李歡

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院信息與科技工程學(xué)院，陜西西安，710109)

0 引言

近年來，主動(dòng)式火災(zāi)報(bào)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(bào)警系統(tǒng)多采用紅外探測原理，利用了火焰燃燒時(shí)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(dǎo)致做出錯(cuò)誤的提示。火警發(fā)生時(shí)，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(fù)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(bào)警系統(tǒng)都是基于紫外或者紅外加紫外的方式進(jìn)行探測，既提高了探測的準(zhǔn)確性，又適用于各種環(huán)境復(fù)雜的場所。

本設(shè)計(jì)的意義在于設(shè)計(jì)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(bào)警裝置，能夠提早的發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，給人們及時(shí)的報(bào)警，對(duì)減少火災(zāi)損失具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 總體設(shè)計(jì)

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(gè)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(hào)。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(duì)其它頻譜光線不會(huì)有靈敏的反應(yīng)，利用這一點(diǎn)可以對(duì)包含在火焰中的紫外成分進(jìn)行提前探測。

紫外火焰探測技術(shù)，使系統(tǒng)避開了最強(qiáng)大的自然光源——太陽造成的復(fù)雜背景，使得在系統(tǒng)中信息處理的負(fù)擔(dān)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(hào)檢測能力，除此以外，它還具有反應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)。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(diǎn)。

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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)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(hào)，從而通過電路就可以實(shí)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(shí)別等監(jiān)控設(shè)備中。

1.2 云臺(tái)驅(qū)動(dòng)原理

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

電路由4個(gè)三極管組成，要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，只需要在同一時(shí)刻導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)各不相同三極管對(duì)的導(dǎo)通與否，電流也許會(huì)由左邊或右邊向相反方向流過電機(jī)，并以這種方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

1.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)紫外火焰探測原理及云臺(tái)驅(qū)動(dòng)原理的分析，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)，本課題總結(jié)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、紫外探測模塊、云臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊和聲光報(bào)警模塊構(gòu)成。

單片機(jī)控制模塊的功能是驅(qū)動(dòng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行探測，是否發(fā)現(xiàn)火情，當(dāng)探測到火焰后，鎖定云臺(tái)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

紫外探測模塊的功能是對(duì)當(dāng)前視場范圍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)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(hào)進(jìn)行處理后送給單片機(jī)。

云臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將單片機(jī)輸出的低電壓、小電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)產(chǎn)生符合直流電機(jī)工作要求的H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

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

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 紫外火焰探測電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)所選用的紫外光電管技術(shù)指標(biāo)以及光電管輸出信號(hào)特性對(duì)紫外火焰探測電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。紫外光敏管R2868輸出信號(hào)特性中。該傳感器在沒有探測到火焰時(shí)有背景噪聲輸出，但是脈沖數(shù)極少，脈沖間隔大于10s。當(dāng)傳感器探測到火焰的紫外光時(shí)，輸出脈沖會(huì)隨著光線強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，在光強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，輸出脈沖數(shù)呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，此時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)呈規(guī)律變化，電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)個(gè)數(shù)大于N值時(shí)，則判斷為有效火焰信號(hào)。

由于設(shè)計(jì)中傳感器工作電壓為300V，單片機(jī)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(jì)采用成熟可靠的隔離電壓升壓模塊實(shí)現(xiàn)5V到300V的升壓功能。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過IN4733穩(wěn)壓二極管，將輸出脈沖信號(hào)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(hào)為尖峰脈沖，設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路對(duì)脈沖進(jìn)行整形，升壓電路輸出的傳感器尖峰脈沖信號(hào)由CD4093施密特觸發(fā)器整形方波信號(hào)送給十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4017，該芯片對(duì)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果送給單片機(jī)進(jìn)行判斷，如果方波個(gè)數(shù)滿足N個(gè)，則認(rèn)為探測到火焰，否則認(rèn)為正常。

2.2 控制器模塊

本設(shè)計(jì)選用STC公司的STC89C51單片機(jī)，可以工作的最小系統(tǒng)由單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。復(fù)位電路是在單片機(jī)上電工作時(shí)首先進(jìn)行復(fù)位，上電后開始工作時(shí)，程序需要從指定的位置開始運(yùn)行，單片機(jī)的上電復(fù)位功能保證每次上電后，單片機(jī)程序都會(huì)從同樣的位置開始運(yùn)行。晶振電路則是給單片機(jī)提供一個(gè)工作的時(shí)鐘，單片機(jī)里的所有程序都按照這樣的一個(gè)時(shí)鐘協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作。

單片機(jī)復(fù)位電路的作用在單片機(jī)上電時(shí)，保證程序從指定位置開始運(yùn)行。電路的工作原理是通過復(fù)位引腳的電阻電容充放電[7]，在單片機(jī)的RST復(fù)位上產(chǎn)生一個(gè)大于2 uS的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

單片機(jī)晶振電路是在單片機(jī)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(jī)提供工作頻率。

2.3 云臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊

選用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的H橋驅(qū)動(dòng)功能。該芯片為雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，工作電壓+5V～+35V，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)2A，電機(jī)正反轉(zhuǎn)由芯片輸入邏輯控制。將L298N的3個(gè)控制信號(hào)與單片機(jī)相連，根據(jù)邏輯表進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。需要注意的是，在L298N的輸出端，需要有4個(gè)鉗位二極管，這是由于電機(jī)線圈在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中兩邊會(huì)產(chǎn)生反電勢，會(huì)對(duì)L298形成影響，非常有可能造成破損，更為致命的是對(duì)大于電源電壓和負(fù)電壓更容易對(duì)L298造成嚴(yán)重傷害，所以在每根線上都加上2個(gè)二極管（一般采用1N4007）進(jìn)行保護(hù)。

2.4 報(bào)警模塊

設(shè)計(jì)中的報(bào)警裝置，選擇使用蜂鳴器作為火警發(fā)生的聲音信號(hào)。當(dāng)探測器檢測到火焰之后，單片機(jī)的P2.5口輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響起。三級(jí)管這在電路中起到開關(guān)的作用，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的引腳輸出電流比較小,不能直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以需要選擇三極管當(dāng)做開關(guān)。

本裝置還設(shè)置了兩個(gè)發(fā)光二極管，用來指示當(dāng)前的工作狀態(tài)，以及火警的情況。報(bào)警裝置工作正常是綠燈常亮，當(dāng)有火警時(shí)，紅燈閃爍，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。兩個(gè)二極管由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，發(fā)光二極管需要串聯(lián)限流電阻，目的是為了保護(hù)發(fā)光二極管。

報(bào)警電路設(shè)計(jì)有報(bào)警消除按鍵，在出現(xiàn)誤報(bào)警或者險(xiǎn)情解除后，需要按下報(bào)警消除按鍵關(guān)閉聲光報(bào)警繼續(xù)監(jiān)測火警。消除按鍵采用獨(dú)立按鍵，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過中斷服務(wù)程序來消除報(bào)警，退出中斷后繼續(xù)進(jìn)行檢測。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

根據(jù)火焰探測的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將主流程設(shè)計(jì)為云臺(tái)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)程序，開始工作后，對(duì)云臺(tái)進(jìn)行初始化，由停止?fàn)顟B(tài)切換到制動(dòng)狀態(tài)并且回歸零位[10]，然后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)云臺(tái)循環(huán)360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將火焰?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲆酝獠恐袛嗟男问揭雴纹瑱C(jī)，當(dāng)傳感器探測到火焰時(shí)，主程序進(jìn)入中斷，在中斷內(nèi)對(duì)火焰信號(hào)進(jìn)行判斷，如果是零星的脈沖信號(hào)，則認(rèn)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(hào)，則認(rèn)為是火焰信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警處理并一直定在報(bào)警狀態(tài)等待報(bào)警消除。當(dāng)報(bào)警消除后，跳出中斷，主程序驅(qū)動(dòng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)進(jìn)行火焰探測。

3.1 主程序流程

主程序包含了單片機(jī)的初始化、電機(jī)的初始化等。主程序的各個(gè)部分共同完成了火焰的判斷及報(bào)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(hào)處理方法，針對(duì)傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警探測器存在的問題，提出了新的基于云臺(tái)的360°探測方式，設(shè)計(jì)了基于紫外云臺(tái)的火警自助報(bào)警裝置，提高了火焰探測的范圍及產(chǎn)品的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)針對(duì)傳感器輸出信號(hào)特征，設(shè)計(jì)了基于門電路的信號(hào)整形、計(jì)數(shù)電路，可以很好地將傳感器輸出的尖脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的方波信號(hào)，從一定程度上講具備了一定的創(chuàng)新性。

本設(shè)計(jì)的報(bào)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(kuò)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(shí)用性。