李嵐

摘要：該文設(shè)計(jì)了一個(gè)360度室內(nèi)火焰檢測(cè)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)能夠高準(zhǔn)確的判斷室內(nèi)火焰的方向與火焰到測(cè)量點(diǎn)的距離，并能將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過RS232協(xié)議傳輸，系統(tǒng)主要有AVR控制核心、火焰檢測(cè)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和串口通信單元組成，以AVRATmega16作為控制核心，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)火焰檢測(cè)單元轉(zhuǎn)動(dòng)，指向火焰方向，并測(cè)量火焰到測(cè)量點(diǎn)的距離，通過串口通信，達(dá)到所需的要求。

關(guān)鍵詞：火焰檢測(cè)；AVR；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）35-8521-02

火焰檢測(cè)模塊是室內(nèi)火焰檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，火焰檢測(cè)的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。在我國，每年由于火災(zāi)引起的事故，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此，設(shè)計(jì)能夠高準(zhǔn)確度的判斷和測(cè)量火焰方向與測(cè)距點(diǎn)之間距離的處理模塊系統(tǒng)非常關(guān)鍵，該文由此設(shè)計(jì)了一個(gè)360度室內(nèi)火焰檢測(cè)系統(tǒng)，主要有AVR控制核心、火焰檢測(cè)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和串口通信單元組成，以AVRATmega16作為控制核心，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)火焰檢測(cè)單元轉(zhuǎn)動(dòng)，指向火焰方向，并測(cè)量火焰到測(cè)量點(diǎn)的距離，通過串口通信，達(dá)到所需的要求。

1 火焰探測(cè)的原理

火焰發(fā)射出的光是一種電磁波，其波長(zhǎng)在0.2～10μm或更寬的范圍內(nèi)。人眼能感覺到的電磁波波長(zhǎng)為0.38～0.78μm，范圍非常窄。火焰?zhèn)鞲衅骶褪抢么嗽?，檢測(cè)0.38μm以下的紫外線和0.78μm以上的紅外線。

實(shí)用化的火焰?zhèn)鞲衅鞣诸惾缦拢?/p>

1）紫外線檢出定輻射式傳感器（fixed radiation flame transducer by ultravolet cheek out type） 受光元件是利用UV（ultravolet，紫外線）透鏡GM（漢語拼音Guang Min，光敏）光電效應(yīng)放電管，對(duì)波長(zhǎng)0.185～0.245μm火焰輻射光進(jìn)行感受。放電管加上200～300V的電壓，對(duì)光電效應(yīng)（photoelectric effect）產(chǎn)生的脈沖電壓進(jìn)行計(jì)數(shù)，啟動(dòng)開關(guān)電路。

由于太陽光的波長(zhǎng)是0.28μm以上，所以該傳感器可用在石化工業(yè)露天監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。這種傳感器的感受波長(zhǎng)與熒光燈、水銀燈、白熾燈等照明光波波長(zhǎng)也不相同，故誤動(dòng)作很少。

紫外線波長(zhǎng)短，容易衰減，塵埃附著會(huì)使檢測(cè)器靈敏度下降，在室外使用時(shí)必須勤于維護(hù)，經(jīng)常清掃和檢查。

2） 二氧化碳共鳴輻射檢出型傳感器（CO2 resonated cheeked out radiation flame transducer） 二氧化碳加熱，在4.4μm特征峰值時(shí)產(chǎn)生共鳴。按該輻射原理檢出的火焰?zhèn)鞲衅骷捶Q二氧化碳共鳴輻射檢出型傳感器?？扇嘉锏娜紵裏崾谷紵傻亩趸?xì)怏w受熱，即產(chǎn)生其特有的共鳴輻射光譜。利用有高敏感度光導(dǎo)元件PbSe（硒化鉛）作，感受元件，采用濾光片（3.5～5.5μm）可檢出共鳴輻射光譜。

波長(zhǎng)4.4μm的二氧化碳特征輻射光譜存在于有火焰的情況下。因此，自然光、人工光源幾乎不干擾此信號(hào)。該種檢測(cè)器可以用于室內(nèi)、室外任何防燃、防爆場(chǎng)合。

3） 紅外線檢出型定輻射式傳感器（fixed radiation flame transducer by infrared rays cheek out type） 火焰輻射的0.78μm以上紅外線，由硅光電二極管和光敏晶體管等檢測(cè)。它是采用0.78μm以下的紅外濾光片濾去干擾波長(zhǎng)以防止誤動(dòng)作而檢出定輻射波長(zhǎng)的傳感器。

這種檢測(cè)器由于跟太陽光的波長(zhǎng)分布相近，所以不適用于室外場(chǎng)合監(jiān)測(cè)。

4）二波長(zhǎng)檢出型閃爍式傳感器（dual wavelength checked out flashing type transducer） 火焰溫度大約為1100～1600K（827～1327℃）。太陽光和照明光溫度比火焰溫度高（白熾燈大約為2800K），因而火焰光是紅外區(qū)長(zhǎng)波長(zhǎng)段，自然光和照明光是光譜中紅外區(qū)短波長(zhǎng)段。根據(jù)檢出這兩種波長(zhǎng)的差并判斷其屬于哪一段的原理制成的傳感器就是二波長(zhǎng)檢出型傳感器。

5） 單波長(zhǎng)檢出型閃爍傳感器（single wavelength cheeked out flashing type transducer） 主要用于空氣輸送管道內(nèi)。與空氣同時(shí)被輸送的可燃性物質(zhì)，因高速移動(dòng)中產(chǎn)生靜電造成過熱等原因會(huì)發(fā)生短時(shí)間內(nèi)閃爍火花。單波長(zhǎng)檢出型閃爍傳感器是見火即檢測(cè)、要求響應(yīng)速度很快的一種傳感器。檢出火災(zāi)危險(xiǎn)的同時(shí)也要求迅速采取消防措施，以防止重大火災(zāi)事故的發(fā)生。

遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)于波長(zhǎng)760納米至1100納米之間紅外最為敏感。用于火焰檢測(cè)，溫度檢測(cè)，遠(yuǎn)紅外檢測(cè)，該模塊特點(diǎn)：

①寸小，36mm×16mm

②可以使用3-5.5v直流電源供電

③AO，模擬量輸出，實(shí)時(shí)輸出熱電阻上的電壓信號(hào)

④DO，當(dāng)溫度到達(dá)某個(gè)閥值時(shí)，輸出高低電平信號(hào)（閥值可通過電位器調(diào)節(jié)）。

⑤紅外接收頭靈敏度高，探測(cè)角度60度左右。

⑥有電源指示燈

⑦比較器輸出有指示燈

⑧價(jià)格便宜

綜述所述，我們采用遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

2 轉(zhuǎn)速控制模塊設(shè)計(jì)

本室內(nèi)火焰檢測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制模塊是35BYJ412B減速步進(jìn)電機(jī)，其工作在5V～12V電壓，步進(jìn)角度：5.625 x 1/44，減速比：1/64，價(jià)格便宜，可以滿足要求。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，需要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)線圈的勵(lì)磁信號(hào)，還需要功率驅(qū)動(dòng)放大器根據(jù)該信號(hào)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流。單片機(jī)產(chǎn)生脈沖通過單片機(jī)的I/O輸出后送到ULN2003芯片，ULN2003對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，達(dá)到精確控制。

根據(jù)本章以上的模塊方案比較論證，得出室內(nèi)火焰檢測(cè)系統(tǒng)模型框圖如圖1所示：

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)是檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本模塊采用了AVR ATmega16作為核心控制處理器，并在此基礎(chǔ)上增加了接口電路板組成整個(gè)硬件系統(tǒng)。下面對(duì)硬件設(shè)計(jì)中除了AVR最小系統(tǒng)以及電機(jī)之外的其他主要的模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

3.1 電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需要的電源。為了方便，直接采用電腦USB輸出5V電壓。

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓組成的驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和COMS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003 的封裝采用 DIP—16或SOP—16。ULN2003可以驅(qū)動(dòng)7個(gè)繼電器，具有高電壓輸出特性，并有共陰極的續(xù)流二極管使器件可用于開關(guān)型感性負(fù)載。每對(duì)達(dá)林頓管的額定集電極電流是500mA，達(dá)林頓管還可以并聯(lián)使用已達(dá)到更高的輸出電流能力。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件流程圖如下：主要通過對(duì)中斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)火焰方向和火焰偏轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，為了提高精度，在設(shè)計(jì)的時(shí)刻，采取了兩級(jí)中斷的方式，提高了精度。

5 總結(jié)

通過軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，本設(shè)計(jì)能夠高準(zhǔn)確的判斷室內(nèi)火焰的方向與火焰到測(cè)量點(diǎn)的距離，并能將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過RS232協(xié)議傳輸，達(dá)到設(shè)計(jì)需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白立芬，于水，李慶祥.單片機(jī)控制的機(jī)車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，40（5）：37-39.

[2] 劉培亮，葉湘濱.基于FlashAT45DB081B的機(jī)車火災(zāi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)系統(tǒng) [J].中國儀器儀表，2005（12）：85-87.

[3] 崔興文.智能火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.