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(cè)器設(shè)計(jì)方案。通過(guò)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(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)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(bào)警處理。同時(shí)本設(shè)計(jì)可以自動(dòng)進(jìn)行設(shè)備自檢，一旦自身產(chǎn)生故障，便可通過(guò)聲光報(bào)警裝置進(jìn)行故障報(bào)警，提醒用戶(hù)及時(shí)采取相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞： ADA4505；ME2-CO；低功耗；一致性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）01-0252-03

1 探測(cè)器的組成及工作原理

本設(shè)計(jì)根據(jù)復(fù)合探測(cè)功能、低功耗、小型化、實(shí)時(shí)檢測(cè)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(hào)處理電路完成對(duì)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(bào)警處理。探測(cè)器組成框圖如圖1所示。

探測(cè)器的工作原理是：火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧傳感器和CO傳感器的電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)微弱的電信號(hào)，溫度傳感器電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)0～3V的電壓信號(hào)，微弱的電信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，單片機(jī)通過(guò)自身的8路AD轉(zhuǎn)換器將采集到的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可獲得所需數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)得的值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，由單片機(jī)控制進(jìn)行聲光報(bào)警，從而完成火災(zāi)探測(cè)報(bào)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(cè)氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過(guò)程，待測(cè)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(guò)測(cè)定電流的大小就可以確定待測(cè)氣體的濃度。特點(diǎn)：低功耗、高精度、高靈敏度、線(xiàn)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(cè)器的檢測(cè)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(shí)，當(dāng)煙霧進(jìn)入檢測(cè)室時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的功能。

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

2.3 信號(hào)處理放大器

本設(shè)計(jì)為電池供電，低功耗的器件選擇是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。CO和煙霧信號(hào)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(gè)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(duì)于軌對(duì)軌 運(yùn)算放大器仍可保持較高的CMRR。信號(hào)處理電路對(duì)光電流進(jìn)行調(diào)理放大，輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)到單片機(jī)AD端口，單片機(jī)根據(jù)收到信號(hào)判斷火情，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)下表。

3 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

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(shí)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(kāi)關(guān)電路避免靜態(tài)消耗，所以選用SI2031 MOS管進(jìn)行開(kāi)關(guān)傳感器測(cè)量電路的供電電路，使整個(gè)測(cè)量電路在非測(cè)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(hào)處理電路

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

3.3 煙霧信號(hào)處理電路

煙霧傳感器輸出報(bào)警電路電流為uA級(jí)，本電路采用二級(jí)放大，放大倍數(shù)約為2000倍，同時(shí)采用了零柵壓漏電為uA級(jí)的SI2301 MOS管，來(lái)降低這個(gè)測(cè)量電路的靜態(tài)電流。

3.4 溫度測(cè)量電路

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

4 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，大大提高了開(kāi)發(fā)調(diào)試工作的效率，同時(shí)，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(gè)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(jì)不僅僅體現(xiàn)在硬件電路上，還體現(xiàn)在軟件設(shè)計(jì)上。要充分考慮在非工作狀態(tài)下，減少各測(cè)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(shí)器、引腳功能配置及測(cè)試模式按鍵檢測(cè)。傳感器數(shù)據(jù)采集主要是通過(guò)定時(shí)器周期中斷進(jìn)行，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該設(shè)計(jì)選用兩種模式：工作模式和測(cè)試模式。主程序首先讀取FLASH里面的溫度、煙霧、一氧化碳報(bào)警門(mén)限，并在測(cè)試模式中可以通過(guò)串口進(jìn)行門(mén)限值修改，在有報(bào)警標(biāo)志的情況下啟動(dòng)聲光報(bào)警器。在定時(shí)中斷程序中，主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、設(shè)置報(bào)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(cè)器的性能驗(yàn)證主要是針對(duì)煙霧和CO的檢測(cè)性能檢驗(yàn)，尤其是穩(wěn)定的一致性是該產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(cè)器對(duì)不同試驗(yàn)火進(jìn)行報(bào)警響應(yīng)的一致性性能，使用2臺(tái)樣機(jī)，先后進(jìn)行了SH2標(biāo)準(zhǔn)火和SH4標(biāo)準(zhǔn)火的測(cè)試，具體測(cè)試內(nèi)容見(jiàn)表4。

根據(jù)GB4715-2005點(diǎn)型煙感火災(zāi)探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)，選擇了尺寸為長(zhǎng)10m、寬8m、高4m的燃燒實(shí)驗(yàn)室?；鹪丛O(shè)置在地面中心處，探測(cè)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(guó)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(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵。這里選用2節(jié)1.5V AA 提供2600mAh電量；經(jīng)測(cè)算該電路平均工作電流為120uA，滿(mǎn)足項(xiàng)目提出的12月的電池供電設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)一系列測(cè)試，驗(yàn)證本探測(cè)器已基本達(dá)到設(shè)計(jì)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(dòng)作，并有具有良好的一致性。該設(shè)計(jì)已經(jīng)被應(yīng)用在2個(gè)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(duì)于應(yīng)用在家裝領(lǐng)域中的獨(dú)立式煙溫氣復(fù)合探測(cè)器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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