（河海大學(xué)大禹學(xué)院,南京 211100）

（河海大學(xué)大禹學(xué)院,南京 211100）

研究設(shè)計(jì)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(cè)與報(bào)警裝置，利用數(shù)字門電路的二值邏輯性決定是否驅(qū)動(dòng)三極管，來實(shí)現(xiàn)報(bào)警與自動(dòng)換氣。

車載；檢測(cè)；智能換氣

車載CO2監(jiān)測(cè)報(bào)警及智能換氣裝置針對(duì)校車窒息死亡與車內(nèi)睡覺窒息死亡案件來研究設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)電路所使用的數(shù)字電路控制原理來實(shí)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(yīng)用，小學(xué)生不慎被落在校車?yán)锖鸵恍┧緳C(jī)習(xí)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(jī)反應(yīng)遲緩所導(dǎo)致的車禍等事件也時(shí)常發(fā)生。因此，如果能夠在車內(nèi)安裝CO2傳感器和適當(dāng)?shù)目刂茍?bào)警電路，便能有效地預(yù)防這類事件的發(fā)生。

研究表明，當(dāng)CO2濃度大于1000ppm（0.1％）時(shí)，人的思維決策能力有適度下降；當(dāng)CO2濃度大于2500ppm（0.25％）時(shí)，人的思維決策能力有明顯下降；當(dāng)空氣中濃度大于1％時(shí)，會(huì)使人感到氣悶、頭昏、心悸；濃度大于4％—5％時(shí)，會(huì)使人感到氣喘、頭痛、眩暈；而當(dāng)空氣中CO2體積占到10％時(shí)，會(huì)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?cè)O(shè)定在汽車行駛時(shí)，當(dāng)車內(nèi)CO2濃度超過2500ppm，通過控制電路發(fā)出定時(shí)警報(bào)，提醒司機(jī)開窗換氣。而在汽車靜止時(shí)，如果濃度超過2500ppm，則通過控制電路發(fā)出持續(xù)警報(bào)并啟動(dòng)換氣裝置自行換氣。

2 基本構(gòu)思設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)想，當(dāng)汽車行進(jìn)時(shí)，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(dāng)CO2傳感器探測(cè)到濃度超過預(yù)設(shè)安全值時(shí)，發(fā)出信號(hào)到電子控制電路，控制電路檢測(cè)到行車信號(hào)后控制報(bào)警器工作，實(shí)現(xiàn)定時(shí)報(bào)警，提醒司機(jī)開窗換氣。

當(dāng)汽車停止時(shí)，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(shí)排到車外，車內(nèi)CO2不斷升高。當(dāng)CO2傳感器探測(cè)到濃度超過預(yù)設(shè)安全值時(shí)，發(fā)出信號(hào)到控制電路，控制電路檢測(cè)到CO2濃度超標(biāo)信號(hào)和車輛停止信號(hào)后，控制報(bào)警器持續(xù)報(bào)警，尋求支援，同時(shí)啟動(dòng)換氣裝置實(shí)現(xiàn)換氣，直至濃度值降到預(yù)設(shè)安全值以下。以下為具體實(shí)現(xiàn)過程的模擬框圖：

（1）防止行車過程中，CO2濃度過高導(dǎo)致司機(jī)反應(yīng)遲緩（見圖1）。

圖1

（2）防止車輛停止時(shí)，CO2濃度過高導(dǎo)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(jìn)行數(shù)字化，輸入信號(hào)中。設(shè)定行車信號(hào)為A，當(dāng)汽車行駛時(shí)，行車信號(hào)A為‘1’；當(dāng)汽車停止時(shí)，行車信號(hào)為‘0’；設(shè)定B為CO2濃度信號(hào)，當(dāng)CO2濃度超過2500ppm時(shí)，濃度信號(hào)B為‘1’，當(dāng)CO2濃度低于2500ppm時(shí)，濃度信號(hào)B為‘0’。

輸出信號(hào)中，設(shè)定定時(shí)報(bào)警信號(hào)為F1，當(dāng)F1為‘1’時(shí)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)報(bào)警，F(xiàn)1為‘0’時(shí)，報(bào)警器不工作；設(shè)定F2為持續(xù)報(bào)警，當(dāng)F2為‘1’時(shí)，報(bào)警器持續(xù)報(bào)警，當(dāng)F2為‘0’時(shí)，報(bào)警器不工作；設(shè)定F3為吹風(fēng)換氣，當(dāng)F3為‘1’時(shí)，風(fēng)扇工作，開始換氣，當(dāng)F3為‘0’時(shí)，風(fēng)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(yīng)的邏輯表達(dá)式

利用與非門實(shí)現(xiàn)所有的邏輯關(guān)系，利用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)蜂鳴，最后利用三極管電路驅(qū)動(dòng)風(fēng)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(hào)為數(shù)字信號(hào)，設(shè)為B。行車與不行車時(shí)電瓶電壓值可以看作數(shù)字信號(hào)，設(shè)為A。計(jì)算機(jī)模擬時(shí)均用開關(guān)來代替實(shí)現(xiàn)，A和B作為電路的輸入信號(hào)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(shí)現(xiàn)（如圖中標(biāo)注“邏輯門電路”）。定時(shí)報(bào)警控制由LM555CM連接實(shí)現(xiàn)（如圖中標(biāo)注“555定時(shí)器”），定時(shí)時(shí)長由圖中R6、C4乘積決定，具體的報(bào)警與開窗換氣電路均有三極管控制電路實(shí)現(xiàn)（如圖中“報(bào)警控制電路”、“風(fēng)扇控制電路”）。

具體的實(shí)現(xiàn)過程為：當(dāng)CO2濃度不超標(biāo)時(shí)，即B為低電平“0”時(shí)，邏輯門電路輸出均為“0”，報(bào)警器1、2與風(fēng)扇均不工作；當(dāng)CO2濃度超標(biāo)且汽車行進(jìn)時(shí)，即A為高電平信號(hào)“1”，B為高電平信號(hào)“1”時(shí)，門電路對(duì)報(bào)警電路2、風(fēng)扇控制電路均發(fā)出低電平“0”信號(hào)，同時(shí)對(duì)定時(shí)器輸出高電平信號(hào)“1”，報(bào)警器2、風(fēng)扇不工作，定時(shí)器工作，并向控制報(bào)警電路1發(fā)出一定時(shí)長的高電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，報(bào)警器1實(shí)現(xiàn)定時(shí)工作；當(dāng)CO2濃度超標(biāo)且汽車行進(jìn)時(shí)，即A為低電平信號(hào)“0”，B為高電平信號(hào)“1”時(shí)，門電路對(duì)定時(shí)器發(fā)出低電平信號(hào)“0”，對(duì)報(bào)警器2與風(fēng)扇發(fā)出高電平信號(hào)“1”，此時(shí)定時(shí)器、報(bào)警器1均不工作，報(bào)警器2與風(fēng)扇工作，實(shí)現(xiàn)持續(xù)報(bào)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(cè)試成功，經(jīng)截圖標(biāo)注所得；（2）LM555CM端口示意圖（見圖4）。

1腳GND：外接電源負(fù)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(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)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(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)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(shí)器時(shí)電容的放電。

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

4 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）可調(diào)節(jié)性強(qiáng)。根據(jù)設(shè)定的不同CO2濃度對(duì)人身體的影響，可以分別設(shè)定不同的CO2濃度探測(cè)值，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能，以應(yīng)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(shí)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(bào)警設(shè)置。根據(jù)報(bào)警用途的不同，設(shè)定了兩個(gè)報(bào)警裝置，當(dāng)車輛行進(jìn)時(shí)，由車內(nèi)報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)定時(shí)報(bào)警來提醒司機(jī)開窗。當(dāng)車輛停止時(shí)，由車外報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)持續(xù)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)向外界求救的目的。

（4）推廣應(yīng)用價(jià)值高。該電子控制電路的設(shè)計(jì)主要依托數(shù)字電路控制原理、傳感器原理來實(shí)現(xiàn)電子線路的控制與CO2濃度的探測(cè)，應(yīng)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(chǎng)所內(nèi)部的CO2檢測(cè)報(bào)警及智能換氣，具有很高的推廣使用價(jià)值。

關(guān)于車載CO2監(jiān)測(cè)報(bào)警及智能換氣裝置的設(shè)計(jì)研究

朱思雨

朱思雨（1996—）女，江蘇大豐人，本科，學(xué)生，研究方向：水利。