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火灾探测器的硬件电路设计

作者:时间:2019-01-03来源:网络收藏

  在火灾自动报警系统中,光电感烟探测器是重要的火灾探测设备,其肩负着现场火情状况的实时监测、及时发现并向火灾报警控制器上传火警信息的作用。其工作原理是利用了烟雾对光的散射作用(光源通常选择近红外器件,技术成熟,价格便宜),通过接收某一角度上的散射光的强弱来探测是否有烟雾颗粒进入,在接收端经过光电转换、滤波、放大、模数转换等处理,从而将烟雾浓度的模拟变化转换成数字量,交由单片机进行处理。当烟雾浓度增大到设定值时,探测器报警。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201901/396290.htm

  在笔者参与的项目中,要求开发一套基于总线式工作的火灾自动报警系统。在该系统中,总线采用一主多从的拓扑结构。火灾报警控制器作为主机,若干探测器作为总线上的节点,主机通过总线与众多节点按照特定的协议进行通讯,同时给节点供电。

  基于以上的总线通讯需求及光电感烟的基本原理,在电路设计时,串行通讯口、运放和模数转换器是必不可少的。其次当需要对红外发射进行调制时,最好具有PWM输出功能,否则就只能用定时器来模拟,但定时器模拟的PWM在有总线通讯需求时又无法正常工作。

  综合以上需求并结合项目的成本规划,在器件选型时,作者选用了瑞萨电子的UPD79F7024芯片作为主控。该芯片内部高速时钟主频可到4MHz,并具有UART口,可满足总线通讯对通讯速率和收发码接口的需要。为将功耗降到最低,通常在绝大部分的运行时间内应处在SLEEP模式下,当需要通讯或执行检测任务时再醒来全速运行。uPD79F7024内部具有240KHz低速时钟和H1定时器,在SLEEP模式下仍会运行,通过H1定时中断可以非常方便地将从SLEEP模式唤醒。

  另外,UPD79F7024内部具有16位高速定时器TM00,可配置成PWM输出模式,用于对红外发射的PWM调制。内部集成5通道8位分辨率的AD转换器和2路运算放大器,节省了外置运放的成本。运放输出端内部直接连接AD转换的输入通道,避免外部干扰。

  

  图1:硬件组成框图

  总线通讯和供电

  该部分电路主要由总线信号无极性转换桥D3、专用总线通讯芯片D1及一些保护电路组成,具体组成电路如图2所示。总线信号通过D3、D1进行转换和解调,解调出的信号输入UPD79F7024单片机的RXD脚,在单片机内部将UART配置为中断接收,在中断服务子程序中按字节收取总线码元。UPD79F7024单片机的UART字节回码信号通过TXD脚输入到D1,经调制后送回总线。为避免总线信号的时序延迟,D3应选用开关速度较快的快恢复二极管。保护电路方面,采用了热敏电阻和瞬态抑制二极管对总线入口进行保护,可以分别防护总线错接AC220V和浪涌电压。

  

  图2:总线通讯和供电电路

  MCU及外围电路

  

  图3:MCU及外围电路

  主控单元MCU及其外围电路的设计,按照UPD79F7024规格书中的说明连接即可。

  烟雾采样电路

  采样电路分为两部分,红外发射电路和红外信号接收及放大电路,如图4、5所示。采样时,UPD79F7024的TM00配置为PWM模式,将信号按一定的占空比通过其IR-T脚输出,去控制三极管VT1的导通和截止,使红外发射管VD2发射红外信号,通过调节PWM占空比可控制红外发射强度。由于红外发射功率较大(几百毫安),故发射时间不宜过长(避免引起功耗的增大),根据红外接收管的特性,通常开启50~100us即可。为保证发射光强的稳定,红外发射应设计成恒流电路,如图4。当VT1导通时,基极所加电压为5V,设流过VD2的发射电流为I,VD2前向压降为Vf,则有5V-0.7V=I*R5+Vf,根据红外接收管规格书,选配合适的限流电阻R5即可。

  VD2发射的红外信号被接收管VD3接收,经取样电阻R7,被转换为微弱的电压信号,再由UPD79F7024内置的运放放大。将UPD79F7024的2通道运放设计成级联形式,构成两级交流负反馈放大电路。后级运放输出内部直接连8位AD转换器,其采样范围为0-5V,满幅输出255,每个AD字为19.5mv。经光电转换后的运放输入信号约为2-3mv,设定放大倍数330倍,放大后即780mv(40AD字),比较便于程序处理。

  

  图4:红外发射电路

  

  图5:红外接收和放大电路

  工作状态指示

  

  图6:状态指示电路

  工作状态指示部分通过LED指示灯来表示。LED周期性闪亮时表示探测器正常工作,常亮时表示探测器报警。该电路通过反激式电感驱动LED,可以简单的通过UPD79F7024的LED_C脚定时输出高低翻转的电平信号来控制MOS管VM1。当VM1导通时,电路对电感充电储能,此时由于LED反接而不会导通;当VM1关断时,电感产生反向感应电动势,其储存的能量通过LED续流放电,实现点灯。该驱动方法与传统的I/O口直接驱动相比,由于没有串联限流电阻,所以效率较高。



关键词: 火灾探测器 MCU

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