CN104735864B - 一种自学习模拟火源系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自学习模拟火源系统和方法。本系统包括红外火焰探测模块、主控制电路、恒功率驱动电路和MEMS光源。主控制电路包括微处理器及其外围电路，红外火焰探测模块的输出通过串口连接到主控制电路的微处理器，主控制电路和恒功率驱动电路相连，恒功率驱动电路和MEMS光源相连。依照本发明的产品可以作为一些重要的现场火灾报警系统定期检查和校准的仪器；也可以作为火灾探测器生产厂家研发工具和生产车间的质检工具；同时能够对现场多种干扰源进行近距离的学习，达到对干扰信号模式识别数据积累的作用。它的使用能提高火灾探测器的可靠性，减小维护的工作量，提高质检的效率，减小研发生产费用。

Description

一种自学习模拟火源系统和方法

技术领域

本发明提供了一种模拟火源的系统及方法，特别是一种可以自学习模拟火源系统和方法，可用于对不同材质燃料燃烧的火焰频谱特征进行准确模拟。

背景技术

火灾探测仪器等相关产品的研发中，获取实验采集数据，来确定不同火焰类型和探测距离的经验阈值，并由此选择火焰识别算法，经常需要点明火做试验；在核潜艇、航空母舰、炼油厂及军火库等场合火灾探测器必须定期检验和维护，点明火检验火灾报警系统，具有巨大的潜在风险；在火灾探测器的生产过程中也需要点明火来对产品质检获取实验采集数据。这些场合频繁的点火试验，既浪费燃料又存在安全隐患。针对点明火对空间、时间、安全和人员限制等不便利性，技术人员提出了各种模拟火源的方法。

传统的火焰模拟实现方法主要有三类：1、电机转动型，电机带动刻有透光孔的滚筒转动，灯光透过滚筒投影在成像屏上，如中国专利号为ZL01113160.8的模仿火焰燃烧图像的装置；2、智能型，利用控制电路控制多组发光体交替闪烁，使发光体构成的火焰图案直射或无图案的光线束通过火焰孔板透射到成像屏，产生动态闪烁的火焰图案，如中国专利号为CNlO1162078A的一种模拟火焰图像的方法及装置；3、红紫外模拟型，中国专利号CN102384788B的手持式防爆红紫外火焰探测器现场检测装置利用广谱灯、紫外灯、抛物线型反光镜、滤光片、窗口红外玻璃、可充电电池、控制模块等部件组成整机，能够发出一定频率的红紫外光谱来模拟。

这三类装置各有优缺点，但第一类需要使用电动机，产生的噪声比较大，体积比较大，笨重且消耗能量较大。第二类火焰形状主要由硬件决定，一旦要改变火焰外形，需要改变硬件，而且火焰变化不连续，不可控。前两类是根据火焰的外观而设计。第三类智能型火焰的能够模仿一定频率的火焰，但是它模仿频率比较固定，然而不同的材料燃烧时的火焰闪烁频率是不同的。该装置模拟的火源的种类比较单一，不能推广使用；另外该装置使用的光谱灯的内阻会随着使用时间的增加而显著变大，由于灯泡的供电电压不变，该光谱灯的功率会明显下降，即发光强度显著减弱。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种自学习模拟火源系统和方法。

为了实现上述发明的目的，本发明的设计思路如下：

首先进行信号特征采集，将红外火焰探测模块采集的数据通过串口将数据传递给微处理器，通过快速傅里叶变换得出不同材质的火焰的频率及其对应的幅值。

基于火焰的光谱特性，为了最终得到有效的测量信号，模拟火源在4.3um波段处具有较高的辐射能量，也就是说，它必须提供测量所需的足够的光强。基于火焰的频谱特性，模拟火源需要能够在不同的频率下闪烁，且每个闪烁频率对应的辐射能量及闪烁频率幅值不同。利用可发出强光的MEMS光源作为辐射源，通过滤光片选择4.3um波段的红外光，设计微处理器控制电路改变光源的闪烁频率和闪烁幅值，即可实现模拟火源。

这里以恒功率电路作为光源的驱动电路，使MEMS光源工作稳定；MEMS光源发出的光经过一个镀金抛物面反射镜，形成一个均匀光斑，通过蓝宝石滤波窗口向外发射，产生与火焰波段相同的红光；使用拨码开关手动控制或微处理器自动产生随机数改变光源的闪烁频率，微处理器调节数字电位器改变光源的电压，从而改变光源的发光强度，达到不同频率对应不同幅值的目的。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种自学习模拟火源的系统，包括红外火焰探测模块、主控制电路、恒功率驱动电路和MEMS光源，其特征在于：所述的红外火焰探测器采集的火焰信号数据经过串口发送给所述主控制电路中的微处理器。所述的主控制电路由微处理器及其外围电路组成，微处理器的外围电路包括微处理器的供电电源电路、外部低速时钟电路、外部高速时钟电路和复位电路。红外火焰探测模块对被监视场合可能存在的火源或者干扰源辐射信号进行连续的数据采集，通过串口将数据传输给微处理器，微处理器将这些数据进行时频联合分析，特征提取分类，对辐射强度按照不同波段归一化处理，然后根据这些特征，由微处理器调节控制恒功率驱动电路改变MEMS光源两端的电压，与此同时微处理器通过I/O口产生一定时间的脉冲电压控制MEMS光源的闪烁频率，进而实现对火焰信号的模拟。

所述的红外火焰探测模块采用中国发明专利CN10242675A技术，使用其红外多参数火气探测器采集火焰辐射强度信息。

所述的主控制电路包括微处理器及其处理器外围电路。主控制电路由U1微处理器STM32F051K8U6、晶振Y2，电容C2、C4、C13、C14、C38，电阻R5、R9、R16、R25、R38，电感L1、L2和按键KEY1构成。电阻R25的一端连接微处理器的BOOT0引脚，另一端接地。电容C2和C4并联，晶振Y2和电阻R5并联，二者串联并连接微处理器，至此构成微处理器的外部晶振时钟电路，晶振Y2的一端连接微处理器（3）的OSC_IN引脚，另一端连接微处理器（3）的OSC_OUT引脚。电感L1、L2和C13串联，C14和C13并联，C14一端连接微处理器的VDDA引脚，构成了微处理器的供电电路。所述的主控制电路包括微处理器及其处理器外围电路；控制电路通过串口和恒功率驱动电路相连。

所述的恒功率电路驱动电路由功率电流监视器芯片MAX4211EEUE、运算放大器LM358，晶体三级管Q4、Q5，数字电位器MCP41010、二极管D1、电阻R7、R8、R10、R11、R12、R14、R15、R18，电容C6、C8、C9，插座P2、P3构成。电阻R7、R8串联，R7两端分别接入MAX4122EEUE，R8接三极管Q4的集电极，电容C5作为、MAX4211EEUE的电源滤波电容。MAX4211EEUE的输出电压作连接运算放大器LM358的反相输入端口，电容C6作为LM358的供电电压的滤波电容，LM358的输出经电阻R10进入三级管Q4的基极，电容C7作为Q4的基极去噪电容，三级管Q4的发射极连接MEMS光源作为MEMS光源的输入，Q4的发射极连接电阻R11，R11和R14串联，R14的分压作为MAX4211EEUE的Vin引脚的输入。数字电位器通过SPI模块和微处理器STM32F051K8U6相连，数字电位器的PW0连接LM358的正向比例放大端引脚。二极管D1、电阻R12、R18、和三级管Q5串联成一条支路，R15一端连接Q5的基极，R15的另外一端和微处理器的PC8引脚相连接，该支路为MEMS光源提供一定频率脉冲的电压信号。

该恒功率驱动电路用于消除MEMS光源电阻变大的影响，当光源发光久了之后，MEMS光源的灯丝电阻值会随着温度的升高而增大，此时由于电压不会变化导致光源输出的电功率发生变化，从而影响光强度。因此恒功率电路模块控制光源，使光源工作在最佳发光点。

恒功率电路模块主要是利用功率监视器检测电流和电压，输出一个表示光源功率的电压，通过三极管与运算放大器组成一个反馈系统进行调节恒定光源的功率，本发明利用数字电位器通过调节运算放大器的同相端输入电压来改变光源的发光功率，使光源的发光功率不会随着光源的阻值变化而改变。模拟火源发光强度的调节通过微处理器调节数字电位器来控制。

本发明所述的MEMS光源采用INTEX公司生产的MIRL17-900红外MEMS光源可覆盖1-20um宽波段，有高调制效率、高脉冲速率和高应答性等特点，而且发光效率高，使用寿命在750℃时可连续使用5000小时以上，满足模拟火源的需求。

一种自学习模拟火源方法，采用上述的自学习模拟火源系统进行操作，具体操作步骤如下：

1）火焰信号采集与处理,通过红外火焰探测模块采集不同材料燃烧时的火焰辐射强度信息。

2）MEMS光源的闪烁频率的控制，通过微处理器的一个I\O口的输出控制MEMS的频率。

3）MEMS发光强度的控制，微处理器控制数字电位器调节MEMS光源两端的电压实现对MEMS光源的发光强度的控制。

所述的步骤1）火焰信号采集与处理，将采集的数据通过串口传给微处理器，微处理器将采集到的数据进行快速傅里叶变换，得出不同材质的火焰跳动的频谱特征，以供参考。

所述的步骤2）MEMS光源的闪烁频率的控制，编写程序控制微处理器的一个I\O口产生一定频率的脉冲信号实现对MEMS光源的闪烁频率控制，程序中产生的1-100的随机数作为光源的闪烁频率，可以模拟火焰频率的多样性。程序流程图如图3所示。

所述的步骤3）MEMS光源的发光强度的控制，微处理器通过自身的SPI模块调节数字电位器的阻值，调节运算放大器的输入输出电压，改变三级管Q4的输入输出电压进而改变MEMS光源两端的电压，实现对MEMS光源的发光强度的控制，如图9所示。

与现有技术相比，本发明具有以下创新点：

1、本发明提出的自学习模拟火源中的信号采集模块可以对不同材质燃烧的火焰信号进行数据采集，经过特征提取，实现了对不同火焰信号的自学习。

2、采用的火焰闪烁频率范围为100Hz以内，实现了对固体燃料、液体然料和气体然料火焰闪烁频率的全覆盖。

3、传统的光源会随着时间的流逝，内阻变大，功率变小，发光强度变小，而现实的火焰在4.3um波段的发光幅值（发光强度）不变，所以传统的火焰模拟器的发光强度会逐渐变暗，本发明中的光源驱动电路为恒功率控制电路，使光源在4.3um波段附近的发光强度保持恒定，有效地解决了常规火焰模拟器中的光源随时间的增加，内阻值变大发光强度减小的问题。

附图说明

图1是本发明的自学习模拟火源系统的结构框图。

图2是本发明的自学习模拟火源方法的主程序框图。

图3是本发明中的微处理器控制光源发光频率程序图。

图4是模拟火源发光强度控制程序流程图。

图5是本发明具体实施例所使用的微处理器图。

图6是本发明具体实施例微处理器的外部晶振时钟电路图。

图7是本发明具体实施例的微处理器的电源电路图。

图8是本发明具体实施例的微处理器复位电路图。

图9是本发明具体实施例的恒功率控制电路图。

具体实施方式

本发明的优选实施例的结合附图详述如下：

实施例一：

如图1所示，本自学习模拟火源的系统包括红外火焰探测模块（1）、主控制电路（2）、恒功率驱动电路（5）和MEMS光源（6），其特征在于：所述的红外火焰探测器模块（1）采集的火焰信号信息经串口输入所述的主控制电路（2）中的微处理器（3）；所述的主控制电路（2）由微处理器（3）及其外围电路（4）组成；所述的恒功率驱动电路（5）的输出端和MEMS光源（6）相连，所述的MEMS光源（6）最终发出设定频率和辐射强度的光，实现对火源的模拟。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

该自学习模拟火源系统所述的红外火焰探测模块（1）采用中国发明专利CN10242675A技术，使用其红外多参数火气探测器采集火焰辐射强度信息，该红外多参数火气探测器经串口和微处理器相连。

碳氢化合物燃烧时在红外波段内的2.7um与4.3um附近有一个峰值，而太阳在这两个波段附近的辐射被空气中的CO2所吸收，因此我们在采集火焰信号时使用的多参数红外探测器使用安装窄带滤光片的中心波段在2.7um附近的硫化铅传感器与中心波段在4.3um附近的热释电传感器作为火焰探测的传感器；在峰值辐射波段4.3um两侧各选择了一个参比波：3.8um和5.0um，由于任意的一个红外辐射源在这四个波段都有其独特的光谱特征，采集2.7um、3.8um、4.3um和5.0um波段光谱的信号，该四个波段可用以监视场内高温红外辐射源以及环境背景辐射，从而消除了由闪烁的背景辐射和高温辐射源所造成的误报警，因此比较这四个波段的辐射强度之间的数学关系，就可将火焰和其他红外辐射源区别开来。

如图5、图6、图7和图8所示，该自学习模拟火源系统中的主控制电路包括微处理器及其处理器外围电路。其中主控制电路由微处理器STM32F051K8U6、晶振Y2，电容C2、C4、C13、C14、C38，电阻R5、R9、R16、R25、R38,电感L1、L2和按键KEY1构成。电阻R25的一端连接微处理器（3）的BOOT0引脚，另一端接地。电感L1、L2和C13串联，C14和C13并联，C14的上端连接微处理器的VDDA引脚，至此构成了微处理器的供电电路。R38和C38串联，KEY1和电容C38并联，R38一端接3.3V电压，KEY1一端接微处理器的复位引脚RESET，另一端接地构成了微处理器的复位电路。

如图6所示，晶振Y2为12MHz,电容C2、C4为20pF，R5为1M欧姆。C2、C4和Y2串联，R5和Y2并联，C2一端接地。晶振Y2的一端接微处理器的OSC_IN引脚，另一端接微处理器的OSC_OUT引脚，至此构成了微处理器的外部晶振时钟电路。如图9所示，恒功率电路由功率监视器芯片MAX4211EEUE、运算放大器LM358，晶体三级管Q4、Q5，数字电位器MCP41010、二极管D1、电阻R7、R8、R10、R11、R12、R14、R15、R18，电容C6、C8和C9构成。电阻R7、R8串联，R7两端分别接入MAX4122EEUE，R8接三极管Q4的集电极，电容C5作为、MAX4211EEUE的电源滤波电容。MAX4211EEUE的输出电压作连接运算放大器LM358的反相输入端口，电容C6作为LM358的供电电压的滤波电容，LM358的输出经电阻R10进入三级管Q4的基极，电容C7作为Q4的基极去噪电容，三级管Q4的发射极连接MEMS光源作为MEMS光源的输入，Q4的发射极连接电阻R11，R11和R14串联，R14的分压作为功率电流监视器芯片的Vin引脚的输入。数字电位器通过SPI模块和微处理器STM32F051K8U6相连，数字电位器的PW0连接LM358的正向比例放大口。二极管D1、电阻R12、R18和三级管Q5串联成一条支路，R15的一端连接Q5的基极，R15的另外一端和微处理器的PC8引脚相连接，该支路为MEMS光源提供一定频率脉冲的电压信号。

模拟火源的发光强度控制当光源发光久了之后，灯丝电阻值会随着温度的升高而增大，此时由于电压不会变化导致光源输出的电功率发生变化，从而影响光强度。因此恒功率电路模块控制光源，使光源工作在最佳发光点。数字电位器遵循SPI通信模式，微处理器为主设备，负责发送数据，并产生开始和终止信号；电位器为从设备，负责接收数据。

恒功率电路模块主要是利用功率监视器检测电流和电压，输出一个表示光源功率的电压，通过三极管与运算放大器组成一个反馈系统进行调节恒定光源的功率，本发明利用数字电位器通过调节运算放大器的同相端输入电压来改变光源的发光功率，微处理器通过程序调节数字电位器阻值控制光源的发光功率（即发光强度）。

实施例三：

本自学习模拟火源方法，采用上述的自学习模拟火源系统进行操作，具体操作步骤如下：

1）火焰信号采集与处理,通过红外火焰探测模块采集不同材料燃烧时的火焰辐射强度信息，将采集到的信息经串口传输给微处理器，微处理器对采集到的数据进行快速傅里叶变换。

2）MEMS光源的闪烁频率的控制，通过微处理器的一个I\O口的输出电压的高低，产生一个脉冲信号控制MEMS的频率。

3）MEMS光源发光强度的控制，微处理器程序控制数字电位器MCP41010调节MEMS光源两端的电压实现对MEMS光源的发光强度的控制。

实施例四：

本实施例与实施例三基本相同，特别之处如下：

所述的步骤1）火焰信号采集与处理：将采集的数据通过串口传送微处理器，将采集到的数据进行快速傅里叶变换，得出不同材质的火焰跳动的频率及其对应的幅值，以供参考。

所述的步骤2）MEMS光源的闪烁频率的控制：令微处理器的某一个I\O口产生一定频率的脉冲信号，编写延时程序将该脉冲信号的高低电平延时，实现对MEMS光源的闪烁频率控制。

所述的步骤3）MEMS光源的发光强度的控制：微处理器通过自身的SPI模块调节数字电位器MCP41010的阻值改变MEMS光源两端的电压，实现对MEMS光源的发光强度的控制。

Claims (6)

1.一种自学习模拟火源系统，包括红外火焰探测模块(1)、主控制电路(2)、恒功率驱动电路(5)和MEMS光源(6)，其特征在于：所述的红外火焰探测器模块(1)采集的火焰信号信息经串口输入所述主控制电路(2)中的微处理器(3)；所述的主控制电路(2)由微处理器(3)及其外围电路(4)组成；主控制电路(2)的输出连接至恒功率驱动电路(5)；所述的恒功率驱动电路(5)的输出端和MEMS光源(6)相连，所述的MEMS光源(6)最终发出设定频率和辐射强度的光，实现对火源的模拟；所述的红外火焰探测模块(1)使用其红外多参数火气探测器采集火焰辐射强度信息；所述的主控制电路(2)包括微处理器(3)及其处理器外围电路(4)，主控制电路(2)由微处理器STM32F051K8U6、晶振Y2，电容C2、C4、C13、C14、C38，电阻R5、R9、R16、R25、R38,电感L1、L2和按键KEY1构成，电阻R25的一端连接微处理器(3)的BOOT0引脚，另一端接地；电容C2和C4并联，晶振Y2和电阻R5并联，二者串联并连接微处理器(3)构成微处理器(3)的外部晶振时钟电路，晶振Y2的一端连接微处理器(3)的OSC_IN引脚，另一端连接微处理器(3)的OSC_OUT引脚；电感L1、L2和C13串联，C14和C13并联，C14的上端连接微处理器(3)的VDDA引脚组成微处理器(3)的供电模块；R38和C38串联，KEY1和电容C38并联，R38一端接3.3V电压，KEY1一端接微处理器(3)的复位引脚RESET，另一端接地构成了微处理器(3)的复位电路。

2.根据权利要求1所述的一种自学习模拟火源系统，其特征在于：所述的恒功率电路驱动电路(5)由功率电流监视器芯片MAX4211EEUE、运算放大器LM358，三级管Q4、Q5，数字电位器MCP41010、二极管D1、电阻R7、R8、R10、R11、R12、R14、R15、R18，电容C6、C8、C9，插座P2、P3构成；电阻R7、R8串联，R7两端分别接入MAX4122EEUE，R8接三极管Q4的集电极，电容C5作为、MAX4211EEUE的电源滤波电容；MAX4211EEUE的输出电压作连接运算放大器LM358的反相输入端口，电容C6作为LM358的供电电压的滤波电容，LM358的输出经电阻R10进入三级管Q4的基极，电容C7作为Q4的基极去噪电容，三级管Q4的发射极连接MEMS光源作为MEMS光源的输入，Q4的发射极连接电阻R11，R11和R14串联，R14的分压作为MAX4211EEUE的Vin引脚的输入；数字电位器通过SPI模块和微处理器STM32F103RBT6相连，数字电位器的PW0连接LM358的正向比例放大口；二极管D1、电阻R12、R18、和三级管Q5串联成一条支路，R15一端连接Q5的基极，R15的另外一端和微处理器(3)的PC8引脚相连接，该支路为MEMS光源(6)提供一定频率脉冲的电压信号。

3.一种自学习模拟火源方法，采用权利要求1所述的自学习模拟火源系统进行操作，其特征在于，采用权利要求1所述的自学习模拟火源系统进行操作，具体操作步骤如下：

1)火焰信号采集与处理,通过红外火焰探测模块(1)采集不同材料燃烧时的火焰辐射强度信息，对强度和辐射频率进行分析处理；

2)MEMS光源(6)的闪烁频率的控制，通过微处理器(3)的一个I\O口的输出电压的高低，产生一个脉冲信号控制MEMS的闪烁频率；

3)MEMS光源(6)发光强度的控制，微处理器(3)程序控制数字电位器MCP41010调节MEMS光源(6)两端的电压实现对MEMS光源(6)的发光强度的控制。

4.根据权利要求3所述的一种自学习模拟火源方法，其特征在于，所述的步骤1)火焰信号采集与处理是：将采集的数据通过串口传送到微处理器(3)，由微处理器(3)对采集数据进行快速傅里叶变换，得出不同材质的火焰跳动的频率及其对应的幅值，以供参考。

5.根据权利要求3所述的一种自学习模拟火源方法，其特征在于，所述的步骤2)MEMS光源(6)的闪烁频率的控制：令微处理器(3)的某一个I\O口产生一定频率的脉冲信号，编写延时程序将该脉冲信号的高低电平延时，实现对MEMS光源(6)的闪烁频率控制。

6.根据权利要求3所述的一种自学习模拟火源方法，其特征在于，所述的步骤3)MEMS光源(6)的发光强度的控制：微处理器(3)通过自身的SPI模块调节数字电位器MCP41010的阻值改变MEMS光源(6)两端的电压，实现对MEMS光源的发光强度的控制。