CN115206050B - 一种烟雾报警装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烟雾报警装置，包括LED、透光调节器、光电二极管以及烟雾检测芯片，烟雾检测芯片用于LED的光强调节、透光调节器的透光率调节、光电二极管的电流检测以及整个装置的逻辑控制。烟雾检测芯片中，跨阻放大器、带通滤波器、积分器、模数转换器共同组成模拟前端，根据模拟前端转换输出的电压大小得到在烟雾中的光损耗，该光损耗大小作为烟雾浓度判定值。当装置处于强光照条件导致模数转换器的检测值超过阈值上限时，微控单元输出控制信号来调低透光调节器的透光率；当装置处于弱光照条件导致模数转换器的检测值低于阈值下限时，微控单元输出控制信号来增加LED驱动电流的大小，从而实现消除环境光的影响。

Description

一种烟雾报警装置
技术领域
本发明涉及报警装置，具体涉及一种烟雾报警装置。
背景技术
随着物联网技术的飞速发展，安防***不再是孤立的监测***，而是成为了一个智能化、网络化的智慧***。烟雾检测器在安防领域应用广泛，同时也被称为感烟式火灾探测器、烟感探测器、感烟探测器、烟感探头和烟感传感器。烟雾检测器作为安防***的重要的组成部分，对于智能化、可靠性、准确性、便利性提出了更高的要求。
对于现有的光电式烟雾检测器，烟雾检测器的结构内部设置有光发射器和光接收器。在无烟环境中，发射器和接收器存在一定的角度偏差，由于光线是直线传播的，接收器将收不到散射器的光源。当有火情时，烟雾颗粒进入结构内部，光信号发生散射，接收器就会接收到散射器发出的的光信号，并将光信号转换成相应的电信号。电信号经过放大器、积分器以及算法处理，和预设的值进行比较，如果超过烟雾报警阈值就会给出告警信号并驱动蜂鸣器进行报警。
但是，现有的光电式烟雾探测器受其探测机理的局限，在应用上存在一定局限，具体存在以下问题：
1. 现有集成烟雾报警装置在环境光影响下容易饱和，从而不能对烟雾进行感测，并且不能通过自身装置结构完全消除；
2. 现有烟雾浓度监测范围受到芯片内部跨导放大器增益限制，不能进行宽范围和精细范围的调节；
3. 现有由于探测机理局限，结构所需体积较大。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种烟雾报警装置，用于消除环境光产生的影响。
技术方案：一种烟雾报警装置，包括LED、透光调节器、光电二极管以及烟雾检测芯片，所述烟雾检测芯片包括LED驱动器、数模转换器、跨阻放大器、带通滤波器、积分器、模数转换器、微控单元；
透光调节器设置在LED和光电二极管之间；
LED驱动器的信号输入端连接微控单元，信号输出端连接所述LED；
数模转换器的信号输入端连接所述微控单元，信号输出端连接所述透光调节器；
所述光电二极管、跨阻放大器、带通滤波器、积分器、模数转换器依次连接，所述模数转换器的信号输出端连接所述微控单元；
所述微控单元根据所述LED驱动器输出的驱动电流大小与所述模数转换器输出的电压大小得到在烟雾中的光损耗，所述光损耗大小作为烟雾浓度判定值；
当所述烟雾报警装置处于强光照条件导致所述模数转换器的检测值超过阈值上限时，所述微控单元输出控制信号到所述数模转换器来调低所述透光调节器的透光率；
当所述烟雾报警装置处于弱光照条件导致所述模数转换器的检测值低于阈值下限时，所述微控单元输出控制信号来增加所述LED驱动器的输出电流大小。
进一步的，所述透光调节器包括第一偏振片、第二偏振片以及线性马达，第一偏振片和第二偏振片同轴平行设置，线性马达和所述数模转换器电性连接，所述线性马达用于通过调整第二偏振片的角度来改变第一偏振片与第二偏振片之间的偏振角度差，从而调整所述透光调节器的透光率。
进一步的，所述微控单元通过调整所述LED驱动器输出电流的脉冲宽度来调整输出电流大小。
进一步的，所述微控单元输出控制信号到所述数模转换器来调低所述透光调节器的透光率时，步进调整所述第二偏振片绕轴向的转动角度。
进一步的，当所述烟雾报警装置处于弱光照条件导致所述模数转换器的检测值低于阈值下限时，步进调整所述脉冲宽度。
有益效果：1、本发明装置工作在不同光照条件下时，能够自适应调节烟雾检测工作状态；
2、中间过程透光率调节器能最大程度衰减干扰光源，可以完全消除环境光对烟雾报警的影响；
3、透光率调节器能线性调节透光率，有很大的调节范围和很高的调节精度；
4、LED发光路径和光电二极管接收路径设置于一条直线上，更利于节省装置体积。
附图说明
图1为本装置的结构示意图；
图2为透光调节器的结构示意图；
图3为透光调节器中偏振片调节示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种烟雾报警装置，包括LED101、透光调节器102、光电二极管103以及烟雾检测芯片。透光调节器102设置在LED101和光电二极管103之间，三者间隔一定的物理距离，并使得LED101发光路径和光电二极管103接收路径位于一条直线上。
烟雾检测芯片用于LED101的光强调节、透光调节器102的透光率调节、光电二极管103的电流检测以及整个装置的逻辑控制。烟雾检测芯片包括LED驱动器105、数模转换器106、跨阻放大器(TIA)107、带通滤波器(BPF)108、积分器109、模数转换器(ADC)110、微控单元111、输入输出口(IO)112、存储器113。
LED驱动器105的信号输入端连接微控单元111，信号输出端连接LED101；数模转换器106的信号输入端连接微控单元111，信号输出端连接透光调节器102；光电二极管103、跨阻放大器107、带通滤波器108、积分器109、模数转换器110依次连接，模数转换器110的信号输出端连接微控单元111。其中，跨阻放大器107、带通滤波器108、积分器109、模数转换器110共同组成模拟前端。
LED驱动器105提供LED101驱动电流。数模转换器106输出线性控制电压调节透光调节器102的透光率。跨阻放大器107用于将光电二极管103感应到的电流转化为电压。带通滤波器108用于滤出直流和高频干扰。积分器109用于累积电压脉冲束，得到与光强成正比的模拟电压值。模数转换器110用于将转化的模拟电压转化为逻辑值。微控单元111、输入输出口112、存储器113共同控制整个装置的功能，微控单元111用于调用或者存储数据，输入输出口112是芯片与外部连接接口。
LED101、透光调节器102、光电二极管103处于一个暗室内，烟雾可以进入暗室。如图2所示，本实施例中，透光调节器102包括第一偏振片201、第二偏振片202以及线性马达203，第一偏振片201和第二偏振片202同轴平行设置，第一偏振片201固定设置，线性马达203的控制端连接数模转换器106的信号输出端。线性马达203用于通过调整第二偏振片202绕轴向的转角来改变第一偏振片201与第二偏振片202之间的偏振角度差，从而调整透光调节器102的透光率。如图3所示，两个偏振片的偏振角度差值θ为0°时透光调节器102的透光率最大，θ为90°时透光调节器102的透光率最小，即透光调节器102是通过两片偏振片偏振角度进行透光率调节，从而控制透光率。
设LED驱动器105提供的驱动电流为I；LED101将电流转换为有效光强的增益为A1；透光调节器102的透光率为A2(θ)是偏振镜之间角度θ的函数；光电二极管103将光强转换为电流的增益为A3；模拟前端将电流转换为电压的增益为A4；设光线经过烟雾的损耗为ζ，最终模数转换器110需要转化的电压为V，得到V=I(A1 A2(θ)A3 A4(1-ζ))。对于本装置，参数A1、A2、A3 、A4为可以量化确定的参数，因此通过逻辑计算I与V的值，就可以得到在烟雾中的光损耗ζ，该光损耗大小作为烟雾浓度判定值来判定室内烟雾浓度大小，装置根据烟雾浓度向外部传递是否报警的信息。
本装置能够根据应用环境自适应调整整个装置的工作状态。当装置处于正常光照条件时，微控单元111会控制LED驱动器105产生默认强度的脉冲电流来驱动LED101，LED101产生的光线经过透光调节器102，照射在光电二极管103上，LED101在暗室穿透烟雾过程中会有一定衰减，光电二极管103将光照转换为电流，经过跨阻放大器107、带通滤波器108、积分器109、模数转换器110转化为对应二进制数字值，经过微控单元111的运算处理得到烟雾浓度，最后通过输入输出口112与外部进行交互。
当装置处于强光照条件时，微控单元111会控制LED驱动器105产生默认强度的电流驱动LED101，LED101产生的光线经过透光调节器102，照射在光电二极管103上，此时转换电流过强导致跨阻放大器107饱和，最后模数转换器110的检测值超过阈值上限，逻辑部分控制数模转换器106来调节透光调节器102使透光率降低，进而使得模拟前端转换的电压值进入检测范围。当装置处于弱光照条件时，微控单元111会首先控制LED驱动器105产生默认强度的电流驱动LED101，LED101产生的光线经过透光调节器102，照射在光电二极管103上，此时转换电流过弱导致积分器109积累的电压过低，最后模数转换器110的检测值低于阈值下限，逻辑部分控制LED驱动器105输出的电流脉冲宽度增加，最终使得积分器109得到的电压升高，进而使得模拟前端转换的电压值进入检测范围。
本装置的工作过程具体如下：
S1：装置上电，开始建立烟雾检测报警过程；
S2：逻辑控制部分控制整个装置初始化，包括复位存储器113区域、LED驱动器105电流脉冲宽度恢复为默认值，并将透光调节器102调节为透光率最高，即θ=0°；
S3：MCU111控制LED101驱动器开始工作；
S4：LED101通电并发出光源，电流转换成有效光源存在一定损失，设定得到的有效光强度为IA1；
S5：光源从LED101到透光调节器102，再到光电二极管103，中间穿过烟雾会存在一定损失，损耗为ζ，透光调节器102透光率与偏振镜θ有关，最终在到达光电二极管103的光强为I A1A2(θ)(1-ζ)；
S6：光电二极管103将光强转化为电流增益为A3，从光电二极管103得到的电流脉冲经过TIA107进行跨导放大、BPF108带通滤波、积分器109对电压脉冲积分，设定经过模拟前端的增益为A4，从LED驱动器105产生的电流I最后经积分器109输出的待转换电压V=I(A1A2(θ)A3 A4(1-ζ))；
S7：ADC110将电压V转换为二进制数字值D，将D传递给MCU111进行处理；
S8：假设ADC110门限范围为(A,B)，判断A<D<B是否成立，若不成立，执行S9，若成立，执行S10；
S9：若D>B，MCU111控制DAC106调节透光调节器102，使透光调节器102中第二偏振片202转动一定角度Δθ，第一偏振片201和第二偏振片202偏振角度在上一次角度上增加Δθ，再执行S3；若D<A，MCU111控制LED驱动器105输出的电流脉冲，使电流脉冲宽度增加Δt，再执行S3；
S10：MCU111根据电流I、转换得到电压V、当次设定参数计算出烟雾浓度Z，与正常烟雾浓度范围(0,Y)进行比较；
S11：如果烟雾浓度Z<Y，则***经过延时后，执行S2；如果烟雾浓度Z>Y，***通过IO扣112向外部烟雾报警，至此结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种烟雾报警装置，其特征在于，包括LED（101）、透光调节器（102）、光电二极管（103）以及烟雾检测芯片，所述烟雾检测芯片包括LED驱动器（105）、数模转换器（106）、跨阻放大器（107）、带通滤波器（108）、积分器（109）、模数转换器（110）、微控单元（111）；
透光调节器（102）设置在LED（101）和光电二极管（103）之间；
LED驱动器（105）的信号输入端连接微控单元（111），信号输出端连接所述LED（101）；
数模转换器（106）的信号输入端连接所述微控单元（111），信号输出端连接所述透光调节器（102）；
所述光电二极管（103）、跨阻放大器（107）、带通滤波器（108）、积分器（109）、模数转换器（110）依次连接，所述模数转换器（110）的信号输出端连接所述微控单元（111）；
所述微控单元（111）根据所述LED驱动器（105）输出的驱动电流大小与所述模数转换器（110）输出的电压大小得到在烟雾中的光损耗，所述光损耗大小作为烟雾浓度判定值；
当所述烟雾报警装置处于强光照条件导致所述模数转换器（110）的检测值超过阈值上限时，所述微控单元（111）输出控制信号到所述数模转换器（106）来调低所述透光调节器（102）的透光率；
当所述烟雾报警装置处于弱光照条件导致所述模数转换器（110）的检测值低于阈值下限时，所述微控单元（111）输出控制信号来增加所述LED驱动器（105）的输出电流大小。
2.根据权利要求1所述的烟雾报警装置，其特征在于，所述透光调节器（102）包括第一偏振片（201）、第二偏振片（202）以及线性马达（203），第一偏振片（201）和第二偏振片（202）同轴平行设置，线性马达（203）和所述数模转换器（106）电性连接，所述线性马达（203）用于通过调整第二偏振片（202）的角度来改变第一偏振片（201）与第二偏振片（202）之间的偏振角度差，从而调整所述透光调节器（102）的透光率。
3.根据权利要求1所述的烟雾报警装置，其特征在于，所述微控单元（111）通过调整所述LED驱动器（105）输出电流的脉冲宽度来调整输出电流大小。
4.根据权利要求2所述的烟雾报警装置，其特征在于，所述微控单元（111）输出控制信号到所述数模转换器（106）来调低所述透光调节器（102）的透光率时，步进调整所述第二偏振片（202）绕轴向的转动角度。
5.根据权利要求3所述的烟雾报警装置，其特征在于，当所述烟雾报警装置处于弱光照条件导致所述模数转换器（110）的检测值低于阈值下限时，步进调整所述脉冲宽度。
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