一种点式烟温气复合火灾探测器的设计

邱志刚

摘要：文中提出了一种基于单片机的点式烟温气复合探测器设计方案。通过单片机、ADA4505运放电路、 CE-2气体传感器、烟感传感器电路，该设计可实现对探测区域内的火灾产生的烟雾、温度和一氧化碳浓度数据的采集和声光报警处理。同时本设计可以自动进行设备自检，一旦自身产生故障，便可通过声光报警装置进行故障报警，提醒用户及时采取相应措施。

关键词： ADA4505；ME2-CO；低功耗；一致性

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）01-0252-03

1 探测器的组成及工作原理

本设计根据复合探测功能、低功耗、小型化、实时检测等要求，充分利用接口资源丰富的STM8S103F3单片机及其外圍信号处理电路完成对温度传感器、烟雾传感器、一氧化碳气体传感器的数据采集及火灾报警处理。探测器组成框图如图1所示。

探测器的工作原理是：火灾发生时，烟雾传感器和CO传感器的电路输出端产生一个微弱的电信号，温度传感器电路输出端产生一个0～3V的电压信号，微弱的电信号经过运算放大电路转换成单片机所需要的0～3V电压信号，单片机通过自身的8路AD转换器将采集到的各类数据进行转换，即可获得所需数据。当测得的值超过预先设定的值时，由单片机控制进行声光报警，从而完成火灾探测报警功能。

2 功能单元介绍

2.1 ME2-CO气体传感器模块

ME2-CO 型电化学元件根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程，待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。特点：低功耗、高精度、高灵敏度、线性范围宽、抗干扰能力强、优异的重复性和稳定性，是一款适合多种应用的低成本传感器。

2.2 烟雾传感器和温度传感器

如图2，该探测器的检测室内也装有红外发射、接收二极管。在正常情况下，红外接收二极管是接收不到红外发射二极管发出的光的，因而不产生光电流。在发生火灾时，当烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使红外发射二极管发射的光产生漫射，这种漫射光被受红外接收二极管接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了烟雾信号转变为电信号的功能。

温度传感器采用MF52-10k，该传感器测温范围：-55～125度，其它设计参数如下表。

2.3 信号处理放大器

本设计为电池供电，低功耗的器件选择是其设计的关键。CO和烟雾信号处理电路采用了ADA4505放大器，该运放可采用1.8V至5V单电源供电，具有出色的电源抑制比和共模抑制比，每个低成本放大器的工作电源电流小于10uA，可实现轨到轨输入输出、零输入交叉失真和极低的偏置电流，该放大器可以在电池寿命期内将电源电压引起的误差降至最低，甚至对于轨对轨 运算放大器仍可保持较高的CMRR。信号处理电路对光电流进行调理放大，输出相应的电压信号到单片机AD端口，单片机根据收到信号判断火情，并发出报警信号。其关键技术参数下表。

3 关键硬件电路设计

3.1 3.3v电源电路及低功耗控制电路

该电路选用低功耗的HT7133电源模块， 使用PFM升压电路，进一步拓展工作电压范围（低至0.9V），同时确保数字I/O与模拟部分工作在高阻抗下，低阻抗工作回路使用MOS管开关电路避免静态消耗，所以选用SI2031 MOS管进行开关传感器测量电路的供电电路，使整个测量电路在非测量状态下，处于极小的静态电流消耗，传感器的电源电路如图3。

3.2 CO信号处理电路

如图4 ，CO传感器电流信号通过ADA4505电路放大处理转换成电压信号，通过单片机AD采样端口转换成12位的数字信号，经试验测试，获得换算公式，从而计算出CO的浓度数值。

3.3 烟雾信号处理电路

烟雾传感器输出报警电路电流为uA级，本电路采用二级放大，放大倍数约为2000倍，同时采用了零栅压漏电为uA级的SI2301 MOS管，来降低这个测量电路的静态电流。

3.4 温度测量电路

为了更好的降低功耗，对温度测量电路的供电电源实行即时控制，即测量失接通电源，这里采用了零栅压漏电为uA级的SI2301 MOS管。

4 软件程序设计

系统采用C语言进行程序设计，大大提高了开发调试工作的效率，同时，所产生的文档资料也容易理解，便于移植主程序模块主要是将各个模块进行协调处理和实现数据交互。

低功耗的设计不仅仅体现在硬件电路上，还体现在软件设计上。要充分考虑在非工作状态下，减少各测量电路的静态功耗，使单片机系统进入深度睡眠状态；要选用合理有效的工作机制。

主程序模块首先完成初始化工作，初始化后进入循环处理，在主程序中主要进行定时器、引脚功能配置及测试模式按键检测。传感器数据采集主要是通过定时器周期中断进行，并将数据进行处理。该设计选用两种模式：工作模式和测试模式。主程序首先读取FLASH里面的温度、烟雾、一氧化碳报警门限，并在测试模式中可以通过串口进行门限值修改，在有报警标志的情况下启动声光报警器。在定时中断程序中，主要完成传感器数据的采集、设置报警标志等相关数据处理。软件流程图如下图7所示。

5 验证

该复合探测器的性能验证主要是针对烟雾和CO的检测性能检验，尤其是稳定的一致性是该产品设计的关键。这里就重点介绍一下该烟温气复合火灾探测器对不同试验火进行报警响应的一致性性能，使用2台样机，先后进行了SH2标准火和SH4标准火的测试，具体测试内容见表4。

根据GB4715-2005点型烟感火灾探测器标准，选择了尺寸为长10m、宽8m、高4m的燃烧实验室。火源设置在地面中心处，探测器安装在以顶棚中心为圆心，半径3m的圆弧上。分别采用SH2 棉绳阴燃火和SH4 正庚烷火作为试验火，依据国标进行燃烧火试验，获得A，B样机在两种试验火种的试验数据的一致性如图8。

其次，低功耗是本设计的另一个关键。这里选用2节1.5V AA 提供2600mAh电量；经测算该电路平均工作电流为120uA，满足项目提出的12月的电池供电设计要求。

6 结论

经过一系列测试，验证本探测器已基本达到设计目标：低功耗，可使用节1.5V AA电池工作1年；烟雾与一氧化碳传感器可在火灾发生条件下正确动作，并有具有良好的一致性。该设计已经被应用在2个苛刻环境要求的项目上，得到了充分的应用验证，对于应用在家装领域中的独立式烟温气复合探测器产品开发具有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1] 王殊，窦征.一氧化碳、光电感烟和感温三复合火灾探测器[J].消防技术与产品信息，2000（7）：33-35.

[2] 刘轩，刘士兴.总线式烟温复合火灾探测器[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（7）：1094-1098.endprint