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摘 要：随着物联网技术的发展，传统工业和物联网技术相结合，将营造更加高效、安全的生产环境，文章揭示泄漏扩散的传输机理及其演变规律，为事故的预防、应急救援提供有力的理论指导从安全、可靠及经济的角度出发，结合实际情况找出解决方法，可为市政工程低压配电设计提供参考。
关键词：危险气体;自动应急;处理装置
1 实现功能
此家用CO浓度报警装置安装在家里煤气旁边，通过专用传感器监测环境中CO的浓度并输出代表不同浓度值的电压信号。取出此电压信号送入后级电路进行处理，先通过预先设置比较电压值的三个比较器，比较得出的结果分别驱动三个警示灯，并分别送入凌阳SPCE061A单片机的IOA5、IOA6、IOA7口作为不同的语音报警的驱动信号，并从单片机的IOB0口输出电压打开排气扇，IOA14、IOA15口输出控制电话自动拨号及免提功能的接通，便于单片机通过电话自动向主人或警察语音报警“这里是×××地址，CO浓度过高，请求支援”[1]。
2 系统设计方案
2.1 总体设计
根据要实现的功能，将系统分为电源模块、CO传感模块、电平转换及比较器模块、单片机控制模块、外部机械装置、弱电控强电模块。
2.2 模块设计
2.2.1电源模块系统
需要提供5V和15V两种不同值的电压，CO传感器及单片机需要5V工作电压，比较电路模块中LM324需要15V电源电压。供电电路两种电压均由220V交流电压通过变压器及三端稳压器7815和7805得到。工作原理为，交流220V电压经电源变压器T1降压、整流桥（由四个二极管VD1～VD4组成）整流、电容器滤波后，得到直流电压。直流稳压电源主要负责对集成运放和继电器控制模块供电。另外，部分供电电路采用可充电的锂电池组，锂离子电池充满电时的终止充电电压约4.2V，终止放电电压为2.5V～2.75V。由于锂离子电池过大电流放电时会降低放电时间，故我们在使用时将锂电池组进行适当串并联，以增大其输出电流，扩大其容量，同时保证其较长的供电时间[2]。
2.2.2CO传感模块
此模块主要包括CO传感器及其信号所需的外围处理电路。市场上CO传感器的种类繁多，此处采用HSE2一氧化碳传感器。传感器结构采用密闭式设计，由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线（管脚）、壳体等部分组成。工作原理：当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为：CO+H2O→CO2+2H+2e-在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为：21O2+2H+2e-→H2O因此，传感器内部就发生了氧化—还原的可逆反应。其化学反应式为：2CO+O2→2CO2这个氧化—还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。随着一氧化碳浓度增大，输出电流也随之线性增大，二者有如下关系：I（输出电流）=0.08×C（CO浓度）为了便于后级电路处理，此系统中将输出电流量转化为电压量加以比较，即在输出接入50K的电阻即可，则0μA～80μA转化为0V～8V[3]。
2.2.3电平转换及比较器模块
由于CO的浓度不同，传感器输出信号的大小不同，所以将其输出的信号与基准电压加以比较，以驱动不同的报警灯及后续电路。此处采用三种浓度比较，当CO浓度超过标准A时，指示灯A亮;当CO浓度超过标准B时，指示灯A及B亮;当CO浓度超过标准C时，指示灯A、B及C亮。由此分别得到三个警示灯的驱动电平，将其送至后级单片机模块以供监测并给予相应处理。本系统中采用LM324作为比较器比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。电压比较器可以用运放构成也可以用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UOH可接近于正电源电压UCC，低电平UOL可接近于副电源电压-UEE。但事实上，由于集成运放和专用比较器芯片的Aud不是无穷大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区，Aud越大，这个不灵敏区越小，称其灵敏度越高[4]。
2.2.4单片机控制模块
此系统采用凌阳SPCE061A单片机，其内部自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，经SPY0030音频放大，即可驱动喇叭放音。为了体现人机交互功能，加入了RESET键，即在语音警示过程中，若有人发现此危险状况并予以排解，可以通过按键RESET使单片机重新进入睡眠狀态，以节约能源，并能进行后续监测[6]。
2.2.5控制外部机械装置及弱电控强电装置
驱动外部排气扇运转需要较大电压，而单片机输出的高电平最高也只有3.5V左右，不能驱动排气扇工作，所以需要设计一个弱电控强电电路。此系统采用三极管与继电器控制排气扇的工作及自动拨号电路的接通。继电器分为常开点和常闭点，当常闭点之间的线圈有电流通过的时候，常开点吸合，外接电路接通，当电流消失后断开。故而可以用其实现弱电控强电，即电流控制的开关。2.2.6自动拨号电路
2.3 软件设计
此程序用SPCE061A的C语言实现了一系列功能。系统启动后，首先进行训练，然后持续监测IOA口电平高度（即CO浓度高低）。根据浓度情况，分别将风扇调节至相应档次，加快空气流通，降低室内CO浓度。并启动报警程序，自动多次拨打报警电话，直至接通后，语音提示地址及求救信息两遍后，挂断电话。继续监测CO浓度，如果仍然偏高，则进入下一次开风扇和报警动作[7]。
结语
随着我国能源需求的不断加大，各种油气管道建设越来越多，油气管道的质量直接影响到环境的发展及人们的生产生活，一旦出现油气管道泄漏现象，应及时采取有效应急抢险举措。当发生危险气体泄漏时，确定其泄漏位置和泄漏源强，是制定应急方案的基础和依据之一。危险气体报警器相对于市场上已经有的报警器具有易于安装、灵敏、成本低廉且可对危险气体进行实时监测等优点，可用于避免大规模灾害事故的发生。
参考文献
[1]闫宏伟.重大危险源泄漏机理及应急封堵技术研究[D].太原理工大学，2012.
[2]李明明.基于WSN的危化气体应急监测快速部署系统[D].浙江工业大学，2011.
[3]路晓光，谭晓磊，张德光，周煊.液化气体铁路罐车常见故障的分析与应急处理措施[J].甘肃科技，2009，25（12）：77-79.
[4]申开州.芬兰DatexCapnomacUltimaTM，rev.06型多功能麻醉气体监护仪一例故障的应急处理[J].医疗装备，1999（12）：39-40.
[5]牛玉兰.可燃气体着火事故应急处理[J].云南消防，1997（01）：13.
[6]李维明.可燃气体着火事故应急处理[J].安徽消防，1994（08）：7.
[7]张海河.可燃气体微机监测及应急处理系统[J].光学机械，1990（02）：71-74.
关键词：危险气体;自动应急;处理装置
1 实现功能
此家用CO浓度报警装置安装在家里煤气旁边，通过专用传感器监测环境中CO的浓度并输出代表不同浓度值的电压信号。取出此电压信号送入后级电路进行处理，先通过预先设置比较电压值的三个比较器，比较得出的结果分别驱动三个警示灯，并分别送入凌阳SPCE061A单片机的IOA5、IOA6、IOA7口作为不同的语音报警的驱动信号，并从单片机的IOB0口输出电压打开排气扇，IOA14、IOA15口输出控制电话自动拨号及免提功能的接通，便于单片机通过电话自动向主人或警察语音报警“这里是×××地址，CO浓度过高，请求支援”[1]。
2 系统设计方案
2.1 总体设计
根据要实现的功能，将系统分为电源模块、CO传感模块、电平转换及比较器模块、单片机控制模块、外部机械装置、弱电控强电模块。
2.2 模块设计
2.2.1电源模块系统
需要提供5V和15V两种不同值的电压，CO传感器及单片机需要5V工作电压，比较电路模块中LM324需要15V电源电压。供电电路两种电压均由220V交流电压通过变压器及三端稳压器7815和7805得到。工作原理为，交流220V电压经电源变压器T1降压、整流桥（由四个二极管VD1～VD4组成）整流、电容器滤波后，得到直流电压。直流稳压电源主要负责对集成运放和继电器控制模块供电。另外，部分供电电路采用可充电的锂电池组，锂离子电池充满电时的终止充电电压约4.2V，终止放电电压为2.5V～2.75V。由于锂离子电池过大电流放电时会降低放电时间，故我们在使用时将锂电池组进行适当串并联，以增大其输出电流，扩大其容量，同时保证其较长的供电时间[2]。
2.2.2CO传感模块
此模块主要包括CO传感器及其信号所需的外围处理电路。市场上CO传感器的种类繁多，此处采用HSE2一氧化碳传感器。传感器结构采用密闭式设计，由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线（管脚）、壳体等部分组成。工作原理：当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为：CO+H2O→CO2+2H+2e-在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为：21O2+2H+2e-→H2O因此，传感器内部就发生了氧化—还原的可逆反应。其化学反应式为：2CO+O2→2CO2这个氧化—还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。随着一氧化碳浓度增大，输出电流也随之线性增大，二者有如下关系：I（输出电流）=0.08×C（CO浓度）为了便于后级电路处理，此系统中将输出电流量转化为电压量加以比较，即在输出接入50K的电阻即可，则0μA～80μA转化为0V～8V[3]。
2.2.3电平转换及比较器模块
由于CO的浓度不同，传感器输出信号的大小不同，所以将其输出的信号与基准电压加以比较，以驱动不同的报警灯及后续电路。此处采用三种浓度比较，当CO浓度超过标准A时，指示灯A亮;当CO浓度超过标准B时，指示灯A及B亮;当CO浓度超过标准C时，指示灯A、B及C亮。由此分别得到三个警示灯的驱动电平，将其送至后级单片机模块以供监测并给予相应处理。本系统中采用LM324作为比较器比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。电压比较器可以用运放构成也可以用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UOH可接近于正电源电压UCC，低电平UOL可接近于副电源电压-UEE。但事实上，由于集成运放和专用比较器芯片的Aud不是无穷大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区，Aud越大，这个不灵敏区越小，称其灵敏度越高[4]。
2.2.4单片机控制模块
此系统采用凌阳SPCE061A单片机，其内部自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，经SPY0030音频放大，即可驱动喇叭放音。为了体现人机交互功能，加入了RESET键，即在语音警示过程中，若有人发现此危险状况并予以排解，可以通过按键RESET使单片机重新进入睡眠狀态，以节约能源，并能进行后续监测[6]。
2.2.5控制外部机械装置及弱电控强电装置
驱动外部排气扇运转需要较大电压，而单片机输出的高电平最高也只有3.5V左右，不能驱动排气扇工作，所以需要设计一个弱电控强电电路。此系统采用三极管与继电器控制排气扇的工作及自动拨号电路的接通。继电器分为常开点和常闭点，当常闭点之间的线圈有电流通过的时候，常开点吸合，外接电路接通，当电流消失后断开。故而可以用其实现弱电控强电，即电流控制的开关。2.2.6自动拨号电路
2.3 软件设计
此程序用SPCE061A的C语言实现了一系列功能。系统启动后，首先进行训练，然后持续监测IOA口电平高度（即CO浓度高低）。根据浓度情况，分别将风扇调节至相应档次，加快空气流通，降低室内CO浓度。并启动报警程序，自动多次拨打报警电话，直至接通后，语音提示地址及求救信息两遍后，挂断电话。继续监测CO浓度，如果仍然偏高，则进入下一次开风扇和报警动作[7]。
结语
随着我国能源需求的不断加大，各种油气管道建设越来越多，油气管道的质量直接影响到环境的发展及人们的生产生活，一旦出现油气管道泄漏现象，应及时采取有效应急抢险举措。当发生危险气体泄漏时，确定其泄漏位置和泄漏源强，是制定应急方案的基础和依据之一。危险气体报警器相对于市场上已经有的报警器具有易于安装、灵敏、成本低廉且可对危险气体进行实时监测等优点，可用于避免大规模灾害事故的发生。
参考文献
[1]闫宏伟.重大危险源泄漏机理及应急封堵技术研究[D].太原理工大学，2012.
[2]李明明.基于WSN的危化气体应急监测快速部署系统[D].浙江工业大学，2011.
[3]路晓光，谭晓磊，张德光，周煊.液化气体铁路罐车常见故障的分析与应急处理措施[J].甘肃科技，2009，25（12）：77-79.
[4]申开州.芬兰DatexCapnomacUltimaTM，rev.06型多功能麻醉气体监护仪一例故障的应急处理[J].医疗装备，1999（12）：39-40.
[5]牛玉兰.可燃气体着火事故应急处理[J].云南消防，1997（01）：13.
[6]李维明.可燃气体着火事故应急处理[J].安徽消防，1994（08）：7.
[7]张海河.可燃气体微机监测及应急处理系统[J].光学机械，1990（02）：71-74.