低電壓光電式煙感探測(cè)器芯片的設(shè)計(jì)

摘要：隨著人們對(duì)火災(zāi)安全意識(shí)的增強(qiáng)，煙感探測(cè)芯片得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的 9V 產(chǎn)品存在功耗大，電池不易更換的問(wèn)題。低電壓光電式煙感探測(cè)器芯片，已經(jīng)逐步替代 9V 煙感芯片，成為安防系統(tǒng)中的主流。以 BL5980 為例，介紹了低壓煙感芯片標(biāo)定系統(tǒng)的原理與應(yīng)用，以及自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1 引言

光電感應(yīng)煙霧報(bào)警器具有精度高、壽命長(zhǎng)、抗風(fēng)、抗潮和抗電磁干擾等多種優(yōu)點(diǎn)。由于它拋棄了放射源，全部由電子元器件組成，因而成為各國(guó)政府推廣使用和各消防電子企業(yè)開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。隨著電子技術(shù)特別是光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，其制造成本越來(lái)越低，加之生產(chǎn)安裝簡(jiǎn)單方便，因此光電感應(yīng)煙霧報(bào)警器的市場(chǎng)占有率越來(lái)越大，尤其是民用住宅的使用，基本上已全部采用了光電感應(yīng)型煙霧報(bào)警器。有資料表明，光電感應(yīng)煙霧報(bào)警器在日本的使用份額已占到感煙火災(zāi)探測(cè)器的 97％ 以上[1]。

當(dāng)今市場(chǎng)上主流的煙霧報(bào)警芯片均設(shè)計(jì)于 1980 年代，采用的是 9 V 電壓供電，功耗較高，電池也不易更換。目前，我國(guó)正在制訂 3 V 電壓供電的煙霧報(bào)警器系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3 V 可編程光電煙感器芯片集成了煙霧探測(cè)和升壓驅(qū)動(dòng)功能，具有更低的功耗和更長(zhǎng)的使用壽命，只需 2 節(jié) AA 電池便可工作。同時(shí)具備可編程校準(zhǔn)和多種工作模式，可以通過(guò) MCU 來(lái)完成自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了光電煙感器的生產(chǎn)和標(biāo)定過(guò)程[2]。

2 低壓煙感器的工作原理

光電式煙感器主要由煙感控制芯片、光學(xué)迷宮、和蜂鳴器組成。其中煙感控制芯片由精密的模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成，包括煙霧探測(cè)模塊、升壓模塊、時(shí)序控制模塊、低電壓檢測(cè)模塊，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)模塊和 MTP 存儲(chǔ)模塊。我們以 BL5980 為例，介紹常見(jiàn)的 3 V 光電式煙感器的工作原理，原理框圖如圖 1 所示。

進(jìn)行煙霧探測(cè)時(shí)，芯片通過(guò) IRED 控制紅外發(fā)光二極管周期性導(dǎo)通并發(fā)射紅外線，紅外接收二極管檢測(cè)光學(xué)迷宮內(nèi)煙霧顆粒散射來(lái)的紅外線強(qiáng)度，當(dāng)煙霧存在時(shí)，光電二極管上會(huì)有微弱的電流，通過(guò)端口 IRP 和 IRN 進(jìn)行積分放大，與內(nèi)部對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行比較后，煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)紅燈閃爍和蜂鳴器報(bào)警。為了提供蜂鳴器報(bào)警驅(qū)動(dòng)所需要的電壓，芯片內(nèi)部還集成了升壓控制器，使蜂鳴器發(fā)出足夠分貝的報(bào)警[3]。

我們以煙霧校準(zhǔn)模式為例，介紹煙霧報(bào)警的工作機(jī)制。圖 2 為煙霧校準(zhǔn)模式波形圖。

通道 1 的信號(hào)（CH1@GLED PIN）代表煙霧探測(cè)放大積分后的電平，通道 3 的信號(hào)（CH3@RLED PIN）代表門(mén)限閾值電平，通道 2（CH2@HB PIN）為門(mén)限電平和煙霧積分電平經(jīng)過(guò)比較器的輸出，通道 4 的信號(hào)（CH4@FEED PIN）為時(shí)鐘信號(hào)，用來(lái)逐步增加門(mén)限電平。如果隨著 FEED 增加，門(mén)限電平升高到大于煙霧濃度積分電平，比較器輸出低，反之為高。這樣就可以通過(guò)增加 FEED 上的時(shí)鐘，檢測(cè) HB 上比較器的輸出，來(lái)得到煙霧報(bào)警的門(mén)限值。

3 低壓煙感探測(cè)芯片的應(yīng)用

煙感控制芯片的外圍應(yīng)用比簡(jiǎn)單，如圖 3 所示。只需要一個(gè)電感，肖特基二極管，光學(xué)迷宮，蜂鳴器和少量電阻電容。相比于 9 V 供電的芯片，紅外光電二極管的驅(qū)動(dòng)電流、光電管放大器的放大倍數(shù)及積分時(shí)間常數(shù)、煙霧報(bào)警門(mén)限值、電池低電壓報(bào)警門(mén)限值不需要通過(guò)外圍阻容來(lái)調(diào)整，都可編程設(shè)定，給不同的設(shè)計(jì)和標(biāo)定提供了極大的便利。同時(shí)芯片還提供了報(bào)警聲音選項(xiàng)、靜音選項(xiàng)、十年到期報(bào)警選項(xiàng)、基線漂移校正選項(xiàng)等個(gè)性化功能設(shè)置，使得同一個(gè)設(shè)計(jì)可以適用于不同的產(chǎn)品系列。

煙感探測(cè)芯片有 4 種工作模式：正常模式、遲滯模式、靜默模式和探測(cè)腔測(cè)試模式。正常模式即待機(jī)模式，處于低功耗狀態(tài)，內(nèi)部增益為寄存器設(shè)定的正常增益值，待機(jī)電流在 1μA 以下。當(dāng)煙霧濃度達(dá)到一定程度，探測(cè)芯片進(jìn)入本地報(bào)警狀態(tài)下，進(jìn)入遲滯模式，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)和退出報(bào)警狀態(tài)不在同樣的煙霧條件，遲滯模式增益與正常模式相同。靜默模式的增益為正常模式的 1/2，和正常模式相比，閾值設(shè)置相同的情況下需要 2 倍的煙霧濃度才能報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)低靈敏度的功能。在探測(cè)腔測(cè)試模式下，增益為正常模式的 2 倍，以實(shí)現(xiàn)高增益、高靈敏度模式，用于按壓測(cè)試及煙霧腔測(cè)試。

從圖 4 可以看到，待機(jī)狀態(tài)下，探測(cè)芯片每 10 s 升壓進(jìn)行煙霧探測(cè)，43 s 進(jìn)行探測(cè)腔測(cè)試，86 s 進(jìn)行低電池電量空載探測(cè)，344 s 紅燈閃爍 1 次進(jìn)行低電壓帶載測(cè)試，14 天壽命寄存器可以遞增計(jì)數(shù)，如果到達(dá)設(shè)定壽命值啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

圖 5 是煙霧探測(cè)時(shí)序。紅外發(fā)射管的 IRED 脈沖結(jié)束后，紅外接收管的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)積分放大，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，與設(shè)定的限制值進(jìn)行比較。若積分器結(jié)果大于設(shè)定的限制值，則存在煙霧，煙霧探測(cè)周期會(huì)縮短。連續(xù) 3 次探測(cè)到煙霧條件，器件進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。在報(bào)警狀態(tài)下，進(jìn)入遲滯模式以實(shí)現(xiàn)報(bào)警遲滯功能。

如圖 6 所示，芯片在監(jiān)控狀態(tài)每 86 s 檢測(cè)一次電池電壓狀態(tài)。在 344 s 的探測(cè)時(shí)間里包括 3 次空載檢測(cè)和 1 次帶載檢測(cè)（紅燈亮），電池低電壓門(mén)限可以通過(guò)寄存器編程。故障檢測(cè)每 43 s 檢測(cè)一次探測(cè)腔，探測(cè)電路使用高增益模式和設(shè)定的探測(cè)腔測(cè)試限制值，高增益模式為正常模式增益的 2 倍。此時(shí)如果積分放大器輸出電壓的 AD 值小于光電倉(cāng)檢測(cè)閾值（連續(xù) 2 次），則認(rèn)為檢測(cè)到光電倉(cāng)退化，喇叭會(huì)以 43 s 的周期報(bào)警，每個(gè)周期會(huì)連續(xù)響 3 下，每下脈寬 10.4 ms，中間間隔 330 ms。

如果在待機(jī)模式下將 TEST 拉高，一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期后，進(jìn)入按壓測(cè)試模式，探測(cè)速率提高到 250 ms 一次，增益為高增益模式（正常增益的 2 倍），限制值為探測(cè)腔測(cè)試限制值，此時(shí)如果積分放大器輸出電壓的 AD 值大于光電倉(cāng)檢測(cè)閾值（連續(xù) 3 次），電路開(kāi)始進(jìn)入按鍵報(bào)警狀態(tài)。 此模式采用高增益以模擬煙霧條件，用來(lái)測(cè)試報(bào)警器。

在 TEST 輸入變?yōu)榈碗娖街?，器件?huì)進(jìn)入 9分鐘的靜默模式，即低靈敏度模式，如圖 7 所示，該模式下增益為正常模式的二分之一，報(bào)警門(mén)限值可以編程設(shè)定。

IO 引腳可以實(shí)現(xiàn)本地報(bào)警，當(dāng)本地?zé)熿F濃度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，該引腳通過(guò)恒流源驅(qū)動(dòng)為高電平，對(duì)地短路不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的電流。IO 還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)煙霧報(bào)警器互聯(lián)，圖 8 為間歇報(bào)警和連續(xù)報(bào)警 2 種模式的 IO 互聯(lián)報(bào)警時(shí)序，IO 作為輸入有一個(gè) 313 ms 的數(shù)字濾波器，如果 IO 檢測(cè)到遠(yuǎn)程的高電平信號(hào)，器件進(jìn)入遠(yuǎn)程報(bào)警狀態(tài)。

圖 9 是報(bào)警記憶功能的時(shí)序圖，此功能方便客戶辨別報(bào)警器是否曾經(jīng)進(jìn)入過(guò)本地報(bào)警。如果曾經(jīng)報(bào)警并退出本地報(bào)警后，記憶鎖存位會(huì)置位，綠燈會(huì)每 43 s 閃爍 3 次，報(bào)警記憶指示 24 小時(shí)后停止。隨后可通過(guò)按壓測(cè)試來(lái)確認(rèn)是否存在報(bào)警，按下測(cè)試鍵（Test）蜂鳴器（HB）報(bào)警，釋放按壓測(cè)試鍵（Test）時(shí)，記憶鎖存器復(fù)位。

4 標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由于低壓煙感控制芯片可以通過(guò)編程來(lái)完成各種配置，可以通過(guò) MCU 完成和上位機(jī)的通信，或者通過(guò)鍵盤(pán)輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定過(guò)程。標(biāo)定系統(tǒng)框圖如圖10 所示。

上位機(jī)通過(guò) RS485 總線和多臺(tái)標(biāo)定治具進(jìn)行通信，可以完成配置參數(shù)，完成標(biāo)定過(guò)程，并將標(biāo)定后的參數(shù)和狀態(tài)保存至上位機(jī)。

標(biāo)定過(guò)程可以分為無(wú)煙模式和有煙模式 2 種。煙感用戶可以憑借經(jīng)驗(yàn)算法只在無(wú)煙模式下完成標(biāo)定。在測(cè)得長(zhǎng)期漂移基線值（LTD）之后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)算法設(shè)置相應(yīng)的門(mén)限閾值?；蛘?，采用更精確的方法，在無(wú)煙測(cè)試結(jié)束后，繼續(xù)在有煙環(huán)境中完成標(biāo)定[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

低電壓煙感控制芯片不僅在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)中逐步替代 9 V 芯片，在新興的物聯(lián)網(wǎng)和智能家居中也有廣闊的前景。2017 年 9 月 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)智能獨(dú)立煙感項(xiàng)目已經(jīng)在廈門(mén)正式交付使用，獨(dú)立式感煙報(bào)警器的新國(guó)標(biāo)也已經(jīng)進(jìn)入報(bào)批階段，低電壓煙感控制芯片會(huì)逐步升級(jí)，步入更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。