基于STM8煙草煙霧檢測(cè)警示系統(tǒng)分析

劉旭

摘 要：在學(xué)校、電梯等公共場(chǎng)所的禁煙區(qū)，少部分吸煙人群無法自覺禁止吸煙。針對(duì)這一問題，文章設(shè)計(jì)了一個(gè)小型、高效、低功耗、易安裝、廉價(jià)的煙草煙霧檢測(cè)警示儀器。本設(shè)計(jì)以ARM芯片STM8S103為核心，通過ME2-CO傳感器檢測(cè)一氧化碳濃度變化，從而判斷是否有人吸煙，或者發(fā)生火災(zāi)。文章介紹了煙草煙霧傳感器的設(shè)計(jì)、煙霧報(bào)警系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：煙草煙霧檢測(cè)；ME2-CO傳感器；一氧化碳檢測(cè)

近年來，隨著人們健康觀念、安全意識(shí)的提高和法律法規(guī)政策的完善，人們對(duì)二手煙的危害越來越重視。政府、學(xué)校與企事業(yè)單位等都會(huì)對(duì)封閉空間設(shè)立禁煙區(qū)，如電梯、廁所等。吸煙群體中少部分人公共意識(shí)淡薄，無視禁煙區(qū)的規(guī)定，在禁煙區(qū)吸煙。面對(duì)這類現(xiàn)象，公共管理力量薄弱，管理監(jiān)控上比較困難，群眾監(jiān)督往往又容易帶來沖突和矛盾。通過本設(shè)計(jì)，可以對(duì)禁煙區(qū)進(jìn)行吸煙監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到香煙質(zhì)量濃度達(dá)到一定值的時(shí)候進(jìn)行語(yǔ)音提示，當(dāng)出現(xiàn)大量煙霧的時(shí)候，進(jìn)行火災(zāi)警報(bào)。

1 煙草煙霧傳感器的設(shè)計(jì)

煙草煙霧是指吸煙時(shí)產(chǎn)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(fā)性低分子烷烴和烯烴等；固相成分占總量的8%，為粒徑0.1～2 μm的煙塵，冷凝即為焦油，每支紙煙約產(chǎn)生20～35 mg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(duì)較大，是香煙的主要危害物之一。一氧化碳與紅血球的結(jié)合力約為氧和紅血球結(jié)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(huì)降低，而導(dǎo)致體內(nèi)缺氧。一氧化碳在公共場(chǎng)所不易產(chǎn)生，所以選定一氧化碳作為被測(cè)量氣體，能準(zhǔn)確地識(shí)別香煙，避免干擾。

ME2-CO傳感器是檢測(cè)一氧化碳濃度的電化學(xué)式氣敏元件。ME2-CO型電化學(xué)元件根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測(cè)氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過程，待測(cè)氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過測(cè)定電流的大小就可以確定待測(cè)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(duì)煙草煙霧中一氧化碳的濃度的檢測(cè)。濃度特性曲線如圖1所示。ME2-CO傳感器，輸出信號(hào)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(shè)計(jì)的煙霧檢測(cè)傳感器。

ME2-CO傳感器能對(duì)除目標(biāo)氣體外的其他氣體產(chǎn)生響應(yīng)。對(duì)該傳感器影響比較大的3種常見的干擾氣體的響應(yīng)特性如表1所示。對(duì)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(chǎng)合濃度一般相對(duì)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?cè)O(shè)定一氧化碳的質(zhì)量濃度為5×10﹣6為香煙檢測(cè)的閾值，4×10﹣4為火災(zāi)警報(bào)閾值。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(tǒng)方案框如圖3所示。

主控芯片選用ARM芯片的STM8S103，其具有高級(jí)STM8內(nèi)核和3級(jí)流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，高度集成了內(nèi)部時(shí)鐘震蕩器、看門狗和掉電復(fù)位功能，CPU時(shí)鐘頻率為16 MHz[3]。該芯片具有低成本、低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)。

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(diào)壓器的活躍停機(jī)模式、調(diào)壓器關(guān)閉的活躍停機(jī)模式、停機(jī)模式[4]。我們選用調(diào)壓器關(guān)閉的活躍停機(jī)模式：此模式除了主電壓調(diào)壓器斷電以外，其他皆與調(diào)壓器開啟的主動(dòng)暫停模式相同，所以喚醒時(shí)間較長(zhǎng)，但是功耗較低，且可以內(nèi)部定時(shí)喚醒。綜上STM8S103芯片，滿足設(shè)計(jì)需求。電源模塊主要負(fù)責(zé)電壓調(diào)節(jié)、系統(tǒng)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(fù)責(zé)采集一氧化碳濃度信息，將電流信息轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

軟件方面，主程序的流程如圖4所示。首先對(duì)STM8S103芯片進(jìn)行初始化參數(shù)的設(shè)置，然后進(jìn)入循環(huán)，通過ME2-CO傳感器檢測(cè)煙霧濃度是否大于5×10﹣6。如果檢測(cè)結(jié)果未大于閾值，則進(jìn)入活躍停機(jī)狀態(tài)的省電模式，5 s后通過ARM定時(shí)器喚醒，重新檢測(cè)。如果檢測(cè)結(jié)果大于閾值，則延遲1 s，再次進(jìn)行判斷，防止誤判。再次檢測(cè)的結(jié)果為否，則重新檢測(cè)。若檢測(cè)結(jié)果為是，則進(jìn)一步判斷濃度是否大于400×10﹣6。如果大于，則播放火災(zāi)警報(bào)，如果小于則播放吸煙提示的警告。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本設(shè)計(jì)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(jī)的低功耗設(shè)計(jì)。可以較迅速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到是否有人吸煙，同時(shí)具備避免布線安裝簡(jiǎn)單，手持移動(dòng)操作等優(yōu)點(diǎn)。并能根據(jù)一氧化碳濃度不同，提示吸煙警告語(yǔ)音提示或者火災(zāi)警報(bào)語(yǔ)音提示。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、智能化的煙霧濃度檢測(cè)儀器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

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

[2]邱志剛.一種點(diǎn)式煙溫氣復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018（1）：252-254.

[3]STM8S_微控制器家族參考手冊(cè)_v4.0.PDF[EB/OL].（2017-10-10）[2019-01-28].http：//www.st.com/stonline/products/literature/rm/14587.pdf.

[4]STM8S103xx系列數(shù)據(jù)手冊(cè)（2009年3月）cn.PDF（2017-02-14）[2019-01-28].http：//www.st.com/stonline/products/literature/ds/15441.pdf.