一个简单的超声波火灾报警电路

　　下面解释的简单超声波火灾报警电路通过拾取周围空气波的变化或空气湍流来检测火灾危险情况。该电路的高灵敏度确保即使是由温差或火灾引起的最轻微的空气湍流也能被快速检测到，并发出附加的报警装置。

　　概述

　　传统的火灾传感器利用不同的系统来识别火灾，它们具有各种复杂性。

　　普通的火灾报警系统使用温度传感器来感知火灾引起的异常高温变化。

　　仅使用热敏电阻或半导体温度器件等电子部件并不是根本性的，而是使用低温易熔链接或双金属温度开关等简单材料。

　　尽管这种警报类型的简单性是首选，但它们的可靠性值得怀疑，因为只有在火灾已经成熟时才进行检测。

　　存在更复杂的火灾报警系统，例如，烟雾探测器配备了独特的半导体部件，可感测烟雾颗粒、可燃气体和蒸汽的存在。

　　除此之外，还有光电火灾报警系统，当任何形式的烟雾阻挡其光束时都会触发。这种类型的火灾探测系统发表在爱好电子上。

　　使用多普勒频移进行热检测

　　本文介绍了一种利用超声波探测火灾的新方法。该火灾探测系统的工作原理与著名的多普勒频移超声波入侵警报相同，除了固体物体的运动外，还对空气中的湍流非常敏感。

　　电火产生的热量会产生巨大的湍流并触发警报。通常，由于湍流而引发误报。因此，这种类型的火灾报警器非常适合家庭，即使居住在其中的人通常不会欣赏它。

　　声音歧视是如何发生的

　　使用多普勒频移防盗报警器作为火灾报警器的一个缺点是该装置提供了巨大的检测区域。不知何故，这被证明是一个福音，因为即使火灾发生在检测区域的一个小角落，也可以快速检测。

　　传统火灾报警器的标准原理是检测火灾，同时忽略在房间里爬来爬去的人。这一点至关重要，因为警报系统设置为在激活之前运行。

　　典型的超声多普勒频移报警器无法区分人和湍流。因此，火灾报警系统使用控制小工作区域的电路更有意义。

　　报警装置可以放置在房间内人类运动最少的位置，但仍然能够迅速识别火灾引起的湍流。

　　系统工作

　　基本的超声波报警器配备了两个独立的电路，它们通过同一电源连接。

　　更简单的电子电路充当发射器，发射器向接收器发出均匀的声音频率，这是更复杂的电路。

　　火灾报警器框图如图1所示。

　　

　　如上所述，发射器电路使用振荡器产生超声波，并通过扬声器馈送信号。

　　电信号被扬声器转换成声波，但人类听不到它们，因为它们的音调高于听觉范围。

　　由于压电式发射换能器，普通的声音放大器在超声波频率下不能很好地工作。

　　通常，包括一个输出电平调节器，以便电路的灵敏度可以调谐到正确的电平。

　　接收器

　　接收器上的麦克风检测来自发射器的声波并将其转换回电信号。

　　再一次，在接收麦克风上使用专门的压电换能器，因为普通的压电换能器不适合在高频率下工作，尤其是超声波频率。

　　超声波的机动性极强，如果两个设备几乎相邻安装，则会导致麦克风和扬声器之间的检测故障。

　　在实际情况下，捕获的信号是来自房间墙壁或家具的反射。

　　此外，麦克风的输出相对较低，通常约为1 mV RMS。因此，集成了一个放大器以将信号增强到工作电平。

　　通常，在超声波防盗报警器中至少使用两个高增益放大级。但是，由于所讨论的火灾报警系统需要较低的灵敏度，因此单级放大更为合适。

　　探测器

　　电路的下一部分是调幅检波器。在实际情况下，检测到的信号是来自发射器的直接40kHz输出波。

　　该信号使用各种路径收集并任意相位。但是，信号的幅度及其相位关系都保持不变。因此，在准备就绪的情况下，幅度发生器不会产生输出。

　　每当探测器前方有运动或空气湍流时，整个场景就会发生变化。

　　著名的多普勒频移负责，并对从运动中的物体反射的信号或空气中的无序信号产生频率摆动。

　　一部分通信信号直接收集或使用不动的物体通过空气收集，以抵抗湍流。

　　之后，两个或多个频率被引导到幅度解调器中。在这个阶段，相位关系超出了调节范围，因为信号具有不同的频率。

　　超声波波形

　　查看下面图2中的波形图时，设想上部波形是标准40

kHz信号，下部波形是频率变化信号。一开始，信号是同相的，或者它们在保持相同极性的同时均匀地增加和减少。

　　

　　同相信号在解调器内相加，产生巨大的输出信号。之后，在波形序列中，它们进入反相区。

　　这意味着信号仍然均匀地增加和减少其幅度，但现在具有相反的极性。

　　结果，解调器产生微弱的输出信号，因为其他两个信号相互抵消。但最终，信号跳回同相状态，并从解调器释放出坚固的输出。

　　当电路被激活时，测量解调器不断变化的输出电平。

　　输出信号的频率与双输入信号之间的方差相同。

　　这通常在低音频或亚音速频率上看到。毫无疑问，在高增益放大器增强输出信号后，来自输出的信号被毫不费力地捕获。

　　报警发生器

　　一旦信号被放大，它就被用来控制一个标准的锁存电路，一旦激活，警报就会继续响起，直到系统复位。锁存操作由开关晶体管控制，该晶体管将控制电压连接到报警检测电路。

　　报警发生器使用由低频振荡器调节的压控振荡器 （VCO） 构建。

　　斜坡波形由低频振荡器产生，VCO的输出将逐渐增加频率，直到达到峰值音高。

　　然后，信号将恢复到最小音高并再次逐渐增加频率。这种循环过程继续并提供有效的报警信号。

　　电路的工作原理

　　超声波火灾探测系统或接收器的完整电路图如下图所示。

　　

　　接收器电路：虚线与下面传输电路的电源轨连接

　　

　　变送器电路

　　变送器采用 7555 定时器器件 IC1 构建。该CMOS组件是555定时器的低功耗类型。

　　对于这种类型的报警发生器，与555相比，7555是理想的选择，因为电路的总功耗保持在1mA左右或更低，这有助于有效利用电池电量。

　　此外，7555 IC还用于典型的振荡方法，其中专门选择定时部件R13、RV1和C7以产生40 kHz的频率。

　　对预设进行调节以产生输出频率，从而从接收和发送电路提供理想的效率。预设在电路原理图中标识为RV2。

　　接收器

　　X1是接收器电路中的信号捕获传感器，其输出连接到围绕Q1设计的共发射极放大器的输入端。

　　在此时刻，保持约0.1 A的低集电极电流，以确保整个器件的低功耗。

　　通常，人们会认为这会导致这种放大器的增益降低，但总的来说，对于现有操作来说已经绰绰有余了。

　　电容C2采用D1、D2、R3和C3，将Q1的增强输出与常用的AM解调器相结合。

　　之后，相应的低频信号使用位于Q2的第二个共发射极放大器斜坡上升。

　　另一个IC1定时器用作锁存器。与通常做法相反，定时器IC1采用单稳态方法，如果引脚2从电源电压降低33%，则提供正输出脉冲。

　　通常，输出脉冲宽度由一对定时电阻和电容调节，但该电路没有这些元件。

　　相反，IC1的引脚6和7连接到负电源轨。激活后，IC1的输出接通并继续处于该状态，从而允许闭锁动作。

　　从晶体管Q2的集电极，IC1的引脚2连接并调节到电源电压的一半。

　　因此，在待机条件下，IC1未激活。单元启动的那一刻，Q2的集电极电压振荡。

　　此外，在负半周期期间，它变得低于触发阈值电压。使用工作开关SW1和IC1的复位输入至0V电源电压，可以复位整个电路。

　　当IC1被激活时，用于将电源引导至报警电路的元件是晶体管Q3。出于安全原因，R8用作限流电阻。

　　报警信号

　　IC2是最后一个芯片，它是一个CMOS

4046BE锁相环。然而，在这种设计中，只有VCO部分至关重要。相位比较器被恰当地使用，但只能作为报警电路的逆变器。

　　VCO输出的反转产生两相输出，允许陶瓷谐振器LS1接收到两倍于电源电压的峰峰值电压。

　　结果，产生尖锐的警报信号。如果需要，IC2引脚4的输出可以增强并用于为标准扬声器供电。电容器 C6 和电阻 R12 用作 VCO

的定时器件。电子元件提供约2kHz的稳定输出频率，这是陶瓷谐振器达到峰值效率的区域。

　　调制信号由晶体管Q4的典型单结松弛振荡器产生。这提供了4 kHz的发散斜坡波形。

　　如何设置

　　从中间点的RV1开始，RV2确定最大输出，完全逆时针方向转动。

　　使用万用表（如果有），将RV2设置为其最小直流电压，并在负极探头连接到负电源线时将其连接到R3。

　　打开设备的电源，将传感器面向墙壁或任何约10或20厘米外的光滑表面。

　　当RV1被驱动时，万用表上会有读数或移动，然后RV1被调谐以达到可能的最大读数。

　　强烈建议在完成调节时在SW1上固定导体，因为报警发生器静音，其输出不会影响测量。

　　如果万用表不可用，可以通过采用试错法调整RV1，以发现适用于整个零件的值。

　　尽管RV2受到很好的保护，但报警单元仍然很敏感。必须为设备精心规划安装位置。一个好的位置应该在操作员的工作台上方，由于电动工具和焊接材料，那里的火灾风险最高。

　　将设备放置在较高的另一个优点是因为热空气会上升，并且更容易触发警报，而不会有人们在房间里跑来跑去产生错误信号的风险。

　　通过几次试验，可以为火灾报警发生器实现一个合适的位置，而不会受到人为因素的影响，并且灵敏度稳定。

　　为了测试设备位置的有效性，将工作烙铁放置在组件的下方和前面。

　　当产生足够的湍流空气时，它应该激活警报。接通时，电路会通电，但可以通过将SW1置于复位状态立即消除这种情况。

　　超声波火灾报警电路没有设计有导通延迟开关，但在操作SW1时必须确保您在设备后面。如果您在接合开关后移开手，则没有风险。

　　零件清单

　　

　　印刷电路板设计和轨道布局

　　

　　原型图像