一種點(diǎn)式煙溫氣復(fù)合火災(zāi)探測器的設(shè)計

邱志剛

摘要：文中提出了一種基于單片機(jī)的點(diǎn)式煙溫氣復(fù)合探測器設(shè)計方案。通過單片機(jī)、ADA4505運(yùn)放電路、 CE-2氣體傳感器、煙感傳感器電路，該設(shè)計可實(shí)現(xiàn)對探測區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧、溫度和一氧化碳濃度數(shù)據(jù)的采集和聲光報警處理。同時本設(shè)計可以自動進(jìn)行設(shè)備自檢，一旦自身產(chǎn)生故障，便可通過聲光報警裝置進(jìn)行故障報警，提醒用戶及時采取相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞： ADA4505；ME2-CO；低功耗；一致性

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0252-03

1 探測器的組成及工作原理

本設(shè)計根據(jù)復(fù)合探測功能、低功耗、小型化、實(shí)時檢測等要求，充分利用接口資源豐富的STM8S103F3單片機(jī)及其外圍信號處理電路完成對溫度傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳?xì)怏w傳感器的數(shù)據(jù)采集及火災(zāi)報警處理。探測器組成框圖如圖1所示。

探測器的工作原理是：火災(zāi)發(fā)生時，煙霧傳感器和CO傳感器的電路輸出端產(chǎn)生一個微弱的電信號，溫度傳感器電路輸出端產(chǎn)生一個0～3V的電壓信號，微弱的電信號經(jīng)過運(yùn)算放大電路轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需要的0～3V電壓信號，單片機(jī)通過自身的8路AD轉(zhuǎn)換器將采集到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可獲得所需數(shù)據(jù)。當(dāng)測得的值超過預(yù)先設(shè)定的值時，由單片機(jī)控制進(jìn)行聲光報警，從而完成火災(zāi)探測報警功能。

2 功能單元介紹

2.1 ME2-CO氣體傳感器模塊

ME2-CO 型電化學(xué)元件根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過程，待測氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。特點(diǎn)：低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

2.2 煙霧傳感器和溫度傳感器

如圖2，該探測器的檢測室內(nèi)也裝有紅外發(fā)射、接收二極管。在正常情況下，紅外接收二極管是接收不到紅外發(fā)射二極管發(fā)出的光的，因而不產(chǎn)生光電流。在發(fā)生火災(zāi)時，當(dāng)煙霧進(jìn)入檢測室時，由于煙粒子的作用，使紅外發(fā)射二極管發(fā)射的光產(chǎn)生漫射，這種漫射光被受紅外接收二極管接收，使受光器件的阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生光電流，從而實(shí)現(xiàn)了煙霧信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓δ堋?/p>

溫度傳感器采用MF52-10k，該傳感器測溫范圍：-55～125度，其它設(shè)計參數(shù)如下表。

2.3 信號處理放大器

本設(shè)計為電池供電，低功耗的器件選擇是其設(shè)計的關(guān)鍵。CO和煙霧信號處理電路采用了ADA4505放大器，該運(yùn)放可采用1.8V至5V單電源供電，具有出色的電源抑制比和共模抑制比，每個低成本放大器的工作電源電流小于10uA，可實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入輸出、零輸入交叉失真和極低的偏置電流，該放大器可以在電池壽命期內(nèi)將電源電壓引起的誤差降至最低，甚至對于軌對軌 運(yùn)算放大器仍可保持較高的CMRR。信號處理電路對光電流進(jìn)行調(diào)理放大，輸出相應(yīng)的電壓信號到單片機(jī)AD端口，單片機(jī)根據(jù)收到信號判斷火情，并發(fā)出報警信號。其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)下表。

3 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計

3.1 3.3v電源電路及低功耗控制電路

該電路選用低功耗的HT7133電源模塊， 使用PFM升壓電路，進(jìn)一步拓展工作電壓范圍（低至0.9V），同時確保數(shù)字I/O與模擬部分工作在高阻抗下，低阻抗工作回路使用MOS管開關(guān)電路避免靜態(tài)消耗，所以選用SI2031 MOS管進(jìn)行開關(guān)傳感器測量電路的供電電路，使整個測量電路在非測量狀態(tài)下，處于極小的靜態(tài)電流消耗，傳感器的電源電路如圖3。

3.2 CO信號處理電路

如圖4 ，CO傳感器電流信號通過ADA4505電路放大處理轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過單片機(jī)AD采樣端口轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號，經(jīng)試驗(yàn)測試，獲得換算公式，從而計算出CO的濃度數(shù)值。

3.3 煙霧信號處理電路

煙霧傳感器輸出報警電路電流為uA級，本電路采用二級放大，放大倍數(shù)約為2000倍，同時采用了零柵壓漏電為uA級的SI2301 MOS管，來降低這個測量電路的靜態(tài)電流。

3.4 溫度測量電路

為了更好的降低功耗，對溫度測量電路的供電電源實(shí)行即時控制，即測量失接通電源，這里采用了零柵壓漏電為uA級的SI2301 MOS管。

4 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計，大大提高了開發(fā)調(diào)試工作的效率，同時，所產(chǎn)生的文檔資料也容易理解，便于移植主程序模塊主要是將各個模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

低功耗的設(shè)計不僅僅體現(xiàn)在硬件電路上，還體現(xiàn)在軟件設(shè)計上。要充分考慮在非工作狀態(tài)下，減少各測量電路的靜態(tài)功耗，使單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)；要選用合理有效的工作機(jī)制。

主程序模塊首先完成初始化工作，初始化后進(jìn)入循環(huán)處理，在主程序中主要進(jìn)行定時器、引腳功能配置及測試模式按鍵檢測。傳感器數(shù)據(jù)采集主要是通過定時器周期中斷進(jìn)行，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該設(shè)計選用兩種模式：工作模式和測試模式。主程序首先讀取FLASH里面的溫度、煙霧、一氧化碳報警門限，并在測試模式中可以通過串口進(jìn)行門限值修改，在有報警標(biāo)志的情況下啟動聲光報警器。在定時中斷程序中，主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、設(shè)置報警標(biāo)志等相關(guān)數(shù)據(jù)處理。軟件流程圖如下圖7所示。

5 驗(yàn)證

該復(fù)合探測器的性能驗(yàn)證主要是針對煙霧和CO的檢測性能檢驗(yàn)，尤其是穩(wěn)定的一致性是該產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。這里就重點(diǎn)介紹一下該煙溫氣復(fù)合火災(zāi)探測器對不同試驗(yàn)火進(jìn)行報警響應(yīng)的一致性性能，使用2臺樣機(jī)，先后進(jìn)行了SH2標(biāo)準(zhǔn)火和SH4標(biāo)準(zhǔn)火的測試，具體測試內(nèi)容見表4。

根據(jù)GB4715-2005點(diǎn)型煙感火災(zāi)探測器標(biāo)準(zhǔn)，選擇了尺寸為長10m、寬8m、高4m的燃燒實(shí)驗(yàn)室。火源設(shè)置在地面中心處，探測器安裝在以頂棚中心為圓心，半徑3m的圓弧上。分別采用SH2 棉繩陰燃火和SH4 正庚烷火作為試驗(yàn)火，依據(jù)國標(biāo)進(jìn)行燃燒火試驗(yàn)，獲得A，B樣機(jī)在兩種試驗(yàn)火種的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性如圖8。

其次，低功耗是本設(shè)計的另一個關(guān)鍵。這里選用2節(jié)1.5V AA 提供2600mAh電量；經(jīng)測算該電路平均工作電流為120uA，滿足項(xiàng)目提出的12月的電池供電設(shè)計要求。

6 結(jié)論

經(jīng)過一系列測試，驗(yàn)證本探測器已基本達(dá)到設(shè)計目標(biāo)：低功耗，可使用節(jié)1.5V AA電池工作1年；煙霧與一氧化碳傳感器可在火災(zāi)發(fā)生條件下正確動作，并有具有良好的一致性。該設(shè)計已經(jīng)被應(yīng)用在2個苛刻環(huán)境要求的項(xiàng)目上，得到了充分的應(yīng)用驗(yàn)證，對于應(yīng)用在家裝領(lǐng)域中的獨(dú)立式煙溫氣復(fù)合探測器產(chǎn)品開發(fā)具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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