【技术大神】光电感烟火灾探测器的硬件设计
在火灾自动报警系统中，光电感烟探测器是重要的火灾探测设备，其肩负着现场火情状况的实时监测、及时发现并向火灾报警控制器上传火警信息的作用。其工作原理是利用了烟雾对光的散射作用（光源通常选择近红外器件，技术成熟，价格便宜），通过接收某一角度上的散射光的强弱来探测是否有烟雾颗粒进入，在接收端经过光电转换、滤波、放大、模数转换等处理，从而将烟雾浓度的模拟变化转换成数字量，交由单片机进行处理。当烟雾浓度增大到设定值时，探测器报警。
在笔者参与的项目中，要求开发一套基于总线式工作的火灾自动报警系统。在该系统中，总线采用一主多从的拓扑结构。火灾报警控制器作为主机，若干探测器作为总线上的节点，主机通过总线与众多节点按照特定的协议进行通讯，同时给节点供电。
基于以上的总线通讯需求及光电感烟的基本原理，在电路设计时，串行通讯口、运放和模数转换器是必不可少的。其次当需要对红外发射进行调制时，最好具有PWM输出功能，否则就只能用定时器来模拟，但定时器模拟的PWM在有总线通讯需求时又无法正常工作。
综合以上需求并结合项目的成本规划，在器件选型时，作者选用了瑞萨电子的UPD79F7024芯片作为主控MCU。该芯片内部高速时钟主频可到4MHz，并具有UART口，可满足总线通讯对通讯速率和收发码接口的需要。为将功耗降到最低，通常MCU在绝大部分的运行时间内应处在SLEEP模式下，当需要通讯或执行检测任务时再醒来全速运行。uPD79F7024内部具有240KHz低速时钟和H1定时器，在SLEEP模式下仍会运行，通过H1定时中断可以非常方便地将MCU从SLEEP模式唤醒。
另外，UPD79F7024内部具有16位高速定时器TM00，可配置成PWM输出模式，用于对红外发射的PWM调制。内部集成5通道8位分辨率的AD转换器和2路运算放大器，节省了外置运放的成本。运放输出端内部直接连接AD转换的输入通道，避免外部干扰。
图1：硬件组成框图
总线通讯和供电
该部分电路主要由总线信号无极性转换桥D3、专用总线通讯芯片D1及一些保护电路组成，具体组成电路如图2所示。总线信号通过D3、D1进行转换和解调，解调出的信号输入UPD79F7024单片机的RXD脚，在单片机内部将UART配置为中断接收，在中断服务子程序中按字节收取总线码元。UPD79F7024单片机的UART字节回码信号通过TXD脚输入到D1，经调制后送回总线。为避免总线信号的时序延迟，D3应选用开关速度较快的快恢复二极管。保护电路方面，采用了热敏电阻和瞬态抑制二极管对总线入口进行保护，可以分别防护总线错接AC220V和浪涌电压。
图2：总线通讯和供电电路
MCU及外围电路
图3：MCU及外围电路
主控单元MCU及其外围电路的设计，按照UPD79F7024规格书中的说明连接即可。
烟雾采样电路
采样电路分为两部分，红外发射电路和红外信号接收及放大电路，如图4、5所示。采样时，UPD79F7024的TM00配置为PWM模式，将信号按一定的占空比通过其IR-T脚输出，去控制三极管VT1的导通和截止，使红外发射管VD2发射红外信号，通过调节PWM占空比可控制红外发射强度。由于红外发射功率较大（几百毫安），故发射时间不宜过长（避免引起功耗的增大），根据红外接收管的特性，通常开启50~100us即可。为保证发射光强的稳定，红外发射应设计成恒流电路，如图4。当VT1导通时，基极所加电压为5V，设流过VD2的发射电流为I，VD2前向压降为Vf，则有5V-0.7V=I*R5+Vf，根据红外接收管规格书，选配合适的限流电阻R5即可。
VD2发射的红外信号被接收管VD3接收，经取样电阻R7，被转换为微弱的电压信号，再由UPD79F7024内置的运放放大。将UPD79F7024的2通道运放设计成级联形式，构成两级交流负反馈放大电路。后级运放输出内部直接连8位AD转换器，其采样范围为0-5V，满幅输出255，每个AD字为19.5mv。经光电转换后的运放输入信号约为2-3mv，设定放大倍数330倍，放大后即780mv（40AD字），比较便于程序处理。
图4：红外发射电路
图5：红外接收和放大电路
工作状态指示
图6：状态指示电路
工作状态指示部分通过LED指示灯来表示。LED周期性闪亮时表示探测器正常工作，常亮时表示探测器报警。该电路通过反激式电感驱动LED，可以简单的通过UPD79F7024的LED_C脚定时输出高低翻转的电平信号来控制MOS管VM1。当VM1导通时，电路对电感充电储能，此时由于LED反接而不会导通；当VM1关断时，电感产生反向感应电动势，其储存的能量通过LED续流放电，实现点灯。该驱动方法与传统的I/O口直接驱动相比，由于没有串联限流电阻，所以效率较高。
作者：开普敦
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