（机械电子工程专业论文）智能消防炮控制系统设计.pdf

西华大学学位论文独创性声明 | l i l ll i ii iir i l li ii iiil 18 8 4 6 4 0 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：咱彩窿指导教师签名：研玲平 日期： 弘1 日期钏i f 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：p 筒髟0 象 日期： 凇， 指导教师签名：却沂给卒 日期伽，乒f 西华大学硕士学位论文 摘要 随着社会经济发展，高大空间建筑和各类化工厂房数量增多，这类场所人员密集， 火灾危险性高，救援难度大，传统的水喷淋灭火设施水流量较小、出水分散、灭火效率 相对较低，不能满足这类建筑的消防灭火需求。为克服水喷淋灭火设施的缺点，结合当 今大空间建筑消防灭火需求及消防炮的发展趋势，设计一套智能消防炮控制系统，实现 消防炮自动定位火源并自动灭火。 本论文的主要内容有： ( 1 ) 分析智能消防炮控制系统的功能要求，选择n x p 半导体微控制器l p c i 7 5 2 作为主控芯片，设计电源、调试、i s p 、i o 接口等基本外围电路，设计智能消防炮现场 总线r s 4 8 5 通讯接口电路，采用m o d b u s 通讯协议设计消防炮通讯软件。 ( 2 ) 设计智能消防炮火灾探测方案。 分析紫外火灾探测原理，选用日本h a m a m a t s u 公司紫外火焰传感器r 2 8 6 8 作为智 能消防炮火灾探测定位传感器。设计调理电路将r 2 8 6 8 探测输出的微弱电流信号转换为 脉冲信号；设计脉冲信号计数电路测量当前辐射强度；设计紫外火焰传感信号滑窗分析 算法，完成火灾探测定位。 分析红外火灾探测原理，选用美国p e r k i n e l m e r 公司的双探测元红外热释电火焰传 感器l h l 8 1 4 作为智能消防炮复合火灾探测传感器。设计放大电路放大l h l 8 1 4 探测输 出的微弱电压信号，选择微控制器l p c i 7 5 2 自带的1 2 位a d 转换器采集电压，设计相 应的a d 转换程序。 ( 3 ) 设计d c d c 升压电路。采用脉宽调制开关电源集成控制芯片u c 3 8 4 3 a 设计 单端反激型2 4 v 3 0 0 v 升压电路为紫外火焰传感器r 2 8 6 8 提供工作电源。 ( 4 ) 设计智能消防炮驱动系统。分析智能消防炮对驱动力矩、响应特性的要求， 选用8 6 型步进电机驱动消防炮。采用p w m 斩波控制步进电机驱动芯片t h b 6 0 6 4 h 设 计驱动电路。采用微控制器l p c i 7 5 2 定时器匹配通道输出两路脉冲信号控制水平及俯 仰步进电机运转。 完成了传感器选型订购、电路板设计加工及智能消防炮总体功能的基础阶段调试， 实现了智能消防炮控制的基本功能。 关键词：智能消防炮；紫外火焰传感器；升压电路；红外火焰传感器；消防炮驱动 智能消防炮控制系统设计 a b s t r a c t w i t hs o c i a le c o n o m yd e v e l o p m e n t ，t h en u m b e ro ft a l lb u i l d i n g sa n dc h e m i c a lw o r k s h o p s p a c e si n c r e a s i n g n i sk i n do fp l a c e sp e r s o n n e ld e n s e 。f i r eh a z a r dh i g ha n dr e l i e fi sd i f f i c u l t t h et r a d i t i o n a lw a t e r s p r a yf i r e - e x t i n g u i s h i n gf a c i l i t i e s w a t e ri sl e s s ，e f f l u e n ts c a t t e r e d ，f i r e f i g h t i n ge f f i c i e n c yi sr e l a t i v e l yl o w ，c a n tm e e tt h i sk i n do f b u i l d i n g sf i r ee x t i n g u i s h i n g d e m a n d i no r d e rt oo v e r c o m ew a t e rs p r a yf i r e e x t i n g u i s h i n gf a c i l i t i e s s h o r t c o m i n g s ，c o n s i d e r t o d a y sl a r g es p a c eb u i l d i n gf i r ee x t i n g u i s h i n gd e m a n da n dd e v e l o p m e n tt r e n do ff i r eg u n s ， d e s i g na s e to f i n t e l l i g e n tf i r eg u nc o n t r o ls y s t e m ，t or e a l i z a t i o nf i r eg u n sa u t o m a t i cp o s i t i o n i n g f i r ea n da u t o m a t i cf i r ee x t i n g u i s h i n g t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ra r e ： ( 1 ) a n a l y s i st h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to f i n t e l l i g e n tf i r ec a n n o nc o n t r o ls y s t e m ，c h o o s e n x ps e m i c o n d u c t o r sc o r t e x m 3k e r n e lm i c r oc o n t r o l l e rl p c 17 5 2a st h em a s t e rc h i p d e s i g np o w e rs u p p l y , d e b u g g i n g ，i s p ，i oi n t e r f a c ea n do t h e rb a s i cp e r i p h e r a lc i r c u i t d e s i g n i n t e l l i g e n tf i r eg u n sf i e l d b u sr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ，u s i n gm o d b u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e s i g nf i r eg u n sc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e ( 2 ) d e s i g ni n t e l l i g e n tf i r ec 翘t m o nf i r ed e t e c t i o ns c h e m e a n a l y s i st h ep r i n c i p l eo f u l t r a v i o l e tf i r ed e t e c t i o n ，c h o o s ej a p a nh a m a m a t s uc o m p a n y u l t r a v i o l e tf l a m es e n s o r sr 2 8 6 8a si n t e l l i g e n tf i r ec a n n o nf i r ed e t e c t i o na n d p o s i t i o n i n gs e n s o r ， d e s i g ns i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tc o n v e r s i o nw e a kc u r r e n to u t p u ts i g n a l so f i 毪8 6 8d e t e c t i o ni n t o t h ep u l s es i g n a l d e s i g nt h ep u l s es i g n a lc o u n t i n gc i r c u i tm e a s u r e m e n t sc u r r e n tr a d i a t i o n i n t e n s i t y , d e s i g nt h es l i d i n gw i n d o wa n a l y s i sa l g o r i t h mo fs e n s o rs i g n a l su l t r a v i o l e tf l a m e , c o m p l e t ef i r ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o n a n a l y s i st h ep r i n c i p l eo fi n f r a r e df i r ed e t e c t i o n ，u s eu sp e r k i n e l m e rc o m p a n yd o u b l e d e t e c t i o ne l e m e n ti n f r a r e dp y r o e l e c t r i cf l a m es e n s o rl h l 814a si n t e l l i g e n tf i r ec a n n o nf i r e d e t e c t i o ns e n s o r d e s i g nc i r c u i ta m p l i f yt h ew e a ko u t p u tv o l t a g e so fl h l 814d e t e c t i o ns e n s o r , s e l e c tl p c17 5 2m i c r oc o n t r o l l e rt ob r i n g12a dc o n v e r t e ra c q u i s i t i o ns i m u l a t i o nv o l t a g e s i g n a l ，d e s i g nc o r r e s p o n d i n ga dc o n v e r s i o np r o g r a m ( 3 ) a n a l y s i st h ep r i n c i p l eo fd c d c b o o s tu pc i r c u i t ，a d o p tp w ms w i t c hp o w e r i n t e g r a t e dc o n t r o lc h i pu c 3 8 4 3 ad e s i g no n e - p o r tf l y b a c kt y p e2 4 v 一3 0 0 vb o o s tu pc i r c u i t ， p r o v i d ew o r kp o w e rf o ru vf l a m es e n s o rr 2 8 6 8 ( 4 ) a n a l y s i st h ed r i v i n gt o r q u e ，r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i cr e q u e s to fi n t e l l i g e n tf i r ec a n n o n ， c h o o s e8 6t y p es t e p p i n gm o t o rd r i v ef i r ec a n n o n a d o p tp w m c h o p p i n gc o n t r o ls t e p p i n gm o t o r d r i v e rc h i pt h b 6 0 6 4 hd e s i g nd r i v i n g c i r c u i t a d o p t i n gm i c r oc o n t r o l l e rl p c 17 5 2t i m e r 西华大学硕士学位论文 m o d u l eo fm a t c h i n gc o m p a r ef e a t u r e so u t p u tp u l s es i g n a lc o n t r o lh o r i z o n t a la n dv e r t i c a l s t e p p i n gm o t o rr u n n i n g c o m p l e t e dt h es e n s o rs e l e c t i o na n do r d e r i n g ，t h ec i r c u i tb o a r dd e s i g na n dp r o d u c t i o n ， o v e r a l lf o u n d a t i o ns t a g ed e b u g g i n go f i n t e l l i g e n tf i r eg u l l s ，r e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o no f i n t e l l i g e n tf i r eg u nc o n t r 0 1 k e yw o r d s i i n t e l l i g e n tf i r eg u n ；u l t r a v i o l e tf l a m es e n s o r ； b o o s tu pc i r c u i t ；i n f r a r e df l a m es e n s o r ； f i r ec a n n o nd r i v i n g 智能消防炮控制系统设计 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 1 绪。论1 1 1 智能消防炮发展现状及趋势l 1 1 1 火灾探测的基本原理1 1 1 2 智能消防炮的发展现状及发展趋势1 1 2 研究本课题的目的和意义5 1 3 论文主要内容7 2 总体方案设计8 3 硬件部分设计1 0 3 1智能消防炮探测部分设计1 0 3 1 1 紫外火焰探测电路设计1 0 3 1 2 红外火焰探测电路设计一2 0 3 2 智能消防炮驱动部分设计2 6 3 2 1 智能消防炮驱动系统组成2 6 3 2 2 步进电机驱动电路设计一2 7 3 3 智能消防炮控制部分设计3 2 3 3 1 c o r t e x m 3 微控制器l p c i 7 5 2 简介3 2 3 3 2 微控制器l p c i7 5 2 基本工作电路设计3 4 3 3 3 紫外火焰传感信号处理电路设计3 7 3 3 4 红外火焰传感信号a d 转换电路设计。3 7 3 3 5 智能消防炮运动控制电路设计3 8 3 3 6 智能消防炮现场总线通讯电路设计4 0 3 4 本章小结4 2 4 软件部分设计4 3 4 1 智能消防炮探测信号处理4 3 4 1 1 紫外火焰传感信号处理。4 3 4 1 2 红外火焰传感信号处理一4 4 4 2 智能消防炮现场总线功能实现4 8 i v 西华大学硕士学位论文 4 2 1m o d b u s 通信协议及c r c 计算4 8 4 2 2 现场总线通信程序设计4 9 4 3智能消防炮运动控制功能实现5 2 4 - 3 1智能消防炮运动控制程序设计5 2 4 3 2 智能消防炮工作流程5 6 4 4 本章小结5 7 5 智能消防炮总体功能调试5 8 结论及展望6 0 参考文献61 攻读硕士学位期间发表学术论文情况：6 4 致 射6 5 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 智能消防炮发展现状及趋势 1 1 1 火灾探测的基本原理 火灾是指在时间和空间上失去控制并造成一定损害的燃烧过程，火灾发生的基本要 素包括助燃物、火源及可燃物。物体燃烧过程是一种伴随着光、热、烟的化学反应过程。 物体燃烧会产生热量，使环境及物体自身温度发生变化，当燃烧速率较慢时，其温度变 化也较慢；物体燃烧会产生二氧化碳、一氧化碳等气体；当物体全燃时，物体自身及环 境温度快速上升并产生火焰，此时燃烧物分子的电子发生跃迁，火焰辐射出各种波长的 光。物体发生火灾时，初期和阴燃阶段时间较长，在燃烧阶段火势蔓延迅速，在全燃阶 段产生火焰辐射【5 6 】。 火灾探测主要通过监测环境中的温度、气体和辐射等火灾参量，经过特定的软硬件 处理来判断火灾的发生。火灾探测器分类标准较多，如按照火灾参量和按照结构造型等 标准来分类。根据火灾参量不同可分为感烟型、感温型和感光型等几大类。 感烟型火灾探测器通过测量物体燃烧产生的烟雾粒子来实现。它基于烟雾粒子可以 改变光线强度，改变空气电容器电解常数及减小离子电流的原理，可以探测火灾初期产 生烟雾的浓度，常常用于早期的火灾探测报警。 感温型火灾探测器通过测量物体的异常温度和温差变化率来实现，可分为定温型、 差温型和差定温型。其中，当物体温度超过正常值时响应的叫做定温型；当物体温差变 化率超过正常值时响应的叫做差温型；差定温型同时判断物体的温度及温差变化率，具 备差温和定温两种判断功能。 感光火灾探测器通过测量火焰辐射的红外、紫外及可见光来实现，主要包括红外火 焰传感型和紫外火焰传感型。 1 1 2 智能消防炮的发展现状及发展趋势 消防炮种类较多，目前市面常见的有手动控制消防炮( 图1 1 ) 、电动控制消防炮 ( 图1 2 ) 、遥控消防炮( 图1 3 ) 、移动式消防炮( 图1 4 ) 【吲。 智能消防炮控制系统设计 图i i 手动消防炮 f i g 1 i m a n u a lf i r eg u n 图1 2 电动控制消防炮 f i g 1 2 e l e c t r i cc o n t r o lf i r eg u n 2 一 西华大学硕士学位论文 二二一一 图1 3 遥控消防炮 f i g 1 3 r e m o t ec o n n o lf i r eg u n 图1 4 移动式消防炮 f i g 1 4m o b i l ef i r eg u n 3 智能消防炮控制系统设计 消防炮涉及的学科较多，如机械设计制造、流体力学、电子电气等。从消防炮控制 技术的角度来看，智能消防炮主要向以下两个方面发展： ( 1 ) 多参量复合火灾探测定位技术 火灾探测定位技术是传感技术和火灾探测算法结合，其实质是利用传感器采集火灾 发生时的各种火灾参量并将其变为易于处理的电信号，再通过相应的硬件处理及探测算 法来判断火灾的有无。火灾过程是一个极其复杂的物理化学过程，且与环境的相关性很 大，不同环境和不同燃烧物质的火灾生成物不同，如气体、烟雾、温度场分布及光谱构 成。因此很难用一种火灾参量完成各类火灾的探测。此外，非火灾信号，如灰尘、水气 和香烟烟雾等都可能会引起误报。火灾的物理特征很多，如火焰辐射、火焰形状、火焰 闪烁、气态燃烧产物、固态燃烧产物和燃烧音等，这些物理特征为多参量复合判定火灾 提供了依据。多参量复合探测技术可以从根本上识别由于非火灾信号导致的误报和由于 电磁干扰信号等引起的单一参量火灾探测器的误报，大大降低误报率。多参量多判据火 灾探测技术还可以使火灾探测时间缩短，达到早期预报及时定位的目的。因此由多参量 敏感元件来复合探测火灾将是今后火灾探测定位技术的主要研究方向【5 4 1 。 ( 2 ) 城市远程消防监控系统 城市远程消防监控系统是通过现代网络监控技术，快速、准确的将各单位火灾自动 报警信号传送至城市远程消防监控中心。远程监控系统是提高消防部队快速反应能力和 提高扑灭初期火灾成功率的重要手段，也是提高社会单位自身消防安全管理水平和全社 会防控火灾能力的有力措施。目前该系统尚未大面积推广，但城市远程消防监控系统依 然是社会联动报警的发展方向，系统的技术研究受到了各大火灾报警厂家的重视，如蚌 埠依爱消防电子有限公司研发了名为“消防报警设施远程维护保障系统 ，其实质仍是 消防远程监控系绀州。 目前市面的消防炮多数为手动及电控消防炮，这类消防炮在火灾发生时需要消防人 员手动操作控制，这样会延长消防灭火的时间，同时近距离灭火对消防人员自身的安全 也构成了威胁。因此，智能消防炮的总体发展趋势在于实现消防炮自动定位火源并自动 灭火。 4 西华大学硕士学位论文 1 2 研究本课题的目的和意义 目前高大空间建筑、各类化工厂房越来越多，这类场所人员密集，发生火灾时救援 难度大。以下是近期关于两个大空间建筑火灾的报道。 据腾讯网报道【6 7 1 ，中新网兰州5 月3 日电( 记者冯志军) ，3 日下午1 5 时3 0 分 许，位于兰州市中心约5 公里处的甘肃省道路运输救援保障中心发生火灾，约有5 0 0 0 台冰箱及冰柜在火灾中烧毁，其火灾现场如图1 5 所示。 图1 5 兰州某物流中心发生火灾现场 f 远1 5 l a i l z h o ual o g i s t i c sc e n t r ei nt h es c e n eo f t h ef i r e 5 智能消防炮控制系统设计 据新华网报道【6 8 1 ，新华网北京5 月8 日电( 记者卢国强) ，8 日晚，北京市海淀区 一商品交易市场发生火灾，经过3 个多小时的扑救，火势得到控制。火灾造成过火面积 2 0 0 0 平方米，其火灾现场如图1 6 所示。 图1 6 北京市某商品交易市场发生火灾现场 f i g 1 6b e i j i n go l l ec o m m o d i t yt r a d i n gm a r k e tf n es c e n e 目前市面的火灾报警系统由分离的火灾探测器、控制器和指示器等模块组成，它们 能够实现火灾的探测，但不能自动定位着火区域，也不能自动灭火，因此时常延误最佳 灭火时机。 现有的水喷淋灭火系统在发生火灾时，消防水通过喷淋头洒出，对一定区域的 火势能起到控制。但由于喷淋头所用温度管的爆破温度固定，爆破后不能重复使用， 且在火灾发生初期不会导致环境温度急剧升高，因此，使用温度管控制的消防喷淋头不 能及时有效的扑灭火灾。 本文旨在设计一种智能消防炮控制系统，它集火灾探测定位与自动灭火控制功能于 一体，使消防炮装置2 4 小时不问断监视保护区域，自动探测定位着火区域，自动调整 喷嘴使其对准着火区域灭火，从而实现火灾的及时探测与扑救，迅速有效的控制火灾， 减少火灾造成的损。 6 西华大学硕士学位论文 1 3 论文主要内容 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 分析火灾探测的基本原理，了解火焰、太阳光及日光灯的辐射光谱分布，分 析各种辐射源在红外及紫外波段的光谱分布。 ( 2 ) 分析紫外火焰传感器的工作原理，设计智能消防炮探测部分紫外火焰传感信 号的硬件电路及软件处理算法。 ( 3 ) 分析d c d c 升压电路工作原理，根据紫外火焰传感器对工作电压的要求，设 计d c d c 升压电路。 ( 4 ) 分析红外火焰传感器的工作原理，设计智能消防炮探测部分红外热释电火焰 传感信号的硬件电路及软件处理算法。 ( 5 ) 分析智能消防炮的驱动需求，设计消防炮驱动方案，设计步进电机驱动电路。 ( 6 ) 根据智能消防炮控制系统的整体要求，选择主控c p u ，设计消防炮控制系统。 ( 7 ) 完成智能消防炮控制系统的各个分项及总体功能实现调试。 长 智能消防炮控制系统设计 2 总体方案设计 智能消防炮控制系统要求实现如下功能：消防炮装置在外部火灾报警信号触发下， 能自动探测定位着火区域并带动消防炮炮体使消防高压喷嘴对准着火区域，实施灭火扑 救。智能消防炮控制系统组成示意如图2 1 所示。 一1 山市止二* 由士九 一l ，j 、i u 1 ，h l 紫外火灾探测 智能消防炮 驱动 俯仰步进电机 智能消防炮 c p i j 火灾探测 l p c i 7 5 2 l 红外火灾探测 智能消防炮 现场总线 消防联动控制 图2 1智能消防炮控制系统组成示意图 f i g 2 1 s m a r tg u nf i r ec o n t r o ls y s t e md i a g r a m 从智能消防炮控制系统功能组成来说可划分为以下三个部分。 ( 1 ) 智能消防炮探测部分 智能消防炮探测部分用于寻找并定位火源。根据火焰辐射原理，在火灾发生时火焰 会辐射出红外及紫外线，且各种材料物体辐射的红外、紫外线波长在一定范围。因此， 根据火焰辐射光谱图，通过对特定波长辐射的电磁波进行采集测量，就可以探测到火灾。 本文主要采用紫外火焰探测传感器和红外热释电火焰探测传感器作为智能消防炮 的探测元件。这两种传感器通过特有的光窗或滤光片，仅允许火焰辐射的特定电磁波波 段进入传感元，将其余波段的辐射一律吸收或截至。 ( 2 ) 智能消防炮驱动部分 智能消防炮驱动部分为消防炮提供动力，消防炮在运动过程中需要良好的加减速性 能及稳定性，采用步进电机作为执行元件。在消防炮装置中，安装水平回转步进电机和 西华大学硕士学位论文 垂直俯仰步进电机。在步进电机驱动方面，采用细分驱动技术，以提高电机运行的稳定 性，增加角度分辨率。 ( 3 ) 智能消防炮控制部分 智能消防炮控制部分主要包括对智能消防炮火灾探测信号的软硬件处理、智能消防 炮运动控制以及智能消防炮现场总线联动控制。 9 智能消防炮控制系统设计 3 硬件部分设计 智能消防炮控制系统硬件部分主要包括智能消防炮火灾探测定位、智能消防炮驱动 及智能消防炮控制三个部分。其中，智能消防炮火灾探测定位部分主要涉及紫外和红外 火焰传感器复合探测技术；智能消防炮驱动部分主要涉及步进电机驱动电路；智能消防 炮控制部分主要涉及一些i o 量及消防炮的运动控制。 3 1 智能消防炮探测部分设计 3 1 1 紫外火焰探测电路设计 3 1 1 1 火焰光谱及外光电效应 ( 1 ) 火焰光谱简介【5 6 】 物体燃烧产生的火焰会向环境辐射电磁波，该电磁波主要包括可见光波段、红外波 段及紫外波段，其中红外波段以热辐射为主，紫外波段以光辐射为主。 豳| 镒 玄 晕 妥 骣 l 1 八j r i 夕 、 、 波长微米 薯 图3 1 木材燃烧的火焰辐射光谱示意图 f i g 3 1 w o o db u r n i n gf l a m er a d i a t i o ns p e c t r u md i a g r a m 不同材料物体燃烧火焰的辐射光谱各不相同。图3 1 为木材燃烧的火焰辐射光谱示 意图。从图3 1 中可以看出，火焰辐射光谱在紫外波段及红外波段都有，红外波段相对 辐射能量大于紫外波段相对辐射能量。在火焰红外辐射光谱分布波段内波长等于4 3 脚 处出现最大值。 ( 2 ) 外光电效应原理【5 7 】 外光电效应是指物体在入射光照射下向外发射光电子的现象。单个光电子的能量e 可表示为 e = h y ( 3 】) 1 0 西华大学硕士学位论文 上式中， 办表示普朗克常数，取值为6 6 2 6 x 1 0 川，s ； ，表示光的频率，单位为h z 。 物体经入射光照射后体内的电子吸收入射光子的能量，当所吸收的能量足以克服逸 出功4 时，电子逸出物体表面向外发射光电子。只有当光电子能量e 大于金属逸出功4 时才会向外发射，超过逸出功的能量表现为逸出光电子的动能，根据光电效应方程有 1 e = h v = i m v 0 2 + 4 ( 3 2 ) z 上式中， 4 表示金属的逸出功； m 表示电子质量，取值为9 1 1 0 q l k g ； v 0 表示光电子的逸出速度，单位为历s 。 外光电效应具有以下规律： 仅当入射光频率大于极限频率时物体才能发射光电子，相应的波长称为极限波 长。不同物质具有不同的极限频率和极限波长。 光电子逸出时初动能只与入射光线频率有关，而与入射光线强度无关。 当入射光线波长一定时，光电子束和入射光线强度成正比。 ( 3 ) 光电管及其基本特性 光电管结构如图3 2 所示。它由光电阴极和阳极构成，两个电极密封在充气的真空 玻璃管内。阴极上涂有光电发射材料并装在真空玻璃管的内壁上；阳极用金属丝弯曲成 圆形或矩形置于真空玻璃管中间。 光耄蓍运一光 图3 2 光电管的结构示意图 f i g 3 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fo p t i c a lt u b e 光电器件的性能参数主要包括光照特性、伏安特性和光谱特性。 智能消防炮控制系统设计 光电管的光照特性 光电管的光照特性指光电管阳极和阴极之间加一定电压时，光通量与光电流之间的 关系，光照特性曲线如图3 3 所示。 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 图3 3 光电管的光照特性 f i g 3 3 p h o t o c e l ll i g h t i n gf 色a n 嬲 图3 3 中， 曲线1 表示氧铯阴极光电管的光照特性，其光电流f 与光通量成线性关系。 曲线2 表示锑铯阴极光电管的光照特性，其光电流f 与光通量成非线性关系。 光照特性曲线的斜率反应了光电管探测的灵敏度。 光电管的伏安特性 光电管的伏安特性指在一定的入射光照射下，光电管阴极所加电压与阳极电流之间 的关系。光电管的伏安特性曲线如图3 4 所示。 图3 4光电管的伏安特性 f i g 3 4v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i co f p h o t o e l e c t r i c 光电管的光谱特性 1 2 西华大学硕士学位论文 光电管的光谱特性指在阴极电压和入射光照不变的情况下，阳极电流与入射光线辐 射波长之间的关系。阴极材料不同的光电管，其极限频率九不同；同一光电管对不同波 长入射光线的响应灵敏度也不同。 3 1 1 2 紫外火焰传感器工作电路设计 ( 1 ) 紫外火焰传感器的工作波段【5 6 】 图3 5 给出了紫外火焰传感器的光谱响应特性曲线、碳氢化合物燃烧的火焰辐射光 谱能量分布及太阳辐射在2 0 0 3 0 0n m 波段的光谱能量分布。 咖； 口。 缸 莨 幡 扣 t m c l 隳 图3 5 紫外火焰传感器的光谱响应特性曲线 f i g 3 5 u vf l a m es e n s o rs p e c t r a lr e s p o n s ec u r v e 图3 5 中， 曲线1 代表太阳光辐射在大气层外的光谱能量分布； 曲线2 代表太阳光辐射在海平面上的光谱能量分布； 曲线3 代表紫外火焰传感器的光谱响应特性曲线； 曲线4 代表碳氢化合物燃烧的火焰辐射光谱能量分布。 在大气层外，太阳辐射的光谱能量分布如曲线1 所示。从图3 5 中可以看出，在大 气层外，太阳光在2 1 0 3 0 0 n m 之间存在辐射，当太阳光辐射穿越地球大气层时，经过 臭氧层的过滤及保护作用，小于3 0 0 n m 的辐射被臭氧层吸收。 在海平面上，太阳辐射的光谱能量分布如曲线2 所示。从图3 5 中可以看出，在海 平面上，太阳光的辐射光谱在大于3 0 0 n m 时截止。 从图3 5 中可以看出，碳氢化合物燃烧火焰所辐射的紫外线波长大于2 1 2 n m 。紫外 火焰传感器的光谱响应范围受管内气体纯度、材料、配对、压力和成分的影响。图3 5 智能消防炮控制系统设计 中曲线3 代表了紫外火焰传感器的光谱响应曲线，其光谱响应范围与太阳光辐射在海平 面上的光谱能量分布不交叉，因此太阳辐射不会对紫外火焰传感器造成干扰。 ( 2 ) 紫外火焰传感器r 2 8 6 8 简介【5 6 】 6 2 】 r 2 8 6 8 是日本h a m a m a t s u ( 滨松) 公司生产的紫外火焰传感器，可以探测1 8 5n m 到 2 6 0 挖m 之间的紫外辐射。r 2 8 6 8 的窗口材料吸收或阻止了波长小于1 8 5n m 和大于2 6 0 n m 的辐射电磁波，不需外加光线过滤装置就可使用。 紫外火焰传感器的主要技术参数包括光谱响应范围、窗口材料、灵敏度、放电电流 和工作电压。 光谱响应范围是指紫外火焰传感器有信号输出时对应的辐射电磁波波谱范围，其最 小响应波长由光窗材料决定，最大响应波长由阴极材料决定。 灵敏度是指在一定工作条件下，紫外火焰传感器输出的电压值和脉冲数。灵敏度与 紫外辐射的光波波长、功率及工作电路有关，日本在紫外辐射波长等于2 0 0n m ，辐射 强度为1 0 p w c m 2 的条件下测试每分钟输出的脉冲数( c p m ) 。 本底是指紫外火焰传感器受宇宙射线辐射或传感器管内非稳态原子被激发并发生 跃迁所导致的输出脉冲个数。 初始敏感直流电压指紫外火焰传感器对辐射有响应时阳极和阴极之间所加的最低 直流电压。 紫外火焰传感器r 2 8 6 8 的主要技术参数如表3 1 所示。 表3 1 紫外火焰传感器r 2 8 6 8 的主要技术参数 t a b 3 1u vf l a m es e n s o rr 2 8 6 8m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 参数 范围单位 光谱响应范围 1 8 5 2 6 0 n m 工作电压 3 0 0 一3 5 0v d c 最大供电电压 4 0 0v d c 起始放电电压 2 8 0v d c 平均放电电流 1 0a 平均最大放电电流 1m a 峰值电流 3 0，z a 本底 1 0 c p m 灵敏度 5 0 0 0 c p m 工作环境温度 2 0 6 0 1 4 西华大学硕士学位论文 紫外火焰传感器r 2 8 6 8 的光谱响应曲线及一些光源的光谱能量分布如图3 6 所示。 1 p 7b 0 营e e 1 ， 、 、 、 u v t r o n 。s s p e c t r a l f r e s p o n s e j l ，】 厂一 r j 铷n l i (；h t |： l f ， | j ， 、- ， | g a s1 1 j n3 s t e n ，f l a m e ， l g t 匕l 麟? ，7 w a v e l e n g t h ( n m ) 图3 6r 2 8 6 8 的光谱响应曲线及各种光源的辐射谱线 f i g 3 6 r 2 8 6 8s p e c t r a lr e s p o n s ec 1 1 , c sa n dl i n e so f v a r i o u ss o u r c e so f r a d i a t i o n 图3 6 中，横坐标表示辐射波长，纵坐标表示紫外火焰传感器i 也8 6 8 光谱响应的相 对灵敏度及辐射源的相对辐射强度，其中， 灰色阴影区域表示紫外火焰传感器r 2 8 6 8 的光谱响应范围，从图3 6 中可以看出， r 2 8 6 8 的波长响应范围为18 5 2 6 0n m ； s u n l i g h t 点划线表示太阳光辐射的光谱能量分布； g a sf l a m e 实曲线表示汽油燃烧辐射的光谱能量分布； t u n g s t e nl i g h t 虚线表示钨丝灯光辐射的光谱能量分布。 从图3 6 可看出，紫外火焰传感器r 2 8 6 8 利用其窗口过滤作用，将光谱响应范围限 制在1 8 5 2 6 0n m 之间，与太阳光、钨丝灯光的辐射波长范围不交叉，提高了抗干扰能 力。 1 5 一卜一z3匹臣一芷一 _l一z山1之一山一卜v苡jj一卜一z山山一_l一山正 智能消防炮控制系统设计 紫外火焰传感器r 2 8 6 8 的辐射角度响应曲线如图3 7 所示。 蕊埝静蕊 ! 避彳鲥 f i g 3 7 r 2 8 6 8a n g l er e s p o n s ec u r v e 图3 7 中， c 图为紫外辐射源与紫外火焰传感器r 2 8 6 8 的空间位置分布示意图 a 图为r 2 8 6 8 垂直方向上的辐射响应曲线； b 图为r 2 8 6 8 水平方向上的辐射响应曲线。 从图3 7 中可以看出，r 2 8 6 8 对不同角度紫外辐射源的响应度不同， 火焰传感器r 2 8 6 8 阴极时，辐射响应度最强。 ( 3 ) 紫外火焰传感器工作电路设计 紫外火焰传感器r 2 8 6 8 的工作电路如图3 8 所示。 r 2 2 r 3 2 1 卜哥 h q 4 1 w 。 3 删o v d c8 。j扇n 矗2 则申黑# ，1， 图3 8 紫外火焰传感器r 2 8 6 8 的工作电路 f i g 3 8 t h ew o r kc i r c u i to fu l t r a v i o l e tf l a m es e n s o rr 2 8 6 8 1 6 对 西华大学硕士学位论文 当充气的紫外火焰传感器u v l ( r 2 8 6 8 ) 阴极吸收紫外辐射后，阴极上光电子飞向 阳极，在飞向阳极的过程中，光电子与气体中的原子发生碰撞使气体电离形成雪崩放电。 紫外火焰传感器r 2 8 6 8 产生雪崩放电后，r 2 8 6 8 内部阻值变小，电容c 1 8 存储的电量通 过由r 2 8 6 8 、r 3 2 和r 2 4 组成的回路迅速释放，此时p 端产生对地的高电平输出。当电 容c 1 8 两端电压下降到r 2 8 6 8 初始敏感直流电压( 2 8 0 v d c ) 以下时，r 2 8 6 8 内的光电 子停止放电，紫外火焰传感器断开。当r 2 8 6 8 断开后，3 0 0 3 5 0 v 的直流电源又对电容 c 1 8 充电。当电容c 1 8 两端电压达到r 2 8 6 8 工作电压后，阴极逸出的电子在外电路作用 下又形成电流，使紫外火焰传感器内部阻值变小。r 2 8 6 8 每导通一次，p 端产生一个脉 冲输出。p 端输出脉冲的频率取决于紫外辐射的强度、电容c 1 8 、电阻r 3 2 和r 2 4 的大 小。当电容c 1 8 、电阻r 3 2 和r 2 4 一定时，紫外辐射越强，p 端频率越高。 3 1 1 32 4 v - 3 0 0 v 升压电路设计 ( 1 ) 单端反激型d c d c 变换器工作原理【”】 单端反激型d c d c 变换器的工作原理电路如图3 9 所示。 + 虬 图3 9 单端反激型d c d c 变换器工作原理 f i g 3 9 t h ew o r ko fs i n g l e - e n d e df l y b a c kd c | d cc o n v e r t e r 结合图3 9 ，单端反激型d c d c 变换器的工作过程如下