低电压光电式烟感探测器芯片成为安防系统中的主流.doc

低电压光电式烟感探测器芯片成为安防系统中的主流低电压光电式烟感探测器芯片的设计 摘要：随着人们对火灾安全意识的增强，烟感探测芯片得到了越来越广泛的应用。传统的 9V 产品存在功耗大，电池不易更换的问题。低电压光电式烟感探测器芯片，已经逐步替代 9V 烟感芯片，成为安防系统中的主流。以 BL5980 为例，介绍了低压烟感芯片标定系统的原理与应用，以及自动标定系统的实现。1  引言光电感应烟雾报警器具有精度高、寿命长、抗风、抗潮和抗电磁干扰等多种优点。由于它抛弃了放射源，全部由电子元器件组成，因而成为各国政府推广使用和各消防电子企业开发研究的重点。随着电子技术特别是光电子技术的飞速发展，其制造成本越来越低，加之生产安装简单方便，因此光电感应烟雾报警器的市场占有率越来越大，尤其是民用住宅的使用，基本上已全部采用了光电感应型烟雾报警器。有资料表明，光电感应烟雾报警器在日本的使用份额已占到感烟火灾探测器的 97 以上1。当今市场上主流的烟雾报警芯片均设计于 1980 年代，采用的是 9 V 电压供电，功耗较高，电池也不易更换。目前，我国正在制订 3 V 电压供电的烟雾报警器系统的相关标准。3 V 可编程光电烟感器芯片集成了烟雾探测和升压驱动功能，具有更低的功耗和更长的使用寿命，只需 2 节 AA 电池便可工作。同时具备可编程校准和多种工作模式，可以通过 MCU 来完成自动标定系统的实现，极大地简化了光电烟感器的生产和标定过程2。2  低压烟感器的工作原理光电式烟感器主要由烟感控制芯片、光学迷宫、和蜂鸣器组成。其中烟感控制芯片由精密的模拟电路和数字电路构成，包括烟雾探测模块、升压模块、时序控制模块、低电压检测模块，蜂鸣器驱动模块和 MTP 存储模块。我们以 BL5980 为例，介绍常见的 3 V 光电式烟感器的工作原理，原理框图如图 1 所示。进行烟雾探测时，芯片通过 IRED 控制红外发光二极管周期性导通并发射红外线，红外接收二极管检测光学迷宫内烟雾颗粒散射来的红外线强度，当烟雾存在时，光电二极管上会有微弱的电流，通过端口 IRP 和 IRN 进行积分放大，与内部对应的阈值进行比较后，烟雾达到一定浓度时触发报警信号，驱动红灯闪烁和蜂鸣器报警。为了提供蜂鸣器报警驱动所需要的电压，芯片内部还集成了升压控制器，使蜂鸣器发出足够分贝的报警3。我们以烟雾校准模式为例，介绍烟雾报警的工作机制。图 2 为烟雾校准模式波形图。通道 1 的信号（CH1GLED PIN）代表烟雾探测放大积分后的电平，通道 3 的信号（CH3RLED PIN）代表门限阈值电平，通道 2（CH2HB PIN）为门限电平和烟雾积分电平经过比较器的输出，通道 4 的信号（CH4FEED PIN）为时钟信号，用来逐步增加门限电平。如果随着 FEED 增加，门限电平升高到大于烟雾浓度积分电平，比较器输出低，反之为高。这样就可以通过增加 FEED 上的时钟，检测 HB 上比较器的输出，来得到烟雾报警的门限值。3  低压烟感探测芯片的应用烟感控制芯片的外围应用比简单，如图 3 所示。只需要一个电感，肖特基二极管，光学迷宫，蜂鸣器和少量电阻电容。相比于 9 V 供电的芯片，红外光电二极管的驱动电流、光电管放大器的放大倍数及积分时间常数、烟雾报警门限值、电池低电压报警门限值不需要通过外围阻容来调整，都可编程设定，给不同的设计和标定提供了极大的便利。同时芯片还提供了报警声音选项、静音选项、十年到期报警选项、基线漂移校正选项等个性化功能设置，使得同一个设计可以适用于不同的产品系列。烟感探测芯片有 4 种工作模式：正常模式、迟滞模式、静默模式和探测腔测试模式。正常模式即待机模式，处于低功耗状态，内部增益为寄存器设定的正常增益值，待机电流在 1A 以下。当烟雾浓度达到一定程度，探测芯片进入本地报警状态下，进入迟滞模式，以实现进入报警状态和退出报警状态不在同样的烟雾条件，迟滞模式增益与正常模式相同。静默模式的增益为正常模式的 1/2，和正常模式相比，阈值设置相同的情况下需要 2 倍的烟雾浓度才能报警，以实现低灵敏度的功能。在探测腔测试模式下，增益为正常模式的 2 倍，以实现高增益、高灵敏度模式，用于按压测试及烟雾腔测试。从图 4 可以看到，待机状态下，探测芯片每 10 s 升压进行烟雾探测，43 s 进行探测腔测试，86 s 进行低电池电量空载探测，344 s 红灯闪烁 1 次进行低电压带载测试，14 天寿命寄存器可以递增计数，如果到达设定寿命值启动蜂鸣器报警。图 5 是烟雾探测时序。红外发射管的 IRED 脉冲结束后，红外接收管的输出信号经过积分放大，转化成数字信号，与设定的限制值进行比较。若积分器结果大于设定的限制值，则存在烟雾，烟雾探测周期会缩短。连续 3 次探测到烟雾条件，器件进入报警状态。在报警状态下，进入迟滞模式以实现报警迟滞功能。如图 6 所示，芯片在监控状态每 86 s 检测一次电池电压状态。在 344 s 的探测时间里包括 3 次空载检测和 1 次带载检测（红灯亮），电池低电压门限可以通过寄存器编程。故障检测每 43 s 检测一次探测腔，探测电路使用高增益模式和设定的探测腔测试限制值，高增益模式为正常模式增益的 2 倍。此时如果积分放大器输出电压的 AD 值小于光电仓检测阈值（连续 2 次），则认为检测到光电仓退化，喇叭会以 43 s 的周期报警，每个周期会连续响 3 下，每下脉宽 10.4 ms，中间间隔 330 ms。如果在待机模式下将 TEST 拉高，一个内部时钟周期后，进入按压测试模式，探测速率提高到 250 ms 一次，增益为高增益模式（正常增益的 2 倍），限制值为探测腔测试限制值，此时如果积分放大器输出电压的 AD 值大于光电仓检测阈值（连续 3 次），电路开始进入按键报警状态。 此模式采用高增益以模拟烟雾条件，用来测试报警器。在 TEST 输入变为低电平之后，器件会进入 9分钟的静默模式，即低灵敏度模式，如图 7 所示，该模式下增益为正常模式的二分之一，报警门限值可以编程设定。IO 引脚可以实现本地报警，当本地烟雾浓度超过设定阈值时，该引脚通过恒流源驱动为高电平，对地短路不会产生过量的电流。IO 还可以实现多个烟雾报警器互联，图 8 为间歇报警和连续报警 2 种模式的 IO 互联报警时序，IO 作为输入有一个 313 ms 的数字滤波器，如果 IO 检测到远程的高电平信号，器件进入远程报警状态。图 9 是报警记忆功能的时序图，此功能方便客户辨别报警器是否曾经进入过本地报警。如果曾经报警并退出本地报警后，记忆锁存位会置位，绿灯会每 43 s 闪烁 3 次，报警记忆指示 24 小时后停止。随后可通过按压测试来确认是否存在报警，按下测试键（Test）蜂鸣器（HB）报警，释放按压测试键（Test）时，记忆锁存器复位。4  标定系统的实现由于低压烟感控制芯片可以通过编程来完成各种配置，可以通过 MCU 完成和上位机的通信，或者通过键盘输入来实现自动标定过程。标定系统框图如图10 所示。上位机通过 RS485 总线和多台标定治具进行通信，可以完成配置参数，完成标定过程，并将标定后的参数和状态保存至上位机。标定过程可以分为无烟模式和有烟模式 2 种。烟感用户可以凭借经验算法只在无烟模式下完成标定。在测得长期漂移基线值（LTD）之后，根据经验算法设置相应的门限阈值。或者，采用更精确的方法，在无烟测试结束后，继续在有烟环境中完成标定4。5  结语低电压烟感控制芯片不仅在传统安防系统中逐步替代 9 V 芯片，在新兴的物联网和智能家居中也有广阔的前景。2017 年 9 月 NB-IoT 物联网智能独立烟感项目已经在厦门正式交付使用，独立式感烟报警器的新国标也已经进入报批阶段，低电压烟感控制芯片会逐步升级，步入更广阔的应用领域。