车内HCL、CO和烟雾检测无线报警系统及实现方法与流程

本发明涉及一种汽车安全的电子设备，特别涉及一种车内HCL、CO和烟雾检测无线报警系统及实现方法。

背景技术：

由《JB/T8139-1999公路车辆用低压电缆》可查知，车辆用线束绝缘主要材料为聚氯乙烯，当线束过流或过热达到一定温度（240℃）时，聚氯乙烯发生分解产生大量的HCL气体，不但能够加速线束的分解老化，还对人体有害。

CO气体是一种毒性极高、致死率极高的气体，其在空气中浓度达到0.04ppm时即可致人死亡。汽车内部可能的CO的来源主要来自于汽车尾气，尤其在相对封闭、空气流动性差的场所，在不熄火开空调外循环时，极易将尾气中的CO吸入车厢内，车内CO累计速度迅速提高，汽车驾驶室内人员发生窒息的事故时有发生，其主要原因是发动机处于怠速工况，人员长时间处于密闭的驾驶室内，驾驶室内 CO 含量超过了正常人所接受的浓度，造成了人员窒息甚至死亡的事故。此外，当车辆发生自燃时会产生大量有毒气体，很多火灾案例中人员伤亡是由于CO 气体中毒造成的。因此在燃烧初期发现火灾并报警，能够在很大程度上减少人员伤亡和财产损失。CO 气体是一种易燃易爆的有毒气体，少量的 CO 即能给人体造成伤害。由于它无色无味难以被发现和感知，以致中毒及爆炸事件时有发生。

然而，对于 HCL、CO和烟雾这些危险气体的警报目前只是应用电力和采矿业等少数行业。

现有的车辆驾驶室中并没有针对HCL、CO和烟雾一体化浓度检测的装置，一旦车内HCL或CO或烟雾超标（因为火灾产生），不但无法第一时间发现异常情况进行火灾报警，电气线路热分解产生的有毒气体更是危及车内人员的生命安全。国内外对于车辆消防安全预警机制还未完全重视起来，大部分车企对于车内有毒气体的监测处于空白状态。

技术实现要素：

鉴于现有技术的状况，本发明提供一种车内HCL、CO和烟雾检测无线报警系统及实现方法，实现对车辆驾驶室内HCL、CO和烟雾等有害气体的预警监测，第一时间发现危险源，告知车内人员有生命危险和车辆自燃危险。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种车内HCL、CO和烟雾检测无线报警系统，其特征在于：包括分别设置在壳体内的HCL、CO、烟雾检测报警器和HCL、CO、烟雾检测接收器， HCL、CO、烟雾检测报警器设置在车内，HCL、CO、烟雾检测接收器由驾驶员或车主随身携带，HCL、CO、烟雾检测接收器与HCL、CO、烟雾检测接收器实现无线连接；

所述HCL、CO、烟雾检测报警器，包括CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器外围电路、12V转5V电源模块N2、无线通信模块U2、单片机N4；所述单片机N4分别与CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器外围电路、无线通信模块U2连接，12V转5V电源模块N2为分别为CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器外围电路提供电源，12V转5V电源模块N2通过5V转3.3V电源转换电路为单片机N4、无线通信模块U2提供电源；

车内HCL、CO、烟雾检测接收器，包括无线通信模块U5、单片机N6、锂电池BT2、锂电池充电电路、电源电路、时钟电路、LCD显示电路、按键电路、蜂鸣器B1、蜂鸣器B2，

所述单片机N6分别与无线通信模块U5、时钟电路、LCD显示电路、按键电路、蜂鸣器B1、蜂鸣器B2连接，所述锂电池充电电路通过锂电池BT2分别与电源电路、蜂鸣器B1、蜂鸣器B2连接，电源电路与无线通信模块U5连接。

一种车内HCL、CO和烟雾无线报警系统的实现方法，其特征在于：将设置在壳体内的HCL、CO、烟雾检测报警器安装在车厢内，传感器探头部分暴露在壳体外，将设置在壳体内的HCL、CO、烟雾检测接收器由驾驶员或车主随身携带；

HCL、CO、烟雾检测报警器以单片机N4为核心，单片机N4内部的A/D转换器把来自CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器U1的气体浓度的模拟信号转换为数字信号，送到单片机N4的算术运算单元，与设定的报警门限值进行比较，如果上述有害气体的浓度值超出设定的上限，单片机N4将以上传感器数据按设定的通信协议打包，送到无线通信模块U2，然后控发无线通信模块U2，无线通信模块U2接收到来自单片机N4的发射指令，将单片机N4送来的传感器打包数据调制到发射载波上，通过无线通信模块U2所接的天线ANT1发射出去，单片机N4定时将传感器休眠、唤醒从而降低整机功耗；

当有报警器报警时，HCL、CO、烟雾检测接收器中的无线通信模块U5接收到的射频信号电平高于其接收灵敏度，即可正常接收报警信号，无线通信模块U5把接收到的调制有报警信息射频信号解调，得到按设定的通信协议打包的有关CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器U1气体浓度的数据，送单片机N6，单片机N6控制LCD显示电路的LCD显示屏，显示实时CO、烟雾和HCL的浓度数据，同时驱动蜂鸣器报警，如果CO和烟雾浓度超过设定浓度，则驱动蜂鸣器B1报警，如果HCL浓度超过设定浓度，则驱动蜂鸣器B2报警，使驾驶员或车主及时了解车内的危险情形，迅速采取措施；

系统设计有实时时钟电路，当发生报警时，系统会存储报警发生时间和报警时一体化传感器的浓度数据；

使用人员可以通过按键电路的按键和LCD显示屏查阅实时CO、烟雾、HCL浓度数据，设置报警上限，查看历史报警信息；

锂电池充电电路为系统电源锂电池BT2充电，具备充电指示和防过充功能；HCL、CO、烟雾检测接收器一次充电可使用4至5天。

本发明的有益效果是：使用电化学CLE-1431传感器，设计应用于车内，能实现HCL在线监测报警功能，通过对线束绝缘热分解时产生气体HCL的监测，可以及时有效的发现汽车驾驶室内线束的火灾隐患，而且在线束刚发生热分解时就可以报警，提前一步告知驾驶人员车辆线束的故障，避免危险，不但能防止线束进一步老化起火、预防车辆火灾，还对人体起到保护作用。

基于数字式CO传感器，设计应用于车内，能实时实现CO在线监测的报警功能，防止人员中毒及爆炸事件的发生。当驾驶室内CO 浓度超标时及时报警，提醒车内人员，即能减少窒息事故的发生。

车辆自燃事故时有发生，很多是从阴燃开始，火灾早期会有大量烟雾产生，基于数字式烟雾传感器，设计应用于车内，能实时实现烟雾在线监测的报警功能，当驾驶室内CO 浓度超标时及时报警，提醒车内人员，即能减少窒息事故的发生。

采用目前较为成熟的数字式CO传感器，配合烟感报警器，将汽车自燃时发生报警的准确率进一步提升，形成一套比较完整的车辆火灾安全预警系统。

采用SX1278无线模块实现中远距离、无通信费的实时数据传输方式，用于报警器和接收器间进行报警信息传输。

总之，可实现对车辆驾驶室内HCL、CO和烟雾等有害气体的预警监测，第一时间发现危险源，并告知车内人员有生命危险和车辆自燃危险，及时采取应对措施。

附图说明

图1为本发明的电路连接框图；

图2为本发明HCL、CO、烟雾检测报警器的电路连接框图；

图3为本发明HCL、CO、烟雾检测接收器的电路连接框图；

图4为本发明HCL、CO、烟雾检测报警器的电路原理图；

图5为本发明HCL、CO、烟雾检测接收器的电路原理图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，车内HCL、CO和烟雾检测无线报警系统，包括分别设置在壳体内的HCL、CO、烟雾检测报警器和HCL、CO、烟雾检测接收器， HCL、CO、烟雾检测报警器设置在车内，HCL、CO、烟雾检测接收器由驾驶员或车主随身携带，HCL、CO、烟雾检测接收器与HCL、CO、烟雾检测接收器实现无线连接。

HCL、CO、烟雾检测报警器，包括CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器外围电路、12V转5V电源模块N2、无线通信模块U2、单片机N4；所述单片机N4分别与CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器外围电路、无线通信模块U2连接，12V转5V电源模块N2为分别与CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器外围电路提供电源，12V转5V电源模块N2通过5V转3.3V电源转换电路为单片机N4、无线通信模块U2提供电源。

车内HCL、CO、烟雾检测接收器，包括无线通信模块U5、单片机N6、锂电池BT2、锂电池充电电路、电源电路、时钟电路、LCD显示电路、按键电路、蜂鸣器B1、蜂鸣器B2。

单片机N6分别与无线通信模块U5、时钟电路、LCD显示电路、按键电路、蜂鸣器B1、蜂鸣器B2连接，所述锂电池充电电路通过锂电池BT2分别与电源电路、蜂鸣器B1、蜂鸣器B2连接，电源电路与无线通信模块U5连接。

如图4所示，HCL、CO、烟雾检测报警器的具体电路连接为：12V转5V电源模块N2的3脚、4脚与电容C8、C9并联，3脚接地，4脚提供电源VCC，电源转换芯片N3的输入脚IN接电源VCC，输出脚OU分别接电容C10、电容C11的一端并提供3.3V电源，电容C10、电容C11的另一端及电源转换芯片N3的接地脚GND分别接地。

单片机N4的3脚、4脚与晶体G1并联，晶体G1的一端通过电容C6接地，晶体G1的另一端通过电容C7接地，单片机N4的31脚通过电阻R10接地，12脚接地，CO传感器U4和烟雾传感器U3的4脚分别接电源VCC，CO传感器U4和烟雾传感器U3的1脚分别接地，烟雾传感器U3的3脚通过电阻R12分别接电阻R11的一端及单片机N4的26脚，电阻R11的另一端接单片机N4的27脚，CO传感器U4的3脚通过电阻R13分别接电阻R14的一端及单片机N4的21脚，电阻R14的另一端接单片机N4的19脚。

无线通信模块U2的1脚接单片机N4的13脚，2脚分别接单片机N4的5脚及电阻排UN1的16脚，3脚分别接单片机N4的14脚及电阻排UN1的15脚，4脚分别接单片机N4的15脚及电阻排UN1的14脚，5脚分别接单片机N4的16脚及电阻排UN1的13脚，6脚分别接单片机N4的12脚及电阻排UN1的12脚，8脚分别接单片机N4的25脚及电阻排UN1的11脚，9脚分别接单片机N4的24脚及电阻排UN1的10脚，10脚分别接单片机N4的23脚及电阻排UN1的9脚，11脚接单片机N4的11脚，12脚分别接电阻排UN1的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚及3.3V电源，13脚、14脚、15脚、16脚分别接地，17脚接天线ANT1。

HCL传感器外围电路的HCL传感器U1的C脚分别接电容C2的一端及芯片N1A的输出端1脚，R脚通过电阻R3接电容C2的另一端及电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电容C4的一端及芯片N1A的同相输入端3脚，电容C4的另一端分别接电阻R7的一端及芯片N1A的反相输入端2脚，电阻R7的另一端接可变电阻RP 1的3脚，可变电阻RP 1的1脚接地，2脚通过电阻R2接3.3V电源，芯片N1A的电源端4脚接电源VCC及电容C1的一端，电容C1的另一端接地，芯片N1A的接地端11脚接地，HCL传感器U1的S脚通过电阻R9分别接电阻R5、电阻R1的一端，电阻R5的另一端接电容C3的一端及芯片N1B的同相输入端5脚，电容C3的另一端接芯片N1B的反相输入端6脚及电阻R8的一端，电阻R8的另一端接可变电阻RP 1的2脚，电阻R1的另一端接芯片N1B的输出端7脚 及电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电容C5的一端及单片机N4的20脚，电容C5的另一端接地。

HCL传感器U1的型号为：CLE-1431，无线通信模块U2 的型号为：SX1278，烟雾传感器U3的型号为：MQ-2， CO传感器U4的型号为：MQ-7，单片机N4的型号为：STC12C5616AD。

如图5所示，HCL、CO、烟雾检测接收器的具体电路连接为：芯片N5的输入脚IN接电源VCC，输出脚OU分别接电容C12、电容C13的一端并提供3.3V电源，电容C12、电容C13的另一端及电源转换芯片N5的接地脚GND分别接地。

芯片N7的输入脚IN接电源VCC，输出脚OU分别接电容C14、电容C15的一端并提供3.3V电源，电容C14、电容C15的另一端及电源转换芯片N7的接地脚GND分别接地。

锂电池充电电路的锂电池管理芯片N9的1脚接电阻R19的一端及锂电池BT2的负极并接地，2脚接电阻R19的另一端，3脚接锂电池BT2的正极，3脚、8脚分别接发光二极管VD3的正极、电容C20正极、接口XS1的1脚，7脚通过电阻R18接发光二极管VD3的负极，锂电池管理芯片N9的6脚、电容C20负极、接口XS1的3脚分别接地。

单片机N6的18脚、19脚与晶体G2并联，晶体G2的一端通过电容C16接地，晶体G2的另一端通过电容C18接地，单片机N6的9脚通过电阻R16接地，单片机N6的35脚、36脚、37脚、38脚、39脚分别对应LCD显示电路的7脚、6脚、5脚、4脚、3脚相接，LCD显示电路的2脚 接地，1脚接芯片N5的3.3V电源。

时钟电路N8的1脚接电源VCC，2脚、3脚与晶体G3并联，晶体G3的一端通过电容C17接地，晶体G3的另一端通过电容C19接地，5脚接单片机N6的14脚，6脚接单片机N6的15脚，7脚接单片机N6的39脚，8脚接电池BT1正极，BT1负极及时钟电路N8的4脚接地。

按键电路电阻排UN2的5脚、6脚、7脚、8脚接电源VCC，1脚、2脚、3脚、4脚分别依次对应接单片机N6的28脚、32脚、33脚、24脚相连接，电阻排UN2的1脚通过按键S1接地，2脚通过按键S2接地，3脚通过按键S3接地，4脚通过按键S4接地。

报警输出电路三极管VT1、三极管VT2的发射极分别接电源VCC，三极管VT1集电极分别接二极管VD1负极、蜂鸣器B1的一端，二极管VD1正极及蜂鸣器B1的另一端接地，三极管VT1基极通过电阻R15接单片机N6的21脚，三极管VT2集电极分别接二极管VD2负极、蜂鸣器B2的一端，二极管VD2正极及蜂鸣器B2的另一端接地，三极管VT2基极通过电阻R17接单片机N6的27脚。

无线通信模块U5的型号为：SX1278，单片机N6的型号为：8051或8031。

一种车内HCL、CO和烟雾无线报警系统的实现方法，将设置在壳体内的HCL、CO、烟雾检测报警器安装在车厢内，传感器探头部分暴露在壳体外，将设置在壳体内的HCL、CO、烟雾检测接收器由驾驶员或车主随身携带。

HCL、CO、烟雾检测报警器以单片机N4为核心，单片机N4内部的A/D转换器把来自CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器U1的气体浓度的模拟信号转换为数字信号，送到单片机N4的算术运算单元，与设定的报警门限值进行比较，如果上述有害气体的浓度值超出设定的上限，单片机N4将以上传感器数据按设定的通信协议打包，送到无线通信模块U2，然后控发无线通信模块U2，无线通信模块U2接收到来自单片机N4的发射指令，将单片机N4送来的传感器打包数据调制到发射载波上，通过无线通信模块U2所接的天线ANT1发射出去，单片机N4定时将传感器休眠、唤醒从而降低整机功耗；

12V转5V电源模块N2把车载电源转换为5V电压，一路给CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器外围电路供电；再一路经5V转3.3V电源转换电路给单片机N4和无线通信模块U2供电。

当有报警器报警时，HCL、CO、烟雾检测接收器在一定范围内如依距报警器3公里以内，且无严重遮挡，HCL、CO、烟雾检测接收器中的无线通信模块U5接收到的射频信号电平高于其接收灵敏度，即可正常接收报警信号，无线通信模块U5把接收到的调制有报警信息射频信号解调，得到按设定的通信协议打包的有关CO传感器U4、烟雾传感器U3、HCL传感器U1气体浓度的数据，送单片机N6，单片机N6控制LCD显示电路的LCD显示屏，显示实时CO、烟雾和HCL的浓度数据，同时驱动蜂鸣器报警，如果CO和烟雾浓度超过设定浓度，则驱动蜂鸣器B1报警，如果HCL浓度超过设定浓度，则驱动蜂鸣器B2报警，使驾驶员或车主及时了解车内的危险情形，迅速采取措施。

系统设计有实时时钟电路，当发生报警时，系统会存储报警发生时间和报警时一体化传感器的浓度数据。

使用人员可以通过按键电路的按键和LCD显示屏查阅实时CO、烟雾、HCL浓度数据，设置报警上限，查看历史报警信息。

锂电池充电电路为系统电源锂电池BT2充电，具备充电指示和防过充功能；HCL、CO、烟雾检测接收器一次充电可使用4至5天。

AS1360-3.3电源电路将锂电池BT2电压转换为3.3V电压给单片机N6、无线通信模块U5、时钟电路、LCD显示电路供电，同时给按键电路提供上拉电平。

当车箱内有一定量的CO、烟雾或者HCL，达到报警上限时，报警器将报警信息通过无线模块传到接收器，接收器的蜂鸣器和报警指示灯提示车主或驾驶员车厢内CO、烟雾或HCL浓度超标。

1）CO传感器U4

主要参数如下：

（1）加热电压：5±0.2V（AC•DC）

（2）工作电流：140mA

（3）检测浓度范围：10-1000ppm

（4）响应时间：≤1S（预热3-5分钟）

（5）元件功耗：≤0.7W。

该传感器模块对CO检测灵敏度很高，使用寿命长，稳定性高，尺寸小巧，功耗低，在单片机的控制下，定期休眠唤醒，实现对环境中CO含量的实时在线监测。

2）烟雾传感器U3

主要参数如下：

（1）加热电压：5±0.2V（AC•DC）

（2）工作电流：180mA

（3）检测浓度范围：30-10000ppm

（4）响应时间：≤20S（预热3-5分钟）

（5）元件功耗：≤0.9W。

该传感器模块对烟雾检测灵敏度很高，使用寿命长，稳定性高，尺寸小巧，在单片机的控制下，定期休眠唤醒，实现对环境中烟雾含量的实时在线监测。

3）HCL传感器U1

（1）量程：0-50PPM 0-50PPM

（2）最大荷载：100PPM 100PPM

（3）灵敏度：0.3 ± 0.1uA/ppm

（4）响应时间：(T90) ≤ 70秒

（5）分辨率：1PPM

（6）线性度：线性

（7）基线：(20 ℃) -0.2 ~ 1.0uA

（8）基线漂移：相当于0 ~ 5 ppm

（9）长期稳定性：< 2% 信号值/月。

4）12V转5V电源模块N2

车载电源以12V为主，所以选用12V转5V电源转换模块。

采用微功率小尺寸的单列封装，宽输入的模块，在5V输出情况下，最大电流可达200mA，完全适应设计需求。

5）SX1278无线通信模块

SX1278无线模块除传统的GFSK调制技术外，还采用了LoRa（远程）扩频技术。该模块具有高效的接收灵敏度和超强的抗干扰性能。

该模块有效视距传输距离可达3公里，将报警器安装在车内，考虑到车窗和建筑墙体、窗户的阻挡，仍可以保证报警信号可以传输到位于住房或商场内的车主携带的报警接收器。

6）单片机

采用低功耗、带AD转换功能的STC12AD系列单片机。

单片机定时控制CO、烟雾、HCL传感器U1的电源通断、并读取CO、烟雾和HCL浓度信息，发生浓度超限报警时，通过SX1278无线模块发送到报警接收器。