Дымовой пожарный извещатель
Изобретение относится к области пожарной сигнализации и может быть использовано в системах пожарной сигнализации для выявления увеличения оптической плотности воздуха по интенсивности рассеивания инфракрасного излучения. Техническим результатом является упрощение изготовления и снижение потребления электроэнергии. Устройство содержит микроконтроллер (1), формирователь (3) сигнала регистрации дыма, ограничитель (4) тока и напряжения, преобразователь (2) напряжение-ток, первый (5) элемент односторонней проводимости, конденсаторы (7, 8) и две входные клеммы (6, 12), излучатель (9), фотодиод (11) и оптическую камеру (10) со светопоглощающими стенками, усилитель (13), фильтр (14) высокой частоты, токовое зеркало (15), коммутатор (16) и резистор (17). За счет применения усилителя (13), фильтра (14) высокой частоты, токового зеркала (15), коммутатора (16) и резистора (17) с их связями с другими элементами схемы достигается согласование сигналов фото-ЭДС с аналоговым входом микроконтроллера как по уровню сигнала, так и по импедансу этой цепи. 1 ил.
Изобретение относится к области пожарной сигнализации и может быть использовано в системах пожарной сигнализации для выявления увеличения оптической плотности воздуха по интенсивности рассеивания инфракрасного излучения согласно эффекту Тиндаля и эффекту Ми.
Известны пожарные извещатели, оптические датчики дыма и устройства регистрации дыма, которые работают по принципу периодического излучения импульсов инфракрасного излучения и следующего их приема, усиления и обработки полученного сигнала разными способами, формируя сигнал о наличии или отсутствии дыма (см. журнал "Системы безопасности связи и телекомуникации". 2000, 33, с.65).
Известен фотоэлектрический детектор дыма [Photoelectric smoke detector with count based A/D and D/A converter. US 5,705,988 G08B 17/10 Jan.6, 1998], который содержит микроконтроллер, первый выход которого подключен к входу преобразователя напряжение-ток, а второй выход - к входу формирователя сигнала регистрации дыма, выходы которого через клеммы подключены к шлейфу пожарной сигнализации, к выходу преобразователя напряжение-ток подключен излучатель, связанный через оптическую камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, выводы которого подключены к входам усилителя, аналогово-цифровой преобразователь подключен к входам микроконтроллера. Выход усилителя соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя.
Недостатком этого детектора является значительное потребление электрического тока от шлейфа пожарной сигнализации, который должен содержать отдельную шину электропитания, от которой осуществляется питание микроконтроллера и преобразователя напряжение-ток, который управляет излучателем. Кроме того, такой фотоэлектрический детектор дыма не может обеспечить надежное согласование выхода усилителя и аналогово-цифрового преобразователя.
Наиболее близким к предложенному изобретению является избранный как прототип дымовой пожарный извещатель (Декларационный патент на полезную модель Украины №13221 U, G08B 17/103, G08B 17/12 от 15.03.2006 г.), который содержит микроконтроллер, первый выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток, а второй выход - с входом формирователя сигнала регистрации дыма, первый вывод электропитания которого соединен с первым выводом электропитания ограничителя тока и напряжения и выходом элемента односторонней проводимости, вход которого соединен с первой входной клеммой, первый вывод электропитания микроконтроллера подключен к первому выводу первого конденсатора и к первому выходу ограничителя тока и напряжения, второй выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора и первым выводом электропитания преобразователя напряжение-ток, с выходами которого соединен излучатель, который оптически связан через оптическую камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, второй вывод электропитания ограничителя тока и напряжения соединен со второй входной клеммой, а также со вторыми выводами электропитания микроконтроллера, преобразователя напряжение-ток, формирователя сигнала регистрации дыма, а также со вторыми выводами первого и второго конденсаторов. Выводы фотодиода подключены к входам специализированного микроконтроллера - МС 145010, который содержит встроенный усилитель с управляемым коэффициентом усиления и компаратор с установленным уровнем переключения.
Недостатком прототипа является применение специализированного микроконтроллера, который анализирует состояние сигнала фото-ЭДС по фиксированному алгоритму.
В основу изобретения поставлено задание: обеспечить согласование сигналов фото-ЭДС с аналоговым входом микроконтроллера широкого применения, при обеспечении малого (0,1-0,2 мА) потребления тока дымовым пожарным извещателем.
Поставленное задание решается тем, что дымовой пожарный извещатель, который содержит микроконтроллер, первый выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток, а второй выход - со входом формирователя сигнала регистрации дыма, первый вывод электропитания которого соединен с первым выводом электропитания ограничителя тока и напряжения и выходом элемента односторонней проводимости, вход которого соединен с первой входной клеммой, первый вывод электропитания микроконтроллера подключен к первому выводу первого конденсатора и к первому выходу ограничителя тока и напряжения, второй выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора и первым выводом электропитания преобразователя напряжение-ток, с выходами которого соединен излучатель, который оптически связан через оптическую камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, второй вывод электропитания ограничителя тока и напряжения соединен со второй входной клеммой, а также со вторыми выводами электропитания микроконтроллера, преобразователя напряжение-ток, формирователя сигнала регистрации дыма, а также со вторыми выводами первого и второго конденсаторов, который отличается тем, что выводы фотодиода подключены к входам усилителя, первый и второй выводы электропитания которого соединены с соответствующими выводами преобразователя напряжение-ток, выход усилителя через высокочастотной фильтр подключен к входу токового зеркала, первый выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора, а второй выход через коммутатор соединен со входом микроконтроллера, третий выход которого подключен к входу управления коммутатором, а между входом микроконтроллера и его вторым выводом электропитания установлен резистор согласования сопротивления.
В предложенном изобретении за счет применения усилителя, фильтра высокой частоты, токового зеркала, коммутатора и резистора с их связями с другими элементами схемы достигается согласование сигналов фото-ЭДС с аналоговым входом микроконтроллера как по уровню сигнала, так и по импедансу этой цепи.
На чертеже представлена блок-схема дымового пожарного извещателя.
Дымовой пожарный извещатель содержит микроконтроллер 1, первый выход которого соединен с входом преобразователя 2 напряжение-ток, а второй выход - со входом формирователя 3 сигнала регистрации дыма. Первый вывод электропитания формирователя 3 сигнала регистрации дыма соединен с первым выводом электропитания ограничителя 4 тока и напряжения и выходом элемента 5 односторонней проводимости, вход которого соединен с первой входной клеммой 6. Первый вывод электропитания микроконтроллера 1 подключен к первому выводу первого конденсатора 7 и к первому выходу ограничителя 4 тока и напряжения. Второй выход ограничителя 4 тока и напряжения соединен с первым выводом второго конденсатора 8 и первым выводом электропитания преобразователя 2 напряжение-ток. С выходами преобразователя 2 напряжение-ток соединен излучатель 9, который оптически связан через оптическую камеру 10 со светопоглощающими стенками с фотодиодом 11. Второй вывод электропитания ограничителя 4 тока и напряжения соединен со второй входной клеммой 12, а также со вторыми выводами электропитания микроконтроллера 1, преобразователя 2 напряжение-ток, формирователя 3 сигнала регистрации дыма, а также со вторыми выводами первого и второго конденсаторов 7 и 8. Выводы фотодиода 11 подключены к входам усилителя 13, первый и второй выводы электропитания которого соединены с соответствующими выводами преобразователя 2 напряжение-ток. Выход усилителя 13 через высокочастотной фильтр 14 подключен к входу токового зеркала 15, первый выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора 8. Второй выход токового зеркала 15 через коммутатор 16 соединен с входом микроконтроллера 1, третий выход которого подключен к входу управления коммутатором 16, а между входом микроконтроллера 1 и его вторым выводом электропитания установлен резистор 17 согласования сопротивления.
Дымовой пожарный извещатель работает таким способом. При подаче напряжения питания от шлейфа пожарной сигнализации на входные клеммы 6 и 12 через элемент 5 односторонней проводимости и ограничитель 4 тока и напряжения осуществляется заряд первого и второго конденсаторов 7 и 8. Элемент 5 односторонней проводимости осуществляет защиту других элементов дымового пожарного извещателя при ошибочном подключении полярности напряжения питания шлейфа пожарной сигнализации. Пока напряжение на выводах электропитания недостаточно для нормальной работы микроконтроллера 1, на всех его выходах удерживаются низкие потенциальные уровни напряжения. Преобразователь 2 напряжение-ток будет закрыт, а излучатель 9 не будет излучать инфракрасный свет. В этом случае также будет закрыт формирователь 3 сигнала регистрации дыма. Потому извещатель будет потреблять ток от шлейфа пожарной сигнализации, ограниченный величиной, которая задана ограничителем 4 тока и напряжения.
После выхода на минимальное значение рабочего напряжения микроконтроллер 1 осуществляет программную задержку начала работы при минимальном значении тока потребления. Эта задержка обеспечивает гарантированный выход напряжения на первом конденсаторе 7 на значение, которое не превосходит максимальное значение рабочего напряжения микроконтроллера 1. Накопленный на втором конденсаторе 8 заряд будет обеспечивать последующую стабильную работу излучателя 9. После этой задержки импульсы стабильной амплитуды длительностью несколько десятков микросекунд будут поступать с первого выхода микроконтроллера 1 на вход преобразователя 2 напряжение-ток. Этот преобразователь 2 обеспечивает формирование импульсов тока стабильной амплитуды через излучатель 9. Таким образом, осуществляется разряд второго конденсатора 8 стабильной величиной тока через излучатель 9. Величина, на которую будет разряжаться второй конденсатор 8, будет зависеть от длительности и периода импульсов, которые появляются на первом выходе микроконтроллера 1, а также от соотношения тока заряда второго конденсатора 8 через ограничитель 4 тока и напряжения к току разряда этого конденсатора 8 через излучатель 9. Таким образом, колебание напряжения на втором конденсаторе 8 не будет мешать работе микроконтроллера 1, питание которого осуществляется от первого конденсатора 7.
Рассеянное оптической камерой 10 со светопоглощающими стенками инфракрасное излучение излучателя 9 поступает на фотодиод 11. После усиления усилителем 13 импульсы фото-ЭДС через фильтр 14 высокой частоты поступают на вход токового зеркала 15. Нагрузкой токового зеркала является резистор 17, сопротивление которого отвечает требованиям технической документации на микроконтроллер 1. При низком уровне сигнала на третьем выходе микроконтроллера 1 коммутатор 16 будет закрыт, потому будет разомкнута выходная цепь токового зеркала 15. При высоком уровне сигнала на третьем выходе микроконтроллера 1 разрешается обработка сигнала на аналоговом входе микроконтроллера 1. Сигнал, который поступает на этот вход микроконтроллера 1, будет существенно зависеть от оптической плотности воздуха в оптической камере 10. Так при абсолютной прозрачности воздуха на резисторе 17 будет присутствовать фоновый сигнал: импульсы малой амплитуды, потому что будет иметь место некоторое отражение от стенок оптической камеры 10. По мере увеличения оптической плотности воздуха в оптической камере 10 будет увеличиваться и амплитуда импульсов на резисторе 17. Пока амплитуда этих импульсов не достигнет установленного предельного значения, состояние на выходах микроконтроллера 1 не будет изменяться. На входе формирователя 3 сигнала регистрации дыма будет оставаться низкий потенциальный уровень, потому он будет закрыт. Извещатель будет оставаться в дежурном режиме работы, потребляя от шлейфа пожарной сигнализации ток, величина которого ограничена ограничителем 4 тока и напряжения. Если в дежурном режиме работы на выходе усилителя 13 будет иметь место значительный уровень хаотического сигнала, который стал следствием значительных электромагнитных помех, то анализ такого сигнала будет проводиться только во время действия высокого уровня напряжения на третьем выходе микроконтроллера 1. В другое время коммутатор 16 будет закрыт и потому не будет проходить разряд второго конденсатора 8 через цепь низкого импеданса токового зеркала 15 и резистора 17.
Если амплитуда импульсов фото-ЭДС превысит предельное значение на аналоговом входе микроконтроллера 1 подряд несколько раз, например 4, то состоится изменение состояний на его выходах. На первом выходе микроконтроллера 1 установится низкий потенциальный уровень. Преобразователь 2 напряжение-ток будет закрыт.Второй конденсатор 8 не будет разряжаться через излучатель 9. На втором выходе появится высокий потенциальный уровень, по которому откроется формирователь 3 сигнала регистрации дыма, через который будет протекать ток, который обеспечит формирование в шлейфе пожарной сигнализации состояния "ПОЖАР". Значение тока ограничения может быть установлено как самим формирователем 3 сигнала регистрации дыма, так и внешним для извещателя элементом или устройством. Благодаря току, который протекает через формирователь 3 сигнала регистрации дыма, резко уменьшается разница потенциалов между входными клеммами 6 и 12. Если падение напряжения на входных клеммах 6 и 12 будет превышать минимальное значение рабочего напряжения микроконтроллера 1, то извещатель будет находиться в состоянии "Пожар" бесконечно долго.
Через формирователь 3 сигнала регистрации дыма будет протекать практически весь ток, потребляемый извещателем в режиме "Пожар".
Вывести извещатель из этого состояния возможно только отключением напряжения питания шлейфа пожарной сигнализации на время, большее чем 2-3 с, что достаточно для полного разряда первого конденсатора 7. За это же время осуществляется и полный разряд второго конденсатора 8. Потому при длительности прерывания напряжения питания больше чем 3 с извещатель всегда будет начинать свою работу с дежурного режима.
Таким образом, за счет применения усилителя 13, фильтра высокой частоты 14, токового зеркала 15, коммутатора 16 и резистора 17 с их связями с другими элементами схемы достигается согласование сигналов фото-ЭДС с аналоговым входом микроконтроллера 1 как по уровню сигнала, так и по импедансу этой цепи.
В предложенном изобретении применяются общеизвестные элементы. Усилитель 13 импульсов фото-ЭДС может быть выполнен на транзисторах или на операционном усилителе. Фильтр 14 высокой частоты может быть пассивным, на RC-элементах. Токовое зеркало 15 может быть выполнено на одном, двух, или трех транзисторах. Коммутатор 16 может быть выполнен на униполярном или биполярном транзисторе. Микроконтроллер 1 может быть выполнен на микросхемах фирмы MICROCHIP или аналогичных.
Дымовой пожарный извещатель, который содержит микроконтроллер, первый выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток, а второй выход - с входом формирователя сигнала регистрации дыма, первый вывод электропитания которого соединен с первым выводом электропитания ограничителя тока и напряжения и выходом элемента односторонней проводимости, вход которого соединен с первой входной клеммой, первый вывод электропитания микроконтроллера подключен к первому выводу первого конденсатора и к первому выходу ограничителя тока и напряжения, второй выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора и первым выводом электропитания преобразователя напряжение-ток, с выходами которого соединен излучатель, который оптически связан через оптическую камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, второй вывод электропитания ограничителя тока и напряжения соединен со второй входной клеммой, а также со вторыми выводами электропитания микроконтроллера, преобразователя напряжение-ток, формирователя сигнала регистрации дыма, а также со вторыми выводами первого и второго конденсаторов, отличающийся тем, что выводы фотодиода подключены к входам усилителя, первый и второй выводы электропитания которого соединены с соответствующими выводами преобразователя напряжение-ток, выход усилителя через высокочастотный фильтр подключен к входу токового зеркала, первый выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора, а второй выход через коммутатор соединен с входом микроконтроллера, третий выход которого подключен к входу управления коммутатором, а между входом микроконтроллера и его вторым выводом электропитания установлен резистор согласования сопротивления.
