CN108648408A - 一种光电式烟雾探测器及其自检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式烟雾探测器及其自检方法。光电式烟雾探测器，包括光学迷宫、主红外发射管和主红外接收管，其还包括副红外发射管、副红外接收管、红外发光二极管驱动电路、运算放大电路和主控制器，所述主红外发射管、主红外接收管、副红外发射管和副红外接收管均设置于光学迷宫内，所述主红外发射管和副红外发射管均与红外发光二极管驱动电路连接，主红外接收管和副红外接收管均与运算放大电路连接，所述红外发光二极管驱动电路和运算放大电路均与主控制器连接。本发明可以自动监测烟雾探测器的故障状态，特别是探测器中起到关键作用的红外发射和接收管。

Description

一种光电式烟雾探测器及其自检方法

技术领域

本发明涉及探测器技术领域，更具体地说，特别涉及一种光电式烟雾探测器及其自检方法。

背景技术

烟雾探测器，也被称为感烟式火灾探测器、烟感探测器、感烟探测器、烟感探头和烟感传感器，主要应用于消防系统，在安防系统建设中也有应用。烟雾探测器主要是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的。

烟雾探测器根据传感器的类型，分为：

1、离子烟雾探测器：它是在电离室内含有少量放射性物质，可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性。当烟粒子进入电离化区域时，它们由于与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。当导电性低于预定值时，探测器发出警报。

2、光电烟雾探测器：它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本性质而研制的。检测原理：在探测器内装有一个光学迷宫，光学迷宫的两侧装有一对红外发射管和接收管，这两个管错开安装，正常情况下红外接收管接收不到发射管发射的红外光，当有烟雾进入时，由于烟雾颗粒的散射作用，就有一部分光被反射到接收管，从而在接收管感应到电流，根据感应电流的大小和阈值的对比，就可以判断是否发生烟雾报警。

两种传感器的对比：离子型烟雾探测器对于那些微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，而光电型烟雾探测器恰恰相反，光电型烟雾探测器对于那些稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，如果火灾产生的烟尘都是比较大的颗粒，那么采用光电型烟雾探测器比较好，而如果火灾产生的烟尘都是比较小的颗粒，那么采用离子型烟雾探测器比较好。但是由于离子式探测器内含有放射性物质，一旦发生泄漏，对人体有害，逐渐有被光电式替代的趋势。因此本发明针对的是光电式烟雾探测器。

现有的光电式烟雾探测器一般由一个光学迷宫和一对红外发射和接收管组成。结构如图1所示(该图只是为了说明红外发射和接收管的光路径图，与实际产品所用的光学迷宫存在差异，实际使用的光学迷宫还包含很多遮光及反光的挡片，与本发明无关，这里没有包含)。

现有烟雾探测器的工作原理如图1所示：正常情况下，红外发射管A1发射的红外光，覆盖了区域A，红外接收管K1是接收不到这些红外光的，但一旦有烟雾进入区域A，就会对这些红外光进行各个方向的反射，因此，红外接收管就可以收到部分红外发射管K1所发射的红外光，进入该区域的烟雾颗粒越多，接收到的红外光也就越多，因此，可以设定一个阈值，当烟雾多到一定程度的时候，就发出烟雾告警。其缺点在于：

由于火灾相对来说，发生的概率比较低，因此烟雾探测器必须做到非常稳定可靠，既不误报，也不漏报，一旦发生误报，消防部门出动救灾，无功而返，浪费人力财力，严重的，可能影响救助真实火情；而一旦发生漏报，则火灾没有在发生的初级阶段被发现，等蔓延开来，扑灭难度大，人员伤亡及财产损失也大幅度提高。

虽然目前的烟雾探测器普遍都做有自检功能，但是该功能基本上是针对主控板运行状态的检测，对于主控板的主控制器损坏，死机等故障可以检测出来，但是如果是烟雾迷宫里面的红外发射和接收管出现故障，是无法检测出来的。要检测红外发射管和接收管是否出现故障，只能通过人工，对烟雾探测器人为喷射一定量的烟雾，看其是否报警来检测。但是这种人工检测的方法，由于耗费太多人力物力，一般是半年或一年对其检测一次，如果在两次检测的间隔烟雾探测器发生故障，而此时又恰巧发生火灾的话，后果不堪设想。

综上所述，利用现有技术开发的烟雾探测器有一个比较致命的缺点：无法及时的获知烟雾探测器关键部件红外发射和接收管的故障情况，有可能导致误告警或是漏报警，稳定性可靠性相对较差。为此，有必要开发一种全新的光电式烟雾探测器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电式烟雾探测器，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种光电式烟雾探测器，包括光学迷宫、主红外发射管和主红外接收管，其还包括副红外发射管、副红外接收管、红外发光二极管驱动电路、运算放大电路和主控制器，所述主红外发射管、主红外接收管、副红外发射管和副红外接收管均设置于光学迷宫内，所述主红外发射管和副红外发射管均与红外发光二极管驱动电路连接，主红外接收管和副红外接收管均与运算放大电路连接，所述红外发光二极管驱动电路和运算放大电路均与主控制器连接。

进一步地，所述副红外发射管和副红外接收管至少为一对。

进一步地，还包括与主控制器连接的报警模块。

进一步地，还包括与主控制器连接的通信模块。

进一步地，还包括为该光电式烟雾探测器提供工作电源的电源模块。

本发明还提供一种光电式烟雾探测器的自检流程，该工作流程包括以下步骤：

S1、主控制器在一固定的周期内控制红外发光二极管驱动电路打开主红外发射管、关闭副红外发射管，同时开启控制主红外接收管和副红外接收管的采样开关开启；

S2、若主红外接收管和副红外接收管均没有接收到红外光，则主红外发射管、主红外接收管和副红外接收管至少有一个故障；

S3、若主红外接收管接收到红外光、副红外接收管没有接收到红外光，则有烟雾告警，且主红外发射管、主红外接收管和副红外接收管均正常工作；

S4、在正常工作条件下，如果达到设置的自检时间，打开副红外发射管，关闭主红外发射管，如主红外接收管接收到红外光，则副红外发射管正常，主红外接收管正常，自检完成；如主红外接收管没有收到红外光，则副红外发射管故障或主红外接收管故障。

进一步地，在步骤S2中还包括：主控制器通过通信模块将故障信息发送至后台管理员。

进一步地，在步骤S3中还包括：主控制器控制红外发光二极管驱动电路打开副红外发射管，关闭主红外发射管，若此时主红外接收管和副红外接收管均收到红外光，则确认有烟雾进入光学迷宫。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明可以自动监测烟雾探测器的故障状态，特别是探测器中起到关键作用的红外发射和接收管；

2、本发明可实现自动测试，无需人工参与，减少维护成本；

3、本发明可以提高烟雾探测器整体的稳定性和可靠性，避免误报警或漏报警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的光电式烟雾探测器的原理图。

图2是本发明所述光电式烟雾探测器的迷宫示意图。

图3是本发明所述光电式烟雾探测器的原理图。

图4是本发明所述光电式烟雾探测器中红外发光二极管驱动电路的电路图。

图5是本发明所述光电式烟雾探测器中运算放大电路的电路图。

图6是本发明所述光电式烟雾探测器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图2所示，本发明的设计原理在于：在现有光学迷宫的基础上，增加了一对红外发射管A2和红外接收管K2。放置位置如图2所示，红外发射管A2发出的红外光照射范围为区域B，正好可以照射到红外接收管K1；而红外接收管K2放置的位置位于区域A，正好可以接受到红外发射管A1发射的红外光。

当烟雾探测器正常工作时(无烟雾进入状态)，红外发射管A1发射红外光，红外发射管A2关闭，此时红外接收管K1接收不到红外光，而红外接收管K2可以接收到红外光。用这种方法，可以确认红外发射管A1，和红外接收管K2的工作状态是否正常；当烟雾探测器定期进入自检流程时，红外发射管A1关闭，而红外发射管A2开启，此时，红外接收管K1可以收到红外光，而红外接收管K2接收不到红外光，用这种方法，可以确认红外发射管A2和红外接收管K1的工作状态是否正常。以上的操作流程，可以完全确认4个关键器件的工作状态，做到时刻保持烟雾探测器传感器工作在正常状态，避免由于传感器故障而导致的误告警和漏告警；另外，新加入的这对红外发射管A2和红外接收管K2还有另外一个辅助功能：当正常工作时，K1接收到红外光，此时，可以将红外发射管A2和红外接收管K2切换到正常工作模式，即红外发射管A2发射，红外接收管K2接收，如果红外接收管K2也能接收到红外光，证明确实有烟雾进入，此时再进行报警，通过这种方法，可以将由于偶发性的空间电磁干扰等情况滤除，进一步避免误告警发生。

基于以上烟雾迷宫的设计原理，设计如图3所示的烟雾探测器的系统原理框图。

一种光电式烟雾探测器，由光学迷宫101、主红外发射管102、副红外发射管103、红外发光二极管驱动电路104、主红外接收管105、副红外接收管106、运算放大电路107、主控制器108、通信模块109、电源模块110等组成。

光学迷宫101：用于安装主副红外发射/接收管，并且起到隔离外部环境光的作用，同时，又能够允许烟雾颗粒进入。

主红外发射管102：用于在正常工作或是检测副红外接收管106是否正常的时候，发射红外光；

副红外发射管103：用于检测主红外接收管105是否正常或有烟雾告警时辅助检测烟雾告警状态时发射红外光；

红外发光二极管驱动电路104：根据主控制器108的指令，控制主、副红外发射管的发射和关闭；

主红外接收管105：用于在有烟雾进入光学迷宫时接收烟雾发射的红外光线或是辅助检测副红外发射管103发射功能是否正常；

副红外接收管106：用于检验主红外发射管102发射功能是否正常，或在有烟雾进入时，作为辅助检测烟雾告警状态；

运算放大电路107：用于放大主副红外接收管的电流和电压，烟雾检测的分辨率；

主控制器108：是整个烟雾探测器的控制中心，主要完成：一、控制主、副红外发射管的开关时间；二、控制主副红外接收管经过运算放大之后的电压采样；三、根据不同的应用场景，将烟雾探测器的状态发送给通信模块；

通信模块109：通信模块负责将主控制器送过来的探测器的状态通过有线或是无线的方式，传送给本地网关，或是远程的云服务器；

报警模块110：由蜂鸣器及其驱动电路组成，用于本地报警；

电源模块111：用于给上述所有模块提供电源。

主红外发射管102、副红外发射管103、主红外接收管105、副红外接收管106均设置在光学迷宫101内，主红外发射管102和副红外发射管103均与红外发光二极管驱动电路104连接，主红外接收管105和副红外接收管106均与运算放大电路107连接，红外发光二极管驱动电路104、通信模块109、报警模块110和运算放大电路107均与主控制器108连接。

在本实施例中，光学迷宫101根据一般光学迷宫的设计原理结合本发明的特点开模制作，主、副红外发射管型号为IR333，主、副红外接收管的型号为PD438B，也可以根据需要选择其他型号。

在本实施例中，所述主控制器108的型号为SWM180，也可以根据需要选择其他型号。

在本实施例中，所述通信模块109根据不同的应用，可以根据需要选择CAN总线(TJA1050)，ZigBee(CC2530)，蓝牙(CC2541)，GPRS(G16)或NB-IoT(MN2)。

在本实施例中，所述报警模块110可以为蜂蜜器或喇叭。

参阅图4所示，为本发明中红外发光二极管驱动电路104的电路图，其工作原理为：主控制器通过PB1/PB3引脚控制三极管Q4/Q5(MMBT3904)导通或关闭来控制主/副红外发射管D4/D6(IR333)的打开或关闭。

参阅图5所示，为本发明中运算放大电路107的电路图，其工作原理为：由于红外接收管接收到红外光之后，感应电流非常微弱，直接用主控制器的ADC无法采集到，所以需要利用运放将该感应电流放大，以满足主控制器ADC的采样电平。图5利用两级运放(TP1542A)，将PD438B的感应电流放大之后送给主控制器的ADC接口，同时主控制器通过PB2/PB4脚分别控制主/副红外发射管及其运放的开关。

结合图6所示，下面详细描述烟雾探测器的工作流程：烟雾探测器上电之后，主控制器108在一个固定的时间周期(根据不同的工作环境和检测要求设置不同的周期)控制红外发光二极管驱动电路104打开主红外发射管102，关闭副红外发射管103，同时开启主红外接收管105和副红外接收管106的ADC采样开关，如果此时主控制器108的ADC采样结果是：

1、主红外接收管105没有接收到红外光，副红外接收管106有接收到红外光，那么可以确定，无烟雾进入光学迷宫101，即没有烟雾告警，并且主红外发射管102功能正常。

2、主红外接收管105没有接收到红外光，副红外接收管106也没有接收到红外光，那么可以确定，主红外发射管102、主红外接收管105、副红外接收管106至少有一个出故障，此时，主控制器108发送设备故障信息给通信模块109，通知后台管理员，设备出故障，提醒及时检修或更换设备。

3、主红外接收管105有接收到红外光，副红外接收管106也有接收到红外光，那么可以确定，有烟雾进入光学迷宫101，即有烟雾告警；并且可以确定主红外发射管102、主红外接收管105、副红外接收管106工作正常；此时，主控制器108立刻控制红外发光二极管驱动电路104打开副红外发射管103，关闭主红外发射管102，若此时主红外接收管105和副红外接收管106都有收到红外光，那么可以进一步确认，有烟雾进入光学迷宫101，即有烟雾告警，通过主副红外对管都检测到有烟雾告警，按如上步骤连续监测3次，如果依然存在烟雾告警，则可以基本排除是由于干扰造成的报警，此时主控制器108将烟雾告警信息发送给通信模块109，通知后台管理员该区域有烟雾告警，需立刻组织救灾措施。

4、在正常工作条件下，如果设置的自检时间到(如一个小时或1天，根据实际应用场景设定)，打开副红外发射管103，关闭主红外发射管102，如果主红外接收管105可以接收到红外光，那么可以判断副红外发射管103正常，主红外接收管105也正常，自检完成；如果副红外接收管105没有收到红外光，那么可以确定副红外发射管103故障或主红外接收管105故障，此时主红外控制器108马上发送故障告警给通信模块109，通知后台有故障告警，需及时检修或更换设备。

本发明通过以上的设计可以自动检测烟雾探测器的故障状态，特别是探测器中起到关键作用的红外发射管和红外接收管的故障状态，可以有效避免由于红外发射管和接收管故障引起的误报警或漏报警，由于烟雾探测器具有自动自检功能，无需人工参与，因此，可以根据需要做到每小时甚至每分钟自检一次，单烟雾探测器发生故障时，可以第一时间通知运维人员及时更换设备，真正做到将火灾事故扼制于摇篮之中。

通信模块109和报警模块110，可以根据不同的应用，选配，对于需要联网的应用，这两个可以都选，或是只要通信模块109，如果是独立式烟感，只需要报警模块110即可。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光电式烟雾探测器，包括光学迷宫、主红外发射管和主红外接收管，其特征在于，还包括副红外发射管、副红外接收管、红外发光二极管驱动电路、运算放大电路和主控制器，所述主红外发射管、主红外接收管、副红外发射管和副红外接收管均设置于光学迷宫内，所述主红外发射管和副红外发射管均与红外发光二极管驱动电路连接，主红外接收管和副红外接收管均与运算放大电路连接，所述红外发光二极管驱动电路和运算放大电路均与主控制器连接。

2.根据权利要求1所述的光电式烟雾探测器，其特征在于，所述副红外发射管和副红外接收管至少为一对。

3.根据权利要求1所述的光电式烟雾探测器，其特征在于，还包括与主控制器连接的报警模块。

4.根据权利要求1所述的光电式烟雾探测器，其特征在于，还包括与主控制器连接的通信模块。

5.根据权利要求1所述的光电式烟雾探测器，其特征在于，还包括为该光电式烟雾探测器提供工作电源的电源模块。

6.一种光电式烟雾探测器的自检流程，其特征在于，该工作流程包括以下步骤：

S1、主控制器在一固定的周期内控制红外发光二极管驱动电路打开主红外发射管、关闭副红外发射管，同时开启控制主红外接收管和副红外接收管的采样开关开启；

S2、若主红外接收管和副红外接收管均没有接收到红外光，则主红外发射管、主红外接收管和副红外接收管至少有一个故障；

S3、若主红外接收管接收到红外光、副红外接收管也有接收到红外光，则有烟雾告警，且主红外发射管、主红外接收管和副红外接收管均正常工作；

S4、在正常工作条件下，如果达到设置的自检时间，打开副红外发射管，关闭主红外发射管，如主红外接收管接收到红外光，则副红外发射管正常，主红外接收管正常，自检完成；如主红外接收管没有收到红外光，则副红外发射管故障或主红外接收管故障。

7.根据权利要求6所述的光电式烟雾探测器的工作流程，其特征在于，在步骤S2中还包括：主控制器通过通信模块将故障信息发送至后台管理员。

8.根据权利要求6所述的光电式烟雾探测器的工作流程，其特征在于，在步骤S3中还包括：主控制器控制红外发光二极管驱动电路打开副红外发射管，关闭主红外发射管，若此时主红外接收管和副红外接收管均收到红外光，则确认有烟雾进入光学迷宫。