江麗，鄒波

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽，421002）

1 報(bào)警器原理與電路設(shè)計(jì)

1.1 報(bào)警器的設(shè)計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)高鐵維生環(huán)境報(bào)警器是一個(gè)能精確檢測高鐵運(yùn)行過程中其高鐵車廂 中維生環(huán)境有害氣體情況，同時(shí)有報(bào)警系統(tǒng)的檢測設(shè)備。該設(shè)施有五個(gè)模板組建 分別為：列車有害氣體警報(bào)信號的采集控制電路、最小單片機(jī)控制系統(tǒng)、CO，CO2,甲醛檢測電路、聲光報(bào)警控制電路。高鐵中的甲醛二氧化碳、一氧化碳、濕度和 溫度并不是一成不變的。因此說對于車廂內(nèi)的不同空氣指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控是非 常必要的。當(dāng)車廂內(nèi)溫度相較于正常值較低時(shí)，會(huì)對電加熱器功能進(jìn)行自動(dòng)開啟，對室內(nèi)溫度進(jìn)行提高。當(dāng)空氣中二氧化碳、一氧化碳的濃度較高時(shí)，會(huì)通過Led屏幕的方式對報(bào)警信息進(jìn)行顯示，然后高鐵乘務(wù)人員對空氣凈化器進(jìn)行開啟。當(dāng)車廂內(nèi)的濕度較低時(shí)，加濕器會(huì)自動(dòng)開啟，對空氣濕度進(jìn)行增加。

本設(shè)計(jì)主要零部件包括溫度傳感器和測控器，溫度傳感器采用 DHT11 溫度傳 感器、MH-Z19B 二氧化碳傳感器、ZE08-CH20甲烷傳感器測控系統(tǒng)采用單片機(jī)控制器 89C52，LED顯示，聲光報(bào)警器采用三極管c9012驅(qū)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案圖

圖2 件電路原理圖

1.2 DHT11溫濕度傳感器

本研究中的溫濕度數(shù)值采集器選擇了溫濕度數(shù)字型傳感器dht11，它有效集 成了溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)。傳感器的組成包括了ntc測溫元件和電阻式感濕氣件，能夠靈活地連接到單片機(jī)上。另外也有著較高的性價(jià)比，較強(qiáng)的干擾抵抗能力。同時(shí)再響應(yīng)方面也有著腳快的速度，這一產(chǎn)品的封裝選擇了單 排引腳，因此更加便于使用。Dht11在投放到市場之前，都需要進(jìn)行非常嚴(yán)密的濕度校準(zhǔn)，然后將各方面校準(zhǔn)系數(shù)在otp內(nèi)存里進(jìn)行儲(chǔ)存，當(dāng)運(yùn)用信號進(jìn)行檢測時(shí)，在調(diào)用時(shí)更加方便。單線串行接口是芯片的主要接口方式，在進(jìn)行系統(tǒng)集成 過程中，能夠更好地和單片機(jī)形成作用。另外，其有著較遠(yuǎn)的傳輸距離，較低的 功耗。這一傳感器沒有非常高的精度，相應(yīng)的就會(huì)使得資源得以解省，另外不需 要太多的I/O接口，因此本設(shè)計(jì)選擇了這一傳感器。

1.3 氣體傳感器及其電路設(shè)計(jì)

ZE08-CH2O甲醛模組具備諸多的功能和優(yōu)勢，在線性輸出方面是非常卓越的。 同時(shí)也能夠補(bǔ)償溫度，抗干擾能力也比較出色，穩(wěn)定性較強(qiáng)。同時(shí)，能夠?qū)﹄妷?信號進(jìn)行模擬，對UART進(jìn)行提供，有較長的使用壽命，較高的分辨率。因此，在設(shè)計(jì)中檢測甲醛傳感器選擇了這一器件。

圖3 氣體傳感器電路設(shè)計(jì)

本研究中選擇的二氧化碳傳感器是bMH-Z19B串口輸出型傳感器。這一傳感器能夠檢測0到1萬ppm的二氧化碳濃度范圍，對于設(shè)計(jì)要求能夠較好的實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中的co氣體傳感器選擇了電化學(xué)一氧化碳ZE16-CO傳感器，能夠檢測的氣體范圍是0到500ppm，同時(shí)具備報(bào)警效果，可以根據(jù)環(huán)境的要求對濃度報(bào)警閥值進(jìn)行設(shè)定。以報(bào)警狀態(tài)引腳對高電平進(jìn)行輸出。這一模組能夠以窗口的方式 對Co的濃度值進(jìn)行輸出，有著更加精準(zhǔn)的探測結(jié)果，能夠以定量的方式較好的探測一氧化碳。

1.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件形成單片機(jī)。同時(shí)能夠保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行?；?2單片機(jī)來看，其最低規(guī)格的系統(tǒng)通常情況下，包括晶振電路、單片機(jī)、復(fù)位電路單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊以STC89C52為核心，包含電源供電電路、單片機(jī)復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。電源電路為5V直流供電，同時(shí)也完成對最小系統(tǒng)所有模塊的供電。高電平復(fù)位對于stc89c52單片機(jī)來說比較認(rèn)可。當(dāng)系統(tǒng)聯(lián)通電源之后，電路由電阻r和電容c1組成，并對電流進(jìn)行充放。按下按鈕以后，vcc會(huì)通過AI1并到達(dá)rst這一芯片的引角，然后以手動(dòng)的方式復(fù)位系統(tǒng)。電容c3、電容c2、晶振xtal組成了時(shí)鐘電路。在系統(tǒng)中時(shí)鐘電路所發(fā)揮的功能是對工作周期進(jìn)行提供，在工作時(shí)，c2和c3這兩個(gè)電容發(fā)揮的作用就是對干擾進(jìn)行消除。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì) 中選取了12MHz晶振，因此，1/12μs為系統(tǒng)的振蕩周期;1μs～4μs為指令周期。

系統(tǒng)的電源由電源電路供給，保障系統(tǒng)能夠有效運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的關(guān)鍵部分就是單片機(jī)，I/O接口電路、儲(chǔ)存器以及微處理器集成了電路芯片，繼而使得系統(tǒng)的計(jì)算和 控制要求得以滿足。在運(yùn)用超聲波對距離進(jìn)行測量模塊中提供了不小于10μs的高電平，基于高電平在回波信號的反應(yīng)時(shí)間，通過定時(shí)技術(shù)對聲波的傳播時(shí)間t進(jìn)行精確計(jì)算；以溫度控制和檢測模塊對環(huán)境溫度t進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，實(shí)時(shí)補(bǔ)償氣體有效地計(jì)算出濃度。以LED控制顯示模塊對具體的時(shí)間進(jìn)行顯示。然后基于所得到的結(jié)果對是否需要進(jìn)行聲光報(bào)警進(jìn)行判斷，以此類推，進(jìn)而就能夠精確實(shí)時(shí)檢測氣體的濃度。

1.5 聲光報(bào)警器

聲光報(bào)警器（Audible and visual alarm），是為了滿足用戶對聲光報(bào)警器的響度和報(bào)警器安裝位置的安全性等特殊要求而設(shè)計(jì)安裝的。同時(shí)發(fā)出了聲光報(bào)警器的信號。

蜂鳴器和Led構(gòu)成聲光報(bào)警器。變壓器溫度異常時(shí)，聲光報(bào)警，信號燈亮。亮度閃光、報(bào)警聲音響亮、音調(diào)可選。體積小，重量輕。可長時(shí)間連續(xù)使用，工作可靠、穩(wěn)定。經(jīng)久耐用，音量高因此，易于遠(yuǎn)距離時(shí)傳遞信號音。系統(tǒng)中聲光報(bào)警模塊原理。一個(gè)蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路、一個(gè)紅燈指示電路、一個(gè)綠燈指示電路構(gòu)成了聲光報(bào)警模塊。Vcc和紅色和綠色指示燈相連接，然后蜂鳴器的另一端分別以r8電阻和r6電阻的單片機(jī)p1.2、p1.1相連，當(dāng)這兩個(gè)端口輸出的是低電平時(shí)，則指示燈亮。一個(gè)pnp管運(yùn)用于風(fēng)鳴器驅(qū)動(dòng)電路之中，Pnp基極和p1端口相連，當(dāng)其輸出的為高電瓶時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)通過蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。當(dāng)液位始終處于合理的范圍內(nèi)時(shí)，LED會(huì)將相應(yīng)的數(shù)值顯示出來，系統(tǒng)綠燈發(fā)亮。當(dāng)這一值超出范圍時(shí)，蜂鳴器會(huì)有聲音發(fā)出，系統(tǒng)紅色指示燈亮。氣體濃度的含量會(huì)通過LED顯示出來，能夠?qū)ο到y(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效指示，進(jìn)而更好地檢測氣體的實(shí)施濃度。

圖4 聲光報(bào)警模塊