一種點式煙溫氣復合火災探測器的設計

邱志剛

摘要：文中提出了一種基于單片機的點式煙溫氣復合探測器設計方案。通過單片機、ADA4505運放電路、 CE-2氣體傳感器、煙感傳感器電路，該設計可實現對探測區域內的火災產生的煙霧、溫度和一氧化碳濃度數據的采集和聲光報警處理。同時本設計可以自動進行設備自檢，一旦自身產生故障，便可通過聲光報警裝置進行故障報警，提醒用戶及時采取相應措施。

關鍵詞： ADA4505；ME2-CO；低功耗；一致性

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0252-03

1 探測器的組成及工作原理

本設計根據復合探測功能、低功耗、小型化、實時檢測等要求，充分利用接口資源豐富的STM8S103F3單片機及其外圍信號處理電路完成對溫度傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳氣體傳感器的數據采集及火災報警處理。探測器組成框圖如圖1所示。

探測器的工作原理是：火災發生時，煙霧傳感器和CO傳感器的電路輸出端產生一個微弱的電信號，溫度傳感器電路輸出端產生一個0～3V的電壓信號，微弱的電信號經過運算放大電路轉換成單片機所需要的0～3V電壓信號，單片機通過自身的8路AD轉換器將采集到的各類數據進行轉換，即可獲得所需數據。當測得的值超過預先設定的值時，由單片機控制進行聲光報警，從而完成火災探測報警功能。

2 功能單元介紹

2.1 ME2-CO氣體傳感器模塊

ME2-CO 型電化學元件根據電化學的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學氧化過程，待測氣體電化學反應所產生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。特點：低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬、抗干擾能力強、優異的重復性和穩定性，是一款適合多種應用的低成本傳感器。

2.2 煙霧傳感器和溫度傳感器

如圖2，該探測器的檢測室內也裝有紅外發射、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射二極管發出的光的，因而不產生光電流。在發生火災時，當煙霧進入檢測室時，由于煙粒子的作用，使紅外發射二極管發射的光產生漫射，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生變化，產生光電流，從而實現了煙霧信號轉變為電信號的功能。

溫度傳感器采用MF52-10k，該傳感器測溫范圍：-55～125度，其它設計參數如下表。

2.3 信號處理放大器

本設計為電池供電，低功耗的器件選擇是其設計的關鍵。CO和煙霧信號處理電路采用了ADA4505放大器，該運放可采用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，每個低成本放大器的工作電源電流小于10uA，可實現軌到軌輸入輸出、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將電源電壓引起的誤差降至最低，甚至對于軌對軌 運算放大器仍可保持較高的CMRR。信號處理電路對光電流進行調理放大，輸出相應的電壓信號到單片機AD端口，單片機根據收到信號判斷火情，并發出報警信號。其關鍵技術參數下表。

3 關鍵硬件電路設計

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，進一步拓展工作電壓范圍（低至0.9V），同時確保數字I/O與模擬部分工作在高阻抗下，低阻抗工作回路使用MOS管開關電路避免靜態消耗，所以選用SI2031 MOS管進行開關傳感器測量電路的供電電路，使整個測量電路在非測量狀態下，處于極小的靜態電流消耗，傳感器的電源電路如圖3。

3.2 CO信號處理電路

如圖4 ，CO傳感器電流信號通過ADA4505電路放大處理轉換成電壓信號，通過單片機AD采樣端口轉換成12位的數字信號，經試驗測試，獲得換算公式，從而計算出CO的濃度數值。

3.3 煙霧信號處理電路

煙霧傳感器輸出報警電路電流為uA級，本電路采用二級放大，放大倍數約為2000倍，同時采用了零柵壓漏電為uA級的SI2301 MOS管，來降低這個測量電路的靜態電流。

3.4 溫度測量電路

為了更好的降低功耗，對溫度測量電路的供電電源實行即時控制，即測量失接通電源，這里采用了零柵壓漏電為uA級的SI2301 MOS管。

4 軟件程序設計

系統采用C語言進行程序設計，大大提高了開發調試工作的效率，同時，所產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模塊進行協調處理和實現數據交互。

低功耗的設計不僅僅體現在硬件電路上，還體現在軟件設計上。要充分考慮在非工作狀態下，減少各測量電路的靜態功耗，使單片機系統進入深度睡眠狀態；要選用合理有效的工作機制。

主程序模塊首先完成初始化工作，初始化后進入循環處理，在主程序中主要進行定時器、引腳功能配置及測試模式按鍵檢測。傳感器數據采集主要是通過定時器周期中斷進行，并將數據進行處理。該設計選用兩種模式：工作模式和測試模式。主程序首先讀取FLASH里面的溫度、煙霧、一氧化碳報警門限，并在測試模式中可以通過串口進行門限值修改，在有報警標志的情況下啟動聲光報警器。在定時中斷程序中，主要完成傳感器數據的采集、設置報警標志等相關數據處理。軟件流程圖如下圖7所示。

5 驗證

該復合探測器的性能驗證主要是針對煙霧和CO的檢測性能檢驗，尤其是穩定的一致性是該產品設計的關鍵。這里就重點介紹一下該煙溫氣復合火災探測器對不同試驗火進行報警響應的一致性性能，使用2臺樣機，先后進行了SH2標準火和SH4標準火的測試，具體測試內容見表4。

根據GB4715-2005點型煙感火災探測器標準，選擇了尺寸為長10m、寬8m、高4m的燃燒實驗室。火源設置在地面中心處，探測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 正庚烷火作為試驗火，依據國標進行燃燒火試驗，獲得A，B樣機在兩種試驗火種的試驗數據的一致性如圖8。

其次，低功耗是本設計的另一個關鍵。這里選用2節1.5V AA 提供2600mAh電量；經測算該電路平均工作電流為120uA，滿足項目提出的12月的電池供電設計要求。

6 結論

經過一系列測試，驗證本探測器已基本達到設計目標：低功耗，可使用節1.5V AA電池工作1年；煙霧與一氧化碳傳感器可在火災發生條件下正確動作，并有具有良好的一致性。該設計已經被應用在2個苛刻環境要求的項目上，得到了充分的應用驗證，對于應用在家裝領域中的獨立式煙溫氣復合探測器產品開發具有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1] 王殊，竇征.一氧化碳、光電感煙和感溫三復合火災探測器[J].消防技術與產品信息，2000（7）：33-35.

[2] 劉軒，劉士興.總線式煙溫復合火災探測器[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2010，33（7）：1094-1098.endprint