紫外云台火警自助报警装置的设计

李欢

(西安科技大学高新学院信息与科技工程学院，陕西西安，710109)

0 引言

近年来，主动式火灾报警器在国外已经非常成熟的被应用在各类场所。起初，火灾报警系统多采用红外探测原理，利用了火焰燃烧时外焰的红外辐射特性，但由于生活中存在太多的红外干扰，容易造成红外探测传感器的误判，导致做出错误的提示。火警发生时，多伴随着烟雾，温度的变化，不同的环境、不同的燃烧物、火焰的燃烧成分、烟雾粒的组成，不仅温度的遍布范围和光谱的气体成分都是不同的，根据燃烧物的不同，火焰光谱成分也各不相同，使用不同的光电传感器构建复合波段火焰探测器已经成为目前火灾探测技术的发展方向。所以，近年来更多的火灾报警系统都是基于紫外或者红外加紫外的方式进行探测，既提高了探测的准确性，又适用于各种环境复杂的场所。

本设计的意义在于设计一种成本较低，探测范围较大，响应速度较快的火焰探测自助报警装置，能够提早的发现险情，给人们及时的报警，对减少火灾损失具有现实意义。

1 总体设计

根据火焰的辐照特性，它是气体辐照（离散光谱特性）和固体辐照（连续光谱）的一个综合特性，其波长在0.1-10μm或更宽的范围，为了避免其他的光谱干扰，常利用波长小于300nm的辐照光谱，或者4.4μm的辐照光谱作为探测信号。前者为紫外火焰探测器，后者就为红外火焰探测器。目前常见的紫外线传感器，光谱响应范围多在85nm～260nm范围，对其它频谱光线不会有灵敏的反应，利用这一点可以对包含在火焰中的紫外成分进行提前探测。

紫外火焰探测技术，使系统避开了最强大的自然光源——太阳造成的复杂背景，使得在系统中信息处理的负担大为减轻。所以可靠性较高，加之它是光子检测手段，因而信噪比高，具有极微弱信号检测能力，除此以外，它还具有反应时间快的特点。与红外探测器相比，紫外探测器更为可靠，且具有高灵敏度、高输出、高响应速度和应用线路简单等特点。

1.1 紫外火焰探测原理

紫外光电管是紫外火焰探测器的核心部分，它能够对185～260nm波段的紫外线做出响应，而对其它波段内的光谱不响应。图1为紫外光电管工作原理[1]，它是由一种特殊玻璃构成的封闭玻璃管，里面充满了惰性气体。其内部由两个电极构成：阳极和光电阴极。通过外部升压电路，将直流低电压转变为高电压后，加在紫外光电管的阳极和光电阴极之间，在两个电极之间形成较大电场，在紫外光线的作用下，光电阴极出现“光电发射效应”，即光电阴极的电子逸出金属表面向阳极发射光电子，光电子高速撞击周围的惰性气体分子，形成大量的带电粒子，继续撞击，继续释放，经过这样循环的过程，使其产生相应的放电电流，从而形成“反馈电压”。

该传感器的波长响应曲线[2]具备从185nm～260nm的很窄的灵敏度宽度，并且对可见光完全不敏感。其工作原理是利用了金属的光电效应和气体放电的电流倍增效应，可以获得很高的灵敏度和足够大的输出信号，从而通过电路就可以实现高灵敏度和迅速响应的紫外探测。该传感器能可靠地探测火焰的微弱紫外发光，被广泛应用在火焰探测、火警识别等监控设备中。

1.2 云台驱动原理

为了提高火焰探测的范围，设计转动云台，并将整体探测电路安装在云台上，使火焰探测具备360°无死角的探测范围。旋转云台的实现方法很多，目前较为成熟的驱动方式主要有直流电机、伺服电机和舵机，三种方式各有优点。为了实现自由旋转，同时探测电路重量较轻，选用直流电机的驱动方式。

电路由4个三极管组成，要使电机运转，只需要在同一时刻导通对角线上的一对三极管。根据各不相同三极管对的导通与否，电流也许会由左边或右边向相反方向流过电机，并以这种方式控制电机的转向。

1.3 系统总体方案设计

通过对紫外火焰探测原理及云台驱动原理的分析，结合单片机控制技术，本课题总结方案设计如图1所示。

图1 系统总体方案框图

系统由单片机控制模块、紫外探测模块、云台驱动模块和声光报警模块构成。

单片机控制模块的功能是驱动云台旋转，同时对外部环境进行探测，是否发现火情，当探测到火焰后，锁定云台，进行声光报警。

紫外探测模块的功能是对当前视场范围内的环境进行火焰探测，将5 V低压电源转换为传感器使用的高压电源，将传感器输出的探测信号进行处理后送给单片机。

云台驱动模块实现直流电机驱动，将单片机输出的低电压、小电流驱动信号进行放大，同时产生符合直流电机工作要求的H桥驱动信号。

声光报警电路则是在报警装置发现火情后，发出声音及灯光报警，提醒用户处置。

2 硬件部分设计

2.1 紫外火焰探测电路的设计

根据本设计所选用的紫外光电管技术指标以及光电管输出信号特性对紫外火焰探测电路进行设计。紫外光敏管R2868输出信号特性中。该传感器在没有探测到火焰时有背景噪声输出，但是脉冲数极少，脉冲间隔大于10s。当传感器探测到火焰的紫外光时，输出脉冲会随着光线强度的增强而增加，在光强达到一定程度时，输出脉冲数呈现饱和状态，此时的脉冲个数呈规律变化，电路设计时考虑对一定时间内的脉冲进行计数，当个数大于N值时，则判断为有效火焰信号。

由于设计中传感器工作电压为300V，单片机工作电压为5V，从5V升压到300V，可以采用变压器方式。本设计采用成熟可靠的隔离电压升压模块实现5V到300V的升压功能。传感器输出信号经过IN4733稳压二极管，将输出脉冲信号限制在5V，保证后续电路正常工作。

传感器探测到火焰后输出信号为尖峰脉冲，设计信号转换电路对脉冲进行整形，升压电路输出的传感器尖峰脉冲信号由CD4093施密特触发器整形方波信号送给十进制计数器CD4017，该芯片对方波进行计数，计数结果送给单片机进行判断，如果方波个数满足N个，则认为探测到火焰，否则认为正常。

2.2 控制器模块

本设计选用STC公司的STC89C51单片机，可以工作的最小系统由单片机、晶振电路和复位电路构成。复位电路是在单片机上电工作时首先进行复位，上电后开始工作时，程序需要从指定的位置开始运行，单片机的上电复位功能保证每次上电后，单片机程序都会从同样的位置开始运行。晶振电路则是给单片机提供一个工作的时钟，单片机里的所有程序都按照这样的一个时钟协调统一工作。

单片机复位电路的作用在单片机上电时，保证程序从指定位置开始运行。电路的工作原理是通过复位引脚的电阻电容充放电[7]，在单片机的RST复位上产生一个大于2 uS的高电平即可实现复位。

单片机晶振电路是在单片机XTAL1和XTAL2引脚之间接入晶体振荡器Y1以及起振电容，从而形成稳定的自激振荡，给单片机提供工作频率。

2.3 云台驱动模块

选用集成电机驱动芯片L298N实现直流电机的H桥驱动功能。该芯片为双H桥直流电机驱动芯片，工作电压+5V～+35V，驱动电流可达2A，电机正反转由芯片输入逻辑控制。将L298N的3个控制信号与单片机相连，根据逻辑表进行控制，即可实现直流电机的正转、反转和制动。需要注意的是，在L298N的输出端，需要有4个钳位二极管，这是由于电机线圈在运转过程中两边会产生反电势，会对L298形成影响，非常有可能造成破损，更为致命的是对大于电源电压和负电压更容易对L298造成严重伤害，所以在每根线上都加上2个二极管（一般采用1N4007）进行保护。

2.4 报警模块

设计中的报警装置，选择使用蜂鸣器作为火警发生的声音信号。当探测器检测到火焰之后，单片机的P2.5口输出高电平，三极管导通，蜂鸣器响起。三级管这在电路中起到开关的作用，因为单片机的引脚输出电流比较小,不能直接驱动蜂鸣器，所以需要选择三极管当做开关。

本装置还设置了两个发光二极管，用来指示当前的工作状态，以及火警的情况。报警装置工作正常是绿灯常亮，当有火警时，红灯闪烁，实现声光报警功能。两个二极管由单片机直接驱动，发光二极管需要串联限流电阻，目的是为了保护发光二极管。

报警电路设计有报警消除按键，在出现误报警或者险情解除后，需要按下报警消除按键关闭声光报警继续监测火警。消除按键采用独立按键，在程序设计时，可以通过中断服务程序来消除报警，退出中断后继续进行检测。

3 软件部分设计

根据火焰探测的特点，本设计将主流程设计为云台旋转驱动程序，开始工作后，对云台进行初始化，由停止状态切换到制动状态并且回归零位[10]，然后进入循环状态，驱动云台循环360°旋转，同时将火焰传感器的输出以外部中断的形式引入单片机，当传感器探测到火焰时，主程序进入中断，在中断内对火焰信号进行判断，如果是零星的脉冲信号，则认为是背景噪声，退出中断，继续旋转探测，如果是周期的脉冲信号，则认为是火焰信号，系统进行报警处理并一直定在报警状态等待报警消除。当报警消除后，跳出中断，主程序驱动云台旋转，继续进行火焰探测。

3.1 主程序流程

主程序包含了单片机的初始化、电机的初始化等。主程序的各个部分共同完成了火焰的判断及报警工作。主程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

4 结论与展望

根据紫外火焰探测传感器的工作原理和信号处理方法，针对传统火灾报警探测器存在的问题，提出了新的基于云台的360°探测方式，设计了基于紫外云台的火警自助报警装置，提高了火焰探测的范围及产品的实用性。本设计针对传感器输出信号特征，设计了基于门电路的信号整形、计数电路，可以很好地将传感器输出的尖脉冲信号转换为单片机可以识别的方波信号，从一定程度上讲具备了一定的创新性。

本设计的报警功能还有可以提高的地方。比如：添加感应温度的传感器，通过多传感器融合技术判断火灾，增加装置的灵敏度，扩大检测范围，加装灭火功能等。用这样的方式来提高器件的实用性。