關(guān)于車載CO2監(jiān)測報警及智能換氣裝置的設(shè)計研究

（河海大學大禹學院,南京 211100）

（河海大學大禹學院,南京 211100）

研究設(shè)計由二氧化碳傳感器與數(shù)字門電路結(jié)合的二氧化碳監(jiān)測與報警裝置，利用數(shù)字門電路的二值邏輯性決定是否驅(qū)動三極管，來實現(xiàn)報警與自動換氣。

車載；檢測；智能換氣

車載CO2監(jiān)測報警及智能換氣裝置針對校車窒息死亡與車內(nèi)睡覺窒息死亡案件來研究設(shè)計，利用計算機電路所使用的數(shù)字電路控制原理來實現(xiàn)，從客觀上有效防止車內(nèi)窒息事件的發(fā)生。

1 研究背景

近年來，隨著汽車的普及應用，小學生不慎被落在校車里和一些司機習慣性地喜歡在車內(nèi)休息睡覺而窒息的事件已經(jīng)屢見不鮮。日常生活中，由于車內(nèi)CO2濃度過高而引起司機反應遲緩所導致的車禍等事件也時常發(fā)生。因此，如果能夠在車內(nèi)安裝CO2傳感器和適當?shù)目刂茍缶娐罚隳苡行У仡A防這類事件的發(fā)生。

研究表明，當CO2濃度大于1000ppm（0.1％）時，人的思維決策能力有適度下降；當CO2濃度大于2500ppm（0.25％）時，人的思維決策能力有明顯下降；當空氣中濃度大于1％時，會使人感到氣悶、頭昏、心悸；濃度大于4％—5％時，會使人感到氣喘、頭痛、眩暈；而當空氣中CO2體積占到10％時，會使人神志不清呼吸停止，以致死亡。在正常的空氣中，CO2濃度占到300ppm（0.03％）。因此，正常情況下汽車內(nèi)部CO2濃度初始值為300ppm。由于車內(nèi)人員的呼吸作用使得車內(nèi)的CO2濃度不斷升高，我們設(shè)定在汽車行駛時，當車內(nèi)CO2濃度超過2500ppm，通過控制電路發(fā)出定時警報，提醒司機開窗換氣。而在汽車靜止時，如果濃度超過2500ppm，則通過控制電路發(fā)出持續(xù)警報并啟動換氣裝置自行換氣。

2 基本構(gòu)思設(shè)計

根據(jù)設(shè)想，當汽車行進時，隨著車內(nèi)人員的呼吸作用及汽車空調(diào)等的內(nèi)循環(huán)耗氧，車內(nèi)CO2濃度不斷升高，當CO2傳感器探測到濃度超過預設(shè)安全值時，發(fā)出信號到電子控制電路，控制電路檢測到行車信號后控制報警器工作，實現(xiàn)定時報警，提醒司機開窗換氣。

當汽車停止時，由于汽車密閉性較高，車內(nèi)滯留人員呼吸產(chǎn)生的CO2不能及時排到車外，車內(nèi)CO2不斷升高。當CO2傳感器探測到濃度超過預設(shè)安全值時，發(fā)出信號到控制電路，控制電路檢測到CO2濃度超標信號和車輛停止信號后，控制報警器持續(xù)報警，尋求支援，同時啟動換氣裝置實現(xiàn)換氣，直至濃度值降到預設(shè)安全值以下。以下為具體實現(xiàn)過程的模擬框圖：

（1）防止行車過程中，CO2濃度過高導致司機反應遲緩（見圖1）。

圖1

（2）防止車輛停止時，CO2濃度過高導致車內(nèi)窒息事件（見圖2）。

圖2

3 電路原理

根據(jù)數(shù)字電路原理，首先把控制信息進行數(shù)字化，輸入信號中。設(shè)定行車信號為A，當汽車行駛時，行車信號A為‘1’；當汽車停止時，行車信號為‘0’；設(shè)定B為CO2濃度信號，當CO2濃度超過2500ppm時，濃度信號B為‘1’，當CO2濃度低于2500ppm時，濃度信號B為‘0’。

輸出信號中，設(shè)定定時報警信號為F1，當F1為‘1’時，實現(xiàn)定時報警，F(xiàn)1為‘0’時，報警器不工作；設(shè)定F2為持續(xù)報警，當F2為‘1’時，報警器持續(xù)報警，當F2為‘0’時，報警器不工作；設(shè)定F3為吹風換氣，當F3為‘1’時，風扇工作，開始換氣，當F3為‘0’時，風扇不工作；

具體的邏輯關(guān)系如下表所示：

A B F1 F2 F3 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0

從而得出相應的邏輯表達式

利用與非門實現(xiàn)所有的邏輯關(guān)系，利用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)電路實現(xiàn)定時蜂鳴，最后利用三極管電路驅(qū)動風扇與蜂鳴器。具體電路（見圖3）。

如圖3，CO2濃度傳感器輸出信號為數(shù)字信號，設(shè)為B。行車與不行車時電瓶電壓值可以看作數(shù)字信號，設(shè)為A。計算機模擬時均用開關(guān)來代替實現(xiàn)，A和B作為電路的輸入信號接入與非門輸入端，F(xiàn)1、F2、F3的邏輯關(guān)系均由與非門實現(xiàn)（如圖中標注“邏輯門電路”）。定時報警控制由LM555CM連接實現(xiàn)（如圖中標注“555定時器”），定時時長由圖中R6、C4乘積決定，具體的報警與開窗換氣電路均有三極管控制電路實現(xiàn)（如圖中“報警控制電路”、“風扇控制電路”）。

具體的實現(xiàn)過程為：當CO2濃度不超標時，即B為低電平“0”時，邏輯門電路輸出均為“0”，報警器1、2與風扇均不工作；當CO2濃度超標且汽車行進時，即A為高電平信號“1”，B為高電平信號“1”時，門電路對報警電路2、風扇控制電路均發(fā)出低電平“0”信號，同時對定時器輸出高電平信號“1”，報警器2、風扇不工作，定時器工作，并向控制報警電路1發(fā)出一定時長的高電平信號，三極管導通，報警器1實現(xiàn)定時工作；當CO2濃度超標且汽車行進時，即A為低電平信號“0”，B為高電平信號“1”時，門電路對定時器發(fā)出低電平信號“0”，對報警器2與風扇發(fā)出高電平信號“1”，此時定時器、報警器1均不工作，報警器2與風扇工作，實現(xiàn)持續(xù)報警與換氣。

圖3

注：（1）此電路圖由電路制圖軟件ProteIDXP2004 Multisim繪制并測試成功，經(jīng)截圖標注所得；（2）LM555CM端口示意圖（見圖4）。

1腳GND：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。 2腳TRIG：低觸發(fā)端。3腳OUT：輸出端Vo。 4腳RESET：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。

5腳CTRL：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓。當該端不用時，應將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。6腳THR：TH高觸發(fā)端。7腳DIS：放電端。該端與放電三極管集電極相連，用做定時器時電容的放電。

8腳VCC：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5～16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ～18V。一般用5V。

4 應用優(yōu)勢

（1）可調(diào)節(jié)性強。根據(jù)設(shè)定的不同CO2濃度對人身體的影響，可以分別設(shè)定不同的CO2濃度探測值，從而實現(xiàn)不同的功能，以應用到不同的領(lǐng)域中去，提高了該裝置的適用范圍。

（2）低功耗。該裝置由電瓶實施供電，且工作元器件的額定工作電壓與電流都很低。因此，既能有效地防止元器件的發(fā)熱情況，又能夠保證電量充足。

（3）人性化的報警設(shè)置。根據(jù)報警用途的不同，設(shè)定了兩個報警裝置，當車輛行進時，由車內(nèi)報警裝置實現(xiàn)定時報警來提醒司機開窗。當車輛停止時，由車外報警裝置實現(xiàn)持續(xù)報警，實現(xiàn)向外界求救的目的。

（4）推廣應用價值高。該電子控制電路的設(shè)計主要依托數(shù)字電路控制原理、傳感器原理來實現(xiàn)電子線路的控制與CO2濃度的探測，應用了基本的組合邏輯電路元器件和基本的電阻、電容等器件，調(diào)試簡單，且電路器件方便集成化，便于大型客車、校車等裝載使用。且電路適用范圍廣，便于某些特定場所內(nèi)部的CO2檢測報警及智能換氣，具有很高的推廣使用價值。

關(guān)于車載CO2監(jiān)測報警及智能換氣裝置的設(shè)計研究

朱思雨

朱思雨（1996—）女，江蘇大豐人，本科，學生，研究方向：水利。