火災(zāi)探測器的硬件電路設(shè)計

　　在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中，光電感煙探測器是重要的火災(zāi)探測設(shè)備，其肩負(fù)著現(xiàn)場火情狀況的實時監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)并向火災(zāi)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(shù)成熟，價格便宜)，通過接收某一角度上的散射光的強(qiáng)弱來探測是否有煙霧顆粒進(jìn)入，在接收端經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，從而將煙霧濃度的模擬變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，交由單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)煙霧濃度增大到設(shè)定值時，探測器報警。

　　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(zāi)自動報警系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，總線采用一主多從的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。火災(zāi)報警控制器作為主機(jī)，若干探測器作為總線上的節(jié)點，主機(jī)通過總線與眾多節(jié)點按照特定的協(xié)議進(jìn)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(shè)計時，串行通訊口、運(yùn)放和模數(shù)轉(zhuǎn)換器是必不可少的。其次當(dāng)需要對紅外發(fā)射進(jìn)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(jié)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MCU。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MCU在絕大部分的運(yùn)行時間內(nèi)應(yīng)處在SLEEP模式下，當(dāng)需要通訊或執(zhí)行檢測任務(wù)時再醒來全速運(yùn)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(yùn)行，通過H1定時中斷可以非常方便地將MCU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(zhuǎn)換器和2路運(yùn)算放大器，節(jié)省了外置運(yùn)放的成本。運(yùn)放輸出端內(nèi)部直接連接AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換橋D3、專用總線通訊芯片D1及一些保護(hù)電路組成，具體組成電路如圖2所示?？偩€信號通過D3、D1進(jìn)行轉(zhuǎn)換和解調(diào)，解調(diào)出的信號輸入UPD79F7024單片機(jī)的RXD腳，在單片機(jī)內(nèi)部將UART配置為中斷接收，在中斷服務(wù)子程序中按字節(jié)收取總線碼元。UPD79F7024單片機(jī)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(yīng)選用開關(guān)速度較快的快恢復(fù)二極管。保護(hù)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(jìn)行保護(hù)，可以分別防護(hù)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(shè)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)的穩(wěn)定，紅外發(fā)射應(yīng)設(shè)計成恒流電路，如圖4。當(dāng)VT1導(dǎo)通時，基極所加電壓為5V，設(shè)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(zhuǎn)換為微弱的電壓信號，再由UPD79F7024內(nèi)置的運(yùn)放放大。將UPD79F7024的2通道運(yùn)放設(shè)計成級聯(lián)形式，構(gòu)成兩級交流負(fù)反饋放大電路。后級運(yùn)放輸出內(nèi)部直接連8位AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的運(yùn)放輸入信號約為2-3mv，設(shè)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?xí)r表示探測器正常工作，常亮?xí)r表示探測器報警。該電路通過反激式電感驅(qū)動LED，可以簡單的通過UPD79F7024的LED_C腳定時輸出高低翻轉(zhuǎn)的電平信號來控制MOS管VM1。當(dāng)VM1導(dǎo)通時，電路對電感充電儲能，此時由于LED反接而不會導(dǎo)通;當(dāng)VM1關(guān)斷時，電感產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢，其儲存的能量通過LED續(xù)流放電，實現(xiàn)點燈。該驅(qū)動方法與傳統(tǒng)的I/O口直接驅(qū)動相比，由于沒有串聯(lián)限流電阻，所以效率較高。