王 超, 李大勝, 范恒亮, 魏 彤

(蚌埠學院機械與車輛工程學院,安徽 蚌埠233030)

0 引 言

在實際應用中的煙霧探測器共分為點型和獨立式兩大類,除去供電方式及應用范圍的區(qū)別外,探測器主體結(jié)構(gòu)都是由外殼,內(nèi)部電路,光電煙霧傳感器(行業(yè)內(nèi)稱為“迷宮”)等組成[1]。在傳統(tǒng)的煙霧探測器設(shè)計環(huán)節(jié)中,忽視了煙霧在流動時是先經(jīng)過探測器的外殼,然后再由外殼進入“迷宮”中的。通過觀察常規(guī)的煙霧探測器產(chǎn)品,可以看到“迷宮”外面是有外殼包裹的,只留有一部分進煙口,煙霧在正常流動時必須先經(jīng)過外部結(jié)構(gòu)再從進煙口進入“迷宮”內(nèi)部。如此情況下,“迷宮”判斷煙霧的準確性其實先受限于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造型的導流性。因此,有必要針對煙霧探測器的外殼結(jié)構(gòu)進行測試分析,判斷其是否有利于煙氣的進入,而在傳統(tǒng)的測試工作中使用的是國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督中心統(tǒng)一生產(chǎn)的標準煙箱,設(shè)備結(jié)構(gòu)體積龐大,操作流程繁雜[2],并且設(shè)備價值數(shù)十萬元,不便于開發(fā)人員操作使用。以Arduino開放平臺作為核心控制單元,采用3D打印技術(shù)等方式,搭建了一套用于進行煙霧探測器結(jié)構(gòu)測試的低成本實驗裝置,可以實現(xiàn)在恒定條件下對不同結(jié)構(gòu)的煙霧探測器進行進煙效果的測試,設(shè)計人員可以以測試數(shù)據(jù)作為依據(jù)判定煙霧探測器外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)良。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

實驗裝置整體分為測試實驗箱體和硬件控制電路兩大部分,從成本及便攜性角度考慮,主體結(jié)構(gòu)搭建采用PP材質(zhì)板材及透明亞克力板材,測試用的煙霧探測器結(jié)構(gòu)及部分較為復雜的結(jié)構(gòu)零部件采用3D打印技術(shù)成型,材質(zhì)為光敏樹脂或尼龍。硬件控制電路采用Arduino開發(fā)板及對應的擴展板,便于接線,系統(tǒng)設(shè)有兩組風扇,分別用于煙霧擴散及排風,兩路舵機用于打開或關(guān)閉導流口,采用兩個MQ-2煙霧傳感器模塊[3]進行煙霧濃度的判斷,并設(shè)有溫濕度檢測模塊、蜂鳴器模塊及3個功能按鍵模塊,可以通過OLED顯示屏實時顯示實驗設(shè)備的各類狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 實驗裝置測試原理及結(jié)構(gòu)框架設(shè)計

2.1 實驗裝置測試原理

為了保證實驗裝置的測試一致性,結(jié)合煙氣流動特性以及傳統(tǒng)煙箱的結(jié)構(gòu)特征,將實驗裝置分為集煙倉和測試倉,如圖2所示。集煙倉左側(cè)倉門設(shè)置三個進煙風扇,上部設(shè)有一個煙霧傳感裝置,下部放置有燃燒皿一個。測試倉上部設(shè)有一個煙霧探測器連接裝置,右側(cè)倉門設(shè)置三個排風風扇。在集煙倉和測試倉中間設(shè)有一個導流機構(gòu),如圖3所示。

圖2 實驗裝置正面結(jié)構(gòu)框架示意圖

圖3 實驗裝置結(jié)構(gòu)框架示意圖

在進行實驗時,將定量可燃物(一般為棉線)點燃后吹滅,產(chǎn)生測試煙霧,煙霧上升集中在集煙倉頂部,在達到一定濃度后,集煙倉煙霧傳感裝置報警,啟動進煙風扇,打開導流機構(gòu),將集煙倉內(nèi)的煙霧均勻吹向測試倉,此時開始計時,記錄測試倉煙霧探測器濃度達到設(shè)定值的時間,以此時間的長短作為煙霧探測器結(jié)構(gòu)是否有利于進煙的數(shù)據(jù)參考。

2.2 實驗裝置結(jié)構(gòu)框架設(shè)計

實驗裝置的前面板要用于進行實驗空間內(nèi)的觀測,因而采用透明亞克力板材料,中間部分的導流機構(gòu)也采用同樣的材料,其他部分的主體框架采用PP板材,降低主體成本。集煙倉煙霧傳感裝置結(jié)構(gòu)、測試倉煙霧探測器連接裝置、測試倉煙霧傳感裝置結(jié)構(gòu)及待測試煙霧探測器結(jié)構(gòu)采用3D打印成型。主體控制部分放置在實驗裝置上部,方便實驗人員操作及數(shù)據(jù)記錄。整體成本控制在1500-2000元區(qū)間內(nèi)。

3 實驗裝置軟硬件設(shè)計

3.1 實驗裝置硬件設(shè)計

實驗裝置的硬件設(shè)計主要包括OLED顯示模塊,集煙倉和測試倉的煙霧探測模塊,舵機模塊,功能按鍵模塊,環(huán)境檢測模塊等。

OLED顯示模塊用于進行實驗過程的監(jiān)控及實驗裝置狀態(tài)的顯示,采用1.3英寸的顯示屏幕,可以清晰顯示4行中文文字及數(shù)據(jù),包括實時顯示環(huán)境的溫濕度值,煙霧探測器數(shù)值,測試所用時長等內(nèi)容,便于實驗人員了解實驗裝置的狀態(tài),進而進行后續(xù)操作。

煙霧探測器模塊采用MQ-2傳感器,在安裝前對兩個傳感器進行數(shù)據(jù)比對,相同環(huán)境中的數(shù)據(jù)誤差在換算后不應超過5個單位,使用傳感器模塊的模擬值端口向主機傳輸數(shù)據(jù),注意設(shè)置集煙倉的傳感器報警值應大于測試倉的傳感器報警值。在使用傳感器時應注意將傳感器上電預熱2分鐘以上才能進行準確的數(shù)據(jù)檢測。

舵機模塊采用MG996R型金屬齒輪舵機,工作扭矩13Kg/cm,用于將導流機構(gòu)的蓋板進行提升和放下,連通和閉合集煙倉與測試倉。

功能按鍵模塊采用獨立按鍵模塊,按下輸出高電平,三個按鍵分別用于實驗裝置的功能自動檢驗,結(jié)束實驗后進行強制排風以及實驗裝置的復位。

環(huán)境檢測模塊采用DHT11溫濕度檢測模塊,檢測實驗環(huán)境的溫濕度情況,對于不同的待測試件,其實驗環(huán)境的溫濕度值應不能超過±5℃和±5%。

3.2 實驗裝置軟件設(shè)計

實驗裝置的軟件運行工作流程如下:

1)上電開機,提供5V或12V電源輸入;

2)上電后OLED顯示屏顯示“裝置預熱中”,后臺默認為2分鐘,然后顯示“預熱完成”,進入正常檢測顯示頁面;

3)常態(tài)化檢測狀態(tài)顯示屏顯示“溫度、濕度、煙霧值一、煙霧值二”;

4)在常態(tài)化檢測狀態(tài)下首次使用實驗設(shè)備時應按下“自檢按鍵”,啟動實驗裝置自檢功能,如圖4;

圖4 實驗裝置自檢過程

5)測試過程中,煙霧值一超過預設(shè)值后,屏幕增加顯示“開始測試”,蜂鳴器報警,進風風扇啟動,舵機啟動;

6)當測試倉內(nèi)煙霧濃度達到預設(shè)值后,屏幕下部變更顯示“測試結(jié)束,用時XXXX”,蜂鳴器間隔1秒持續(xù)發(fā)出警報,完成測試數(shù)據(jù)記錄后,按下復位按鍵,恢復常態(tài)化檢測狀態(tài);

7)按下強制排風按鍵,啟動強制排風功能,將集煙倉和測試倉內(nèi)的殘余煙霧排出;

8)觀察顯示屏煙霧值濃度,在恢復初始穩(wěn)定值后,再次按下復位按鍵,結(jié)束實驗測試。

整體實驗過程如圖5。

圖5 整體實驗過程

4 實驗裝置測試效果

煙霧探測器結(jié)構(gòu)測試實驗裝置設(shè)計搭建完畢后,針對如圖6所示的兩款煙霧探測器結(jié)構(gòu)進行了基本測試,測試結(jié)果如表1。

圖6 實驗測試用的煙霧探測器示意圖及測試數(shù)據(jù)

表1 實測煙霧探測器結(jié)構(gòu)測試實驗裝置測試結(jié)果

測試結(jié)果說明在相同條件下1號煙霧探測器的結(jié)構(gòu)相比2號煙霧探測器更不利于煙霧的進入,在設(shè)計過程中,需要在其他地方進行再次優(yōu)化才能彌補結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷,間接增加了設(shè)計成本,因此設(shè)計應優(yōu)先選取2號煙霧探測器的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 語

利用較低成本的硬件平臺及結(jié)構(gòu)框架設(shè)計搭建了煙霧探測器結(jié)構(gòu)測試實驗裝置,敘述了設(shè)計的整體思路、實驗裝置的工作原理、實驗裝置的整體組成以及工作過程,并通過實際的實驗操作利用該裝置獲取了不同產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù),為相關(guān)從業(yè)人員提供設(shè)計評價依據(jù)。