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火災探測器的硬件電路設計

作者: 時間:2019-01-03 來源:網(wǎng)絡 收藏

  在火災自動報警系統(tǒng)中,光電感煙探測器是重要的火災探測設備,其肩負著現(xiàn)場火情狀況的實時監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)并向火災報警控制器上傳火警信息的作用。其工作原理是利用了煙霧對光的散射作用(光源通常選擇近紅外器件,技術成熟,價格便宜),通過接收某一角度上的散射光的強弱來探測是否有煙霧顆粒進入,在接收端經(jīng)過光電轉換、濾波、放大、模數(shù)轉換等處理,從而將煙霧濃度的模擬變化轉換成數(shù)字量,交由單片機進行處理。當煙霧濃度增大到設定值時,探測器報警。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201901/396290.htm

  在筆者參與的項目中,要求開發(fā)一套基于總線式工作的火災自動報警系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,總線采用一主多從的拓撲結構。火災報警控制器作為主機,若干探測器作為總線上的節(jié)點,主機通過總線與眾多節(jié)點按照特定的協(xié)議進行通訊,同時給節(jié)點供電。

  基于以上的總線通訊需求及光電感煙的基本原理,在電路設計時,串行通訊口、運放和模數(shù)轉換器是必不可少的。其次當需要對紅外發(fā)射進行調(diào)制時,最好具有PWM輸出功能,否則就只能用定時器來模擬,但定時器模擬的PWM在有總線通訊需求時又無法正常工作。

  綜合以上需求并結合項目的成本規(guī)劃,在器件選型時,作者選用了瑞薩電子的UPD79F7024芯片作為主控。該芯片內(nèi)部高速時鐘主頻可到4MHz,并具有UART口,可滿足總線通訊對通訊速率和收發(fā)碼接口的需要。為將功耗降到最低,通常在絕大部分的運行時間內(nèi)應處在SLEEP模式下,當需要通訊或執(zhí)行檢測任務時再醒來全速運行。uPD79F7024內(nèi)部具有240KHz低速時鐘和H1定時器,在SLEEP模式下仍會運行,通過H1定時中斷可以非常方便地將從SLEEP模式喚醒。

  另外,UPD79F7024內(nèi)部具有16位高速定時器TM00,可配置成PWM輸出模式,用于對紅外發(fā)射的PWM調(diào)制。內(nèi)部集成5通道8位分辨率的AD轉換器和2路運算放大器,節(jié)省了外置運放的成本。運放輸出端內(nèi)部直接連接AD轉換的輸入通道,避免外部干擾。

  

  圖1:硬件組成框圖

  總線通訊和供電

  該部分電路主要由總線信號無極性轉換橋D3、專用總線通訊芯片D1及一些保護電路組成,具體組成電路如圖2所示??偩€信號通過D3、D1進行轉換和解調(diào),解調(diào)出的信號輸入UPD79F7024單片機的RXD腳,在單片機內(nèi)部將UART配置為中斷接收,在中斷服務子程序中按字節(jié)收取總線碼元。UPD79F7024單片機的UART字節(jié)回碼信號通過TXD腳輸入到D1,經(jīng)調(diào)制后送回總線。為避免總線信號的時序延遲,D3應選用開關速度較快的快恢復二極管。保護電路方面,采用了熱敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管對總線入口進行保護,可以分別防護總線錯接AC220V和浪涌電壓。

  

  圖2:總線通訊和供電電路

  MCU及外圍電路

  

  圖3:MCU及外圍電路

  主控單元MCU及其外圍電路的設計,按照UPD79F7024規(guī)格書中的說明連接即可。

  煙霧采樣電路

  采樣電路分為兩部分,紅外發(fā)射電路和紅外信號接收及放大電路,如圖4、5所示。采樣時,UPD79F7024的TM00配置為PWM模式,將信號按一定的占空比通過其IR-T腳輸出,去控制三極管VT1的導通和截止,使紅外發(fā)射管VD2發(fā)射紅外信號,通過調(diào)節(jié)PWM占空比可控制紅外發(fā)射強度。由于紅外發(fā)射功率較大(幾百毫安),故發(fā)射時間不宜過長(避免引起功耗的增大),根據(jù)紅外接收管的特性,通常開啟50~100us即可。為保證發(fā)射光強的穩(wěn)定,紅外發(fā)射應設計成恒流電路,如圖4。當VT1導通時,基極所加電壓為5V,設流過VD2的發(fā)射電流為I,VD2前向壓降為Vf,則有5V-0.7V=I*R5+Vf,根據(jù)紅外接收管規(guī)格書,選配合適的限流電阻R5即可。

  VD2發(fā)射的紅外信號被接收管VD3接收,經(jīng)取樣電阻R7,被轉換為微弱的電壓信號,再由UPD79F7024內(nèi)置的運放放大。將UPD79F7024的2通道運放設計成級聯(lián)形式,構成兩級交流負反饋放大電路。后級運放輸出內(nèi)部直接連8位AD轉換器,其采樣范圍為0-5V,滿幅輸出255,每個AD字為19.5mv。經(jīng)光電轉換后的運放輸入信號約為2-3mv,設定放大倍數(shù)330倍,放大后即780mv(40AD字),比較便于程序處理。

  

  圖4:紅外發(fā)射電路

  

  圖5:紅外接收和放大電路

  工作狀態(tài)指示

  

  圖6:狀態(tài)指示電路

  工作狀態(tài)指示部分通過LED指示燈來表示。LED周期性閃亮時表示探測器正常工作,常亮時表示探測器報警。該電路通過反激式電感驅動LED,可以簡單的通過UPD79F7024的LED_C腳定時輸出高低翻轉的電平信號來控制MOS管VM1。當VM1導通時,電路對電感充電儲能,此時由于LED反接而不會導通;當VM1關斷時,電感產(chǎn)生反向感應電動勢,其儲存的能量通過LED續(xù)流放電,實現(xiàn)點燈。該驅動方法與傳統(tǒng)的I/O口直接驅動相比,由于沒有串聯(lián)限流電阻,所以效率較高。



關鍵詞: 火災探測器 MCU

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