船舶消防传感器的应用初探
张珑
摘要：介绍一种新型一氧化碳传感器TGS2440和DALLAS&～司的数字温度传感器DSl820B相结合的复合型火灾探测器的设计及其性能特点，并对其基本电路以及它在船舶火灾探测方面的应用做了具体叙述。
关键词：传感器；一氧化碳；温度；探测；超低功耗；误报
中图分类号：U665.26 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）03-0058-02
船舶消防是船舶营运安全的重要组成部分。最近几年伴随着航海事业的蓬勃发展，船舶智能型火灾自动报警系统广泛地应用于各类船舶。但由于多种原因，经常会有误报火警的事情发生，给船员的生产和生活带来一些不必要的精神上的压力和麻烦。如何降低火警误报率是业界人士一直努力解决的一个难题，目前大部分火灾探测器对火灾的判定主要看烟雾产生和温度变化，对烟雾的判断主要靠物理方式进行，即烟雾粒子在探测器内部对光的散射或对离子的阻挡、吸附等使感烟探测器报警，而与烟雾非常相似的灰尘、水雾也同样会使探测器报警，这就产生了误报。
本系统采用了费加罗公司生产的一种新型一氧化碳传感器TGS2440和DALAS公司的DS1820B数字温度传感器并与单片机相结合而设计的一种新型复合型传感器，把它引入火灾探测器，通过TGS2440对烟雾所特有化学成分一氧化碳的分析，将灰尘、水雾干扰信号产生的误报现象彻底滤除，同时通过DS1820B对温度进行实时监测。
1TGS2440性能特点以及基本的测量电路
1.1超低功耗
气敏化学传感器主要采用氧化物半导体材料添加催化剂的方式制成，对气体响应时需要在一定的温度下进行，而对不同种类的气体所需温度不同，如对一氧化碳气体响应需要在150—200～C范围内，所以传感器需要有加热电路，这往往会带来较大的功耗。火灾探测器在使用时，要求必须有很低的功耗。因此TGS2440传感器采用5V电压供电，加热丝电流为203mA，功耗最大为14mW，平均电流仅为2.8mA。
1.2对一氧化碳气体有很高的灵敏度
TGS 2440传感器对一氧化碳气体的测量范围是30-1000ppm，正常环境中，一氧化碳含量小于10ppm，在厨房等位置一氧化碳含量小于20ppm，烟雾中一氧化碳的含量都在50ppm以上。若一氧化碳浓度在100ppm以内时，传感器变化幅度会超过满幅度的一半以上，所以非常适合于火灾探测。
1.3气体选择性非常好
一种好的气体传感器应该对敏感气体有很高的灵敏度，而对其它的气体响应度低。一氧化碳、氢气和酒精气体都属于还原性气体，氢气和酒精气体也是影响一氧化碳探测的主要气体，TGS2440对这两种气体响应度很低，抗干扰性好。
1.4TGS2440传感器基本测量电路
TGS2440传感器测量电路如图1所示。传感器的加热丝供电Vh=4.8±0.2v，加热周期为1s，其中5V脉冲持续14ms，0 v脉冲持续986ms；采样电路脉冲为5V，超前加热脉冲5ms，0V脉冲995ms，整个周期也是1s。详见时序图（图2）。传感器应该对一氧化碳有较好的一致性，TGS2440的阻抗R在一氧化碳浓度为100ppm时为1.62-16.2千欧，灵敏度B为0.26-0.520。在正常环境下传感器阻抗都在数百千欧以上，为了更精确得到所测气体浓度值，TGS2440传感器又按灵敏度分了六档，从A到F，从而保证浓度测量的准确性。
2DS1820B性能特点
DS1820B数字温度传感器是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件，它是单片结构，无需外加A/D转换即可输出数字量，通信采用单线制。并具有体积小、精度高、无需标定等特点，特别适合与单片机合用构成智能温度检测系统。DS1820B数字温度传感器的主要特性如下：
a.温度测量范围-55-125℃，分辨率为0.5℃；
b.典型转换时间为200 ms最大为400 ms；
c.输出为带符号的9 bit数字量，无需A/D转换；
d.命令、数据的输入和输出共用一条信号线，每个传感器内固化有不同的地址序列号，多个传感器可以共用一条数据线；
3复合传感器在船舶火灾探测上的应用
3.1电路设计
我们把TGS2440和DSl820B应用于船舶火灾探测器中，研制出感温和一氧化碳复合探測器，利用TGS 2440对烟雾中一氧化碳成分的分析，并结合数字温度传感器对温度的监测，达到了准确报警。由于微型单片机应用非常普遍，并且PIC单片机自带有AD转换功能，所以我们采用PIC16F870单片机进行控制和测量。
由于TGS 2440传感器所需瞬间电流较大，为保证系统供电稳定，我们采用限流供电方式，最大供电电流7mA，传感器所需的203mA电流由内部1000uF电容供电，而5V电源则用大功率微型二端稳压器RH5RZ50C（300mA）提供。由PIG16F870的RBI用做加热丝供电控制口，RB2用做负载采样控制口，RB3用做数字温度采集控制口，RA0做A/D采样口。具体电路图如图3所示。
3.2工作过程
探测器上电后，TGS2440首先有一个稳定过程，需要经过3-5min时间。在此期间，程序对火灾信息不进行处理。TG s2440稳定工作后，光电传感器和数字温度传感器开始接收外部信号，当外部信号（烟雾、水雾、灰尘等引起）发生变化时，其变化幅度超过光电传感器阀值，这时TGS2440首先会判断一氧化碳浓度是否超出设定值，在判断温度值是否超过设定值，从而决定是否报警；象水雾、灰尘不会产生一氧化碳，火灾探测器就会认为是误报，加以滤除。
3.3实际应用
现在用于火灾探测的探测器种类非常多，如离子感烟探测器、光电感烟探测器和感温感烟探测器等，但每种探测器都有一些缺陷，只能在一些特定的场合使用，如光电探测器对烟雾的响应度较低，即只有烟雾浓度达到一定后才能报出火警，并且对一些有机物质燃烧产生的黑烟灵敏度很低，有时会无法报出火警。即使能报出火灾信息往往也是火灾发生到较高的程度，已带来了一定的损失。而过高的火灾探测灵敏度也往往会带米误报率的上升，因此如何早期准确报出火警已是消防行业必需研究的课题。拥有TGS2440一氧化碳传感器和DS1820B数字温度传感器的探测器应用于火灾探测在消防行业将是一个重大突破。因为绝大多数的物质都含有碳的成份，其燃烧后必定会产生一氧化碳，而且一氧化碳气体会较早地出现在可见烟雾之前，同时一氧化碳的密度略轻于空气密度，扩散性比烟雾更强，这些都有利于在船舶顶部的探测器探测。
由于TGS2440传感器能够感测到很低浓度的一氧化碳，同时利用光电传感器探测可见烟雾粒子，通过检查从这两种传感器接收到的数据比率和相互关系，使用一定火灾算法，可以大大提高火灾探测的灵敏度，从而不必担心由灰尘或水汽引起的误报。此外，TGS2440工耗低，这不但满足了火灾自动报警系统对探测部件低耗高效的要求，也使该复合探测器能够应用于更广泛的场所，如有毒气体检测（c0），地下车库通风设施控制方面这项技术也有很高的实用价值。
4结束语
一氧化碳传感器TGS2d40和数字温度传感器DSl820B相结合的复合型传感器在船舶消防行业的应用会极大提高火灾探测的准确性，并推动船舶消防技术的发展，同时对在其它行业的应用也有很好的参考价值。
