[信息与通信]无线紫外火灾探测系统的设计.doc

无线紫外火灾探测系统的设计1绪论火灾是国内外普遍关注的灾难性问题，它是发生频率较高的一种灾害，其直接经济损失巨大，发生的频率居各种灾害之首。它不仅引发环境污染，而且致使生态失衡，甚至造成了重大的人员伤亡和财产损失。尤其随着经济与技术的高速发展，全国各地高层、超高层建筑越来越多，内部装修越来越豪华，一些装修材料也是易燃材料，容易造成火灾隐患。建筑物内通风、空调设备所产生的强大气流又会在高层建筑发生火灾时起到煽风助燃的作用。加上楼内大功率空调设备、纵横交叉的照明、动力、通讯、监控、报警、联动线路等，不仅增加了发生火灾的几率，而且大大增加了疏散、灭火的难度。因此高层建筑一旦失火，如果没有现代化的自动消防报警设备尽早发现火情和及时扑救，火灾蔓延的速度和生命财产的损失都是难于估量的。还有一些特殊场合如一些具有保护价值的古老建筑等都对火灾消防有了更多的要求。由此可见，伴随着经济与技术的发展，在人类物质财富与技术成果积累越来越多的同时，整个社会尤其是高层建筑和工业厂房对现代消防技术和高技术、高可靠性的消防报警产品的需求量越来越大1。1.1 火灾报警的发展二十一世纪是网络化时代，在计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展下，火灾探测报警控制技术的更新变化也非常明显，总体来看，主要的发展变化是: 数字技术和新工艺、新材料的应用，改进系统能力和减少维护要求，向着高可靠、低误报和网络化、智能化方向发展2。(1) 早期、超早期火灾探测报警这项技术发展趋势针对近年来日益增多的高风险、高灾害损失保护对象而提出的。一些特殊场所，如船舶、计算机中心、电力调度指挥中心、核电站、航空港和宇航中心等，一旦发生火灾，不仅会给目标本身造成巨大经济损失，更严重的是可能波及其整个系统停止运行，由此带来更大的经济损失和社会政治影响。超早期火灾报警的主要指导思想是：1)提高灵敏度，在火灾早期阶段生成物较少的时候即可探测报警；2)探测火灾过程中尚未形成火灾时的生成物即超早期火灾探测报警。(2) 新型火灾探测技术的开发火灾发生时，环境的有些物理参数会发生明显的变化，到目前为止，应用较多的环境参数有烟、温、火焰和可燃汽体等，与火灾相关的其它气体、气味、声等参数的探测正在研究之中。(3) 多传感器/多判据复合火灾传感器研究从以搜集时间信息为主作为报警依据，转为以物性信息与时间信息相结合作为报警依据。目前不论哪一类火灾报警器，搜集的燃烧生成物的传感信号，包括烟粒子、高温、气体浓度，以及由它们转换成的光电信号，都是来源于混合型的物性信号，再加上这些信号信息随时间变化的时间信号信息，这种“不纯”的信息(光电信号)是真正的火灾信息受到各种干扰信息混杂后的结果，因此目前不论哪一种火灾探测器所接受的信息都不可避免包含着不可靠性的信息成分，所以总会存在一定的误报率。目前国内一些科研机构、火灾实验室的专家们正在致力火灾物性信息的基础研究工作。对早期火灾的原始物信息特征进行探索，企望能在这方面获得突破，然后在此基础上进行多信息多参数的复合判断，从而达到提高火灾探测报警技术的高准确性和高可靠性的目的。(4) 城市火灾探测监控网络技术和远程诊断、维护技术的开发实施，将进一步加大消防管理的力度，确保火灾报警系统起到应有的作用。(5) 无线火灾报警系统随着无线技术的发展，无线技术也越来越成熟越来越可靠，因其具有的一些相对有线系统的优势，近年来无线火灾报警系统的研究也越来越多。(6) 火灾探测报警的网络化信息网络化技术是一项重要的共性科学技术，它的发展将是21世纪科技发展的特征之一。火灾探测报警系统网络化是指将计算机数据通信技术应用于火灾探测报警系统，使控制器之间或探测器之间、系统内部之间和系统外部之间通过网络协议交换数据信息，实现火灾自动报警系统层次功能设定、远程数据调用管理、网络监控和网络通信服务等功能。1.2 无线技术在火灾报警系统中的应用无线火灾报警系统3是近几年来在国外发展起来的新型火灾报警系统，它是利用无线火灾探测装置发出的火警信号和故障信号，并记录发出信号的地点和时间的火灾自动报警专用设备。无线火灾报警系统由无线火灾探测装置及无线火灾报警控制器组成。无线火灾探测装置主要由火灾探测器、无线发射机组成，它能自动和手动发出火灾报警信号以及火灾探测装置故障报警信号；当无线火灾探测装置在探测范围内发生火灾或内部发生故障时，探测装置将产生不同信号，同时启动发射机，在规定时间内发出不同的报警信号。无线火灾报警控制器在接收到报警信号后能实现火灾和探测装置故障的声光报警功能。无线火灾探测装置按规定可以是任何一种触发装置，这种触发装置用某种无线传输方法组合的控制接收设备进行通讯，对于各种形式的火灾探测装置，其应用无线传输的形式也有不同的要求，无线火灾报警系统有它独特的优势并孕育着巨大的市场潜力。由于无线火灾报警系统安装快捷，施工时对建筑物本身的构造没有伤害，在许多场合都非常适用，特别是它的灵活设置，是有线报警系统不可比拟的，从文物古建筑物到宾馆等等均适用。对于正在施工或正在进行重新装饰的场所，在没有安装有线报警系统之前，这种临时系统可以充分保证建筑物的防火安全，一旦施工结束，无线系统可以很容易地转移到别的场所。另外有的场所本来可能使用点型感烟或感温探测装置，但在该场所中有极少时间要进行工艺处理，因此要影响探测装置的性能，如烟叶仓库，每年要进行杀虫工艺，杀虫要使用腐蚀性很强的杀虫剂，有线火灾报警系统就抵挡不了腐蚀，会使系统报废，如果采用无线报警系统，系统不用导线，可以很容易将探测装置移至室外，待工艺处理完毕后再将探测装置放回原位。我国在无线报警系统发展方面滞后于国外，但在近年来有所发展。从上世纪70年代我国才开始研制生产这类产品，进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外同类公司的产品，火灾报警产品真正发展起来是在90年代以后，随着我国改革开放政策的推行，国外企业开始大量进入中国消防市场，我国的火灾报警企业大量出现，部分技术己接近或赶上了国际水平。在过去的十年间，微电子技术和蓄电池技术在可移动电话市场发展的带动下发生了巨大的进步，进而带动了相关技术领域迅速发展。起初，有线火灾报警系统不仅价格高，而且传感器、发声器等必须通过布线进行连接，仅仅适合于一些特殊场所。如今，几乎所有的布线连接的电器装置都可以改由无线电信号来控制，因而可以广泛地应用于各类建筑物及场所。2总体方案2.1 系统设计要求根据系统的特点，系统的设计要求如下： (1) 小体积探测器的体积要尽可能的小，这样才能减少占用的空间，而且更便于安装和更换。(2) 高可靠性为了保证系统能够正常工作，并且尽可能减少误报警，要求探测器与控制器之间的无线通信可靠。而系统工作环境可能会有不确定的电磁干扰，因此，系统要有一定的抗干扰性能。按照要求系统必须在火灾发生10s内发出报警信号，所以系统对实时性也有很高的要求。(3) 低成本每个火灾报警系统包含的探测器，可能会多达上百个，作为一款商用产品设计，应充分考虑成本，在满足系统要求的前提下，尽量降低成本低，才能在市场上更有竞争力。2.2 方案论证方案一：无线传感器将探测到的火灾信号通过ZigBee无线通信方式发送至数据集中器，数据集中器将收集的数据送至火灾监控中心，再由火灾监控中心对这些数据进行计算处理和统计评估。火灾信号判断的原则不是简单的非准则，而需要同时考虑其它多种因素。根据预先设定的有关规则，将这些数据转换为适当的报警动作指标，相应的发出预报警。如“产生少量烟，但温度急剧上升发出报警”，“产生少量烟，且温升平缓发出预报警”等。无线模块部分主要由传感器、MCU和无线收发芯片等组成。MCU与无线收发芯片通过SPI总线连接，二者构成无线模块。如图2.1所示。 传感器单片机无线收发模块SPIPC主机RS232图2.1总体电路图基于ZigBee技术的火灾自动探测控制网络可以监控多达65535只火灾探测器和65535个监视控制模块，其中一台火灾报警控制器就可以监控多达3690只火灾探测器和3690只监视控制模块。对于如此多的控制点要实时地采集各类参数和状态，还要进行数据的处理和通信，单个微控制器是无法实时完成以上工作的。对于完成RS-232到zigBee通信接口的信息转换与监控主机之间信息传送的通讯板起着交通枢纽的作用。在系统设计中，微控制器需要实现的功能以及外围模块有以下几个部分:(l) 控制无线射频模块完成数据接收与发送;(2) 控制火灾传感器模块进行数据采集;(3) 接收主机控制信号，完成数据交换。方案二：采用ZJM-6火焰检测器将采集的信号通过无线单片射频收发芯片传输到上位机进行显示报警。在数据采集与数据处理部分之间用无线传输，而在数据处理部分到上位机界面显示部分用有线传输。这样避免了相互之间的干扰，使之更准确的进行传输，同时设计相对简单一些。如图2.2所示。 紫外火焰探测器单片机无线收发模块PC机显示图2.2 总体电路图单片射频收发芯片就是将单片机和射频收发器集成在一体。该芯片外设少、成本低、干扰少、功耗低，保证了产品的技术稳定性。与蓝牙和Zigbee技术相比，无线单片技术没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，成本低。2.3 方案构成对一个火焰探测系统来说，整个系统的组成包括三部分：前端数据采集部分（传感器部分) 、数据处理部分、数据传输和上位机的界面显示部分。如图2.1所示。 数据传输 数据采集 数据处理 上位机界面显示图2.1 系统组成在本系统中,数据采集部分选用一种高性能的紫外火焰探测器ZJM-6，数据传输的方式采用无线传输。本系统要实现的是紫外火焰探测数据的测量、存储、显示及后期处理等功能，因此，系统的总体结构可以构想为探测器数据采集模块、无线通信模块、系统控制及数据处理模块等几大部分。如图2.2和2.3所示，分别给出了与探测器相连的下位机数据采集节点的结构框图和与PC机相连的上位机接收节点的结构框图。 紫外火焰探测采集模块系统控制及数据处理模块无线通信模块图2.2 数据采集节点结构框图 系统控制及数据处理模块无线通信模块PC界面报警模块 图2.3 数据接收节点结构框图本设计的目的是实现一个无线火焰探测报警系统，整个系统是一个网络，包括中央监控室和无数的探测节点，如图2.4所示。其中监控点即为无线系统的数据接收点，探测点即为数据采集点。这样整个系统就形成了一个无线火灾探测网络。监控点 1 2 3 4 5图2.4 无线火焰探测报警系统的组成在这个无线火灾探测报警网络中，监控点覆盖的范围内，探测点和监测点之间的通讯是直接通讯；在它的覆盖范围之外，则需要一种路由来使外部节点数据通过上一级节点向监控点来传送，因此，我们还要考虑将网络根据距离监控节点的远近来分级，将整个系统分为若干的子系统，形成分簇网络拓扑结构。每一级节点向上一级临近节点传送信息，同级之间是不进行联系的，这样两级之间就形成了一种点对多点的信号传输模式，提高信息传输的速度，也提高了整个网络的稳定性。但是，由于时间关系，本设计只考虑监控点覆盖范围之内。2.4 探测器的选择 国标中对于点型紫外火焰探测器的响应规定30s均可接受，但由于科技的进步，市场上的火焰探测报警产品的响应时间性均能满足这个时间范围，但对于实际应用和安防要求而言这是必须的，而且对指标和性能要求越来越高。国内的大部分报警系统响应时间在S级，国外顶级公司日本滨松、美国MSA等其响应速度最快可达到ms级，可查阅的国外顶级的火焰检测器探测距离为500米，不能用在更远距离火焰探测中。市场上的火焰检测器主要有感烟传感器、红外传感器和紫外光敏管，即使是采用多信息融合技术的火焰探测系统，其检测的信息来源也主要是这三个方面。传统的火焰探测传感器存在以下不足：(1) 烟雾传感器，这是一种火焰间接检测器，当火焰产生后烟雾也随着产生。当烟雾达到一定的浓度时发出报警信号。用这种方式检测火焰有很大的弊病，有很多物质燃烧时不产生烟雾（如天然气、乙醇、甲醇等），并且检测距离较短，传感器必须安装在烟雾最浓的位置，可见当火焰发生到烟雾产生一定的浓度，然后再报警，这在有的场合可能为时太晚。(2) 热释放红外火焰检测器，能直接检测火焰中波长为4.350.15m的红外光谱，检测目标比较明确，它由热释放探头和放大器组成，不足之处是：这种类型的传感器具有压电性，对声音电磁波以及震动都十分敏感，所以使用的地方受到一定的限制，它的检测距离小于80m。 (3) 常规的紫外火焰检测器，能直接检测火焰中180-260nm的紫外光谱，检测的目标也十分明确。它由紫外光敏探头和放大器组成，不足之处是:灵敏度差，检测距离小于15m,不能抗雷电的干扰,存在一定的误报率,因此只能用在距离较短的封闭环境,如加热炉、工业锅炉等地方。 针对不同类型火焰探测器的特点限制和不足，本文选用由电子科技大学机械电子工程学院智能机电系统工程实验室自主研发的ZJM-6火焰检测器4。 ZJM-6火焰检测器通过对传统的紫外光敏管采用数字滤波技术和信号处理技术，滤出可能存在的干扰信号使系统达到无误报性能；通过硬件电路降噪，提高了检测器的灵敏度，保证其快速响应，改变了传统的以牺牲灵敏度来降低噪声的方法；通过加入前端光学系统，使探测器的探测距离大大提高，可达到上千米的范围，运用在森林防火中；探测模块通用性强，应用范围广，适合军事、安防、环境监测等多方面领域。 ZJM-6紫外火焰检测器具有灵敏度高,检测及时准确、抗干扰性强的特点,可以与各种逻辑控制系统组成各类工业自动报警及联锁保护系统。该产品已在工业加热炉及户外火灾消防中推广使用,效果良好,具有广泛的应用前景。2.5 无线通信技术的选择无线通信包括长距离无线通信和短距离无线通信。长距离无线通信一般要借助基站达到长距离通信的目的，被称为长距离移动通信，比如手机通信。这种长距离移动通信一般成本都比较高。随着电子技术的不断进步，短距离无线通信技术在近几年蓬勃发展起来，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。射频芯片一般采用FSK(Frequency Shift Keying)调制方式，工作于ISM(Industrial. Scientific and Medical)频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。2.5.1 短距离无线通信技术的现状短距离无线通信5方案目前有蓝牙技术(Bluetooth)，超带宽（Ultra WideBrand： UWB）、HomeRF、Zigbee等红外通信技术IDA(Infrared Data Association)和一种自主协议的无线单片技术。下面就这几种技术进行介绍和对比。蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范,己经得到了全球众多大企业的支持。蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。但是蓝牙设备价格昂贵，通信协议复杂，通讯距离近，蓝牙 RF定义了三种功率等级(100mw,25mw和1mw)，当蓝牙设备功率为1mw时，其发射范围一般为10m。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努力，Zigbee 协议在2003年中通过后，于2004年正式问世了。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入到各种设备中,同时支持地理定位功能。Zigbee具有网络省电、可靠、成本低、容量大、安全等优点，可广泛应用于各种自动控制领域。 一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是功耗和成本最低的技术；但是ZigBee技术的数据速率低和通信范围较小的特点,又决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。无线单片技术是将成熟的单片机技术与无线技术相结合的产物。嵌入了高性能单片机内核的高速、体积小、功耗少、外围元件少的低成本单片射频收发芯片，即将单片机和射频收发器集成在一体。该芯片外设少、成本低、干扰少、功耗低，保证了产品的技术稳定性。与蓝牙和Zigbee技术相比，无线单片技术没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，成本低。它可应用在:无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制和无线通讯电信终端。2.5.2 无线通讯技术的选择对于一个系统来说，无线通信技术的选择主要考虑以下几点：(1) 可以完成系统的功能要求对于一个火灾报警系统来说，需要对探测器采集的信号进行处理，并要求系统的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，且对于一个无线系统来说，低功耗也是一项重要的指标。(2) 开发简单收发芯片所需的外围元件数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。通信协议的复杂程度也完全影响了整个系统的开发的复杂性。(3) 成本低通过以上几种无线技术的介绍，从系统的经济性、传输速率，确定该部分电路设计使用无线收发芯片。无线单片芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。参照以上几点我们选用了Nordic公司生产的无线射频芯片nRF9E5。它是一种嵌入了高性能单片机内核的高速、体积小、功耗少、外围元件少的低成本单片射频收发芯片，即将单片机和射频收发器集成在一体。该芯片外设少、成本低、干扰少、功耗低，保证了产品的技术稳定性。与蓝牙技术相比，nRF9E5没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，成本低。它可应用在:无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制和无线通讯电信终端。3紫外火焰探测器原理及测量电路分析3.1 紫外火焰探测的基本原理火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在 0.1-10m或更宽的范围，为了避免其他信号的干扰，常利用波长（300nm）的紫外线,或者火焰中特有的波长在4.4m附近的CO2辐射光谱作为探测信号。紫外线传感器只对 185260nm狭窄范围内的紫外线进行响应,而对其它频谱范围的光线不敏感,利用它可以对火焰中的紫外线进行检测6。到达大气层下地面的太阳光和非透紫材料作为玻壳的电光源发出的光波长均大于300nm，故火焰探测的220m280nm中紫外波段属太阳光谱盲区（日盲区）。如图3.1所示。 m cm m 107 105 103 101 1 101 100 101 102 103 0.75 3 20 1000m 图3.1 电磁波谱紫外火焰探测技术，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，除此之外，它还具有反应时间极快的特点。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。因而充气紫外光电管正日益广泛地应用于燃烧监控、火灾自报警、放电检测、紫外线检测及紫外线光电控制装置中。紫外探测器探头部分包括三部分：紫外光电管、电极、光窗。(1) 紫外光电管紫外光电管的工作原理是基于其阴极的光电效应，取决于电场强度、管内气体压力、气体种类、阴阳极材料及间距。紫外光电管的主要技术参数有光谱响应范围、起始敏感电压、工作灵敏度、工作电压和工作电压范围内本底。光谱响应的特性是由电极材料、光窗材料及工作电压所决定的，在材料和工艺确定的情况下，光谱响应特性是确定的，光电管的特性与其材料和结构有密切联系。(2) 电极阴极材料要求有高的积分灵敏度，高的热和化学稳定性，二次电子发射小，耐正离子轰击能力强、不易溅射，便于加工等性能。为此一般采用纯金属作为光电阴极。为了确保管子的日盲特性，必须采用日盲光电极仅对紫外线敏感，对太阳没响应。对于地球大气中的太阳辐射，波长短于2800A的紫外大部分被大气层吸收，而一般的点光源发出的紫外光谱成分几乎完全被玻壳吸收。(3) 光窗光窗材料的选择主要是考虑该管的光谱响应特性及材料价格，为了满足1800A-2600A 的光谱响应范围，紫外光电管采用的光窗材料是高透紫玻璃，透紫率越高管子灵敏度越高，光窗结构采用半球形或管状，对于不同厚度的窗口，考虑结构的机械强度高和管子的视角。光窗的厚度一方面要保证有足够的机械强度，不能太薄，另一方面要考虑太厚对紫外透射的影响，可能使管子灵敏度达不到要求，光窗厚度0.4mm 为宜。3.2 测量电路分析ZJM-6 火焰检测器由探头及火焰检测模块组成，探头主要采用高性能的紫外光敏管（日本滨松1753或2868系列），配合自主开发的火焰检测模块和光学聚焦系统，可大大提高光敏管的探测距离和实现零误报，并且根据不同的应用场所用电路实现其灵敏度等级可调。火焰检测模块主要由电压驱动电路、信号检测电路、数字放大电路、数字滤波电路和信号处理电路组成。下图为探测器组成方块图，此图也说明了探测器的基本组成和工作原理。 电量被测量输出量输入量敏感元件转换元件信号调节转换电路 电源图3.2 探测器组成方框图紫外线传感器需要外加350V的高电压进行驱动,而检测器的外供电源采用24V直流低压电源或干电池,因此需进行DC/DC的转换,以获得传感器所需要的高电压。且传感器一旦开始放电,就会处于一种自保持放电方式,即使紫外线消失,仍有放电电流存在，这样就不能正确地检测紫外线。因为传感器本身没有自动抑制火花的特性，必须从外部加入灭弧电路。采用周期性地减小阳极电压,使其低于VS的方法可以防止放电电流的自保持。驱动电路如图3.3所示。图3.3 紫外驱动电路火焰检测模块中需加入RC脉冲驱动电路来检测紫外线辐射，其工作波形图如图3.4所示。在a点：当没有紫外线时,传感器不放电,因而阳极的电位等于外加电压Ebb。在b点：当有紫外线射来时会产生一次放电,放电电流主要由充电电容C1提供,且在电阻R2上产生瞬时电流,得到一个尖脉冲电压输出。在c点：由于提供放电电流,电容C1上的电量减少,则阳极电位也随之降低,当其低于放电维持电压VS时,就暂时停止放电。在d点：当停止放电时,电容C1开始通过电阻R1从电源Ebb充电,传感器的阳极电压再次增加。在e点：当阳极电压达到放电起始电压时,如果有连续的紫外线照射到传感器上,则使其再次放电,且产生连续的尖脉冲。不断重复以上过程,驱动电路就可以完成对紫外线的检测。它不仅可以抑制传感器的火花,而且还用输出脉冲表示紫外线的存在。图3.4 脉冲驱动电路工作波形传感器的灵敏度与放电电流的大小无关,而是依赖于放电的次数（输出脉冲数）。当入射光较弱时,输出脉冲数与入射光强度成正比；而当入射光增加到一定强度时，输出脉冲数量则呈饱和状态,不再增加。如果来自火焰以外的紫外线如宇宙射线、电弧焊的火花等入射到传感器中,也会产生放电,这些紫外线就是背景噪声。检测紫外线时，输出脉冲中包含有背景噪声,因此输出信号必须经过处理,滤掉背景噪声,以检出正确的火焰信号。因而ZJM-6火焰检测器中加入了数字滤波技术，将雷电、电弧等干扰信号给滤出，从而实现零误报功能。火焰紫外线与背景噪声具有相同的输出脉冲波形，所以只有根据不同入射光强度下产生的脉冲频率(脉冲间隔)从背景噪声中识别火焰信号。若放电次数非常少,则说明是背景噪声,将其除去；若脉冲数在一定时间间隔内大于一特定数值,则证明是火焰信号,将其送到控制电路。检测器的灵敏度取决于定时时间及在这段时间内预置的脉冲个数。定时时间应低于背景噪声所产生的脉冲间隔,但如果太短,就可能检测不到较弱的紫外线。减少预置的脉冲个数可提高灵敏度,但易引起误动作。因此需要采取措施,对灵敏度进行控制，所以加入了延时电路以防止偶然的强紫外线入射或火焰不稳定而引起误动作,延时时间可调整。最后,信号电压经过转换电路变为若干接点信号或420mA电流控制信号输出。其输出端引脚示意图如图3.5所示。其中电源正负极接24V电压，VA为模拟电压输出，OC为继电器开路输出（开关量），FP为频率响应输出，这三个输出端相对于“”极提供公共端，可测火焰大小和探测响应时间。 VA OC FP - - -12345678图3.5 ZJM-6 紫外检测器引脚图主要技术指标:电源电压 24V DC 20%监视状态电流 20mA （24V）报警状态电流 50mA响应时间（见火）FP 端（频率信号）输出 300sVA 端（模拟电压）输出 150msOC 端输出 15-400ms(可调)继电器触头输出 35-425ms（可调） 模拟电压 0-10V频率信号 见表 3.1灵敏度 见表 3.1延时时间（火熄后）FP 端 1ms VA 端 20ms OC 端 1.5s继电器触头 2sOC 端吸入电流 200mA 继电器触头容量 AC120V/2A 按检测距离分为七个规格，如表 3-1所示。表 3-1 紫外火焰探测器规格型号频率范围最大检测距离备注ZJM-6-10-1.8KHZ5 M火源为烛光、加热炉、锅炉专用ZJM-6-100-2KHZ10 M火源为烛光ZJM-6-500-2.2KHZ50 M火源为 GB15631-1995 所规定的ZJM-6-1000-2.5KHZ100 M同上ZJM-6-2000-2.7KHZ200 M同上ZJM-6-5000-3KHZ500 M同上ZJM-6-10000-3KHZ1000 M同上ZJM-6-15000-3KHZ1500 M同上4无线紫外火焰探测系统的硬件实现为了保证整个系统的体积小、高集成度和易于实现性，要求硬件电路的设计精简，优化布线，合理选择器件。我们选用无线射频芯片nRF9E5，nRF9E5是Nordic公司推出的射频片上系统，内嵌8051兼容微控制器、RF收发器和4通道10位A/D转换器，32pin5mmx5mmQFN(Quad Flat No-Lead)封装，所需的外围电路很少，可以使整个系统体积做得很小，实现了系统的高度集成化、智能化。4.1 系统框图和原理无线紫外火焰探测系统的总体构成如图4.1所示。系统分为数据采集和数据接收两部分。图A为数据采集端。数据采集端的功能是对紫外探测器的信号进行处理并通过天线发射出去，其中包括对探测器输出的频率信号的处理、A/D 转换和无线数据发送。图B为数据接收端。数据接收端是接收各个数据采集端的信号，并将信号处理后通过串口发送到PC机的界面，这一部分的硬件包括信号接收与处理部分和串口部分。 开关量处理A/D转换传感器频率处理信号处理和无线发射图A 数据采集端 RS-232PC机界面显示信号接收并处理图B 数据接收端图4.1 无线紫外火焰探测系统框图4.2 nRF9E5 芯片nRF9E57是Nordic VLSI公司推出的系统级RF芯片,内置增强型8051兼容微控制器、433/868/915 MHz的nRF905射频收发器和4路输入10位80kbpsA/D转换器。芯片嵌入了电压调整模块,最大限度地抑制噪声,可工作在1.9V3.6V的单电源上,待机功耗为2AQFN55封装。由于nRF9E5集成度高,功能强,功耗低，很适合用于小型化和低压场所的射频控制系统的设计。 图4.5 nRF9E5功能图(1) 增强型51内核微控制器nRF9E5的片内微控制器与标准8051兼容,指令时序与标准的8051稍有不同：nRF9E5 的内置微控制器的指令周期为420个指令周期。中断控制器支持5个扩展中断源：ADC中断、SPI中断、RADIO1中断、RADIO2中断和唤醒定时器中断。微处理器除了256B的数据外, 还扩展了512B的ROM和4KB的RAM ,并扩展了2个数据指针,以便从XRAM区读取数据。上电复位或软件复位后,处理器自动执行ROM引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下,从EEPROM加载到4KB的RAM 中。如果应用中不用内含ROM的nRF9E5 ,则程序代码必须从外部加载,比较常见的是通过SPI接口连接型号为25320的EEPROM。而SPI（串行外设接口）的接口引脚是 MISO、SCK、MOSI和EECSN ,其中MSIO、SCK和MOSI与P1口的低3位复用,通过寄存器SPI_CTRL来控制功能间的切换。(2) A/D转换器nRF9E5内置10位ADC,A/D转换参考电压可通过软件设置在AREF和1.22V之间内部参考电压。A/D转换器的4个输入可通过软件进行选择，通道03可以把对应引脚AIN0AIN3上的电压值分别转换为数字值，通道4用于对nRF9E5工作电压的监控。A/D转换器默认工作于10位方式，可通过软件使其工作于6位、8位或12位方式。(3) CKLF时钟、RTC唤醒定时器、GPIO唤醒和WTDnRF9E5内有一个低频的时钟CKLF，该时钟常开。当晶振开始工作后，CKLF频率为4kHZ；晶振不工作时，CKLF是一个低功耗RC晶振器，只要VDD1.8V，其连续工作。RTC唤醒定时器、WTD(看门狗)和GPIO唤醒全都工作在CKLF频率，以保证芯片低功耗工作时能够完成这三个功能。RTC唤醒定时器是一个24位可编程控制的递减计数器，WTD则是一个16位可编程控制递减计数器。RTC唤醒定时器和WTD的循环周期一般在300us80ms，默认为1ms。RTC唤醒定时器也能作GPIO的输出源，也就是说，当RTC唤醒定时器初始化时间发生溢出时，能够产生一个用作GPIO输出的程序脉冲。(4) nRF9E5收发模块nRF9E5收发器通过内部SPI口与其他模块进行通信,具有同单片射频收发器 nRF905相同的功能：载波监测输出CD,可避免空间无线通信碰撞；地址匹配输出AR,易于实现点对多点无线通信设计；数据接收就绪DR，便于节能设计,满足低功耗设计要求。nRF9E5工作于433/868/915MHz ISM频段。收发器由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节器和2个接收器组成，内置完整的通信协议和CRC效验,只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO 0xA0编程进行控制。发射模式下,射频电流消耗为11 mA ,接收模式下为12.5mA。nRF9E5使用SPI接口进行内置微处理器与无线模块间的数据传输。nRF9E5的收发器有3种工作方式: ShockBurs接收RX方式、ShockBurstt发送TX方式和空闲方式。nRF9E5收发器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN决定。4.3 数据采集端电路设计数据采集端需要处理与控制的信号如表4-1所示。表 4-1 ZJM-6 处理信号说明信号说明OC开关量，火焰的有无，0：有火；1：无火FP脉冲量，火焰信号的判别，火焰信号频率 20K-30MHZ 左右VA模拟量，火焰大小由表4-1可以看出，FP处理后的频率可高达 30MHZ，这是一般MCS-51单片机无法处理其计数的，因此，在本设计中采用一片 CPLD8来处理脉冲信号 FP，并且用 Verilog-HDL9语言编写高速计数器来计算FP的脉冲数，以分析响应后的信号是否为确定的火焰信号。VA作为模拟量直接接入 nRF9E5的 A/D转换端进行处理。OC开关量直接在 nRF9E5的 8051内核中进行处理。数据采集端的硬件组成如图4.2所示。图4.2 数据采集端硬件框图4.3.1 火焰信号的处理由表4-1可以看出,火焰信号的处理包括以下部分:(1) 开关量的处理 开关量表示火灾信号的有无，低有效。火焰信号要求系统实时处理,因此在硬件处理时将其与单片机的外部中断相连。当中断事件发生时，系统被唤醒,执行相应的中断服务程序。(2) 模拟量的处理nRF9E5集成4输入10位的A/D转换器，这完全满足了系统对A/D转换的精度要求，因此将表示温度的模拟量VA直接在nRF9E5中处理。(3) 频率的处理频率也是火灾信号的一种表征,在系统响应中断后,接着处理频率信号,以进一步验证信号是否确定为火灾信号,这样进行两次验证,可降低了火灾信号的误报率。在本设计中采用一片Altera的CPLD EMP3064ALI44来处理频率信号FP。EMP7064属于Altera CPLD的主流器件，采用高性能CMOS工艺制造，可用门数为1250。使用硬件描述语言Verilog-HDL在 Quartus可以实现一个32位的计数器。使用可变成的逻辑器件 CPLD 来实现系统对频率的采集,不但简化了系统，而且使整个系统具有更高的可扩展性。这既解决了一般单片机无法处理高频的问题，又使整个系统能快速的响应其它信号，提高了系统的快速性。Quartus软件是Altera的综合开发工具,它集成了Altera的 FPGA/CPLD开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口。通过使用此开发工具可以创建/组织和管理自己的设计。如图为使用Quartus软件得到的CPLD内部的32位计数器电路图。 图4.3 CPLD内部电路图单片机通过A1、A2来依次选通reg0,1，2，3寄存器,最后读出各个寄存器的值,得到我们所探测信号的频率。CPLD与紫外探测器和单片机相连接的原理图如图4.4所示。脉冲信号FP通过一片CPLD EMP3064ALI44来与单片机相连，VA作为模拟量直接接入nRF9E5的A/D转换端进行处理，OC开关量直接在 nRF9E5的8051内核中进行处理。图4.4 数据采集端硬件原理图4.3.2 无线收发电路nRF9E5是一个高集成度的芯片，其所需外围电路很少，只需外接一片EEPROM用于用户的程序加载。其中P0口和P1口与8051的对应端口相同，这两个端口是采用CMOS驱动的双向IO口，其方向可通过_DIR和_ALT寄存器的设置来选择端口的功能和数据传输的方向。P0口通过P0_ALT和P0_DIR进行设置，当P0_ALT的对应位为1时，则P0.n具有UART、外部中断、定时器输入或脉宽调制输出功能，其方向由P0_DIR的对应位来确定； P1口的控制寄存器分别为SPI_CTRL、P1_ALT、P1_DIR，当SPI_CTRL1时，P1口作SPI口使用，当SPI_CTRL0时，P1作通用IO口，XC1和XC2分别为系统时钟的输入和输出，ANT1和ANI2为系统射频信号的接口，射频传输协议集成在射频模块内。AIN0AIN3为模拟信号的输入端口。天线的连接采用差分环形天线连接方式。在数据接收端的无线收发电路采用与数据采集端的核心电路相同。图4.6 无线收发的硬件电路4.3.3 EEPROMEEPROM25XX32010为nRF9E5的外部程序存储器，容量为4K字节(40968b)，用于存储在nRF9E5上运行的应用程序。当上电时，nRF9E5通过其内部固化的引导程序(Boot loader)，通过SPI接口将应用程序导入到片内RAM中运行。电路原理图如图4.7所示。P1口的4个引脚MISO、MOSI、EECSN、SCK作为系统上电后EEPROM和系统进行通讯的接口，EECSN为片选信号，SCK为存储器的时钟信号，MOSI(送数据到EEPROM的SDI)、MISO(接收EEPROM的SDO送来的数据)分别为串行数据的输入和输出信号。SPI口的MISO、SCK和MOSI与P1口的低3位重用，通过寄存器SPI_CTRL控制来控制功能间的撤换。当程序加载完成后，MISO(P1.2)、MOSI(P1.0)和SCK(P1.0)可能会用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。图4.7 EEPROM25XX320电路图4.3 串口电平转换电路为了方便射频模块和PC的通信，通常可采用RS-232接口、USB接口、以太网接口等，其中，RS-232接口是目前PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。本设计使用RS-232接口，采用MAX232芯片实现RS-232电平与TTL电平之间的转换。MAX232是MAXIM公司生产的一种RS-232接口芯片，使用单一电源电压供电，电源电压在3.05.5V范围内都可以正常工作。串口通讯原理图如图4.8所示。图4.8 单片机通过MAX232芯片与PC机通讯电路在图4.8中，TXD和RXD分别接到单片机的PD0和PD1脚。上拉和下拉电阻的作用是实现远距离传输起抗干扰作用，保证系统传输的安全性和准确性。P1为9针的D型插座，连接计算机的串口，控制命令由串口传出，串口连接MAX232芯片，该芯片为电平转换电路，其主要目的是把计算机+15V高电平转换为MCU可以接受的03V的CMOS电平，P1插座中引出的引脚为2、3、5分别对应与TXD、RXD、GND，经MAX232转换后连接nRF9E5的P01、P02，P01和P02分别设置为第二功能的RXD、TXD。4.4 系统电源管理本设计应用于楼宇工厂等地，得到220V的电流比较方便，因此可以采用线性或开关电源，将其稳压到低电压。由图4.8可以看出，系统的各个模块供电设备不仅仅是一个，需要对探测器（24V）和收发模块（3.3V）都要供电，为了整个系统的稳定和出于电源模块体积的考虑，我们选择能承担较大电流负载的开关电源，它具有效率高、体积小、能耗低等特点，且现在的开关电源技术能使系统更稳定。数据采集端需要供电设备有探测器和无线收发模块，如图4.9所示。探测器所需要的电源是直流24V，无线收发模块的电源为3.3V。因此我们选择可以输出24V和5V的开关电源。5V的开关电源是常用电源，对于3.3V的电压，可以经过稳压后到3.3V。 紫外探测器无线接收nRF9E5电源图4.9 数据采集端的电源管理nRF9E5微处理器可工作在低电压（1.9V3.6V）下，内有电压调节器，芯片可以通过软件设置进入以下几种模式：普通模式、空闲模式和掉电模式。在本设计中我们外部的电源供电采用固定的220V电源供电，然后应用开关电源将其稳压到5V，然后在5V-3.3V的过程中，因为RF芯片对电磁环境要求很高，因此在5V到3.3V的变换中采用线性电源。采用Linear的LM1117作为电源管理11芯片，将电压降到nRF9E5可工作的3.3V。LM1117的输出电流可达800mA，这对于功耗比较低的本系统来说是完全满足要求的。图4.10即为通过LM1117将+5V降压到+3.3V电源电路原理图。图中并接三个去耦电容一个电感，增加系统电压的稳定性和抗干扰性。图4.10 +5V+3.3V电源电路原理图5无线火焰探测系统的软件设计 系统软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节，也是提高系统性能的关键所在。本火焰探测系统软件设计主要包括三部分：无线采集模块的应用程序、无线收发模块的应用程序和数据接收处理模块应用程序。5.1 数据采集端软件设计 紫外火焰探测模块探测信号有三个用于对火焰的判断，其中OC为开关量，判断探测器响应的有无；FP为脉冲量，用于火焰信号的判别；VA为模拟量，是火焰温度，判断火焰大小，并且根据温度的高低来判断是否有火灾隐患。数据采集端需要保证对采集的数据进行准确处理，判断出是否发生了火灾，并在有火灾信号时马上通过天线