CN112735366B - 用于火灾自动报警系统的pwm变频驱声装置及设计方法 - Google Patents

用于火灾自动报警系统的pwm变频驱声装置及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声装置及设计方法，属于消防火灾自动报警系统技术领域。本发明包括以下步骤：步骤一：确定火灾自动报警系统的总线电压：火灾自动报警系统采用TC‑BUS总线进行通讯和供电；步骤二：根据总线电压计算PWM占空比D；步骤三：控制PWM变频驱声：声报警的声音在低频时使用低占空比，高频时使用高占空比，拉低整个调频周期内的平均电流且在高频时实现高分贝。本发明为二线制的低功耗高分贝声光警报器，不需要单独铺设24V电源降低铺设线路成本，同时采用变频驱声设计在实现高分贝声压级的同时降低产品功耗，不会对消防火灾报警系统造成过载。

Description

用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声装置及设计方法
技术领域
本发明涉及一种用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声装置及设计方法，属于消防火灾自动报警系统技术领域。
背景技术
火灾自动报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统；主要用于早期发现通报火灾，并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾。目前火灾自动报警系统行业中的火灾声光警报器一般为四线制，两条总线进行控制器与火灾声光警报器的通讯，两条24V电源线用于给火灾声光警报器供电，存在的问题是：(1)线路铺设成本高，给甲方以及施工方均带来不小的材料成本和人工成本；(2)当前火灾声光报警器动作时动辄几十毫安的电流，而且由于声音频率利用率低导致不能够实现较大的声压级，造成一定资源的浪费，电源利用率低。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声装置及设计方法。
本发明所述的用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声设计方法，包括以下步骤：
步骤一：确定火灾自动报警系统的总线电压：火灾自动报警系统采用TC-BUS总线进行通讯和供电，通过实时检测TC-BUS总线电压获取火灾自动报警系统的不同电压U；
步骤二：根据总线电压计算PWM占空比：要保持声报警效果一致，在不同电压情况下，需要保证电感充电能量一致，包括如下小步：
第一步：计算谐振频点：根据火灾自动报警系统的蜂鸣器和电感计算出的谐振频点，根据谐振点最大频率倒推设计的频率；
第二步：计算调频周期：根据倒推出的频率，结合人耳接听范围为200Hz～20000Hz的预设频率范围，调整选取调频周期范围；
第三步：计算占空比系数：由于声信号声压级应在不同电压U下保持不大于6dB的波动，所以要根据不同电压U调整各频率的PWM占空比，即：
PWM占空比D＝高电平时间/PWM周期
PWM占空比在不同频率进行变化且高频时占空比大，低频时占空比小，需设计PWMH与PWM周期应成反比，故可使用PWMH＝(X1-PWM周期)/X2，其中X1、X2根据实际情况进行调节；
PWM周期＝PWMH+PWML
得：
PWM占空比＝PWMH/(PWMH+PWML)＝X1/X2(PWMH+PWML)-1/X2
式中：PWMH、PWML为PWM波形的高电平、低电平时间；X1、X2为调整占空比常数；
在后面对不同电压进行补偿处理，即：
PWM占空比＝PWMH/(PWMH+PWML)＝X1/X2(PWMH+PWML)-1/X2+X3
式中：X1为高频时占空比系数，X2为低频时占空比系数，X3为不同电压进行补偿的系数；
步骤三：控制PWM变频驱声：声报警的声音在低频时使用低占空比，高频时使用高占空比，拉低整个调频周期内的平均电流且在高频时实现高分贝。
优选地，所述步骤二的第二步和第三步中，预设频率范围以及PWM占空比，产生PWM驱动信号以驱动蜂鸣器片发出声音，其中，预设频率范围为正常人耳所能接听的频率，故PWM驱动蜂鸣器发出的声音频率也在人耳接听范围之内，且与预设频率范围一致。
优选地，所述步骤二的第三步中，计算16V～28V时计算补偿参数X3，以保证电压不同时，高频时声压级一致，则PWM占空比的推导公式如下：
(1)根据电功率计算公式P＝UI、公式U1·I1＝U2·I2，并结合充电理论公式
Figure GDA0003674591360000021
推导得出：
U1·t1＝U2·t2
式中：P为总线的功率，U为总线的电压，I为总线的电流，t为有效时间，L为电感；
U1、U2为分别为16V～28V不同的电压，I1、I2为不同的电流，t1、t2为不同的脉宽；
(2)对于声报警而言t＝T·D，
Figure GDA0003674591360000022
声音频率f是一定的，即调频周期T相等，从而找到占空比的公式为：
Figure GDA0003674591360000023
式中：D1、D2为不同电压的占空比。
优选地，所述步骤三中，调节X3保证16V～28V电压范围实现声压效果一致，16V以下为保证整个火灾自动报警系统正常运行需进行降功耗处理。
优选地，所述人耳接听的预设频率范围为200Hz～20000Hz，同时对200Hz～2000Hz之间的声音最为敏感，故设计时选择200Hz～2000Hz附近的频率，通过频率变化实现蜂鸣器片发出的声音为火警声。
本发明所述的用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声装置，包括单片机、驱动电路和蜂鸣器，单片机输出PWM驱动信号通过驱动电路控制蜂鸣器，其中：
单片机控制驱动电路振荡并于蜂鸣器两端产生PWM驱动LC震荡信号和降噪控制信号，使蜂鸣器两端产生压差从而变频驱声。
本发明的有益效果是：本发明所述的用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声装置及设计方法，为二线制的低功耗高分贝声光警报器，不需要单独铺设24V电源降低铺设线路成本，同时采用变频驱声设计在实现高分贝声压级的同时降低产品功耗，不会对消防火灾报警系统造成过载。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明不同电压下声压级曲线图。
图3是本发明变调周期的原理图。
图4是PWM占空比在不同频率的变化图。
图5是本发明的声信号的声压级图。
图6是现有技术的声信号的声压级图。
图7是本发明的驱动电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明所述的用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声设计方法，包括以下步骤：
步骤一：确定火灾自动报警系统的总线电压：火灾自动报警系统采用TC-BUS总线进行通讯和供电，通过实时检测TC-BUS总线电压获取火灾自动报警系统的不同电压U；
步骤二：根据总线电压计算PWM占空比D：要保持声报警效果一致，在不同电压情况下，需要保证电感充电能量一致，包括如下小步：
第一步：计算谐振频点：根据火灾自动报警系统的蜂鸣器和电感计算出的谐振频点，根据谐振点最大频率倒推设计的频率；
第二步：计算调频周期：根据倒推出的频率，结合人耳接听范围为200Hz～20000Hz的预设频率范围，调整选取调频周期范围；
第三步：计算占空比系数：由于声信号声压级应在不同电压U下保持不大于6dB的波动，所以要根据不同电压U调整各频率的PWM占空比，即：
PWM占空比＝高电平时间/PWM周期
PWM占空比在不同频率进行变化且高频时占空比大，低频时占空比小，需设计PWMH与PWM周期应成反比，故可使用PWMH＝(X1-PWM周期)/X2，其中X1、X2根据实际情况进行调节；
PWM周期＝PWMH+PWML
得：
PWM占空比＝PWMH/(PWMH+PWML)＝X1/X2(PWMH+PWML)-1/X2
式中：PWMH、PWML为PWM波形的高电平、低电平时间；X1、X2为调整占空比常数；
在后面对不同电压进行补偿处理，即：
PWM占空比＝PWMH/(PWMH+PWML)＝X1/X2(PWMH+PWML)-1/X2+X3
式中：X1为高频时占空比系数，X2为低频时占空比系数，X3为不同电压进行补偿的系数；
步骤三：控制PWM变频驱声：声报警的声音在低频时使用低占空比，高频时使用高占空比，拉低整个调频周期内的平均电流且在高频时实现高分贝。
所述步骤二中，预设频率范围以及PWM占空比，产生PWM驱动信号以驱动蜂鸣器片发出声音，其中，预设频率范围为正常人耳所能接听的频率，故PWM驱动蜂鸣器发出的声音频率也在人耳接听范围之内，且与预设频率范围一致。
所述步骤二中，计算16V～28V时计算补偿参数X3，以保证电压不同时，高频时声压级一致，则PWM占空比的推导公式如下：
(1)根据电功率计算公式P＝UI、公式U1·I1＝U2·I2，并结合充电理论公式
Figure GDA0003674591360000041
推导得出：
U1·t1＝U2·t2
式中：P为总线的功率，U为总线的电压，I为总线的电流，t为有效时间，L为电感；
U1、U2为分别为16V～28V不同的电压，I1、I2为不同的电流，t1、t2为不同的脉宽；
(2)对于声报警而言t＝T·D，
Figure GDA0003674591360000042
声音频率f是一定的，即调频周期T相等，从而找到占空比的公式为：
Figure GDA0003674591360000051
式中：D1、D2为不同电压的占空比。
如图2所示，根据PWM占空比＝PWMH/(PWMH+PWML)＝X1/X2(PWMH+PWML)-1/X2+X3,其中主要保证16V～28V电压范围实现声压效果一致，16V以下为保证整个系统正常运行需进行降功耗处理。
所述步骤三中，所述人耳接听的频率范围200Hz～20000Hz，同时对200Hz～2000Hz之间的声音最为敏感，故设计时选择200Hz～2000Hz附近的频率，通过频率变化实现蜂鸣器片发出的声音为火警声。
本发明所述的用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声设计方法，为二线制的低功耗高分贝声光警报器，不需要单独铺设24V电源降低铺设线路成本，同时采用变频驱声设计在实现高分贝声压级的同时降低产品功耗，不会对消防火灾报警系统造成过载。
实施例2：
如图7所示，本发明所述的用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声装置，包括单片机、驱动电路和蜂鸣器，单片机输出PWM驱动信号通过驱动电路控制蜂鸣器，其中：
单片机控制驱动电路振荡并于蜂鸣器两端产生PWM驱动LC震荡信号和降噪控制信号，使蜂鸣器两端产生压差从而变频驱声。
所述PWM驱动信号驱动蜂鸣器片发出声音，单片机IO口输出PWM驱动信号搭配声驱动电路，通过IO控制MOS管开关，进而实现对蜂鸣器的驱动控制。PWM驱动信号频率变化时蜂鸣器片发出的声音同时也进行了变化。
所述驱动电路包括：
电感、蜂鸣器片、三极管、第一MOS管、第二MOS管、第一电阻、第二电阻；
所述第一MOS管由单片机PWM(第一端口)驱动信号控制，第二MOS管由单片机普通IO口(第二端口)控制。根据蜂鸣器和电感、结构腔体确定的谐振频率确定驱动的最高频率，驱动的最高频率一定要考虑蜂鸣器、电感的误差，实现对谐振频率的全覆盖。上述预设的频率范围包含由蜂鸣器和电感、结构腔体确定的谐振频率确定驱动的最高频率。理论上变调周期越长，越能拉低整个变调周期内的平均电流，但国标要求标调周期为0～5S，且单片机存在一定误差，故可考虑变调周期为4.5S左右，最大限度拉低平均电流，且高频时使用高的PWM驱动。
声音的两个要素：振幅和频率。振幅决定声音大小，频率决定声音高低。
要想发出最优的声音，关键在于根据声音的频率段，选定合适谐振点的蜂鸣器，设计出和蜂鸣器谐振频率相近的共鸣腔，再使用与二者的谐振频率均匹配的驱动电路，控制软件声音范围包含谐振频率点，最后配上能提高声压的外壳。
由于火警声是固定频率段，故要想声音大，总线耗电电流小，扬声器和蜂鸣器比较的话，因为扬声器材质的问题，有功率限制和电感线圈的能量损耗，故选择压电无源蜂鸣器，声警报应刺耳，能达到提醒的目的，故频率应选在2.5k-3.5k左右。
所述变频驱声设计思想：声警报功能在实现的同时要求高分贝、低功耗。声警报功能的刺耳与声音的频率和幅值相关，由于警报声存在变调周期，声音频率高低变化，且在高频时声音更加刺耳，检测也只是检测变调周期内的最大声压级，故可选择声音在低频时使用低占空比，高频时使用高占空比的方式。该方式可以拉低整个变调周期内的平均电流且在高频时实现高分贝。
所述变频驱动设计实现：
使用7024MCU平台：根据蜂鸣器+电感计算出的谐振频点为1.92～2.89KHz，根据谐振点最大频率倒推程序设计频率。7024MCU系统时钟4M，每一位0.25us，频率最高时周期1/f，程序计数为1350，根据变调周期设置为4.5S，频率变化体现在程序中为每次变调计数+50，故整个调频周期程序体现为[1350,5850]，如图3所示。
PWM占空比在不同频率进行变化且高频时占空比大，低频时占空比小，且PWM占空比＝高电平时间/PWM周期，PWM周期即为程序计数周期[1350,5850]，实现不同占空比方式需根据计数周期对PWMH进行计算，如图4所示。
PWMH与PWM周期成反比，故可使用PWMH＝(X1-PWM周期)/X2，其中X1、X2可根据实际情况进行调节。PWM占空比＝PWMH/(PWMH+PWML)＝X1/X2(PWMH+PWML)-1/X2。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种基于PWM变频驱声设计的低功耗、高分贝的火灾声光警报器。该警报器包括：可供电二线制总线。
所述可供电二线制总线为已知的TC-BUS总线，总线不仅可进行通讯功能，且能够给分布在现场的终端设备供电；使用可供电二线制总线可降低布线成本。
所述PWM变频驱声设计方法为根据本公开实施例的第一方面，能够在低功耗的情况下实现高分贝声压级。
采用本发明的火灾声光警报器能够降低功耗至不到5mA，仅为目前行业内火灾声光警报器功耗的1/5，大大降低了整个系统运行的风险，同时系统中火灾声光警报器在这个系统中的带载量也得到了很大的提升。行业中火灾报警系统中单回路的火灾声光警报器的数量占15％～20％，但是按照功耗而言将占整个回路的70％～80％，本发明实施后单回路中安装火灾声光警报器的数量可升至50％～60％，本发明实现火灾声光警报器的低功耗即便是数量提升，但是总功耗仍然比传统火灾声光警报器的低。
本发明提升了火灾声光警报器的声信号的声压级，且产品的平均功耗均进行了降低，即实现了功能的有效提升，又实现了降低电能的损耗。根据行业各主流厂家在检测中心检测报告中的声信号声压级统计，火灾声光警报器声信号的声压级通过本公开的技术方案提升到行业内前沿，如图5所示；而且产品的低功耗是行业其他厂家所不具备的，如图6所示。
本发明在火灾自动报警系统中解决了火灾声光警报器必须使用四线制才能工作的技术难题，使用可供电二总线方式就可以支撑整个火灾自动报警系统的稳定运行。对于楼宇建设时可以减少甲方以及施工方的各类成本，减少不必要的成本浪费同时提升安装效率，降低项目延期的风险。
本发明可广泛运用于消防火灾自动报警系统场合。
涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定火灾自动报警系统的总线电压：火灾自动报警系统采用TC-BUS总线进行通讯和供电，通过实时检测TC-BUS总线电压获取火灾自动报警系统的不同电压U；
步骤二：根据总线电压计算PWM占空比：要保持声报警效果一致，在不同电压情况下，需要保证电感充电能量一致，包括如下小步：
第一步：计算谐振频点：根据火灾自动报警系统的蜂鸣器和电感计算出的谐振频点，根据谐振点最大频率倒推设计的频率；
第二步：计算调频周期：根据倒推出的频率，结合人耳接听范围为200Hz～20000Hz的预设频率范围，调整选取调频周期范围；
第三步：计算占空比系数：由于声信号声压级应在不同电压U下保持不大于6dB的波动，所以要根据不同电压U调整各频率的PWM占空比，即：
PWM占空比＝高电平时间/PWM周期
PWM占空比在不同频率进行变化且高频时占空比大，低频时占空比小，需设计PWMH与PWM周期应成反比，故可使用PWMH＝(X1-PWM周期)/X2，其中X1、X2根据实际情况进行调节；
PWM周期＝PWMH+PWML
得：
PWM占空比＝PWMH/(PWMH+PWML)＝X1/X2(PWMH+PWML)-1/X2
式中：PWMH、PWML为PWM波形的高电平、低电平时间；X1、X2为调整占空比常数；
在后面对不同电压进行补偿处理，即：
PWM占空比＝PWMH/(PWMH+PWML)＝X1/X2(PWMH+PWML)-1/X2+X3
式中：X3为不同电压进行补偿的系数；调节X3保证16V～28V电压范围实现声压效果一致，16V以下为保证整个火灾自动报警系统正常运行需进行降功耗处理；
计算16V～28V时计算补偿参数X3，以保证电压不同时，高频时声压级一致，则PWM占空比的推导公式如下：
(1)根据电功率计算公式P＝UI、公式U1·I1＝U2·I2，并结合充电理论公式
Figure FDA0003674591350000011
推导得出：
U1·t1＝U2·t2
式中：P为总线的功率，U为总线的电压，I为总线的电流，t为有效时间，L为电感；
U1、U2为分别为16V～28V不同的电压，I1、I2为不同的电流，t1、t2为不同的脉宽；
(2)对于声报警而言t＝T·D，
Figure FDA0003674591350000021
声音频率f是一定的，即调频周期T相等，从而找到占空比的公式为：
Figure FDA0003674591350000022
式中：D1、D2为不同电压的占空比；
步骤三：控制PWM变频驱声：声报警的声音在低频时使用低占空比，高频时使用高占空比，拉低整个调频周期内的平均电流且在高频时实现高分贝。
2.根据权利要求1所述的用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声设计方法，其特征在于，所述步骤二的第二步和第三步中，预设频率范围以及PWM占空比，产生PWM驱动信号以驱动蜂鸣器片发出声音，其中，预设频率范围为正常人耳所能接听的频率，故PWM驱动蜂鸣器发出的声音频率也在人耳接听范围之内，且与预设频率范围一致。
3.根据权利要求1所述的用于火灾自动报警系统的PWM变频驱声设计方法，其特征在于，所述人耳接听的预设频率范围为200Hz～20000Hz，同时对200Hz～2000Hz之间的声音最为敏感，故设计时选择200Hz～2000Hz附近的频率，通过频率变化实现蜂鸣器片发出的声音为火警声。
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