李歡

(西安科技大學高新學院信息與科技工程學院，陜西西安，710109)

0 引言

近年來，主動式火災報警器在國外已經非常成熟的被應用在各類場所。起初，火災報警系統(tǒng)多采用紅外探測原理，利用了火焰燃燒時外焰的紅外輻射特性，但由于生活中存在太多的紅外干擾，容易造成紅外探測傳感器的誤判，導致做出錯誤的提示?；鹁l(fā)生時，多伴隨著煙霧，溫度的變化，不同的環(huán)境、不同的燃燒物、火焰的燃燒成分、煙霧粒的組成，不僅溫度的遍布范圍和光譜的氣體成分都是不同的，根據(jù)燃燒物的不同，火焰光譜成分也各不相同，使用不同的光電傳感器構建復合波段火焰探測器已經成為目前火災探測技術的發(fā)展方向。所以，近年來更多的火災報警系統(tǒng)都是基于紫外或者紅外加紫外的方式進行探測，既提高了探測的準確性，又適用于各種環(huán)境復雜的場所。

本設計的意義在于設計一種成本較低，探測范圍較大，響應速度較快的火焰探測自助報警裝置，能夠提早的發(fā)現(xiàn)險情，給人們及時的報警，對減少火災損失具有現(xiàn)實意義。

1 總體設計

根據(jù)火焰的輻照特性，它是氣體輻照（離散光譜特性）和固體輻照（連續(xù)光譜）的一個綜合特性，其波長在0.1-10μm或更寬的范圍，為了避免其他的光譜干擾，常利用波長小于300nm的輻照光譜，或者4.4μm的輻照光譜作為探測信號。前者為紫外火焰探測器，后者就為紅外火焰探測器。目前常見的紫外線傳感器，光譜響應范圍多在85nm～260nm范圍，對其它頻譜光線不會有靈敏的反應，利用這一點可以對包含在火焰中的紫外成分進行提前探測。

紫外火焰探測技術，使系統(tǒng)避開了最強大的自然光源——太陽造成的復雜背景，使得在系統(tǒng)中信息處理的負擔大為減輕。所以可靠性較高，加之它是光子檢測手段，因而信噪比高，具有極微弱信號檢測能力，除此以外，它還具有反應時間快的特點。與紅外探測器相比，紫外探測器更為可靠，且具有高靈敏度、高輸出、高響應速度和應用線路簡單等特點。

1.1 紫外火焰探測原理

紫外光電管是紫外火焰探測器的核心部分，它能夠對185～260nm波段的紫外線做出響應，而對其它波段內的光譜不響應。圖1為紫外光電管工作原理[1]，它是由一種特殊玻璃構成的封閉玻璃管，里面充滿了惰性氣體。其內部由兩個電極構成：陽極和光電陰極。通過外部升壓電路，將直流低電壓轉變?yōu)楦唠妷汉?，加在紫外光電管的陽極和光電陰極之間，在兩個電極之間形成較大電場，在紫外光線的作用下，光電陰極出現(xiàn)“光電發(fā)射效應”，即光電陰極的電子逸出金屬表面向陽極發(fā)射光電子，光電子高速撞擊周圍的惰性氣體分子，形成大量的帶電粒子，繼續(xù)撞擊，繼續(xù)釋放，經過這樣循環(huán)的過程，使其產生相應的放電電流，從而形成“反饋電壓”。

該傳感器的波長響應曲線[2]具備從185nm～260nm的很窄的靈敏度寬度，并且對可見光完全不敏感。其工作原理是利用了金屬的光電效應和氣體放電的電流倍增效應，可以獲得很高的靈敏度和足夠大的輸出信號，從而通過電路就可以實現(xiàn)高靈敏度和迅速響應的紫外探測。該傳感器能可靠地探測火焰的微弱紫外發(fā)光，被廣泛應用在火焰探測、火警識別等監(jiān)控設備中。

1.2 云臺驅動原理

為了提高火焰探測的范圍，設計轉動云臺，并將整體探測電路安裝在云臺上，使火焰探測具備360°無死角的探測范圍。旋轉云臺的實現(xiàn)方法很多，目前較為成熟的驅動方式主要有直流電機、伺服電機和舵機，三種方式各有優(yōu)點。為了實現(xiàn)自由旋轉，同時探測電路重量較輕，選用直流電機的驅動方式。

電路由4個三極管組成，要使電機運轉，只需要在同一時刻導通對角線上的一對三極管。根據(jù)各不相同三極管對的導通與否，電流也許會由左邊或右邊向相反方向流過電機，并以這種方式控制電機的轉向。

1.3 系統(tǒng)總體方案設計

通過對紫外火焰探測原理及云臺驅動原理的分析，結合單片機控制技術，本課題總結方案設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

系統(tǒng)由單片機控制模塊、紫外探測模塊、云臺驅動模塊和聲光報警模塊構成。

單片機控制模塊的功能是驅動云臺旋轉，同時對外部環(huán)境進行探測，是否發(fā)現(xiàn)火情，當探測到火焰后，鎖定云臺，進行聲光報警。

紫外探測模塊的功能是對當前視場范圍內的環(huán)境進行火焰探測，將5 V低壓電源轉換為傳感器使用的高壓電源，將傳感器輸出的探測信號進行處理后送給單片機。

云臺驅動模塊實現(xiàn)直流電機驅動，將單片機輸出的低電壓、小電流驅動信號進行放大，同時產生符合直流電機工作要求的H橋驅動信號。

聲光報警電路則是在報警裝置發(fā)現(xiàn)火情后，發(fā)出聲音及燈光報警，提醒用戶處置。

2 硬件部分設計

2.1 紫外火焰探測電路的設計

根據(jù)本設計所選用的紫外光電管技術指標以及光電管輸出信號特性對紫外火焰探測電路進行設計。紫外光敏管R2868輸出信號特性中。該傳感器在沒有探測到火焰時有背景噪聲輸出，但是脈沖數(shù)極少，脈沖間隔大于10s。當傳感器探測到火焰的紫外光時，輸出脈沖會隨著光線強度的增強而增加，在光強達到一定程度時，輸出脈沖數(shù)呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，此時的脈沖個數(shù)呈規(guī)律變化，電路設計時考慮對一定時間內的脈沖進行計數(shù)，當個數(shù)大于N值時，則判斷為有效火焰信號。

由于設計中傳感器工作電壓為300V，單片機工作電壓為5V，從5V升壓到300V，可以采用變壓器方式。本設計采用成熟可靠的隔離電壓升壓模塊實現(xiàn)5V到300V的升壓功能。傳感器輸出信號經過IN4733穩(wěn)壓二極管，將輸出脈沖信號限制在5V，保證后續(xù)電路正常工作。

傳感器探測到火焰后輸出信號為尖峰脈沖，設計信號轉換電路對脈沖進行整形，升壓電路輸出的傳感器尖峰脈沖信號由CD4093施密特觸發(fā)器整形方波信號送給十進制計數(shù)器CD4017，該芯片對方波進行計數(shù)，計數(shù)結果送給單片機進行判斷，如果方波個數(shù)滿足N個，則認為探測到火焰，否則認為正常。

2.2 控制器模塊

本設計選用STC公司的STC89C51單片機，可以工作的最小系統(tǒng)由單片機、晶振電路和復位電路構成。復位電路是在單片機上電工作時首先進行復位，上電后開始工作時，程序需要從指定的位置開始運行，單片機的上電復位功能保證每次上電后，單片機程序都會從同樣的位置開始運行。晶振電路則是給單片機提供一個工作的時鐘，單片機里的所有程序都按照這樣的一個時鐘協(xié)調統(tǒng)一工作。

單片機復位電路的作用在單片機上電時，保證程序從指定位置開始運行。電路的工作原理是通過復位引腳的電阻電容充放電[7]，在單片機的RST復位上產生一個大于2 uS的高電平即可實現(xiàn)復位。

單片機晶振電路是在單片機XTAL1和XTAL2引腳之間接入晶體振蕩器Y1以及起振電容，從而形成穩(wěn)定的自激振蕩，給單片機提供工作頻率。

2.3 云臺驅動模塊

選用集成電機驅動芯片L298N實現(xiàn)直流電機的H橋驅動功能。該芯片為雙H橋直流電機驅動芯片，工作電壓+5V～+35V，驅動電流可達2A，電機正反轉由芯片輸入邏輯控制。將L298N的3個控制信號與單片機相連，根據(jù)邏輯表進行控制，即可實現(xiàn)直流電機的正轉、反轉和制動。需要注意的是，在L298N的輸出端，需要有4個鉗位二極管，這是由于電機線圈在運轉過程中兩邊會產生反電勢，會對L298形成影響，非常有可能造成破損，更為致命的是對大于電源電壓和負電壓更容易對L298造成嚴重傷害，所以在每根線上都加上2個二極管（一般采用1N4007）進行保護。

2.4 報警模塊

設計中的報警裝置，選擇使用蜂鳴器作為火警發(fā)生的聲音信號。當探測器檢測到火焰之后，單片機的P2.5口輸出高電平，三極管導通，蜂鳴器響起。三級管這在電路中起到開關的作用，因為單片機的引腳輸出電流比較小,不能直接驅動蜂鳴器，所以需要選擇三極管當做開關。

本裝置還設置了兩個發(fā)光二極管，用來指示當前的工作狀態(tài)，以及火警的情況。報警裝置工作正常是綠燈常亮，當有火警時，紅燈閃爍，實現(xiàn)聲光報警功能。兩個二極管由單片機直接驅動，發(fā)光二極管需要串聯(lián)限流電阻，目的是為了保護發(fā)光二極管。

報警電路設計有報警消除按鍵，在出現(xiàn)誤報警或者險情解除后，需要按下報警消除按鍵關閉聲光報警繼續(xù)監(jiān)測火警。消除按鍵采用獨立按鍵，在程序設計時，可以通過中斷服務程序來消除報警，退出中斷后繼續(xù)進行檢測。

3 軟件部分設計

根據(jù)火焰探測的特點，本設計將主流程設計為云臺旋轉驅動程序，開始工作后，對云臺進行初始化，由停止狀態(tài)切換到制動狀態(tài)并且回歸零位[10]，然后進入循環(huán)狀態(tài)，驅動云臺循環(huán)360°旋轉，同時將火焰?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲆酝獠恐袛嗟男问揭雴纹瑱C，當傳感器探測到火焰時，主程序進入中斷，在中斷內對火焰信號進行判斷，如果是零星的脈沖信號，則認為是背景噪聲，退出中斷，繼續(xù)旋轉探測，如果是周期的脈沖信號，則認為是火焰信號，系統(tǒng)進行報警處理并一直定在報警狀態(tài)等待報警消除。當報警消除后，跳出中斷，主程序驅動云臺旋轉，繼續(xù)進行火焰探測。

3.1 主程序流程

主程序包含了單片機的初始化、電機的初始化等。主程序的各個部分共同完成了火焰的判斷及報警工作。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 結論與展望

根據(jù)紫外火焰探測傳感器的工作原理和信號處理方法，針對傳統(tǒng)火災報警探測器存在的問題，提出了新的基于云臺的360°探測方式，設計了基于紫外云臺的火警自助報警裝置，提高了火焰探測的范圍及產品的實用性。本設計針對傳感器輸出信號特征，設計了基于門電路的信號整形、計數(shù)電路，可以很好地將傳感器輸出的尖脈沖信號轉換為單片機可以識別的方波信號，從一定程度上講具備了一定的創(chuàng)新性。

本設計的報警功能還有可以提高的地方。比如：添加感應溫度的傳感器，通過多傳感器融合技術判斷火災，增加裝置的靈敏度，擴大檢測范圍，加裝滅火功能等。用這樣的方式來提高器件的實用性。