關于車載CO2監測報警及智能換氣裝置的設計研究

（河海大學大禹學院,南京 211100）

（河海大學大禹學院,南京 211100）

研究設計由二氧化碳傳感器與數字門電路結合的二氧化碳監測與報警裝置，利用數字門電路的二值邏輯性決定是否驅動三極管，來實現報警與自動換氣。

車載；檢測；智能換氣

車載CO2監測報警及智能換氣裝置針對校車窒息死亡與車內睡覺窒息死亡案件來研究設計，利用計算機電路所使用的數字電路控制原理來實現，從客觀上有效防止車內窒息事件的發生。

1 研究背景

近年來，隨著汽車的普及應用，小學生不慎被落在校車里和一些司機習慣性地喜歡在車內休息睡覺而窒息的事件已經屢見不鮮。日常生活中，由于車內CO2濃度過高而引起司機反應遲緩所導致的車禍等事件也時常發生。因此，如果能夠在車內安裝CO2傳感器和適當的控制報警電路，便能有效地預防這類事件的發生。

研究表明，當CO2濃度大于1000ppm（0.1％）時，人的思維決策能力有適度下降；當CO2濃度大于2500ppm（0.25％）時，人的思維決策能力有明顯下降；當空氣中濃度大于1％時，會使人感到氣悶、頭昏、心悸；濃度大于4％—5％時，會使人感到氣喘、頭痛、眩暈；而當空氣中CO2體積占到10％時，會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，正常情況下汽車內部CO2濃度初始值為300ppm。由于車內人員的呼吸作用使得車內的CO2濃度不斷升高，我們設定在汽車行駛時，當車內CO2濃度超過2500ppm，通過控制電路發出定時警報，提醒司機開窗換氣。而在汽車靜止時，如果濃度超過2500ppm，則通過控制電路發出持續警報并啟動換氣裝置自行換氣。

2 基本構思設計

根據設想，當汽車行進時，隨著車內人員的呼吸作用及汽車空調等的內循環耗氧，車內CO2濃度不斷升高，當CO2傳感器探測到濃度超過預設安全值時，發出信號到電子控制電路，控制電路檢測到行車信號后控制報警器工作，實現定時報警，提醒司機開窗換氣。

當汽車停止時，由于汽車密閉性較高，車內滯留人員呼吸產生的CO2不能及時排到車外，車內CO2不斷升高。當CO2傳感器探測到濃度超過預設安全值時，發出信號到控制電路，控制電路檢測到CO2濃度超標信號和車輛停止信號后，控制報警器持續報警，尋求支援，同時啟動換氣裝置實現換氣，直至濃度值降到預設安全值以下。以下為具體實現過程的模擬框圖：

（1）防止行車過程中，CO2濃度過高導致司機反應遲緩（見圖1）。

圖1

（2）防止車輛停止時，CO2濃度過高導致車內窒息事件（見圖2）。

圖2

3 電路原理

根據數字電路原理，首先把控制信息進行數字化，輸入信號中。設定行車信號為A，當汽車行駛時，行車信號A為‘1’；當汽車停止時，行車信號為‘0’；設定B為CO2濃度信號，當CO2濃度超過2500ppm時，濃度信號B為‘1’，當CO2濃度低于2500ppm時，濃度信號B為‘0’。

輸出信號中，設定定時報警信號為F1，當F1為‘1’時，實現定時報警，F1為‘0’時，報警器不工作；設定F2為持續報警，當F2為‘1’時，報警器持續報警，當F2為‘0’時，報警器不工作；設定F3為吹風換氣，當F3為‘1’時，風扇工作，開始換氣，當F3為‘0’時，風扇不工作；

具體的邏輯關系如下表所示：

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

從而得出相應的邏輯表達式

利用與非門實現所有的邏輯關系，利用555定時器構成的單穩觸發電路實現定時蜂鳴，最后利用三極管電路驅動風扇與蜂鳴器。具體電路（見圖3）。

如圖3，CO2濃度傳感器輸出信號為數字信號，設為B。行車與不行車時電瓶電壓值可以看作數字信號，設為A。計算機模擬時均用開關來代替實現，A和B作為電路的輸入信號接入與非門輸入端，F1、F2、F3的邏輯關系均由與非門實現（如圖中標注“邏輯門電路”）。定時報警控制由LM555CM連接實現（如圖中標注“555定時器”），定時時長由圖中R6、C4乘積決定，具體的報警與開窗換氣電路均有三極管控制電路實現（如圖中“報警控制電路”、“風扇控制電路”）。

具體的實現過程為：當CO2濃度不超標時，即B為低電平“0”時，邏輯門電路輸出均為“0”，報警器1、2與風扇均不工作；當CO2濃度超標且汽車行進時，即A為高電平信號“1”，B為高電平信號“1”時，門電路對報警電路2、風扇控制電路均發出低電平“0”信號，同時對定時器輸出高電平信號“1”，報警器2、風扇不工作，定時器工作，并向控制報警電路1發出一定時長的高電平信號，三極管導通，報警器1實現定時工作；當CO2濃度超標且汽車行進時，即A為低電平信號“0”，B為高電平信號“1”時，門電路對定時器發出低電平信號“0”，對報警器2與風扇發出高電平信號“1”，此時定時器、報警器1均不工作，報警器2與風扇工作，實現持續報警與換氣。

圖3

注：（1）此電路圖由電路制圖軟件ProteIDXP2004 Multisim繪制并測試成功，經截圖標注所得；（2）LM555CM端口示意圖（見圖4）。

1腳GND：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。 2腳TRIG：低觸發端。3腳OUT：輸出端Vo。 4腳RESET：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。

5腳CTRL：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓。當該端不用時，應將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。6腳THR：TH高觸發端。7腳DIS：放電端。該端與放電三極管集電極相連，用做定時器時電容的放電。

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

4 應用優勢

（1）可調節性強。根據設定的不同CO2濃度對人身體的影響，可以分別設定不同的CO2濃度探測值，從而實現不同的功能，以應用到不同的領域中去，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熱情況，又能夠保證電量充足。

（3）人性化的報警設置。根據報警用途的不同，設定了兩個報警裝置，當車輛行進時，由車內報警裝置實現定時報警來提醒司機開窗。當車輛停止時，由車外報警裝置實現持續報警，實現向外界求救的目的。

（4）推廣應用價值高。該電子控制電路的設計主要依托數字電路控制原理、傳感器原理來實現電子線路的控制與CO2濃度的探測，應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，便于某些特定場所內部的CO2檢測報警及智能換氣，具有很高的推廣使用價值。

關于車載CO2監測報警及智能換氣裝置的設計研究

朱思雨

朱思雨（1996—）女，江蘇大豐人，本科，學生，研究方向：水利。