打火机内嵌式吸烟过量报警器设计

摘要：为避免吸烟过量对人体带来的危害，研发了打火机内嵌式报警器，在吸烟者吸烟过量时予以报警。使用对香烟烟气，烹调臭味具有高灵敏度的TGS2600传感器检测烟气，低功耗、轨对轨的新型运放OPA376进行信号放大，同时配合MSP430单片机的控制，通过LED灯与蜂鸣器对香烟烟气浓度进行梯度报警。系统采用500mAh锂电池供电，可以连续工作8h小时左右，正常使用条件下，系统一次充电可以巡航一周时间。

关键词：传感器；香烟烟气；运放OPA376；单片机MSP430；检测；报警器

香烟已经成为威胁人类健康的几大杀手之一。每年由于过度吸烟或者长时间被动吸烟，而导致数十万人死于与之相关的各类疾病。而打火机内嵌式吸烟过量报警器可以通过检测环境中的烟气含量及时提醒吸烟者控制吸烟量。

1、系统设计目标

温度漂移小。系统中存在很多温度系数参差不齐的半导体元件（例如传感器、运放等），所以存在温度漂移现象；而且设计电路内嵌入打火机内部，会受到使用环境影响（打火时外部温度不稳定），故要特别注意温度补偿以解系统温漂问题【1】。

采用高精度和抗干扰的放大电路。传感器加上驱动电路后，输出的电压必须加以放大增益到数十mV或 V 的程度才能驱动后级被控制的负载；同时也不易受其他信号干扰。而采用的运算放大器必须有高精度和抗干扰的特性，以提高检测成功率【2】。

系统消耗功率小。传感器功耗大，一方面，会使传感器特性变差，其消耗的功率大部份会变成热量散发，导致温度升高，而温度升高是半导体的致命伤；另一方面，由于系统采用电池供电，元件功耗大会给使用带来不便【3】。

2、设计原理

典型的香烟烟雾灵感度特性曲线如图1所示。图中香烟的根数是在约10平米的房间吸烟情况下的数值。纵轴用传感器电阻比 Rs/Rs(Air)表示，其中：Rs 为香烟烟雾存在时的传感器电阻值； Rs(Air)为清洁大气中的传感器电阻值。

图1 香烟的灵敏度特性

从图中的实验数据可知，在一定的范围内，Rs/Rs(Air)值的变化与吸食香烟数量呈线性关系，这给本系统定量检测吸烟量提供了理论基础。

3、系统结构

打火机内嵌式吸烟过量报警器的电路架构大致包括：传感器及其检测电路；OPA376放大电路；MSP430控制电路三大部分。

3.1传感器及其检测电路

本设计中采用的传感器是TGS2600，此传感器是针对空气污染检测而设计的，对香烟烟气、烹调臭味具有高灵敏度【4】。根据系统的设计目标，选用TGS2600具有两大优越的特性：其一，结构紧密简单，体积较小，可靠性，抗震性好，使用寿命长；其二，以空气清洁的时候为基准，通过传感器电阻值比空气清洁时变化了量来检测空气的污染程度，经检测在较低浓度情况下，这种传感器线性度极佳，测试电路如图2所示。

图2 TGS2600传感器基本测试回路

此传感器需要施加2个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。VH用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的两端电压(Vout)。

传感器检测电路是在基本测试回路的基础上改进而来，如图3所示，从图中可知，在基本测试回路基础上加上两只三极管组成了保护控制电路，当control_single_s端接收到MSP430F2012发出的控制信号后，控制三极管Q2的导通或者截止，通过RH上的电压，间接控制传感器中的加热丝的工作状态。当control_single_s端是高电平时，三极管Q2导通，此时加热丝处于正常加热工作状态；而当control_single_s端变为低电平时，三极管Q2截止，加热丝上几乎没有电流经过，所以处于停止工作状态。同时Q1起到保护作用，当通过RH的电流过大时，会使R1上分得的电压增大，进而导致Q1导通，control_single_s端被强拉为低电平，传感器停止工作。

当周围环境中没有香烟烟气时，需要确保RL上的电压与单片机P1.6端输出的control_single信号的电压值相等，当周围有烟气引起Rs变化时，这种差值变化便可以通过运放输入端放大。所以，设计时RL的值需要通过实验来确定【5】。

图3 传感器检测电路

3.2 OPA376放大电路

OPA376是TI公司最新的运放产品，具有低噪声，低静态电流，低失调电压以及灵活的供电选择等特性。可以在保证测量精度的同时，间接降低系统功耗。此款运放还采用了轨对轨输出技术，即器件的输出电压值可以达到电源电压。这样就可以满足设计目标中较大的输出幅度要求，间接提高系统稳定性；同时它的输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和与翻转，从而大大增加了放大器的动态范围。

利用control_single端控制运放OPA376的供电和运放对比输入电压，传感器检测电路的输出端接在OPA376的3端，当不需要运放不工作时，control_singled端就变为低电平，最大限度的降低系统的功耗。运放4端的放大信号送到MSP430F2012单片机的A/D进行采样处理。

图4 OPA376放大电路

4、MSP430控制电路

MSP430单片机控制电路如图5所示。P1.0接绿色的LED灯是系统结束休眠开始工作的指示灯，并且在单片机工作期间均开启；P1.1是系统启动开关，当电子打火器被按下时，此开关也被按下，单片机被激活开始工作；P1.2接到蜂鸣器响应电路，当吸烟者吸食的香烟数达到一定支数时，即一定环境下，周围空气中烟气浓度达到设定值(初步设定Rs/Rs(Air)低于0.5)时，蜂鸣器报警，同时P1.3输出高电平，使其所接的红色LED灯开启；P1.4端接收经过OPA376放大的烟气信号，并通过MSP430F2012自带A/D转化为单片机可处理的数字信号。在采样周期之间，运算放大器电路将关闭，并且微处理器将处于待机模式，消耗不足 1mA 的电流；P1.5控制运放OPA376的供电，当系统检测到周围空气中没有香烟烟气时（低于一定浓度），P1.5变为低电平，使运放停止工作，同时单片机进入休眠状态；P1.6端输出脉冲信号，控制TGS2600传感器的工作状态，在开机时，其输出变为高电平，而当休眠时，其输出保持低电平；P1.7接有一只黄色的LED灯，当Rs/Rs(Air)的值处于0.5~0.7之间时，此灯开启，警示附近有人吸烟，并且处于可接受的范围（此范围可灵活调整）。

系统开机后，当工作五分钟后未检测到周围空气有香烟烟气存在，可以自动关机，而一次开机，可以连续工作半个小时，若半小时之内，室内烟气浓度未超标，仍会自动报警，提醒使用者不要在空气混浊的室内呆过长时间。为了控制吸烟者每天的吸烟次数，单片机内设定了一个开机计数器，如果每天开机次数大于某值时，单片机仍会强制报警。

图5 MSP430F2012控制电路

5、结论

本设计中报警器的主要功能包括：

监测室内的吸烟者是否有吸食过量的香烟，在日常生活中，常发生吸烟者在封闭房间长时间大量吸烟的现象，这种情况给个人和他人健康带来极大威胁。

可以作为便携式的火警报警器使用，方便有效。如遇突发性的火灾，此装置能及时报警，提醒主人逃生，并可以随时得知火灾现场的烟气浓度，为自救和救人提供一定的指导。

由于系统对其他烟气也具有相当的灵敏度，可以随时了解厨房油烟浓度，提醒主妇合理使用抽油烟机，以及做好防油烟措施；也可以放于厕所等气味敏感处，检测当前的空气质量，及时采取合理手段保持空气清新。

打火机内嵌式吸烟过量报警器体积小巧，便于携带；性能安全稳定，精度高；可以检测众多烟气，适用面广；同时功耗较低，价格适中，所以极具市场竞争力。

参考文献：

[1] 成立、杨建宁，模拟电子技术[M]，南京：东南大学出版社，第一版，P210，2005。

[2] 谢兴红、林凡强、吴雄英，MSP430单片机基础与实践[M]，北京：北京航空航天大学出版社，第一版，P48,2008。

[3] 沈建华、杨艳琴、翟骁曙，MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M]，北京：清华大学出版社，第一版，P41-144，2009。

[4] 张士楠、李昆键、陈光甫，瓦斯烟雾警报器[J]，www.wfc.edu.tw/~wwwee/m10/06/04-20.pdf 2007-12-11

[5] 何希才、任力颖、杨静，实用传感器接口电路实例[M]，北京：中国电力出版社，第二版，2007