紫外云臺火警自助報警裝置的設(shè)計

李歡

(西安科技大學高新學院信息與科技工程學院，陜西西安，710109)

0 引言

近年來，主動式火災(zāi)報警器在國外已經(jīng)非常成熟的被應(yīng)用在各類場所。起初，火災(zāi)報警系統(tǒng)多采用紅外探測原理，利用了火焰燃燒時外焰的紅外輻射特性，但由于生活中存在太多的紅外干擾，容易造成紅外探測傳感器的誤判，導致做出錯誤的提示?；鹁l(fā)生時，多伴隨著煙霧，溫度的變化，不同的環(huán)境、不同的燃燒物、火焰的燃燒成分、煙霧粒的組成，不僅溫度的遍布范圍和光譜的氣體成分都是不同的，根據(jù)燃燒物的不同，火焰光譜成分也各不相同，使用不同的光電傳感器構(gòu)建復合波段火焰探測器已經(jīng)成為目前火災(zāi)探測技術(shù)的發(fā)展方向。所以，近年來更多的火災(zāi)報警系統(tǒng)都是基于紫外或者紅外加紫外的方式進行探測，既提高了探測的準確性，又適用于各種環(huán)境復雜的場所。

本設(shè)計的意義在于設(shè)計一種成本較低，探測范圍較大，響應(yīng)速度較快的火焰探測自助報警裝置，能夠提早的發(fā)現(xiàn)險情，給人們及時的報警，對減少火災(zāi)損失具有現(xiàn)實意義。

1 總體設(shè)計

根據(jù)火焰的輻照特性，它是氣體輻照（離散光譜特性）和固體輻照（連續(xù)光譜）的一個綜合特性，其波長在0.1-10μm或更寬的范圍，為了避免其他的光譜干擾，常利用波長小于300nm的輻照光譜，或者4.4μm的輻照光譜作為探測信號。前者為紫外火焰探測器，后者就為紅外火焰探測器。目前常見的紫外線傳感器，光譜響應(yīng)范圍多在85nm～260nm范圍，對其它頻譜光線不會有靈敏的反應(yīng)，利用這一點可以對包含在火焰中的紫外成分進行提前探測。

紫外火焰探測技術(shù)，使系統(tǒng)避開了最強大的自然光源——太陽造成的復雜背景，使得在系統(tǒng)中信息處理的負擔大為減輕。所以可靠性較高，加之它是光子檢測手段，因而信噪比高，具有極微弱信號檢測能力，除此以外，它還具有反應(yīng)時間快的特點。與紅外探測器相比，紫外探測器更為可靠，且具有高靈敏度、高輸出、高響應(yīng)速度和應(yīng)用線路簡單等特點。

1.1 紫外火焰探測原理

紫外光電管是紫外火焰探測器的核心部分，它能夠?qū)?85～260nm波段的紫外線做出響應(yīng)，而對其它波段內(nèi)的光譜不響應(yīng)。圖1為紫外光電管工作原理[1]，它是由一種特殊玻璃構(gòu)成的封閉玻璃管，里面充滿了惰性氣體。其內(nèi)部由兩個電極構(gòu)成：陽極和光電陰極。通過外部升壓電路，將直流低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷汉?，加在紫外光電管的陽極和光電陰極之間，在兩個電極之間形成較大電場，在紫外光線的作用下，光電陰極出現(xiàn)“光電發(fā)射效應(yīng)”，即光電陰極的電子逸出金屬表面向陽極發(fā)射光電子，光電子高速撞擊周圍的惰性氣體分子，形成大量的帶電粒子，繼續(xù)撞擊，繼續(xù)釋放，經(jīng)過這樣循環(huán)的過程，使其產(chǎn)生相應(yīng)的放電電流，從而形成“反饋電壓”。

該傳感器的波長響應(yīng)曲線[2]具備從185nm～260nm的很窄的靈敏度寬度，并且對可見光完全不敏感。其工作原理是利用了金屬的光電效應(yīng)和氣體放電的電流倍增效應(yīng)，可以獲得很高的靈敏度和足夠大的輸出信號，從而通過電路就可以實現(xiàn)高靈敏度和迅速響應(yīng)的紫外探測。該傳感器能可靠地探測火焰的微弱紫外發(fā)光，被廣泛應(yīng)用在火焰探測、火警識別等監(jiān)控設(shè)備中。

1.2 云臺驅(qū)動原理

為了提高火焰探測的范圍，設(shè)計轉(zhuǎn)動云臺，并將整體探測電路安裝在云臺上，使火焰探測具備360°無死角的探測范圍。旋轉(zhuǎn)云臺的實現(xiàn)方法很多，目前較為成熟的驅(qū)動方式主要有直流電機、伺服電機和舵機，三種方式各有優(yōu)點。為了實現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)，同時探測電路重量較輕，選用直流電機的驅(qū)動方式。

電路由4個三極管組成，要使電機運轉(zhuǎn)，只需要在同一時刻導通對角線上的一對三極管。根據(jù)各不相同三極管對的導通與否，電流也許會由左邊或右邊向相反方向流過電機，并以這種方式控制電機的轉(zhuǎn)向。

1.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

通過對紫外火焰探測原理及云臺驅(qū)動原理的分析，結(jié)合單片機控制技術(shù)，本課題總結(jié)方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

系統(tǒng)由單片機控制模塊、紫外探測模塊、云臺驅(qū)動模塊和聲光報警模塊構(gòu)成。

單片機控制模塊的功能是驅(qū)動云臺旋轉(zhuǎn)，同時對外部環(huán)境進行探測，是否發(fā)現(xiàn)火情，當探測到火焰后，鎖定云臺，進行聲光報警。

紫外探測模塊的功能是對當前視場范圍內(nèi)的環(huán)境進行火焰探測，將5 V低壓電源轉(zhuǎn)換為傳感器使用的高壓電源，將傳感器輸出的探測信號進行處理后送給單片機。

云臺驅(qū)動模塊實現(xiàn)直流電機驅(qū)動，將單片機輸出的低電壓、小電流驅(qū)動信號進行放大，同時產(chǎn)生符合直流電機工作要求的H橋驅(qū)動信號。

聲光報警電路則是在報警裝置發(fā)現(xiàn)火情后，發(fā)出聲音及燈光報警，提醒用戶處置。

2 硬件部分設(shè)計

2.1 紫外火焰探測電路的設(shè)計

根據(jù)本設(shè)計所選用的紫外光電管技術(shù)指標以及光電管輸出信號特性對紫外火焰探測電路進行設(shè)計。紫外光敏管R2868輸出信號特性中。該傳感器在沒有探測到火焰時有背景噪聲輸出，但是脈沖數(shù)極少，脈沖間隔大于10s。當傳感器探測到火焰的紫外光時，輸出脈沖會隨著光線強度的增強而增加，在光強達到一定程度時，輸出脈沖數(shù)呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，此時的脈沖個數(shù)呈規(guī)律變化，電路設(shè)計時考慮對一定時間內(nèi)的脈沖進行計數(shù)，當個數(shù)大于N值時，則判斷為有效火焰信號。

由于設(shè)計中傳感器工作電壓為300V，單片機工作電壓為5V，從5V升壓到300V，可以采用變壓器方式。本設(shè)計采用成熟可靠的隔離電壓升壓模塊實現(xiàn)5V到300V的升壓功能。傳感器輸出信號經(jīng)過IN4733穩(wěn)壓二極管，將輸出脈沖信號限制在5V，保證后續(xù)電路正常工作。

傳感器探測到火焰后輸出信號為尖峰脈沖，設(shè)計信號轉(zhuǎn)換電路對脈沖進行整形，升壓電路輸出的傳感器尖峰脈沖信號由CD4093施密特觸發(fā)器整形方波信號送給十進制計數(shù)器CD4017，該芯片對方波進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果送給單片機進行判斷，如果方波個數(shù)滿足N個，則認為探測到火焰，否則認為正常。

2.2 控制器模塊

本設(shè)計選用STC公司的STC89C51單片機，可以工作的最小系統(tǒng)由單片機、晶振電路和復位電路構(gòu)成。復位電路是在單片機上電工作時首先進行復位，上電后開始工作時，程序需要從指定的位置開始運行，單片機的上電復位功能保證每次上電后，單片機程序都會從同樣的位置開始運行。晶振電路則是給單片機提供一個工作的時鐘，單片機里的所有程序都按照這樣的一個時鐘協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作。

單片機復位電路的作用在單片機上電時，保證程序從指定位置開始運行。電路的工作原理是通過復位引腳的電阻電容充放電[7]，在單片機的RST復位上產(chǎn)生一個大于2 uS的高電平即可實現(xiàn)復位。

單片機晶振電路是在單片機XTAL1和XTAL2引腳之間接入晶體振蕩器Y1以及起振電容，從而形成穩(wěn)定的自激振蕩，給單片機提供工作頻率。

2.3 云臺驅(qū)動模塊

選用集成電機驅(qū)動芯片L298N實現(xiàn)直流電機的H橋驅(qū)動功能。該芯片為雙H橋直流電機驅(qū)動芯片，工作電壓+5V～+35V，驅(qū)動電流可達2A，電機正反轉(zhuǎn)由芯片輸入邏輯控制。將L298N的3個控制信號與單片機相連，根據(jù)邏輯表進行控制，即可實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動。需要注意的是，在L298N的輸出端，需要有4個鉗位二極管，這是由于電機線圈在運轉(zhuǎn)過程中兩邊會產(chǎn)生反電勢，會對L298形成影響，非常有可能造成破損，更為致命的是對大于電源電壓和負電壓更容易對L298造成嚴重傷害，所以在每根線上都加上2個二極管（一般采用1N4007）進行保護。

2.4 報警模塊

設(shè)計中的報警裝置，選擇使用蜂鳴器作為火警發(fā)生的聲音信號。當探測器檢測到火焰之后，單片機的P2.5口輸出高電平，三極管導通，蜂鳴器響起。三級管這在電路中起到開關(guān)的作用，因為單片機的引腳輸出電流比較小,不能直接驅(qū)動蜂鳴器，所以需要選擇三極管當做開關(guān)。

本裝置還設(shè)置了兩個發(fā)光二極管，用來指示當前的工作狀態(tài)，以及火警的情況。報警裝置工作正常是綠燈常亮，當有火警時，紅燈閃爍，實現(xiàn)聲光報警功能。兩個二極管由單片機直接驅(qū)動，發(fā)光二極管需要串聯(lián)限流電阻，目的是為了保護發(fā)光二極管。

報警電路設(shè)計有報警消除按鍵，在出現(xiàn)誤報警或者險情解除后，需要按下報警消除按鍵關(guān)閉聲光報警繼續(xù)監(jiān)測火警。消除按鍵采用獨立按鍵，在程序設(shè)計時，可以通過中斷服務(wù)程序來消除報警，退出中斷后繼續(xù)進行檢測。

3 軟件部分設(shè)計

根據(jù)火焰探測的特點，本設(shè)計將主流程設(shè)計為云臺旋轉(zhuǎn)驅(qū)動程序，開始工作后，對云臺進行初始化，由停止狀態(tài)切換到制動狀態(tài)并且回歸零位[10]，然后進入循環(huán)狀態(tài)，驅(qū)動云臺循環(huán)360°旋轉(zhuǎn)，同時將火焰?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲆酝獠恐袛嗟男问揭雴纹瑱C，當傳感器探測到火焰時，主程序進入中斷，在中斷內(nèi)對火焰信號進行判斷，如果是零星的脈沖信號，則認為是背景噪聲，退出中斷，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)探測，如果是周期的脈沖信號，則認為是火焰信號，系統(tǒng)進行報警處理并一直定在報警狀態(tài)等待報警消除。當報警消除后，跳出中斷，主程序驅(qū)動云臺旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)進行火焰探測。

3.1 主程序流程

主程序包含了單片機的初始化、電機的初始化等。主程序的各個部分共同完成了火焰的判斷及報警工作。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 結(jié)論與展望

根據(jù)紫外火焰探測傳感器的工作原理和信號處理方法，針對傳統(tǒng)火災(zāi)報警探測器存在的問題，提出了新的基于云臺的360°探測方式，設(shè)計了基于紫外云臺的火警自助報警裝置，提高了火焰探測的范圍及產(chǎn)品的實用性。本設(shè)計針對傳感器輸出信號特征，設(shè)計了基于門電路的信號整形、計數(shù)電路，可以很好地將傳感器輸出的尖脈沖信號轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的方波信號，從一定程度上講具備了一定的創(chuàng)新性。

本設(shè)計的報警功能還有可以提高的地方。比如：添加感應(yīng)溫度的傳感器，通過多傳感器融合技術(shù)判斷火災(zāi)，增加裝置的靈敏度，擴大檢測范圍，加裝滅火功能等。用這樣的方式來提高器件的實用性。