低电压光电式烟感探测器芯片成为安防系统中的主流

低电压光电式烟感探测器芯片的设计 

摘要：随着人们对火灾安全意识的增强，烟感探测芯片得到了越来越广泛的应用。传统的 9V 产品存在功耗大，电池不易更换的问题。低电压光电式烟感探测器芯片，已经逐步替代 9V 烟感芯片，成为安防系统中的主流。以 BL5980 为例，介绍了低压烟感芯片标定系统的原理与应用，以及自动标定系统的实现。

1  引言

光电感应烟雾报警器具有精度高、寿命长、抗风、抗潮和抗电磁干扰等多种优点。由于它抛弃了放射源，全部由电子元器件组成，因而成为各国政府推广使用和各消防电子企业开发研究的重点。随着电子技术特别是光电子技术的飞速发展，其制造成本越来越低，加之生产安装简单方便，因此光电感应烟雾报警器的市场占有率越来越大，尤其是民用住宅的使用，基本上已全部采用了光电感应型烟雾报警器。有资料表明，光电感应烟雾报警器在日本的使用份额已占到感烟火灾探测器的 97％ 以上[1]。

当今市场上主流的烟雾报警芯片均设计于 1980 年代，采用的是 9 V 电压供电，功耗较高，电池也不易更换。目前，我国正在制订 3 V 电压供电的烟雾报警器系统的相关标准。3 V 可编程光电烟感器芯片集成了烟雾探测和升压驱动功能，具有更低的功耗和更长的使用寿命，只需 2 节 AA 电池便可工作。同时具备可编程校准和多种工作模式，可以通过 MCU 来完成自动标定系统的实现，极大地简化了光电烟感器的生产和标定过程[2]。

2  低压烟感器的工作原理

光电式烟感器主要由烟感控制芯片、光学迷宫、和蜂鸣器组成。其中烟感控制芯片由精密的模拟电路和数字电路构成，包括烟雾探测模块、升压模块、时序控制模块、低电压检测模块，蜂鸣器驱动模块和 MTP 存储模块。我们以 BL5980 为例，介绍常见的 3 V 光电式烟感器的工作原理，原理框图如图 1 所示。

进行烟雾探测时，芯片通过 IRED 控制红外发光二极管周期性导通并发射红外线，红外接收二极管检测光学迷宫内烟雾颗粒散射来的红外线强度，当烟雾存在时，光电二极管上会有微弱的电流，通过端口 IRP 和 IRN 进行积分放大，与内部对应的阈值进行比较后，烟雾达到一定浓度时触发报警信号，驱动红灯闪烁和蜂鸣器报警。为了提供蜂鸣器报警驱动所需要的电压，芯片内部还集成了升压控制器，使蜂鸣器发出足够分贝的报警[3]。

我们以烟雾校准模式为例，介绍烟雾报警的工作机制。图 2 为烟雾校准模式波形图。

通道 1 的信号（CH1@GLED PIN）代表烟雾探测放大积分后的电平，通道 3 的信号（CH3@RLED PIN）代表门限阈值电平，通道 2（CH2@HB PIN）为门限电平和烟雾积分电平经过比较器的输出，通道 4 的信号（CH4@FEED PIN）为时钟信号，用来逐步增加门限电平。如果随着 FEED 增加，门限电平升高到大于烟雾浓度积分电平，比较器输出低，反之为高。这样就可以通过增加 FEED 上的时钟，检测 HB 上比较器的输出，来得到烟雾报警的门限值。

3  低压烟感探测芯片的应用

烟感控制芯片的外围应用比简单，如图 3 所示。只需要一个电感，肖特基二极管，光学迷宫，蜂鸣器和少量电阻电容。相比于 9 V 供电的芯片，红外光电二极管的驱动电流、光电管放大器的放大倍数及积分时间常数、烟雾报警门限值、电池低电压报警门限值不需要通过外围阻容来调整，都可编程设定，给不同的设计和标定提供了极大的便利。同时芯片还提供了报警声音选项、静音选项、十年到期报警选项、基线漂移校正选项等个性化功能设置，使得同一个设计可以适用于不同的产品系列。

烟感探测芯片有 4 种工作模式：正常模式、迟滞模式、静默模式和探测腔测试模式。正常模式即待机模式，处于低功耗状态，内部增益为寄存器设定的正常增益值，待机电流在 1μA 以下。当烟雾浓度达到一定程度，探测芯片进入本地报警状态下，进入迟滞模式，以实现进入报警状态和退出报警状态不在同样的烟雾条件，迟滞模式增益与正常模式相同。静默模式的增益为正常模式的 1/2，和正常模式相比，阈值设置相同的情况下需要 2 倍的烟雾浓度才能报警，以实现低灵敏度的功能。在探测腔测试模式下，增益为正常模式的 2 倍，以实现高增益、高灵敏度模式，用于按压测试及烟雾腔测试。

从图 4 可以看到，待机状态下，探测芯片每 10 s 升压进行烟雾探测，43 s 进行探测腔测试，86 s 进行低电池电量空载探测，344 s 红灯闪烁 1 次进行低电压带载测试，14 天寿命寄存器可以递增计数，如果到达设定寿命值启动蜂鸣器报警。

图 5 是烟雾探测时序。红外发射管的 IRED 脉冲结束后，红外接收管的输出信号经过积分放大，转化成数字信号，与设定的限制值进行比较。若积分器结果大于设定的限制值，则存在烟雾，烟雾探测周期会缩短。连续 3 次探测到烟雾条件，器件进入报警状态。在报警状态下，进入迟滞模式以实现报警迟滞功能。

如图 6 所示，芯片在监控状态每 86 s 检测一次电池电压状态。在 344 s 的探测时间里包括 3 次空载检测和 1 次带载检测（红灯亮），电池低电压门限可以通过寄存器编程。故障检测每 43 s 检测一次探测腔，探测电路使用高增益模式和设定的探测腔测试限制值，高增益模式为正常模式增益的 2 倍。此时如果积分放大器输出电压的 AD 值小于光电仓检测阈值（连续 2 次），则认为检测到光电仓退化，喇叭会以 43 s 的周期报警，每个周期会连续响 3 下，每下脉宽 10.4 ms，中间间隔 330 ms。

如果在待机模式下将 TEST 拉高，一个内部时钟周期后，进入按压测试模式，探测速率提高到 250 ms 一次，增益为高增益模式（正常增益的 2 倍），限制值为探测腔测试限制值，此时如果积分放大器输出电压的 AD 值大于光电仓检测阈值（连续 3 次），电路开始进入按键报警状态。 此模式采用高增益以模拟烟雾条件，用来测试报警器。

在 TEST 输入变为低电平之后，器件会进入 9分钟的静默模式，即低灵敏度模式，如图 7 所示，该模式下增益为正常模式的二分之一，报警门限值可以编程设定。

IO 引脚可以实现本地报警，当本地烟雾浓度超过设定阈值时，该引脚通过恒流源驱动为高电平，对地短路不会产生过量的电流。IO 还可以实现多个烟雾报警器互联，图 8 为间歇报警和连续报警 2 种模式的 IO 互联报警时序，IO 作为输入有一个 313 ms 的数字滤波器，如果 IO 检测到远程的高电平信号，器件进入远程报警状态。

图 9 是报警记忆功能的时序图，此功能方便客户辨别报警器是否曾经进入过本地报警。如果曾经报警并退出本地报警后，记忆锁存位会置位，绿灯会每 43 s 闪烁 3 次，报警记忆指示 24 小时后停止。随后可通过按压测试来确认是否存在报警，按下测试键（Test）蜂鸣器（HB）报警，释放按压测试键（Test）时，记忆锁存器复位。

4  标定系统的实现

由于低压烟感控制芯片可以通过编程来完成各种配置，可以通过 MCU 完成和上位机的通信，或者通过键盘输入来实现自动标定过程。标定系统框图如图10 所示。

上位机通过 RS485 总线和多台标定治具进行通信，可以完成配置参数，完成标定过程，并将标定后的参数和状态保存至上位机。

标定过程可以分为无烟模式和有烟模式 2 种。烟感用户可以凭借经验算法只在无烟模式下完成标定。在测得长期漂移基线值（LTD）之后，根据经验算法设置相应的门限阈值。或者，采用更精确的方法，在无烟测试结束后，继续在有烟环境中完成标定[4]。

5  结语

低电压烟感控制芯片不仅在传统安防系统中逐步替代 9 V 芯片，在新兴的物联网和智能家居中也有广阔的前景。2017 年 9 月 NB-IoT 物联网智能独立烟感项目已经在厦门正式交付使用，独立式感烟报警器的新国标也已经进入报批阶段，低电压烟感控制芯片会逐步升级，步入更广阔的应用领域。