低電壓光電式煙感探測器芯片的設(shè)計

摘要：隨著人們對火災(zāi)安全意識的增強，煙感探測芯片得到了越來越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的 9V 產(chǎn)品存在功耗大，電池不易更換的問題。低電壓光電式煙感探測器芯片，已經(jīng)逐步替代 9V 煙感芯片，成為安防系統(tǒng)中的主流。以 BL5980 為例，介紹了低壓煙感芯片標定系統(tǒng)的原理與應(yīng)用，以及自動標定系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1 引言

光電感應(yīng)煙霧報警器具有精度高、壽命長、抗風、抗潮和抗電磁干擾等多種優(yōu)點。由于它拋棄了放射源，全部由電子元器件組成，因而成為各國政府推廣使用和各消防電子企業(yè)開發(fā)研究的重點。隨著電子技術(shù)特別是光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，其制造成本越來越低，加之生產(chǎn)安裝簡單方便，因此光電感應(yīng)煙霧報警器的市場占有率越來越大，尤其是民用住宅的使用，基本上已全部采用了光電感應(yīng)型煙霧報警器。有資料表明，光電感應(yīng)煙霧報警器在日本的使用份額已占到感煙火災(zāi)探測器的 97％ 以上[1]。

當今市場上主流的煙霧報警芯片均設(shè)計于 1980 年代，采用的是 9 V 電壓供電，功耗較高，電池也不易更換。目前，我國正在制訂 3 V 電壓供電的煙霧報警器系統(tǒng)的相關(guān)標準。3 V 可編程光電煙感器芯片集成了煙霧探測和升壓驅(qū)動功能，具有更低的功耗和更長的使用壽命，只需 2 節(jié) AA 電池便可工作。同時具備可編程校準和多種工作模式，可以通過 MCU 來完成自動標定系統(tǒng)的實現(xiàn)，極大地簡化了光電煙感器的生產(chǎn)和標定過程[2]。

2 低壓煙感器的工作原理

光電式煙感器主要由煙感控制芯片、光學迷宮、和蜂鳴器組成。其中煙感控制芯片由精密的模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成，包括煙霧探測模塊、升壓模塊、時序控制模塊、低電壓檢測模塊，蜂鳴器驅(qū)動模塊和 MTP 存儲模塊。我們以 BL5980 為例，介紹常見的 3 V 光電式煙感器的工作原理，原理框圖如圖 1 所示。

進行煙霧探測時，芯片通過 IRED 控制紅外發(fā)光二極管周期性導通并發(fā)射紅外線，紅外接收二極管檢測光學迷宮內(nèi)煙霧顆粒散射來的紅外線強度，當煙霧存在時，光電二極管上會有微弱的電流，通過端口 IRP 和 IRN 進行積分放大，與內(nèi)部對應(yīng)的閾值進行比較后，煙霧達到一定濃度時觸發(fā)報警信號，驅(qū)動紅燈閃爍和蜂鳴器報警。為了提供蜂鳴器報警驅(qū)動所需要的電壓，芯片內(nèi)部還集成了升壓控制器，使蜂鳴器發(fā)出足夠分貝的報警[3]。

我們以煙霧校準模式為例，介紹煙霧報警的工作機制。圖 2 為煙霧校準模式波形圖。

通道 1 的信號（CH1@GLED PIN）代表煙霧探測放大積分后的電平，通道 3 的信號（CH3@RLED PIN）代表門限閾值電平，通道 2（CH2@HB PIN）為門限電平和煙霧積分電平經(jīng)過比較器的輸出，通道 4 的信號（CH4@FEED PIN）為時鐘信號，用來逐步增加門限電平。如果隨著 FEED 增加，門限電平升高到大于煙霧濃度積分電平，比較器輸出低，反之為高。這樣就可以通過增加 FEED 上的時鐘，檢測 HB 上比較器的輸出，來得到煙霧報警的門限值。

3 低壓煙感探測芯片的應(yīng)用

煙感控制芯片的外圍應(yīng)用比簡單，如圖 3 所示。只需要一個電感，肖特基二極管，光學迷宮，蜂鳴器和少量電阻電容。相比于 9 V 供電的芯片，紅外光電二極管的驅(qū)動電流、光電管放大器的放大倍數(shù)及積分時間常數(shù)、煙霧報警門限值、電池低電壓報警門限值不需要通過外圍阻容來調(diào)整，都可編程設(shè)定，給不同的設(shè)計和標定提供了極大的便利。同時芯片還提供了報警聲音選項、靜音選項、十年到期報警選項、基線漂移校正選項等個性化功能設(shè)置，使得同一個設(shè)計可以適用于不同的產(chǎn)品系列。

煙感探測芯片有 4 種工作模式：正常模式、遲滯模式、靜默模式和探測腔測試模式。正常模式即待機模式，處于低功耗狀態(tài)，內(nèi)部增益為寄存器設(shè)定的正常增益值，待機電流在 1μA 以下。當煙霧濃度達到一定程度，探測芯片進入本地報警狀態(tài)下，進入遲滯模式，以實現(xiàn)進入報警狀態(tài)和退出報警狀態(tài)不在同樣的煙霧條件，遲滯模式增益與正常模式相同。靜默模式的增益為正常模式的 1/2，和正常模式相比，閾值設(shè)置相同的情況下需要 2 倍的煙霧濃度才能報警，以實現(xiàn)低靈敏度的功能。在探測腔測試模式下，增益為正常模式的 2 倍，以實現(xiàn)高增益、高靈敏度模式，用于按壓測試及煙霧腔測試。

從圖 4 可以看到，待機狀態(tài)下，探測芯片每 10 s 升壓進行煙霧探測，43 s 進行探測腔測試，86 s 進行低電池電量空載探測，344 s 紅燈閃爍 1 次進行低電壓帶載測試，14 天壽命寄存器可以遞增計數(shù)，如果到達設(shè)定壽命值啟動蜂鳴器報警。

圖 5 是煙霧探測時序。紅外發(fā)射管的 IRED 脈沖結(jié)束后，紅外接收管的輸出信號經(jīng)過積分放大，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，與設(shè)定的限制值進行比較。若積分器結(jié)果大于設(shè)定的限制值，則存在煙霧，煙霧探測周期會縮短。連續(xù) 3 次探測到煙霧條件，器件進入報警狀態(tài)。在報警狀態(tài)下，進入遲滯模式以實現(xiàn)報警遲滯功能。

如圖 6 所示，芯片在監(jiān)控狀態(tài)每 86 s 檢測一次電池電壓狀態(tài)。在 344 s 的探測時間里包括 3 次空載檢測和 1 次帶載檢測（紅燈亮），電池低電壓門限可以通過寄存器編程。故障檢測每 43 s 檢測一次探測腔，探測電路使用高增益模式和設(shè)定的探測腔測試限制值，高增益模式為正常模式增益的 2 倍。此時如果積分放大器輸出電壓的 AD 值小于光電倉檢測閾值（連續(xù) 2 次），則認為檢測到光電倉退化，喇叭會以 43 s 的周期報警，每個周期會連續(xù)響 3 下，每下脈寬 10.4 ms，中間間隔 330 ms。

如果在待機模式下將 TEST 拉高，一個內(nèi)部時鐘周期后，進入按壓測試模式，探測速率提高到 250 ms 一次，增益為高增益模式（正常增益的 2 倍），限制值為探測腔測試限制值，此時如果積分放大器輸出電壓的 AD 值大于光電倉檢測閾值（連續(xù) 3 次），電路開始進入按鍵報警狀態(tài)。 此模式采用高增益以模擬煙霧條件，用來測試報警器。

在 TEST 輸入變?yōu)榈碗娖街螅骷M入 9分鐘的靜默模式，即低靈敏度模式，如圖 7 所示，該模式下增益為正常模式的二分之一，報警門限值可以編程設(shè)定。

IO 引腳可以實現(xiàn)本地報警，當本地煙霧濃度超過設(shè)定閾值時，該引腳通過恒流源驅(qū)動為高電平，對地短路不會產(chǎn)生過量的電流。IO 還可以實現(xiàn)多個煙霧報警器互聯(lián)，圖 8 為間歇報警和連續(xù)報警 2 種模式的 IO 互聯(lián)報警時序，IO 作為輸入有一個 313 ms 的數(shù)字濾波器，如果 IO 檢測到遠程的高電平信號，器件進入遠程報警狀態(tài)。

圖 9 是報警記憶功能的時序圖，此功能方便客戶辨別報警器是否曾經(jīng)進入過本地報警。如果曾經(jīng)報警并退出本地報警后，記憶鎖存位會置位，綠燈會每 43 s 閃爍 3 次，報警記憶指示 24 小時后停止。隨后可通過按壓測試來確認是否存在報警，按下測試鍵（Test）蜂鳴器（HB）報警，釋放按壓測試鍵（Test）時，記憶鎖存器復位。

4 標定系統(tǒng)的實現(xiàn)

由于低壓煙感控制芯片可以通過編程來完成各種配置，可以通過 MCU 完成和上位機的通信，或者通過鍵盤輸入來實現(xiàn)自動標定過程。標定系統(tǒng)框圖如圖10 所示。

上位機通過 RS485 總線和多臺標定治具進行通信，可以完成配置參數(shù)，完成標定過程，并將標定后的參數(shù)和狀態(tài)保存至上位機。

標定過程可以分為無煙模式和有煙模式 2 種。煙感用戶可以憑借經(jīng)驗算法只在無煙模式下完成標定。在測得長期漂移基線值（LTD）之后，根據(jù)經(jīng)驗算法設(shè)置相應(yīng)的門限閾值。或者，采用更精確的方法，在無煙測試結(jié)束后，繼續(xù)在有煙環(huán)境中完成標定[4]。

5 結(jié)語

低電壓煙感控制芯片不僅在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)中逐步替代 9 V 芯片，在新興的物聯(lián)網(wǎng)和智能家居中也有廣闊的前景。2017 年 9 月 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)智能獨立煙感項目已經(jīng)在廈門正式交付使用，獨立式感煙報警器的新國標也已經(jīng)進入報批階段，低電壓煙感控制芯片會逐步升級，步入更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。