電子產品創作設計課程專案設計**
獨立式光電感煙火災探測報警器
西安電子科技大學
摘要火災一直是人類生命財產的巨大威脅，得到了人們越來越多的關注。隨著與火災相關的感測器技術、訊號處理、人工智慧及無線通訊技術日臻完善，獨立式光電感煙火災探測報警器成為目前世界上應用較普遍的一類獨立工作的火災探測報警器。本文對獨立式光電感煙火災探測報警器的電路部分和迷宮結構進行了設計和研製，以便該報警器能夠準確、可靠、及時地探測火災，採取滅火措施，保護生命財產的安全。
該電路具有很好的應用前景。
針對探測報警器向著更加穩定、對各種不同顏色、粒徑煙霧均衡響應、更加節電、抗環境干擾能力更強的方向發展，本文提出了採用高效能晶元作為獨立式光電感煙火災探測報警器的cpu，實現散射光式點型光電感煙火災探測器。具體研究內容包括如下：通過cpu中的低功率模擬和數位電路來放大接收感測器的檢測訊號，驅動外部壓電式蜂鳴器發聲。
cpu內建flash儲存器、儲存探測器的出廠引數、維護資訊。採用紅外散射光探測技術和獨特的迷宮結構，實現強大的自診斷檢測功能，包括汙染、電路故障、感測器故障、電池欠壓等引數的檢測和診斷。設計了專有電路提高了探測報警器的抗干擾能力。
完成了內建蜂鳴器電路，實現火警報警和故障報警聲響提示，同時實現了微功耗。
關鍵詞：獨立報警；光電感煙；火災探測；電路設計
目錄 第一章緒論 1
1.1 國內外火災探測報警技術發展現狀 1
1.2 獨立式光電感煙火災探測報警器電路研製技術現狀 1
第二章感煙火災探測器的基本原理 2
2.1 感煙火災探測器介紹 2
2.2 光電感煙探測器的光學系統結構 5
第三章獨立式光電感煙火災探測報警器設計 7
3.1 總體設計要求與結構設計 7
3.2 電路原理及分析 9
3.3 核心器件的選擇 10
3.4 關鍵技術的實現 11
第四章部分電路的硬體實現 12
4.1 部分硬體電路實現 12
4.2 產品說明 16
一、火災探測報警技術發展概況
近十幾年來，世界各國都對火災的預防、報警和控制進行了大量的研究，使火災探測報警系統產品更新換代速度非常快。探測器的效能和系統的聯動控制日趨完善，可靠性越來越高。模糊控制、小波、神經網路等先進的理論方法越來越多地用於火災的判定。
感煙式火災探測器是目前世界上應用較普遍的一類火災探測器，而光電感煙探測器是利用**時產生的煙霧能夠改變光的傳播特性這一基本性質而研製的。
1.1 國內外火災探測報警技術發展現狀
世界上火災自動探測報警技術己經有100多年的歷史。2023年英國人研製成功了感溫式火災探測器，開創了歷史上火災探測技術的先例。從19世紀40年代到20世紀40年代，感溫探測器一直佔據主導地位，火災自動報警系統處於初級發展階段。
這一時期探測器的主要型別有：定溫探測器、差溫探測器和差定溫組合式探測器。探測技術主要是根據感溫探測器的採集的溫度訊號，判定它是否超過某一閾值。
但是由於感溫探測器的靈敏度較低，探測火災的速度比較慢，尤其對陰燃火災往往不響應，因此，它無法較好地實現火災早期報警的要求。
自20世紀40年代瑞士西伯樂斯公司研製出第一只離子感煙探測器，並組建了世界
上第一家生產火災報警裝置廠，火災自動報警技術開始了真正有意義的推廣和發展。到20世紀70年代，離子型感煙火災探測器將感溫火災探測器排擠到次要地位，火災訊號傳輸為多線制，包括n+1線或更多線。火勢蔓延往往始於煙霧，感煙探測技術使人類在實現火災早期報警向前邁進了一大步。
20世紀70年代末，由於離子感煙探測器的放射性問題以及抗干擾能力及穩定性差、誤報率高的問題，一種更新的光電式感煙探測器得到了大力研製和發展，並逐漸打破離子式感煙探測器的壟斷局面。通常，離子式感煙探測器更適合偵測焰火，而光電式對緩慢的陰燃火比較敏感。這一時期的火災探測技術主要是根據感煙探測器採集的煙霧訊號，判定是否超過某一閾值。
隨後，火災探測報警技術逐漸進入智慧型化時代。
目前感煙式火災探測器有離子感煙式、光電感煙式、雷射感煙式等幾種型式。獨立式光電感煙火災探測報警器是目前世界上應用較普遍的一類獨立工作的火災探測報警器，它不但可以在火災初期發現火災，同時解決了離子火災探測器放射源輻射，解決了汙染問題。獨立式光電感煙火災探測報警器在某些國家(尤其日本)比較受推崇，日本已經於2023年6月研究出了一種專用電池，其使用壽命與獨立式光電感煙火災探測報警器相同，省掉了頻繁更換電池的麻煩，其壽命可達8年以上。
到目前為止，火災探測報警技術已發展成為一門多學科、多專業的綜合應用科學，在建築、工業、國防和科學技術等各個領域內得到了廣泛應用，它已成為人類同火災作鬥爭的重要手段，在預防火災、保護國家經濟建設和人民生命財產安全方面發揮了巨大的作用。
1.2 獨立式光電感煙火災探測報警器電路研製技術現狀
獨立式光電感煙火災探測報警器在國外發展較早，但供電方式多採用不可更換的一次性電池或交流220v供電，從安裝使用方便和成本等角度上考慮某些方面並不適合國內大規模使用。該產品在我國發展比較晚，但也取得了很大的進展。自從我國國家標準gb20517-2006《獨立式感煙火災探測報警器》於2023年7月17日發布，2023年4月1日實施。
通過有關部門的大力推廣，目前市場上製造和銷售該類產品的企業已經有十餘家。
目前的產品雖能滿足國家標準要求，但從產品的本身設計的合理性和效能來說還是有很多可以提高的地方，主要集中在以下三點。
(1)不少產品在設計上沒有考慮節能問題，造成功耗比較高，電池雖能滿足最低使用時間要求，但是還是要經常更換電池，如安裝使用環境條件比較惡劣，電池使用壽命就更短。造成使用上的麻煩和使用成本的增加。
(2)有些產品抗電磁干擾和環境干擾能力不強，電路上設計上對電磁共振和特殊使用環境的情況考慮不周全，形成使用上的隱患。
(3)還有些產品雖對各火災所產生的煙均能響應，但是響應特性並不均衡，對響應某些煙比較靈敏，對另一些菸則比較遲鈍。
綜上分析，本文主要研究配合機械結構和軟體部分設計並製作出一款新型的獨立式光電感煙火災探測報警器電路，使該報警器能對各種物質燃燒所產生的不同顏色、粒徑煙霧均衡響應；同時提高該報警器的抗各種環境條件干擾的能力，增強執行的穩定度，最大程度的避免漏報和誤報現象的產生。
這種探測報警器由於採取了優化的電路設計所以能耗還較同類產品低很多，能大大的增加電池的續航能力，避免頻繁更換電池帶來的麻煩。在這些基礎上還採納了使用者在使用過程中提出來的一些合理建議，提供了一些方便使用者使用的新功能。具體包括以下幾部分：
(1)設計並研製了獨立式光電感煙火災探測探測報警器的電路部分和迷宮結構，開發了新型的獨立式光電感煙火災探測報警器產品，通過試驗證明該報警器滿足國內外相應標準要求和實際使用的要求。
(2)，實現報警器穩定執行減少誤報的目的。
(3)通過選取適合的元器件和對電路設計的優化，降低獨立式光電感煙火災探測報警器的能耗，避免頻繁更換電池，並且對電池的電量進行檢測，隨時提醒使用者更換。
(4)通過電路設計增加一些小的使用功能，方便使用者使用，使該產品更加人性化。
二、感煙火災探測器的基本原理
2.1 感煙火災探測器介紹
火災的探測，是以物資燃燒時產生的煙、光、熱等現象為依據，實現火災的早期發現。菸是火災中物資燃燒早期產生的一種物質，感煙式火災探測器是目前世界上應用較普遍的一類火災探測器。感煙式火災探測器一般可分為離子感煙式火災探測器和光電式感煙式火災探測器二種。
2.1.1 離子感煙式火災探測器
離子感煙探測器的基本原理是通過放射性元素鋂的射線使探頭內部電離室的空氣產生電離，當煙霧微粒進入電離室時，將使電離的空氣離子流動的情況發生變化，煙濃度愈高，離子電流愈小，從而可利用相關的電路探測其中離子電流的變化來探測煙的存在。
離子感煙探測器是利用兩片放射性物質241鋂(am)源，構成兩個電離室(檢測電離室和補償電離室)及場效應電晶體(eft)等電子元器件組成的電子線路，把物質初期燃燒所產生的煙霧訊號轉換成支流電壓訊號，通過導線傳輸給報警器，發出聲／光火災報警訊號。
離子感煙探測器在正常執行中對煙霧的識別能力較強，穩定性較好。但是由於其採用電離室、放射性物質241鋂(am)源，所以有一定的放射性，時間久必須更換鋂源，同時對**也帶來諸多不便。因此本文重點介紹光電感煙式火災探測器。
2.1.2 光電感煙式火災探測器
點型光電感煙火災探測器是利用煙粒子散射和吸收光原理工作的，主要有兩種形式散射光型光電感煙探測器和減光型光電感煙探測器。
氣溶膠粒子與光相互作用時，能發生兩種不同的衰減過程吸收和散射。散射是粒子以同樣的波長再輻射己接收的光能，再輻射可在所有的方向上發生，但在不同方向上其強度通常不同。吸收是粒子將接收的光能轉變為其它形式的能，如化學能、熱能。
減光式的光電感煙探測器的檢測室內裝有發光元件和相對應的受光元件。在正常情況下，受光元件接收到發光元件發出的一定光量，產生一定的光電流。但當有煙霧進入檢測室時，由於煙霧的遮擋，受光元件接受的光量減少，光電流降低，探測器發出報警訊號。
目前這種探測器除塵效果不是十分理想，結構件加工也比較複雜已很少使用，本文不多做介紹將重點介紹散射式光電感煙火災探測器。
散射式光電感煙火災探測器的檢測室內也裝有發光元件和受光元件。在正常情況下，受光元件接收不到發光元件發出的光，不產生光電流。但當有煙霧進入檢測室時，由於煙霧粒子的散射作用，有一定的光被受光元件所接受，產生光電流，探測器發出報警訊號。
散射光型光電感煙探測器是根據電磁波與氣溶膠粒子間相互作用的原理研製的。。散射式光電感煙火災探測器的基本光路示意圖如圖2.1所示。
圖2.1散射式光電感煙探測器原理圖
散射角的定義為入射光光軸與粒子散射光光軸的夾角。根據散射光與入射光的相對方向來區分前向散射和後向散射，即散射光與入射光同一方向的為前向散射，即散射光與入射光方向相反的為後向散射。
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