烟草烟雾检测警示系统分析

摘要：在学校、电梯等公共场所的禁烟区，少部分吸烟人群无法自觉禁止吸烟。针对这一问题，文章设计了一个小型、高效、低功耗、易安装、廉价的烟草烟雾检测警示仪器。本设计以ARM芯片STM8S103为核心，通过ME2-CO传感器检测一氧化碳浓度变化，从而判断是否有人吸烟，或者发生火灾。文章介绍了烟草烟雾传感器的设计、烟雾报警系统的硬件及软件设计方法。

关键词：烟草烟雾检测；ME2-CO传感器；一氧化碳检测

近年来，随着人们健康观念、安全意识的提高和法律法规政策的完善，人们对二手烟的危害越来越重视。政府、学校与企事业单位等都会对封闭空间设立禁烟区，如电梯、厕所等。吸烟群体中少部分人公共意识淡薄，无视禁烟区的规定，在禁烟区吸烟。面对这类现象，公共管理力量薄弱，管理监控上比较困难，群众监督往往又容易带来冲突和矛盾。通过本设计，可以对禁烟区进行吸烟监测，当检测到香烟质量浓度达到一定值的时候进行语音提示，当出现大量烟雾的时候，进行火灾警报。

1烟草烟雾传感器的设计

烟草烟雾是指吸烟时产生的烟雾。气相成分占总量的92%，主要是一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、挥发性低分子烷烃和烯烃等；固相成分占总量的8%，为粒径0.1~2μm的烟尘，冷凝即为焦油，每支纸烟约产生20~35mg焦油[1]。一氧化碳在香烟烟雾中的浓度约4×10﹣4，所占比例相对较大，是香烟的主要危害物之一。一氧化碳与红血球的结合力约为氧和红血球结合力量的210倍，所以一氧化碳被吸入入体后，红血球输送氧气的能力会降低，而导致体内缺氧。一氧化碳在公共场所不易产生，所以选定一氧化碳作为被测量气体，能准确地识别香烟，避免干扰。ME2-CO传感器是检测一氧化碳浓度的电化学式气敏元件。ME2-CO型电化学元件根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程，待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度[2]。ME2-CO传感器的量程为1×10﹣3、灵敏度1.5±0.5μA/×10﹣8、分辨率为5×10﹣7，满足对烟草烟雾中一氧化碳的浓度的检测。浓度特性曲线如图1所示。ME2-CO传感器，输出信号是电流量，输出的基本电路如图2所示。因此，选定ME2-CO传感器，作为本设计的烟雾检测传感器。ME2-CO传感器能对除目标气体外的其他气体产生响应。对该传感器影响比较大的3种常见的干扰气体的响应特性如表1所示。对ME2-CO传感器影响比较大的是氢气和乙烯。但一般情况下，这两种气体在公共场合浓度一般相对较低。一氧化碳在自然水平（MOPITT）浓度为1×10﹣7，普通家庭的平均水平浓度为（0.5~5）×10﹣6，香烟烟雾中的浓度约4×10﹣4，考虑烟雾在空气中耗散稀释，我们设定一氧化碳的质量浓度为5×10﹣6为香烟检测的阈值，4×10﹣4为火灾警报阈值。

2系统方案设计

系统由5部分组成：锂电池、电源管理模块、主控芯片ARM芯片STM8S103、ME2-CO传感器模块、声音模块。系统方案框如图3所示。主控芯片选用ARM芯片的STM8S103，其具有高级STM8内核和3级流水线的哈佛结构，高度集成了内部时钟震荡器、看门狗和掉电复位功能，CPU时钟频率为16MHz[3]。该芯片具有低成本、低功耗、高性能的优点。芯片中拥有10位的ADC功能，满足ME2-CO传感器采样精度。电源管理低功耗模式有4种：等待模式、开启调压器的活跃停机模式、调压器关闭的活跃停机模式、停机模式[4]。我们选用调压器关闭的活跃停机模式：此模式除了主电压调压器断电以外，其他皆与调压器开启的主动暂停模式相同，所以唤醒时间较长，但是功耗较低，且可以内部定时唤醒。综上STM8S103芯片，满足设计需求。电源模块主要负责电压调节、系统供电与锂电池充放电管理。ME2-CO传感器模块包含ME2-CO传感器和基本放大电路，负责采集一氧化碳浓度信息，将电流信息转化成电压信息，通过ARM的ADC功能采集到芯片中。声音模块具备播放录音功能。

3软件方案设计

软件方面，主程序的流程如图4所示。首先对STM8S103芯片进行初始化参数的设置，然后进入循环，通过ME2-CO传感器检测烟雾浓度是否大于5×10﹣6。如果检测结果未大于阈值，则进入活跃停机状态的省电模式，5s后通过ARM定时器唤醒，重新检测。如果检测结果大于阈值，则延迟1s，再次进行判断，防止误判。再次检测的结果为否，则重新检测。若检测结果为是，则进一步判断浓度是否大于400×10﹣6。如果大于，则播放火灾警报，如果小于则播放吸烟提示的警告。

4结语

综上所述，本设计以ARM芯片STM8S103与ME2-CO传感器为核心，并辅以可充电的锂电池与活跃停机的低功耗设计。可以较迅速、准确地监测到是否有人吸烟，同时具备避免布线安装简单，手持移动操作等优点。并能根据一氧化碳浓度不同，提示吸烟警告语音提示或者火灾警报语音提示。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、智能化的烟雾浓度检测仪器，具有一定的实用价值。

[参考文献]

[1]赵莉，陈相宇，李福春.国产香烟矿物组成的初步研究[J].岩石矿物学杂志，2009（2）：135-140.

[2]邱志刚.一种点式烟温气复合火灾探测器的设计[J].电脑知识与技术，2018（1）：252-254.

[3]STM8S_微控制器家族参考手册_v4.0.PDF[EB/OL].（2017-10-10）

[4]STM8S103xx系列数据手册（2009年3月）cn.PDF（2017-02-14）

作者:刘旭 单位:辽宁轨道交通职业学院