅｔ ｓａｆｅ ｖａｌｕｅ， ｔｈｅ ｖｏｉｃｅ ａｌａｒｍ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｐｌａｙｅｄ ｗｈｅｎ ｇｒｏｗｅｒｓ ｇｏ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｔｏ ｒｅｍｉｎｄ ｔｈｅｍ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ， ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｅａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： mushroom greenhouse； ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ； ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ； ｖｏｉｃｅ ａｌａｒｍｉｎｇ； ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ； ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ

香菇是中國(guó)著名的食用菌之一，種植香菇已成為農(nóng)民創(chuàng)收的重要手段之一。但種植香菇是一個(gè)非常繁瑣的過(guò)程，在冬菇的生育期間氣溫低，菌絲生長(zhǎng)緩慢，一般需要在香菇種植大棚內(nèi)安裝煤火爐進(jìn)行增溫，由于大棚面積大、密閉性強(qiáng)，多加溫點(diǎn)和晝夜加溫導(dǎo)致大棚內(nèi)煤氣濃度很高，一般情況下種植人員進(jìn)入棚內(nèi)換煤，幾分鐘內(nèi)就會(huì)昏厥，非常危險(xiǎn)。為了保障種植人員的人身安全，必須對(duì)香菇種植大棚內(nèi)危害人體健康、引起窒息和中毒的煤氣濃度進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)報(bào)警，提醒種植人員進(jìn)入大棚之前先揭棚換氣，降低煤氣濃度后再入棚操作。

研究設(shè)計(jì)了一款紅外探測(cè)型香菇大棚煤氣語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)，其能對(duì)大棚中危害人體健康的煤氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示，當(dāng)種植人員進(jìn)入大棚時(shí)，其根據(jù)設(shè)定的煤氣安全濃度值及時(shí)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，從而有效地保障香菇種植人員的人身安全。

１電路結(jié)構(gòu)及其工作原理

設(shè)計(jì)的紅外探測(cè)型香菇大棚煤氣語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)由煤氣濃度檢測(cè)及顯示電路、紅外探測(cè)電路和語(yǔ)音報(bào)警電路組成。香菇大棚內(nèi)煤氣濃度檢測(cè)選用半導(dǎo)體氣敏傳感器ＭＱ－７，半導(dǎo)體氣敏傳感器對(duì)待測(cè)的煤氣具有很高的靈敏度，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、壽命長(zhǎng)、有大的電信號(hào)輸出、有優(yōu)異的選擇性和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在有毒氣體測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用［１－４］。

１．１煤氣濃度檢測(cè)及顯示電路

圖１中A1、A2、A3、A4為４個(gè)電壓比較器（由集成電壓比較器ＬＭ３３９構(gòu)成）；RP2、R6、R7、R8、R9構(gòu)成電壓采樣電路，為電壓比較器參考電壓輸入端（比較器的反向輸入端）提供參考電壓UF、UG、UH、UI（UF、UG、UH、UI分別為Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ點(diǎn)的對(duì)地電壓值）；RP1和RP2分別為系統(tǒng)的靈敏度和報(bào)警上限調(diào)整電位器， RP2可以設(shè)定煤氣的安全濃度值。電壓比較器A1、A2、A3、A4同相輸入端的輸入信號(hào)是與煤氣濃度有關(guān)的電壓信號(hào)UＥ（UＥ為Ｅ點(diǎn)的對(duì)地電壓值），ＭＱ－７工作電壓為（５．０±０．５）Ｖ，由加熱絲Ｃ、Ｄ和測(cè)量電極Ａ、Ｂ組成，在使用ＭＱ－７時(shí)需要先進(jìn)行預(yù)熱，然后再接通傳感器測(cè)量電極Ａ、Ｂ間的工作電源，這樣可用來(lái)防止因ＭＱ－７測(cè)量電極間的阻值不穩(wěn)定而造成的誤報(bào)警。

ＩＣ１（ＮＥ５５５）為８腳的時(shí)基集成電路芯片，其工作電壓范圍為４．５～１６．０ Ｖ，具有定時(shí)精度高、工作穩(wěn)定、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)［５］。圖１中的ＮＥ５５５集成電路與電阻R1、電容器組C3形成傳感器工作延時(shí)電路，其作用是為ＭＱ－７的測(cè)量電極提供工作電源。在接通電源瞬間，由于電容器C3上的電壓不能突變，則ＩＣ１的２、６腳為高電平，ＮＥ５５５復(fù)位，３腳輸出為低電平，ＭＱ－７不工作。同時(shí)，C3開(kāi)始充電，當(dāng)充到２腳為５ Ｖ時(shí)，ＮＥ５５５置位，３腳由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，ＭＱ－７的測(cè)量電極通電工作。ＭＱ－７的充電時(shí)間，即ＭＱ－７工作的延時(shí)時(shí)間t=1.1×C3×R13，調(diào)整R13和C3可以改變延時(shí)時(shí)間，圖１中R13和C3的電路參數(shù)決定的延時(shí)時(shí)間約為３．６７ ｍｉｎ。

圖１中的A1、A2、A3、A4 ４個(gè)電壓比較器由ＬＭ３３９集成電路芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)電壓比較器輸入信號(hào)端與參考輸入端的電壓值進(jìn)行比較，分別輸出高低電平用來(lái)控制發(fā)光二極管的亮滅，來(lái)直觀(guān)地顯示香菇種植大棚內(nèi)的煤氣濃度相對(duì)高低的變化情況。ＬＭ３３９集成電路內(nèi)部含有４個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，可以采用２～３６ Ｖ單電源工作，共模范圍很大，差動(dòng)輸入電壓范圍較大，輸出端電位可靈活方便地選用，利用ＬＭ３３９可以方便地組成各種電壓比較器電路。ＬＭ３３９的輸出端為集電極開(kāi)路，在使用時(shí)需要接上拉電阻才能輸出高電平。圖１中的ＬＭ３３９采用５ Ｖ單電源工作，其３腳接５ Ｖ電壓，１２腳接地，各比較器的輸出端接阻值為１ ｋΩ的上拉電阻，以給發(fā)光二極管提供發(fā)光時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流。

１．２紅外探測(cè)電路

ＩＣ２（ＢＩＳＳ０００１）是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路，配以熱釋電紅外傳感器ＫＤＳ９和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)，工作電壓范圍為２～６ Ｖ，內(nèi)置參考電壓，由運(yùn)算放大器、電壓比較器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成數(shù)?；旌蠈?zhuān)用的集成電路，特別適用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。

圖２中熱釋電紅外傳感器ＫＤＳ９的輸出信號(hào)送到ＩＣ２的１４腳進(jìn)行第一級(jí)的放大，然后由１６腳輸出，接下來(lái)由電容器Ｃ６耦合后送給其１３腳進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由ＩＣ２內(nèi)置的兩個(gè)電壓比較器的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器。電阻Ｒ１９和電容器Ｃ１０的電路參數(shù)決定輸出信號(hào)Uｏ２的有效狀態(tài)的延時(shí)時(shí)間ｔｘ（ｔｘ≈４９ １５２×Ｒ１９×Ｃ１０），１腳連接電源使ＩＣ２工作于可重復(fù)觸發(fā)方式，電阻Ｒ２１和電容Ｃ１１的電路參數(shù)決定觸發(fā)封鎖時(shí)間ｔｉ（ｔｉ≈２４×Ｒ２１×Ｃ１１）。熱釋電紅外傳感器ＫＤＳ９自身的探測(cè)靈敏度很低，一般的探測(cè)距離僅為２ ｍ左右，為提高ＫＤＳ９傳感器的靈敏度、擴(kuò)大監(jiān)視范圍，需要在ＫＤＳ９表面罩一塊菲涅爾透鏡，它可使ＫＤＳ９的檢測(cè)距離由原來(lái)的２ ｍ增加到１０ ｍ［６］。菲涅爾透鏡的作用有兩個(gè)，一是將人體輻射的紅外線(xiàn)聚焦到熱釋電紅敏感元件區(qū)上；二是產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以滿(mǎn)足熱釋電探測(cè)敏感區(qū)不斷變化的要求。

１．３語(yǔ)音提示模塊

圖３中的ＩＣ３（ＢＡ９９０２）是一種Ｆｌａｓｈ電閃模擬直接存儲(chǔ)和錄放語(yǔ)音的集成電路，錄音信息可以長(zhǎng)期保存，可重復(fù)錄１０萬(wàn)次以上，外圍電路簡(jiǎn)單，它用兩只按鍵和自身所帶的一只揚(yáng)聲器就可構(gòu)成一臺(tái)高音質(zhì)的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)［４］。錄音時(shí)可以直接用其揚(yáng)聲器作話(huà)筒，按下系統(tǒng)的錄音鍵，系統(tǒng)進(jìn)入錄音狀態(tài)，錄音指示燈亮，直至ＩＣ３的存儲(chǔ)器錄滿(mǎn)或是放開(kāi)錄音鍵，錄音狀態(tài)結(jié)束，播放事先錄制好的警示語(yǔ)，提醒工作人員。放音方法有兩種：一種是按下放音鍵，ＩＣ３進(jìn)入放音狀態(tài)，直至放音結(jié)束；另一種是用低電平觸發(fā)。本系統(tǒng)采用低電平觸發(fā)放音方式。

１．４系統(tǒng)的工作原理

ＭＱ－７的測(cè)量電極間的等效電阻RAB與電位器RP1構(gòu)成的串聯(lián)電路用來(lái)檢測(cè)香菇種植大棚內(nèi)的煤氣濃度，當(dāng)空氣環(huán)境中沒(méi)有煤氣流過(guò)敏感元件時(shí)，調(diào)整電位器RP1使發(fā)光二極管ＬＥＤ１熄滅；測(cè)量電極ＡＢ兩端接通工作電壓，加熱絲ＣＤ和電阻R1兩端加上５ Ｖ的加熱電壓，此時(shí)RAB的阻值很大；當(dāng)處于含有煤氣的環(huán)境中時(shí)，RAB的阻值變小，RAB和RP1的串聯(lián)回路中電流增大，UE升高，UE＞UF，A1輸出高電平點(diǎn)亮ＬＥＤ１。隨著煤氣濃度的增加，RAB的阻值降低，UE逐漸升高，ＬＥＤ２、ＬＥＤ３依次點(diǎn)亮。一旦煤氣濃度大于設(shè)定的安全濃度值時(shí)，A4輸出的Uo1為高電平，若此時(shí)香菇種植人員進(jìn)入大棚內(nèi)，ＩＣ２的２腳輸出的Uo2為高電平，電壓信號(hào)Uo1和Uo2通過(guò)與門(mén)（由VD1和VD2組成）來(lái)控制晶體管VT1的導(dǎo)通，VT1集電極變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)ＩＣ３播放語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)。

２結(jié)論

該研究設(shè)計(jì)的一款紅外探測(cè)型香菇大棚煤氣語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)，把煤氣的濃度檢測(cè)電路及處理電路、紅外探測(cè)電路、報(bào)警電路、發(fā)光二極管顯示電路等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了煤氣濃度高低的直觀(guān)動(dòng)態(tài)顯示及安全語(yǔ)音報(bào)警功能，具有靈敏度及報(bào)警濃度值可調(diào)、工作可靠、電路簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)和成本低等特點(diǎn)。經(jīng)在河南省農(nóng)村香菇種植大棚中的使用證明，該香菇大棚煤氣語(yǔ)言報(bào)警系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快、誤報(bào)率低等優(yōu)點(diǎn)，適合在農(nóng)村種植規(guī)模小的香菇種植大棚中使用，能為香菇種植人員的人身安全提供可靠保障。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 劉正全，肖興明，陳旭忠，等． 基于ＡＶＲ單片機(jī)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)儀的設(shè)計(jì)［Ｊ］． 礦山機(jī)械，２００７，３５（１０）：１４６－１４８．

［２］ 倪濤． 基于單片機(jī)的礦井瓦斯檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［Ｊ］． 煤礦機(jī)械，２０１０，３１（１２）：２０１－２０４．

［３］ 張善俊，李利珍，王松德． 無(wú)線(xiàn)遙控可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［Ｊ］． 工業(yè)安全與環(huán)保，２０１１，３７（８）：１０－１１．

［４］ 王松德，張栓記，胡敏． 可燃?xì)怏w泄漏語(yǔ)音提示器的設(shè)計(jì)［Ｊ］． 礦山機(jī)械，２００７，３５（３）：１０１－１０３．

［５］ 郭繼忠，黃繼昌，申冰冰，等． 控制專(zhuān)用集成電路及其應(yīng)用［Ｍ］． 北京：人民郵電出版社，２００６．

［６］ 郁有文，常健，程繼紅．傳感器原理及工程應(yīng)用［Ｍ］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，２００８．

收稿日期：２０１１－１０－２１

基金項(xiàng)目：河南省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（２００９Ａ５１０００９）

作者簡(jiǎn)介：何祥宇（１９８２－），男，河南泌陽(yáng)人，講師，碩士，主要從事自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究，（電話(huà)）１３６９３８２３１０８（電子信箱）１３６３８８０２７＠ｑｑ．ｃｏｍ。