CN108122363B - 用于烟雾报警的集成电路及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于烟雾报警的集成电路，该集成电路包括三个检测功能引脚，两个电源引脚，一个报警引脚和两个用于实现校准、按键和指示的引脚；还包括一种烟雾报警系统，该系统包括上述集成电路和外围电路，所述的外围电路包括电源模块、烟雾传感器模块、报警模块和按键与指示模块。采用该结构的用于烟雾报警的集成电路及系统，电路引脚数更少，外围器件更精简；数字校准方式使烟雾报警灵敏度和一致性更好；特殊的蜂鸣器驱动形式实现了单引脚驱动报警功能；校准方式更简单、更易实现；降低了整体的成本，具有广泛的应用范围。

Description

用于烟雾报警的集成电路及系统

技术领域

本发明涉及传感器检测技术领域，尤其涉及烟雾报警器技术领域，具体是指一种用于烟雾报警的集成电路及系统。

背景技术

随着全社会安全意识的提高，火灾检测与预防成为了安防措施中的重要组成部分，其中最重要的安全检测单元就是烟雾报警器。

烟雾报警器现有设计方案如图1所示，基本可分为烟雾传感器模块、主控单元、报警器和报警指示灯/按键检测四个部分。其中主控单元多采用单颗定制化的芯片，即专用的芯片(ASIC)，通过与外围分立器件的结合实现最终烟雾检测与报警的功能；另一种方案是采用单片机为核心，配合专用的传感器和报警器等功能部件实现最终的烟雾检测和报警功能。而其中专用芯片又分为模拟专用芯片和数字专用芯片。

其实现方案可分为：

请参见图2所示，此方案中，采用了模拟专用芯片作为主控元件，而图3所示为该模拟专用芯片的内部结构。该方案通过芯片内部的放大器、比较器、振荡器、阈值参考电平和逻辑控制电路等功能模块，并通过C1、C2、DETECT、OSC、R1和STROBE共6个引脚与外围电路相配合(图2中A部分)，实现烟雾检测功能。虽然该方案的灵敏度校准也使用这6个引脚，但其检测功能和校准功能总共依然需要设置6个引脚。而其报警功能是通过BRASS、SLIVER和FEEDBACK共3个引脚(图2中B部分)，并配合外围电路，以实现三端蜂鸣片驱动功能。另还有按键、指示等均需要分别设置各自的引脚。所以整体方案中，专用芯片需要太多的引脚，并配合复杂的外围电路，方能实现全部的功能。且该方案的灵敏度校准为模拟手工调节形式，精准度与一致性较难控制。

请参见图4所示，该方案采用了数字化专用芯片，图5所示为该数字专用芯片的内部结构。优化了烟雾检测环节和灵敏度校准结构，但是由于改进为3V系统方案，蜂鸣片的驱动方式必须进行优化，否则报警器声音响度满足不了需求，因此芯片采用电源升压后再驱动形式，占用了芯片5个引脚。

虽然该方案通过芯片内部的光电仓驱动电路、积分放大器、烟雾比较器和逻辑控制电路并通过相应的3个引脚与外围电路相配合，实现烟雾的检测功能，但校准功能却需要使用TEST、TEST2、IO、FEED和HB等5个引脚进行通讯操作，并且部分引脚需要多种数字电平状态驱动。另外，由于该方案采用3V电源系统的原因，电路必须先升压后进行三端蜂鸣片驱动，用于满足标准要求的声音响度。因此，三端蜂鸣片驱动占用了电路的VBST、SW、BRASS、SILIVE和FEEDBACK五个引脚。另还有按键、指示等均需要分别设置各自的引脚。所以该方案的专用芯片也需要很多的引脚。

请参见图6所示，此方案采用单片机实现，图7所示为单片机的内部结构。由于单片机内部没有集成专用功能模块，因此为了实现烟雾检测功能，即主要通过12-bit A/DConverter模块，并需要7个引脚与较多的外围电路配合(图6中左侧部分)。

而其报警功能虽然实现了仅用一个引脚驱动蜂鸣片，但只能驱动两端蜂鸣片，声音响度受限制，与三端蜂鸣片有明显区别，不能满足标准要求。而校准功能、按键、指示灯等，均需要分别设置各自的引脚。所以该方案的单片机也需要很多的引脚，需要较多的外围器件配合，而且单片机电路往往内部结构复杂，集成了许多多余的功能模块，如LCD Driver等，增加了不必要的成本。同时，由于外围器件一致性的影响，烟雾报警器灵敏度控制较为困难。

综上所述，专用芯片方案和单片机方案等均需要配置许多引脚或接口去匹配对应的功能模块，并配合复杂的外围电路，从而达到最终需求，因此以上两种方案均存在定制化成本较高的缺陷。在保证用户需求的情况下，简化系统构成、降低整体成本一直是一个难题。

本发明从芯片本身出发，通过新增的功能模块，取代现有解决方案，在保证功能需求满足标准需求的情况下，进一步减少了芯片引脚数量和外围器件需求，提高了系统集成度，降低了整体方案成本。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现保证功能需求满足标准需求的情况下，减少芯片引脚数量和外围器件需求，提高系统集成度，降低了整体成本的用于烟雾报警的集成电路及系统。

为了实现上述目的，本发明具有如下构成：

该用于烟雾报警的集成电路，包括三个检测功能引脚，两个电源引脚，一个报警引脚和两个用于实现校准、按键和指示的引脚，所述的三个检测功能引脚分别为IR+端、IR－端和IRED端，所述的两个电源引脚分别为VDD端和VSS端，所述的报警引脚为IO3端，所述的用于实现校准、按键和指示的引脚分别为IO1端和IO2端。

较佳地，所述的集成电路包括放大器、ADC模块、CPU模块、恒流驱动模块和报警驱动模块，所述的放大器的第一输入端与所述的IR+端相连接，所述的放大器的第二输入端与所述的IR－端相连接，所述的放大器的输出端与所述的ADC模块的输入端相连接，所述的ADC模块的输出端与所述的CPU模块的输入端相连接，所述的CPU模块的第一输出端与所述的恒流驱动模块的输入端相连接，所述的恒流驱动模块的输出端与所述的IRED端相连接，所述的CPU模块的第二输出端与所述的报警驱动模块的输入端相连接，所述的报警驱动模块的输出端与所述的IO3端相连接，所述的CPU模块的第一通信端与所述的IO1端相连接，所述的CPU模块的第二通信端与所述的IO2端相连接。

更佳地，所述的集成电路还包括第九引脚，所述的第九引脚用于实现联网功能，所述的CPU模块还包括第三通信端，所述的CPU模块的第三通信端与所述的IO4端相连接。

还包括一种烟雾报警系统，所述的系统包括上述集成电路和外围电路，所述的外围电路用于检测烟雾信号并实现报警，所述的外围电路包括电源模块、烟雾传感器模块、报警模块和按键与指示模块，所述的电源模块分别与所述的VDD端和VSS端相连接，所述的烟雾传感器模块分别与所述的IR+端、IR－端和IRED端相连接，所述的报警模块与所述的IO3端相连接，所述的按键与指示模块分别与所述的IO1端和IO2相连接。

较佳地，所述的电源模块包括第一电阻和第一电容，所述的VDD端与所述的第一电阻的第一端并接VDD，所述的第一电阻的第二端与所述的第一电容的第一端相连接，所述的第一电容的第二端与所述的VSS端相连接并接地。

较佳地，所述的烟雾传感器模块包括第二发光二极管和光敏二极管，所述的第二发光二极管的正极分别与所述的第一电阻的第二端和所述的第一电容的第一端相连接，所述的第二发光二极管的负极与所述的IRED端相连接，所述的光敏二极管的正极与所述的IR+端相连接，所述的光敏二极管的负极与所述的IR－端相连接。

较佳地，所述的报警模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二电容、第一三极管、第二三极管、压电蜂鸣片和三端电感，所述的IO3端与所述的第五电阻的第一端相连接，所述的第五电阻的第二端与所述的第二三极管的基极相连接，所述的第二三极管的发射极接地，所述的第二三极管的集电极分别与所述的第一三极管的发射极和所述的压电蜂鸣片的第三端相连接，所述的压电蜂鸣片的第一端分别与所述的第四电阻的第二端、所述的第三电阻的第二端和所述的第二电容的第一端相连接，所述的第四电阻的第一端与所述的第一三极管的基极相连接，所述的第三电阻的第一端分别与所述的三端电感的第三端相连接并接VDD，所述的第二电容的第二端分别与所述的压电蜂鸣片的第二端和所述的三端电感的第一端相连接，所述的三端电感的第二端与所述的第一三极管的集电极相连接。

较佳地，所述的按键与指示模块包括第二电阻、第一发光二极管和按键，所述的IO1端与所述的按键的第一端相连接，所述的按键的第二端接地，所述的IO2端与所述的第一发光二极管的负极相连接，所述的第一发光二极管的正极与所述的第二电阻的第二端相连接，所述的第二电阻的第一端接VDD。

更佳地，所述的集成电路还包括IO4端，所述的外围电路还包括第三电容和第六电阻，所述的IO4端分别与所述的第三电容第一端和第六电阻的第一端相连接，所述的第三电容第二端与所述的按键的第二端相连接，所述的第六电阻的第二端与互联网相连接。

采用了该发明中的用于烟雾报警的集成电路及系统，电路需求引脚数更少，外围器件需求更精简，由于采用数字校准方式，烟雾报警灵敏度和一致性更好；同时电路采用特殊的蜂鸣器驱动形式，实现了单引脚驱动报警功能，并且采用的校准方式更简单、更易实现；大大降低了整体的成本，具有广泛的应用范围。

附图说明

图1为现有技术的烟雾报警器的功能框图。

图2为现有技术的模拟专用芯片方案的电路示意图。

图3为现有技术的模拟专用芯片方案的内部电路结构的示意图。

图4为现有技术的数字专用芯片方案的电路示意图。

图5为现有技术的数字专用芯片方案的内部电路结构的示意图。

图6为现有技术的单片机方案的电路示意图。

图7为现有技术的单片机方案的内部电路结构的示意图。

图8为本发明的烟雾报警系统的示意图。

图9为本发明的用于烟雾报警的集成电路的内部结构示意图。

图10为本发明的用于烟雾报警的集成电路及系统的控制方法的流程图。

图11为本发明的用于烟雾报警的集成电路的一种实施方式的示意图。

图12为本发明的烟雾报警系统的一种实施方式的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

该用于烟雾报警的集成电路，包括三个检测功能引脚，两个电源引脚，一个报警引脚和两个用于实现校准、按键和指示的引脚，所述的三个检测功能引脚分别为IR+端、IR－端和IRED端，所述的两个电源引脚分别为VDD端和VSS端，所述的报警引脚为IO3端，所述的用于实现校准、按键和指示的引脚分别为IO1端和IO2端。

在一种较佳的实施方式中，所述的集成电路包括放大器、ADC模块、CPU模块、恒流驱动模块和报警驱动模块，所述的放大器的第一输入端与所述的IR+端相连接，所述的放大器的第二输入端与所述的IR－端相连接，所述的放大器的输出端与所述的ADC模块的输入端相连接，所述的ADC模块的输出端与所述的CPU模块的输入端相连接，所述的CPU模块的第一输出端与所述的恒流驱动模块的输入端相连接，所述的恒流驱动模块的输出端与所述的IRED端相连接，所述的CPU模块的第二输出端与所述的报警驱动模块的输入端相连接，所述的报警驱动模块的输出端与所述的IO3端相连接，所述的CPU模块的第一通信端与所述的IO1端相连接，所述的CPU模块的第二通信端与所述的IO2端相连接。

在一种更佳的实施方式中，所述的集成电路还包括第九引脚，所述的第九引脚用于实现联网功能，所述的CPU模块还包括第三通信端，所述的CPU模块的第三通信端与所述的IO4端相连接。

还包括一种烟雾报警系统，所述的系统包括上述集成电路和外围电路，所述的外围电路用于检测烟雾信号并实现报警，所述的外围电路包括电源模块、烟雾传感器模块、报警模块和按键与指示模块，所述的电源模块分别与所述的VDD端和VSS端相连接，所述的烟雾传感器模块分别与所述的IR+端、IR－端和IRED端相连接，所述的报警模块与所述的IO3端相连接，所述的按键与指示模块分别与所述的IO1端和IO2相连接。

在一种较佳的实施方式中，所述的电源模块包括第一电阻和第一电容，所述的VDD端与所述的第一电阻的第一端并接VDD，所述的第一电阻的第二端与所述的第一电容的第一端相连接，所述的第一电容的第二端与所述的VSS端相连接并接地。

在一种较佳的实施方式中，所述的烟雾传感器模块包括第二发光二极管和光敏二极管，所述的第二发光二极管的正极分别与所述的第一电阻的第二端和所述的第一电容的第一端相连接，所述的第二发光二极管的负极与所述的IRED端相连接，所述的光敏二极管的正极与所述的IR+端相连接，所述的光敏二极管的负极与所述的IR－端相连接。

在一种较佳的实施方式中，所述的报警模块包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二电容、第一三极管、第二三极管、压电蜂鸣片和三端电感，所述的IO3端与所述的第五电阻的第一端相连接，所述的第五电阻的第二端与所述的第二三极管的基极相连接，所述的第二三极管的发射极接地，所述的第二三极管的集电极分别与所述的第一三极管的发射极和所述的压电蜂鸣片的第三端相连接，所述的压电蜂鸣片的第一端分别与所述的第四电阻的第二端、所述的第三电阻的第二端和所述的第二电容的第一端相连接，所述的第四电阻的第一端与所述的第一三极管的基极相连接，所述的第三电阻的第一端分别与所述的三端电感的第三端相连接并接VDD，所述的第二电容的第二端分别与所述的压电蜂鸣片的第二端和所述的三端电感的第一端相连接，所述的三端电感的第二端与所述的第一三极管的集电极相连接。

在一种较佳的实施方式中，所述的按键与指示模块包括第二电阻、第一发光二极管和按键，所述的IO1端与所述的按键的第一端相连接，所述的按键的第二端接地，所述的IO2端与所述的第一发光二极管的负极相连接，所述的第一发光二极管的正极与所述的第二电阻的第二端相连接，所述的第二电阻的第一端接VDD。

在一种更佳的实施方式中，所述的集成电路还包括IO4端，所述的外围电路还包括第三电容和第六电阻，所述的IO4端分别与所述的第三电容第一端和第六电阻的第一端相连接，所述的第三电容第二端与所述的按键的第二端相连接，所述的第六电阻的第二端与互联网相连接。

本发明以全新的电路内部结构，实现了功能模块的高度集成，整体方案如图8所示，从图8中可以看到，此全新的电路仅8个引脚，并且外部器件需求极其简单，并且完全能满足烟雾报警器的所有需求。

电路内部结构图如图9所示，此方案中内部各模块工作情况如下：

1、电路通过IR+、IR-和IRED三个引脚实现与外部烟雾传感器的物理连接。通过程序编写，CPU将驱动时间周期与电流大小等数据传输给恒流驱动模块，恒流驱动模块通过IRED接口控制烟雾传感器，从而完成放大器输入端的信号采集。

2、烟雾传感器信号通过特殊的放大器处理转换为数字信号，然后送入ADC进行进一步的数据处理。

3、数据处理结果提供给CPU进行判断，若在报警阈值范围内，CPU不做处理，电路继续烟雾信号采集工作；若超出报警阈值范围，CPU输出报警信号给报警驱动电路。

4、报警驱动模块通过CPU提供的PWM起始周期、周期变化率、开始与结束时间等参数，通过IO3驱动外部报警器发出报警声。

5、在报警同时，CPU通过IO1和IO2实现报警指示灯指示与按键检测功能。

具体工作流程如图10所示，为了保证烟雾报警器的灵敏度一致性，每一个烟雾报警器均需要精密调节校准。此方案中，电路采用IO1和IO2实现与外部校准模块的通讯功能，通讯方式采用通用两线制形式(如UART等)，校准过程简单易实现。

校准时，外部校准模块通过IO1和IO2实现与CPU通讯，通过CPU将报警阈值写入相应寄存器，从而达到灵敏度校准的目的。

在一种扩展的实施方式中，针对有互联需求的烟雾报警器，此发明电路可扩展一个I/O口，采用9个引脚封装形式，如ESOP8(VSS引脚在封装腹部)，电路内部结构如图11所示。

在扩展增加了IO4后，此IO可用于实现烟雾报警器与安全门、消防栓、应急灯、门禁等其他设施的联网和联动，如图12所示。

采用了该发明中的用于烟雾报警的集成电路及系统，电路需求引脚数更少，外围器件需求更精简，由于采用数字校准方式，烟雾报警灵敏度和一致性更好；同时电路采用特殊的蜂鸣器驱动形式，实现了单引脚驱动报警功能，并且采用的校准方式更简单、更易实现；大大降低了整体的成本，具有广泛的应用范围。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种用于烟雾报警的集成电路，其特征在于，所述的集成电路包括CPU模块、三个检测功能引脚，两个电源引脚，一个报警引脚和两个用于实现校准、按键和指示的引脚，所述的三个检测功能引脚分别为IR+端、IR－端和IRED端，所述的两个电源引脚分别为VDD端和VSS端，所述的报警引脚为IO3端，所述的用于实现校准、按键和指示的引脚分别为IO1端和IO2端；所述的IR+端、IR－端和IRED端与外部的烟雾传感器模块物理连接；所述的CPU模块输出驱动时间周期与电流大小数据，以通过IRED端控制所述的烟雾传感器模块，所述的CPU模块通过所述的IR+端、IR－端对所述的烟雾传感器模块进行信号采集，所述的CPU模块以从所述的烟雾传感器模块上采集到的信号为依据，判断是否驱动所述的IO3端工作；

所述的VDD端和VSS端分别与外部的电源模块相连接，其中，所述的电源模块包括第一电阻和第一电容，所述的VDD端与所述的第一电阻的第一端并接VDD，所述的第一电阻的第二端与所述的第一电容的第一端相连接，所述的第一电容的第二端与所述的VSS端相连接并接地；

所述的烟雾传感器模块包括第二发光二极管和光敏二极管，所述的第二发光二极管的正极分别与所述的第一电阻的第二端和所述的第一电容的第一端相连接，所述的第二发光二极管的负极与所述的IRED端相连接，所述的光敏二极管的正极与所述的IR+端相连接，所述的光敏二极管的负极与所述的IR－端相连接。

2.根据权利要求1所述的用于烟雾报警的集成电路，其特征在于，所述的集成电路包括放大器、ADC模块、恒流驱动模块和报警驱动模块，所述的放大器的第一输入端与所述的IR+端相连接，所述的放大器的第二输入端与所述的IR－端相连接，所述的放大器的输出端与所述的ADC模块的输入端相连接，所述的ADC模块的输出端与所述的CPU模块的输入端相连接，所述的CPU模块的第一输出端与所述的恒流驱动模块的输入端相连接，所述的恒流驱动模块的输出端与所述的IRED端相连接，所述的CPU模块的第二输出端与所述的报警驱动模块的输入端相连接，所述的报警驱动模块的输出端与所述的IO3端相连接，所述的CPU模块的第一通信端与所述的IO1端相连接，所述的CPU模块的第二通信端与所述的IO2端相连接。

3.根据权利要求2所述的用于烟雾报警的集成电路，其特征在于，所述的集成电路还包括第九引脚，所述的第九引脚用于实现联网功能，所述的CPU模块还包括第三通信端，所述的CPU模块的第三通信端与IO4端相连接。

4.一种烟雾报警系统，所述的系统包括权利要求1所述的集成电路和外围电路，所述的外围电路用于检测烟雾信号并实现报警，所述的外围电路包括电源模块、烟雾传感器模块、报警模块和按键与指示模块，所述的烟雾传感器模块分别与所述的IR+端、IR－端和IRED端相连接，所述的报警模块与所述的IO3端相连接，所述的按键与指示模块分别与所述的IO1端和IO2相连接。

5.根据权利要求4所述的烟雾报警系统，其特征在于，所述的报警模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二电容、第一三极管、第二三极管、压电蜂鸣片和三端电感，所述的IO3端与所述的第五电阻的第一端相连接，所述的第五电阻的第二端与所述的第二三极管的基极相连接，所述的第二三极管的发射极接地，所述的第二三极管的集电极分别与所述的第一三极管的发射极和所述的压电蜂鸣片的第三端相连接，所述的压电蜂鸣片的第一端分别与所述的第四电阻的第二端、所述的第三电阻的第二端和所述的第二电容的第一端相连接，所述的第四电阻的第一端与所述的第一三极管的基极相连接，所述的第三电阻的第一端分别与所述的三端电感的第三端相连接并接VDD，所述的第二电容的第二端分别与所述的压电蜂鸣片的第二端和所述的三端电感的第一端相连接，所述的三端电感的第二端与所述的第一三极管的集电极相连接。

6.根据权利要求4所述的烟雾报警系统，其特征在于，所述的按键与指示模块包括第二电阻、第一发光二极管和按键，所述的IO1端与所述的按键的第一端相连接，所述的按键的第二端接地，所述的IO2端与所述的第一发光二极管的负极相连接，所述的第一发光二极管的正极与所述的第二电阻的第二端相连接，所述的第二电阻的第一端接VDD。

7.根据权利要求6所述的烟雾报警系统，其特征在于，所述的集成电路还包括IO4端，所述的外围电路还包括第三电容和第六电阻，所述的IO4端分别与所述的第三电容第一端和第六电阻的第一端相连接，所述的第三电容第二端与所述的按键的第二端相连接，所述的第六电阻的第二端与互联网相连接。

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