360度室內(nèi)火焰檢測系統(tǒng)設(shè)計

李嵐

摘要：該文設(shè)計了一個360度室內(nèi)火焰檢測系統(tǒng)，本設(shè)計能夠高準(zhǔn)確的判斷室內(nèi)火焰的方向與火焰到測量點的距離，并能將檢測到的數(shù)據(jù)通過RS232協(xié)議傳輸，系統(tǒng)主要有AVR控制核心、火焰檢測單元、電機驅(qū)動單元和串口通信單元組成，以AVRATmega16作為控制核心，通過驅(qū)動電機，帶動火焰檢測單元轉(zhuǎn)動，指向火焰方向，并測量火焰到測量點的距離，通過串口通信，達到所需的要求。

關(guān)鍵詞：火焰檢測；AVR；步進電機

中圖分類號：TP368 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8521-02

火焰檢測模塊是室內(nèi)火焰檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，火焰檢測的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。在我國，每年由于火災(zāi)引起的事故，造成了很大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此，設(shè)計能夠高準(zhǔn)確度的判斷和測量火焰方向與測距點之間距離的處理模塊系統(tǒng)非常關(guān)鍵，該文由此設(shè)計了一個360度室內(nèi)火焰檢測系統(tǒng)，主要有AVR控制核心、火焰檢測單元、電機驅(qū)動單元和串口通信單元組成，以AVRATmega16作為控制核心，通過驅(qū)動電機，帶動火焰檢測單元轉(zhuǎn)動，指向火焰方向，并測量火焰到測量點的距離，通過串口通信，達到所需的要求。

1 火焰探測的原理

火焰發(fā)射出的光是一種電磁波，其波長在0.2～10μm或更寬的范圍內(nèi)。人眼能感覺到的電磁波波長為0.38～0.78μm，范圍非常窄。火焰?zhèn)鞲衅骶褪抢么嗽?，檢測0.38μm以下的紫外線和0.78μm以上的紅外線。

實用化的火焰?zhèn)鞲衅鞣诸惾缦拢?/p>

1）紫外線檢出定輻射式傳感器（fixed radiation flame transducer by ultravolet cheek out type） 受光元件是利用UV（ultravolet，紫外線）透鏡GM（漢語拼音Guang Min，光敏）光電效應(yīng)放電管，對波長0.185～0.245μm火焰輻射光進行感受。放電管加上200～300V的電壓，對光電效應(yīng)（photoelectric effect）產(chǎn)生的脈沖電壓進行計數(shù)，啟動開關(guān)電路。

由于太陽光的波長是0.28μm以上，所以該傳感器可用在石化工業(yè)露天監(jiān)測場合。這種傳感器的感受波長與熒光燈、水銀燈、白熾燈等照明光波波長也不相同，故誤動作很少。

紫外線波長短，容易衰減，塵埃附著會使檢測器靈敏度下降，在室外使用時必須勤于維護，經(jīng)常清掃和檢查。

2） 二氧化碳共鳴輻射檢出型傳感器（CO2 resonated cheeked out radiation flame transducer） 二氧化碳加熱，在4.4μm特征峰值時產(chǎn)生共鳴。按該輻射原理檢出的火焰?zhèn)鞲衅骷捶Q二氧化碳共鳴輻射檢出型傳感器?？扇嘉锏娜紵裏崾谷紵傻亩趸細怏w受熱，即產(chǎn)生其特有的共鳴輻射光譜。利用有高敏感度光導(dǎo)元件PbSe（硒化鉛）作，感受元件，采用濾光片（3.5～5.5μm）可檢出共鳴輻射光譜。

波長4.4μm的二氧化碳特征輻射光譜存在于有火焰的情況下。因此，自然光、人工光源幾乎不干擾此信號。該種檢測器可以用于室內(nèi)、室外任何防燃、防爆場合。

3） 紅外線檢出型定輻射式傳感器（fixed radiation flame transducer by infrared rays cheek out type） 火焰輻射的0.78μm以上紅外線，由硅光電二極管和光敏晶體管等檢測。它是采用0.78μm以下的紅外濾光片濾去干擾波長以防止誤動作而檢出定輻射波長的傳感器。

這種檢測器由于跟太陽光的波長分布相近，所以不適用于室外場合監(jiān)測。

4）二波長檢出型閃爍式傳感器（dual wavelength checked out flashing type transducer） 火焰溫度大約為1100～1600K（827～1327℃）。太陽光和照明光溫度比火焰溫度高（白熾燈大約為2800K），因而火焰光是紅外區(qū)長波長段，自然光和照明光是光譜中紅外區(qū)短波長段。根據(jù)檢出這兩種波長的差并判斷其屬于哪一段的原理制成的傳感器就是二波長檢出型傳感器。

5） 單波長檢出型閃爍傳感器（single wavelength cheeked out flashing type transducer） 主要用于空氣輸送管道內(nèi)。與空氣同時被輸送的可燃性物質(zhì)，因高速移動中產(chǎn)生靜電造成過熱等原因會發(fā)生短時間內(nèi)閃爍火花。單波長檢出型閃爍傳感器是見火即檢測、要求響應(yīng)速度很快的一種傳感器。檢出火災(zāi)危險的同時也要求迅速采取消防措施，以防止重大火災(zāi)事故的發(fā)生。

遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗τ诓ㄩL760納米至1100納米之間紅外最為敏感。用于火焰檢測，溫度檢測，遠紅外檢測，該模塊特點：

①寸小，36mm×16mm

②可以使用3-5.5v直流電源供電

③AO，模擬量輸出，實時輸出熱電阻上的電壓信號

④DO，當(dāng)溫度到達某個閥值時，輸出高低電平信號（閥值可通過電位器調(diào)節(jié)）。

⑤紅外接收頭靈敏度高，探測角度60度左右。

⑥有電源指示燈

⑦比較器輸出有指示燈

⑧價格便宜

綜述所述，我們采用遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

2 轉(zhuǎn)速控制模塊設(shè)計

本室內(nèi)火焰檢測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制模塊是35BYJ412B減速步進電機，其工作在5V～12V電壓，步進角度：5.625 x 1/44，減速比：1/64，價格便宜，可以滿足要求。

步進電動機工作，需要步進電動機線圈的勵磁信號，還需要功率驅(qū)動放大器根據(jù)該信號產(chǎn)生驅(qū)動電流。單片機產(chǎn)生脈沖通過單片機的I/O輸出后送到ULN2003芯片，ULN2003對脈沖信號進行放大，驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，達到精確控制。

根據(jù)本章以上的模塊方案比較論證，得出室內(nèi)火焰檢測系統(tǒng)模型框圖如圖1所示：

3 硬件設(shè)計

硬件電路的設(shè)計是檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本模塊采用了AVR ATmega16作為核心控制處理器，并在此基礎(chǔ)上增加了接口電路板組成整個硬件系統(tǒng)。下面對硬件設(shè)計中除了AVR最小系統(tǒng)以及電機之外的其他主要的模塊設(shè)計進行討論。

3.1 電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供所需要的電源。為了方便，直接采用電腦USB輸出5V電壓。

3.2 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計

ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅NPN 達林頓組成的驅(qū)動芯片。ULN2003 的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和COMS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003 的封裝采用 DIP—16或SOP—16。ULN2003可以驅(qū)動7個繼電器，具有高電壓輸出特性，并有共陰極的續(xù)流二極管使器件可用于開關(guān)型感性負載。每對達林頓管的額定集電極電流是500mA，達林頓管還可以并聯(lián)使用已達到更高的輸出電流能力。

步進電動機驅(qū)動原理圖如圖2所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

軟件流程圖如下：主要通過對中斷系統(tǒng)的設(shè)計，對火焰方向和火焰偏轉(zhuǎn)角度的測量，為了提高精度，在設(shè)計的時刻，采取了兩級中斷的方式，提高了精度。

5 總結(jié)

通過軟硬件的設(shè)計和調(diào)試，本設(shè)計能夠高準(zhǔn)確的判斷室內(nèi)火焰的方向與火焰到測量點的距離，并能將檢測到的數(shù)據(jù)通過RS232協(xié)議傳輸，達到設(shè)計需要。

參考文獻：

[1] 白立芬，于水，李慶祥.單片機控制的機車火災(zāi)報警系統(tǒng)[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000，40（5）：37-39.

[2] 劉培亮，葉湘濱.基于FlashAT45DB081B的機車火災(zāi)數(shù)據(jù)的存儲系統(tǒng) [J].中國儀器儀表，2005（12）：85-87.

[3] 崔興文.智能火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.