低電壓光電式煙感探測器芯片的設計

摘要：隨著人們對火災安全意識的增強，煙感探測芯片得到了越來越廣泛的應用。傳統的 9V 產品存在功耗大，電池不易更換的問題。低電壓光電式煙感探測器芯片，已經逐步替代 9V 煙感芯片，成為安防系統中的主流。以 BL5980 為例，介紹了低壓煙感芯片標定系統的原理與應用，以及自動標定系統的實現。

1 引言

光電感應煙霧報警器具有精度高、壽命長、抗風、抗潮和抗電磁干擾等多種優點。由于它拋棄了放射源，全部由電子元器件組成，因而成為各國政府推廣使用和各消防電子企業開發研究的重點。隨著電子技術特別是光電子技術的飛速發展，其制造成本越來越低，加之生產安裝簡單方便，因此光電感應煙霧報警器的市場占有率越來越大，尤其是民用住宅的使用，基本上已全部采用了光電感應型煙霧報警器。有資料表明，光電感應煙霧報警器在日本的使用份額已占到感煙火災探測器的 97％ 以上[1]。

當今市場上主流的煙霧報警芯片均設計于 1980 年代，采用的是 9 V 電壓供電，功耗較高，電池也不易更換。目前，我國正在制訂 3 V 電壓供電的煙霧報警器系統的相關標準。3 V 可編程光電煙感器芯片集成了煙霧探測和升壓驅動功能，具有更低的功耗和更長的使用壽命，只需 2 節 AA 電池便可工作。同時具備可編程校準和多種工作模式，可以通過 MCU 來完成自動標定系統的實現，極大地簡化了光電煙感器的生產和標定過程[2]。

2 低壓煙感器的工作原理

光電式煙感器主要由煙感控制芯片、光學迷宮、和蜂鳴器組成。其中煙感控制芯片由精密的模擬電路和數字電路構成，包括煙霧探測模塊、升壓模塊、時序控制模塊、低電壓檢測模塊，蜂鳴器驅動模塊和 MTP 存儲模塊。我們以 BL5980 為例，介紹常見的 3 V 光電式煙感器的工作原理，原理框圖如圖 1 所示。

進行煙霧探測時，芯片通過 IRED 控制紅外發光二極管周期性導通并發射紅外線，紅外接收二極管檢測光學迷宮內煙霧顆粒散射來的紅外線強度，當煙霧存在時，光電二極管上會有微弱的電流，通過端口 IRP 和 IRN 進行積分放大，與內部對應的閾值進行比較后，煙霧達到一定濃度時觸發報警信號，驅動紅燈閃爍和蜂鳴器報警。為了提供蜂鳴器報警驅動所需要的電壓，芯片內部還集成了升壓控制器，使蜂鳴器發出足夠分貝的報警[3]。

我們以煙霧校準模式為例，介紹煙霧報警的工作機制。圖 2 為煙霧校準模式波形圖。

通道 1 的信號（CH1@GLED PIN）代表煙霧探測放大積分后的電平，通道 3 的信號（CH3@RLED PIN）代表門限閾值電平，通道 2（CH2@HB PIN）為門限電平和煙霧積分電平經過比較器的輸出，通道 4 的信號（CH4@FEED PIN）為時鐘信號，用來逐步增加門限電平。如果隨著 FEED 增加，門限電平升高到大于煙霧濃度積分電平，比較器輸出低，反之為高。這樣就可以通過增加 FEED 上的時鐘，檢測 HB 上比較器的輸出，來得到煙霧報警的門限值。

3 低壓煙感探測芯片的應用

煙感控制芯片的外圍應用比簡單，如圖 3 所示。只需要一個電感，肖特基二極管，光學迷宮，蜂鳴器和少量電阻電容。相比于 9 V 供電的芯片，紅外光電二極管的驅動電流、光電管放大器的放大倍數及積分時間常數、煙霧報警門限值、電池低電壓報警門限值不需要通過外圍阻容來調整，都可編程設定，給不同的設計和標定提供了極大的便利。同時芯片還提供了報警聲音選項、靜音選項、十年到期報警選項、基線漂移校正選項等個性化功能設置，使得同一個設計可以適用于不同的產品系列。

煙感探測芯片有 4 種工作模式：正常模式、遲滯模式、靜默模式和探測腔測試模式。正常模式即待機模式，處于低功耗狀態，內部增益為寄存器設定的正常增益值，待機電流在 1μA 以下。當煙霧濃度達到一定程度，探測芯片進入本地報警狀態下，進入遲滯模式，以實現進入報警狀態和退出報警狀態不在同樣的煙霧條件，遲滯模式增益與正常模式相同。靜默模式的增益為正常模式的 1/2，和正常模式相比，閾值設置相同的情況下需要 2 倍的煙霧濃度才能報警，以實現低靈敏度的功能。在探測腔測試模式下，增益為正常模式的 2 倍，以實現高增益、高靈敏度模式，用于按壓測試及煙霧腔測試。

從圖 4 可以看到，待機狀態下，探測芯片每 10 s 升壓進行煙霧探測，43 s 進行探測腔測試，86 s 進行低電池電量空載探測，344 s 紅燈閃爍 1 次進行低電壓帶載測試，14 天壽命寄存器可以遞增計數，如果到達設定壽命值啟動蜂鳴器報警。

圖 5 是煙霧探測時序。紅外發射管的 IRED 脈沖結束后，紅外接收管的輸出信號經過積分放大，轉化成數字信號，與設定的限制值進行比較。若積分器結果大于設定的限制值，則存在煙霧，煙霧探測周期會縮短。連續 3 次探測到煙霧條件，器件進入報警狀態。在報警狀態下，進入遲滯模式以實現報警遲滯功能。

如圖 6 所示，芯片在監控狀態每 86 s 檢測一次電池電壓狀態。在 344 s 的探測時間里包括 3 次空載檢測和 1 次帶載檢測（紅燈亮），電池低電壓門限可以通過寄存器編程。故障檢測每 43 s 檢測一次探測腔，探測電路使用高增益模式和設定的探測腔測試限制值，高增益模式為正常模式增益的 2 倍。此時如果積分放大器輸出電壓的 AD 值小于光電倉檢測閾值（連續 2 次），則認為檢測到光電倉退化，喇叭會以 43 s 的周期報警，每個周期會連續響 3 下，每下脈寬 10.4 ms，中間間隔 330 ms。

如果在待機模式下將 TEST 拉高，一個內部時鐘周期后，進入按壓測試模式，探測速率提高到 250 ms 一次，增益為高增益模式（正常增益的 2 倍），限制值為探測腔測試限制值，此時如果積分放大器輸出電壓的 AD 值大于光電倉檢測閾值（連續 3 次），電路開始進入按鍵報警狀態。 此模式采用高增益以模擬煙霧條件，用來測試報警器。

在 TEST 輸入變為低電平之后，器件會進入 9分鐘的靜默模式，即低靈敏度模式，如圖 7 所示，該模式下增益為正常模式的二分之一，報警門限值可以編程設定。

IO 引腳可以實現本地報警，當本地煙霧濃度超過設定閾值時，該引腳通過恒流源驅動為高電平，對地短路不會產生過量的電流。IO 還可以實現多個煙霧報警器互聯，圖 8 為間歇報警和連續報警 2 種模式的 IO 互聯報警時序，IO 作為輸入有一個 313 ms 的數字濾波器，如果 IO 檢測到遠程的高電平信號，器件進入遠程報警狀態。

圖 9 是報警記憶功能的時序圖，此功能方便客戶辨別報警器是否曾經進入過本地報警。如果曾經報警并退出本地報警后，記憶鎖存位會置位，綠燈會每 43 s 閃爍 3 次，報警記憶指示 24 小時后停止。隨后可通過按壓測試來確認是否存在報警，按下測試鍵（Test）蜂鳴器（HB）報警，釋放按壓測試鍵（Test）時，記憶鎖存器復位。

4 標定系統的實現

由于低壓煙感控制芯片可以通過編程來完成各種配置，可以通過 MCU 完成和上位機的通信，或者通過鍵盤輸入來實現自動標定過程。標定系統框圖如圖10 所示。

上位機通過 RS485 總線和多臺標定治具進行通信，可以完成配置參數，完成標定過程，并將標定后的參數和狀態保存至上位機。

標定過程可以分為無煙模式和有煙模式 2 種。煙感用戶可以憑借經驗算法只在無煙模式下完成標定。在測得長期漂移基線值（LTD）之后，根據經驗算法設置相應的門限閾值。或者，采用更精確的方法，在無煙測試結束后，繼續在有煙環境中完成標定[4]。

5 結語

低電壓煙感控制芯片不僅在傳統安防系統中逐步替代 9 V 芯片，在新興的物聯網和智能家居中也有廣闊的前景。2017 年 9 月 NB-IoT 物聯網智能獨立煙感項目已經在廈門正式交付使用，獨立式感煙報警器的新國標也已經進入報批階段，低電壓煙感控制芯片會逐步升級，步入更廣闊的應用領域。