一個簡單的超聲波火災報警電路

下面解釋的簡單超聲波火災報警電路通過拾取周圍空氣波的變化或空氣湍流來檢測火災危險情況。該電路的高靈敏度確保即使是由溫差或火災引起的最輕微的空氣湍流也能被快速檢測到，并發(fā)出附加的報警裝置。

概述

傳統(tǒng)的火災傳感器利用不同的系統(tǒng)來識別火災，它們具有各種復雜性。

普通的火災報警系統(tǒng)使用溫度傳感器來感知火災引起的異常高溫變化。

僅使用熱敏電阻或半導體溫度器件等電子部件并不是根本性的，而是使用低溫易熔鏈接或雙金屬溫度開關等簡單材料。

盡管這種警報類型的簡單性是首選，但它們的可靠性值得懷疑，因為只有在火災已經成熟時才進行檢測。

存在更復雜的火災報警系統(tǒng)，例如，煙霧探測器配備了獨特的半導體部件，可感測煙霧顆粒、可燃氣體和蒸汽的存在。

除此之外，還有光電火災報警系統(tǒng)，當任何形式的煙霧阻擋其光束時都會觸發(fā)。這種類型的火災探測系統(tǒng)發(fā)表在愛好電子上。

使用多普勒頻移進行熱檢測

本文介紹了一種利用超聲波探測火災的新方法。該火災探測系統(tǒng)的工作原理與著名的多普勒頻移超聲波入侵警報相同，除了固體物體的運動外，還對空氣中的湍流非常敏感。

電火產生的熱量會產生巨大的湍流并觸發(fā)警報。通常，由于湍流而引發(fā)誤報。因此，這種類型的火災報警器非常適合家庭，即使居住在其中的人通常不會欣賞它。

聲音歧視是如何發(fā)生的

使用多普勒頻移防盜報警器作為火災報警器的一個缺點是該裝置提供了巨大的檢測區(qū)域。不知何故，這被證明是一個福音，因為即使火災發(fā)生在檢測區(qū)域的一個小角落，也可以快速檢測。

傳統(tǒng)火災報警器的標準原理是檢測火災，同時忽略在房間里爬來爬去的人。這一點至關重要，因為警報系統(tǒng)設置為在激活之前運行。

典型的超聲多普勒頻移報警器無法區(qū)分人和湍流。因此，火災報警系統(tǒng)使用控制小工作區(qū)域的電路更有意義。

報警裝置可以放置在房間內人類運動最少的位置，但仍然能夠迅速識別火災引起的湍流。

系統(tǒng)工作

基本的超聲波報警器配備了兩個獨立的電路，它們通過同一電源連接。

更簡單的電子電路充當發(fā)射器，發(fā)射器向接收器發(fā)出均勻的聲音頻率，這是更復雜的電路。

火災報警器框圖如圖1所示。

如上所述，發(fā)射器電路使用振蕩器產生超聲波，并通過揚聲器饋送信號。

電信號被揚聲器轉換成聲波，但人類聽不到它們，因為它們的音調高于聽覺范圍。

由于壓電式發(fā)射換能器，普通的聲音放大器在超聲波頻率下不能很好地工作。

通常，包括一個輸出電平調節(jié)器，以便電路的靈敏度可以調諧到正確的電平。

接收器

接收器上的麥克風檢測來自發(fā)射器的聲波并將其轉換回電信號。

再一次，在接收麥克風上使用專門的壓電換能器，因為普通的壓電換能器不適合在高頻率下工作，尤其是超聲波頻率。

超聲波的機動性極強，如果兩個設備幾乎相鄰安裝，則會導致麥克風和揚聲器之間的檢測故障。

在實際情況下，捕獲的信號是來自房間墻壁或家具的反射。

此外，麥克風的輸出相對較低，通常約為1 mV RMS。因此，集成了一個放大器以將信號增強到工作電平。

通常，在超聲波防盜報警器中至少使用兩個高增益放大級。但是，由于所討論的火災報警系統(tǒng)需要較低的靈敏度，因此單級放大更為合適。

探測器

電路的下一部分是調幅檢波器。在實際情況下，檢測到的信號是來自發(fā)射器的直接40kHz輸出波。

該信號使用各種路徑收集并任意相位。但是，信號的幅度及其相位關系都保持不變。因此，在準備就緒的情況下，幅度發(fā)生器不會產生輸出。

每當探測器前方有運動或空氣湍流時，整個場景就會發(fā)生變化。

著名的多普勒頻移負責，并對從運動中的物體反射的信號或空氣中的無序信號產生頻率擺動。

一部分通信信號直接收集或使用不動的物體通過空氣收集，以抵抗湍流。

之后，兩個或多個頻率被引導到幅度解調器中。在這個階段，相位關系超出了調節(jié)范圍，因為信號具有不同的頻率。

超聲波波形

查看下面圖2中的波形圖時，設想上部波形是標準40

kHz信號，下部波形是頻率變化信號。一開始，信號是同相的，或者它們在保持相同極性的同時均勻地增加和減少。

同相信號在解調器內相加，產生巨大的輸出信號。之后，在波形序列中，它們進入反相區(qū)。

這意味著信號仍然均勻地增加和減少其幅度，但現(xiàn)在具有相反的極性。

結果，解調器產生微弱的輸出信號，因為其他兩個信號相互抵消。但最終，信號跳回同相狀態(tài)，并從解調器釋放出堅固的輸出。

當電路被激活時，測量解調器不斷變化的輸出電平。

輸出信號的頻率與雙輸入信號之間的方差相同。

這通常在低音頻或亞音速頻率上看到。毫無疑問，在高增益放大器增強輸出信號后，來自輸出的信號被毫不費力地捕獲。

報警發(fā)生器

一旦信號被放大，它就被用來控制一個標準的鎖存電路，一旦激活，警報就會繼續(xù)響起，直到系統(tǒng)復位。鎖存操作由開關晶體管控制，該晶體管將控制電壓連接到報警檢測電路。

報警發(fā)生器使用由低頻振蕩器調節(jié)的壓控振蕩器 （VCO） 構建。

斜坡波形由低頻振蕩器產生，VCO的輸出將逐漸增加頻率，直到達到峰值音高。

然后，信號將恢復到最小音高并再次逐漸增加頻率。這種循環(huán)過程繼續(xù)并提供有效的報警信號。

電路的工作原理

超聲波火災探測系統(tǒng)或接收器的完整電路圖如下圖所示。

接收器電路：虛線與下面?zhèn)鬏旊娐返碾娫窜夁B接

變送器電路

變送器采用 7555 定時器器件 IC1 構建。該CMOS組件是555定時器的低功耗類型。

對于這種類型的報警發(fā)生器，與555相比，7555是理想的選擇，因為電路的總功耗保持在1mA左右或更低，這有助于有效利用電池電量。

此外，7555 IC還用于典型的振蕩方法，其中專門選擇定時部件R13、RV1和C7以產生40 kHz的頻率。

對預設進行調節(jié)以產生輸出頻率，從而從接收和發(fā)送電路提供理想的效率。預設在電路原理圖中標識為RV2。

接收器

X1是接收器電路中的信號捕獲傳感器，其輸出連接到圍繞Q1設計的共發(fā)射極放大器的輸入端。

在此時刻，保持約0.1 A的低集電極電流，以確保整個器件的低功耗。

通常，人們會認為這會導致這種放大器的增益降低，但總的來說，對于現(xiàn)有操作來說已經綽綽有余了。

電容C2采用D1、D2、R3和C3，將Q1的增強輸出與常用的AM解調器相結合。

之后，相應的低頻信號使用位于Q2的第二個共發(fā)射極放大器斜坡上升。

另一個IC1定時器用作鎖存器。與通常做法相反，定時器IC1采用單穩(wěn)態(tài)方法，如果引腳2從電源電壓降低33%，則提供正輸出脈沖。

通常，輸出脈沖寬度由一對定時電阻和電容調節(jié)，但該電路沒有這些元件。

相反，IC1的引腳6和7連接到負電源軌。激活后，IC1的輸出接通并繼續(xù)處于該狀態(tài)，從而允許閉鎖動作。

從晶體管Q2的集電極，IC1的引腳2連接并調節(jié)到電源電壓的一半。

因此，在待機條件下，IC1未激活。單元啟動的那一刻，Q2的集電極電壓振蕩。

此外，在負半周期期間，它變得低于觸發(fā)閾值電壓。使用工作開關SW1和IC1的復位輸入至0V電源電壓，可以復位整個電路。

當IC1被激活時，用于將電源引導至報警電路的元件是晶體管Q3。出于安全原因，R8用作限流電阻。

報警信號

IC2是最后一個芯片，它是一個CMOS

4046BE鎖相環(huán)。然而，在這種設計中，只有VCO部分至關重要。相位比較器被恰當?shù)厥褂?，但只能作為報警電路?a href="http://ttokpm.com/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器。

VCO輸出的反轉產生兩相輸出，允許陶瓷諧振器LS1接收到兩倍于電源電壓的峰峰值電壓。

結果，產生尖銳的警報信號。如果需要，IC2引腳4的輸出可以增強并用于為標準揚聲器供電。電容器 C6 和電阻 R12 用作 VCO

的定時器件。電子元件提供約2kHz的穩(wěn)定輸出頻率，這是陶瓷諧振器達到峰值效率的區(qū)域。

調制信號由晶體管Q4的典型單結松弛振蕩器產生。這提供了4 kHz的發(fā)散斜坡波形。

如何設置

從中間點的RV1開始，RV2確定最大輸出，完全逆時針方向轉動。

使用萬用表（如果有），將RV2設置為其最小直流電壓，并在負極探頭連接到負電源線時將其連接到R3。

打開設備的電源，將傳感器面向墻壁或任何約10或20厘米外的光滑表面。

當RV1被驅動時，萬用表上會有讀數(shù)或移動，然后RV1被調諧以達到可能的最大讀數(shù)。

強烈建議在完成調節(jié)時在SW1上固定導體，因為報警發(fā)生器靜音，其輸出不會影響測量。

如果萬用表不可用，可以通過采用試錯法調整RV1，以發(fā)現(xiàn)適用于整個零件的值。

盡管RV2受到很好的保護，但報警單元仍然很敏感。必須為設備精心規(guī)劃安裝位置。一個好的位置應該在操作員的工作臺上方，由于電動工具和焊接材料，那里的火災風險最高。

將設備放置在較高的另一個優(yōu)點是因為熱空氣會上升，并且更容易觸發(fā)警報，而不會有人們在房間里跑來跑去產生錯誤信號的風險。

通過幾次試驗，可以為火災報警發(fā)生器實現(xiàn)一個合適的位置，而不會受到人為因素的影響，并且靈敏度穩(wěn)定。

為了測試設備位置的有效性，將工作烙鐵放置在組件的下方和前面。

當產生足夠的湍流空氣時，它應該激活警報。接通時，電路會通電，但可以通過將SW1置于復位狀態(tài)立即消除這種情況。

超聲波火災報警電路沒有設計有導通延遲開關，但在操作SW1時必須確保您在設備后面。如果您在接合開關后移開手，則沒有風險。

零件清單

印刷電路板設計和軌道布局

原型圖像