火災探測器的硬件電路設計

　　在火災自動報警系統中，光電感煙探測器是重要的火災探測設備，其肩負著現場火情狀況的實時監測、及時發現并向火災報警控制器上傳火警信息的作用。其工作原理是利用了煙霧對光的散射作用(光源通常選擇近紅外器件，技術成熟，價格便宜)，通過接收某一角度上的散射光的強弱來探測是否有煙霧顆粒進入，在接收端經過光電轉換、濾波、放大、模數轉換等處理，從而將煙霧濃度的模擬變化轉換成數字量，交由單片機進行處理。當煙霧濃度增大到設定值時，探測器報警。

　　在筆者參與的項目中，要求開發一套基于總線式工作的火災自動報警系統。在該系統中，總線采用一主多從的拓撲結構。火災報警控制器作為主機，若干探測器作為總線上的節點，主機通過總線與眾多節點按照特定的協議進行通訊，同時給節點供電。

　　基于以上的總線通訊需求及光電感煙的基本原理，在電路設計時，串行通訊口、運放和模數轉換器是必不可少的。其次當需要對紅外發射進行調制時，最好具有PWM輸出功能，否則就只能用定時器來模擬，但定時器模擬的PWM在有總線通訊需求時又無法正常工作。

　　綜合以上需求并結合項目的成本規劃，在器件選型時，作者選用了瑞薩電子的UPD79F7024芯片作為主控MCU。該芯片內部高速時鐘主頻可到4MHz，并具有UART口，可滿足總線通訊對通訊速率和收發碼接口的需要。為將功耗降到最低，通常MCU在絕大部分的運行時間內應處在SLEEP模式下，當需要通訊或執行檢測任務時再醒來全速運行。uPD79F7024內部具有240KHz低速時鐘和H1定時器，在SLEEP模式下仍會運行，通過H1定時中斷可以非常方便地將MCU從SLEEP模式喚醒。

　　另外，UPD79F7024內部具有16位高速定時器TM00，可配置成PWM輸出模式，用于對紅外發射的PWM調制。內部集成5通道8位分辨率的AD轉換器和2路運算放大器，節省了外置運放的成本。運放輸出端內部直接連接AD轉換的輸入通道，避免外部干擾。

　　圖1：硬件組成框圖

　　總線通訊和供電

　　該部分電路主要由總線信號無極性轉換橋D3、專用總線通訊芯片D1及一些保護電路組成，具體組成電路如圖2所示。總線信號通過D3、D1進行轉換和解調，解調出的信號輸入UPD79F7024單片機的RXD腳，在單片機內部將UART配置為中斷接收，在中斷服務子程序中按字節收取總線碼元。UPD79F7024單片機的UART字節回碼信號通過TXD腳輸入到D1，經調制后送回總線。為避免總線信號的時序延遲，D3應選用開關速度較快的快恢復二極管。保護電路方面，采用了熱敏電阻和瞬態抑制二極管對總線入口進行保護，可以分別防護總線錯接AC220V和浪涌電壓。

　　圖2：總線通訊和供電電路

　　MCU及外圍電路

　　圖3：MCU及外圍電路

　　主控單元MCU及其外圍電路的設計，按照UPD79F7024規格書中的說明連接即可。

　　煙霧采樣電路

　　采樣電路分為兩部分，紅外發射電路和紅外信號接收及放大電路，如圖4、5所示。采樣時，UPD79F7024的TM00配置為PWM模式，將信號按一定的占空比通過其IR-T腳輸出，去控制三極管VT1的導通和截止，使紅外發射管VD2發射紅外信號，通過調節PWM占空比可控制紅外發射強度。由于紅外發射功率較大(幾百毫安)，故發射時間不宜過長(避免引起功耗的增大)，根據紅外接收管的特性，通常開啟50~100us即可。為保證發射光強的穩定，紅外發射應設計成恒流電路，如圖4。當VT1導通時，基極所加電壓為5V，設流過VD2的發射電流為I，VD2前向壓降為Vf，則有5V-0.7V=I*R5+Vf，根據紅外接收管規格書，選配合適的限流電阻R5即可。

　　VD2發射的紅外信號被接收管VD3接收，經取樣電阻R7，被轉換為微弱的電壓信號，再由UPD79F7024內置的運放放大。將UPD79F7024的2通道運放設計成級聯形式，構成兩級交流負反饋放大電路。后級運放輸出內部直接連8位AD轉換器，其采樣范圍為0-5V，滿幅輸出255，每個AD字為19.5mv。經光電轉換后的運放輸入信號約為2-3mv，設定放大倍數330倍，放大后即780mv(40AD字)，比較便于程序處理。

　　圖4：紅外發射電路

　　圖5：紅外接收和放大電路

　　工作狀態指示

　　圖6：狀態指示電路

　　工作狀態指示部分通過LED指示燈來表示。LED周期性閃亮時表示探測器正常工作，常亮時表示探測器報警。該電路通過反激式電感驅動LED，可以簡單的通過UPD79F7024的LED_C腳定時輸出高低翻轉的電平信號來控制MOS管VM1。當VM1導通時，電路對電感充電儲能，此時由于LED反接而不會導通;當VM1關斷時，電感產生反向感應電動勢，其儲存的能量通過LED續流放電，實現點燈。該驅動方法與傳統的I/O口直接驅動相比，由于沒有串聯限流電阻，所以效率較高。