【技术大神】增加温湿度传感器，帮助烟雾探测器在实现高温高湿环境下可靠工作
传统的光电型烟感探测器是使用红外线和光学腔体组成的传感器来探测火灾烟雾，由于技术成熟、器件价格低廉等优点，红外技术被广泛应用在烟雾探测领域。但是在一些特殊环境下（如高温高湿），烟雾的红外探测技术就显现出其内在固有的缺点。笔者的项目需要一种在特殊环境下仍能可靠工作的光电烟雾传感器。在技术上通过检测周围环境的变化来对传统的红外光电烟雾传感器的响应作出相应的补偿和纠正，确保红外光电传感器的正常工作。
特殊环境下红外技术的不足
红外发射器件在环境温度超过30℃时，其发射电流（前向电流）随温度的升高呈下降趋势，温度越高下降越明显，在60℃时发射强度将下降一倍（如下图）。发射电流的下降将导致探测器接收信号强度的减小，对于同样的烟雾，在高温状态下最终会降低探测器灵敏度，严重时可能无法有效报警。
图1：发射电流和温度关系
基于红外光探测技术的烟雾传感器，在原理上不能区分出导致传感器接收信号变化的原因是由水蒸气引起的，还是由烟雾颗粒引起的。所以在一些高湿环境，水汽很可能会造成感烟探测器的经常性误报。
基于以上两点，在高温高湿的应用环境中，要想确保感烟探测器性能不显著降低，则应对烟雾传感器在温度和湿度参数方面进行补偿。为此，在红外光电感烟探测器电路中加入温度和湿度传感器是一个可行的方案。
笔者在这种带温度和湿度补偿的光电感烟探测器的项目设计中，选用了SILICON LABS的Si7020温湿度传感器。该传感器芯片在单芯片内集成了温度和湿度传感器，温度测量可精确到±0.4℃，湿度测量可精确到±3%RH，完全满足温湿度补偿的精度要求；3×3mm的超小封装便于产品的外观结构设计和PCB布局；低至60nA的超低待机功耗，非常适合于探测器这类对功耗要求严格的应用；内置ADC和I2C接口，可自动将温湿度模拟信号转换为数字信号，通过I2C接口输出至单片机，实现直接数字读取。具体的实现电路框图如下图2所示。
图2：光电感烟探测器电路框图
温度补偿
红外光电传感器，依靠空气中细微颗粒物对红外光的散射作用强弱来感知其密度状态。正常无烟状态下，红外接收器会感受到一个基础的红外散射强度，业内称为背景光强。当探测器处于有烟环境中时，红外散射作用会增强，接收器感知到这种增强的散射光，并通过信号放大和模数电路转换为数字信号送单片机处理。当接收信号强度达到一定数值时，探测器报警，报警时对应的信号强度数值被称为报警阈值。
感烟探测器正常工作时，单片机分别从红外光电传感器和Si7020读取红外散射强度值和当前温度值。当温度升高时，探测器的红外发射强度随温度升高下降，在同样的烟雾浓度下，接收器感受到的信号强度也将下降。这时Si7020的数字输出信号将因温度的升高而改变读数。单片机根据从温度传感器读取来的温度数据，结合红外发射管的“发射光强-温度”特性曲线，重新计算在该温度下的新报警阈值，这一过程被称为温度补偿。所以，在引入温度补偿后，探测器的报警阈值随温度变化而不断进行更新，从而补偿温度对红外发射强度变化的影响，保持探测器灵敏度基本不变化。
湿度检测与火警判断
在浴室和厨房等容易产生水汽的地方，可能会导致感烟探测器误报警。其原理是随着空气中湿度的增加，水分子逐渐凝聚成较大颗粒，其粒径达到和烟雾粒径相近的程度，水分颗粒就会使红外光散射加强，红外传感器检测到不断增强的散射光后误报警。加入湿度检测后，探测器可以结合红外传感器和湿度传感器数据，按照一定的设计算法来综合判断环境状况。当遇到因环境湿度过高而引起红外传感器判断为火警的情况，探测器可根据湿度的变化情况，纠正这种误判，提示用户当前湿度状态超出探测器工作范围。
注意事项
湿度传感器利用一种可以吸收水分的高分子介电薄膜来感知湿度变化。湿度变化会引起内部介质电容的变化，所以任何可能引起其内部高分子聚合物薄膜的介电常数的改变，都会被误认为是相对湿度的变化。因此，建议应尽量减少污染物接触到传感器表面，推荐使用带保护涂层的芯片规格。好在Silicon Lab推出的每款温湿度传感器芯片都有带专用保护涂层的版本，方便了用户选择。
作者：开普敦
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