下面解釋的簡單超聲波火災(zāi)報(bào)警電路通過拾取周圍空氣波的變化或空氣湍流來檢測火災(zāi)危險(xiǎn)情況。該電路的高靈敏度確保即使是由溫差或火災(zāi)引起的最輕微的空氣湍流也能被快速檢測到，并發(fā)出附加的報(bào)警裝置。

概述

傳統(tǒng)的火災(zāi)傳感器利用不同的系統(tǒng)來識(shí)別火災(zāi)，它們具有各種復(fù)雜性。

普通的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)使用溫度傳感器來感知火災(zāi)引起的異常高溫變化。

僅使用熱敏電阻或半導(dǎo)體溫度器件等電子部件并不是根本性的，而是使用低溫易熔鏈接或雙金屬溫度開關(guān)等簡單材料。

盡管這種警報(bào)類型的簡單性是首選，但它們的可靠性值得懷疑，因?yàn)橹挥性诨馂?zāi)已經(jīng)成熟時(shí)才進(jìn)行檢測。

存在更復(fù)雜的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，例如，煙霧探測器配備了獨(dú)特的半導(dǎo)體部件，可感測煙霧顆粒、可燃?xì)怏w和蒸汽的存在。

除此之外，還有光電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)任何形式的煙霧阻擋其光束時(shí)都會(huì)觸發(fā)。這種類型的火災(zāi)探測系統(tǒng)發(fā)表在愛好電子上。

使用多普勒頻移進(jìn)行熱檢測

本文介紹了一種利用超聲波探測火災(zāi)的新方法。該火災(zāi)探測系統(tǒng)的工作原理與著名的多普勒頻移超聲波入侵警報(bào)相同，除了固體物體的運(yùn)動(dòng)外，還對(duì)空氣中的湍流非常敏感。

電火產(chǎn)生的熱量會(huì)產(chǎn)生巨大的湍流并觸發(fā)警報(bào)。通常，由于湍流而引發(fā)誤報(bào)。因此，這種類型的火災(zāi)報(bào)警器非常適合家庭，即使居住在其中的人通常不會(huì)欣賞它。

聲音歧視是如何發(fā)生的

使用多普勒頻移防盜報(bào)警器作為火災(zāi)報(bào)警器的一個(gè)缺點(diǎn)是該裝置提供了巨大的檢測區(qū)域。不知何故，這被證明是一個(gè)福音，因?yàn)榧词够馂?zāi)發(fā)生在檢測區(qū)域的一個(gè)小角落，也可以快速檢測。

傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警器的標(biāo)準(zhǔn)原理是檢測火災(zāi)，同時(shí)忽略在房間里爬來爬去的人。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榫瘓?bào)系統(tǒng)設(shè)置為在激活之前運(yùn)行。

典型的超聲多普勒頻移報(bào)警器無法區(qū)分人和湍流。因此，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)使用控制小工作區(qū)域的電路更有意義。

報(bào)警裝置可以放置在房間內(nèi)人類運(yùn)動(dòng)最少的位置，但仍然能夠迅速識(shí)別火災(zāi)引起的湍流。

系統(tǒng)工作

基本的超聲波報(bào)警器配備了兩個(gè)獨(dú)立的電路，它們通過同一電源連接。

更簡單的電子電路充當(dāng)發(fā)射器，發(fā)射器向接收器發(fā)出均勻的聲音頻率，這是更復(fù)雜的電路。

火災(zāi)報(bào)警器框圖如圖1所示。

如上所述，發(fā)射器電路使用振蕩器產(chǎn)生超聲波，并通過揚(yáng)聲器饋送信號(hào)。

電信號(hào)被揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換成聲波，但人類聽不到它們，因?yàn)樗鼈兊囊粽{(diào)高于聽覺范圍。

由于壓電式發(fā)射換能器，普通的聲音放大器在超聲波頻率下不能很好地工作。

通常，包括一個(gè)輸出電平調(diào)節(jié)器，以便電路的靈敏度可以調(diào)諧到正確的電平。

接收器

接收器上的麥克風(fēng)檢測來自發(fā)射器的聲波并將其轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。

再一次，在接收麥克風(fēng)上使用專門的壓電換能器，因?yàn)槠胀ǖ膲弘姄Q能器不適合在高頻率下工作，尤其是超聲波頻率。

超聲波的機(jī)動(dòng)性極強(qiáng)，如果兩個(gè)設(shè)備幾乎相鄰安裝，則會(huì)導(dǎo)致麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器之間的檢測故障。

在實(shí)際情況下，捕獲的信號(hào)是來自房間墻壁或家具的反射。

此外，麥克風(fēng)的輸出相對(duì)較低，通常約為1 mV RMS。因此，集成了一個(gè)放大器以將信號(hào)增強(qiáng)到工作電平。

通常，在超聲波防盜報(bào)警器中至少使用兩個(gè)高增益放大級(jí)。但是，由于所討論的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)需要較低的靈敏度，因此單級(jí)放大更為合適。

探測器

電路的下一部分是調(diào)幅檢波器。在實(shí)際情況下，檢測到的信號(hào)是來自發(fā)射器的直接40kHz輸出波。

該信號(hào)使用各種路徑收集并任意相位。但是，信號(hào)的幅度及其相位關(guān)系都保持不變。因此，在準(zhǔn)備就緒的情況下，幅度發(fā)生器不會(huì)產(chǎn)生輸出。

每當(dāng)探測器前方有運(yùn)動(dòng)或空氣湍流時(shí)，整個(gè)場景就會(huì)發(fā)生變化。

著名的多普勒頻移負(fù)責(zé)，并對(duì)從運(yùn)動(dòng)中的物體反射的信號(hào)或空氣中的無序信號(hào)產(chǎn)生頻率擺動(dòng)。

一部分通信信號(hào)直接收集或使用不動(dòng)的物體通過空氣收集，以抵抗湍流。

之后，兩個(gè)或多個(gè)頻率被引導(dǎo)到幅度解調(diào)器中。在這個(gè)階段，相位關(guān)系超出了調(diào)節(jié)范圍，因?yàn)樾盘?hào)具有不同的頻率。

超聲波波形

查看下面圖2中的波形圖時(shí)，設(shè)想上部波形是標(biāo)準(zhǔn)40

kHz信號(hào)，下部波形是頻率變化信號(hào)。一開始，信號(hào)是同相的，或者它們?cè)诒３窒嗤瑯O性的同時(shí)均勻地增加和減少。

同相信號(hào)在解調(diào)器內(nèi)相加，產(chǎn)生巨大的輸出信號(hào)。之后，在波形序列中，它們進(jìn)入反相區(qū)。

這意味著信號(hào)仍然均勻地增加和減少其幅度，但現(xiàn)在具有相反的極性。

結(jié)果，解調(diào)器產(chǎn)生微弱的輸出信號(hào)，因?yàn)槠渌麅蓚€(gè)信號(hào)相互抵消。但最終，信號(hào)跳回同相狀態(tài)，并從解調(diào)器釋放出堅(jiān)固的輸出。

當(dāng)電路被激活時(shí)，測量解調(diào)器不斷變化的輸出電平。

輸出信號(hào)的頻率與雙輸入信號(hào)之間的方差相同。

這通常在低音頻或亞音速頻率上看到。毫無疑問，在高增益放大器增強(qiáng)輸出信號(hào)后，來自輸出的信號(hào)被毫不費(fèi)力地捕獲。

報(bào)警發(fā)生器

一旦信號(hào)被放大，它就被用來控制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的鎖存電路，一旦激活，警報(bào)就會(huì)繼續(xù)響起，直到系統(tǒng)復(fù)位。鎖存操作由開關(guān)晶體管控制，該晶體管將控制電壓連接到報(bào)警檢測電路。

報(bào)警發(fā)生器使用由低頻振蕩器調(diào)節(jié)的壓控振蕩器 （VCO） 構(gòu)建。

斜坡波形由低頻振蕩器產(chǎn)生，VCO的輸出將逐漸增加頻率，直到達(dá)到峰值音高。

然后，信號(hào)將恢復(fù)到最小音高并再次逐漸增加頻率。這種循環(huán)過程繼續(xù)并提供有效的報(bào)警信號(hào)。

電路的工作原理

超聲波火災(zāi)探測系統(tǒng)或接收器的完整電路圖如下圖所示。

接收器電路：虛線與下面?zhèn)鬏旊娐返碾娫窜夁B接

變送器電路

變送器采用 7555 定時(shí)器器件 IC1 構(gòu)建。該CMOS組件是555定時(shí)器的低功耗類型。

對(duì)于這種類型的報(bào)警發(fā)生器，與555相比，7555是理想的選擇，因?yàn)殡娐返目偣谋３衷?mA左右或更低，這有助于有效利用電池電量。

此外，7555 IC還用于典型的振蕩方法，其中專門選擇定時(shí)部件R13、RV1和C7以產(chǎn)生40 kHz的頻率。

對(duì)預(yù)設(shè)進(jìn)行調(diào)節(jié)以產(chǎn)生輸出頻率，從而從接收和發(fā)送電路提供理想的效率。預(yù)設(shè)在電路原理圖中標(biāo)識(shí)為RV2。

接收器

X1是接收器電路中的信號(hào)捕獲傳感器，其輸出連接到圍繞Q1設(shè)計(jì)的共發(fā)射極放大器的輸入端。

在此時(shí)刻，保持約0.1 A的低集電極電流，以確保整個(gè)器件的低功耗。

通常，人們會(huì)認(rèn)為這會(huì)導(dǎo)致這種放大器的增益降低，但總的來說，對(duì)于現(xiàn)有操作來說已經(jīng)綽綽有余了。

電容C2采用D1、D2、R3和C3，將Q1的增強(qiáng)輸出與常用的AM解調(diào)器相結(jié)合。

之后，相應(yīng)的低頻信號(hào)使用位于Q2的第二個(gè)共發(fā)射極放大器斜坡上升。

另一個(gè)IC1定時(shí)器用作鎖存器。與通常做法相反，定時(shí)器IC1采用單穩(wěn)態(tài)方法，如果引腳2從電源電壓降低33%，則提供正輸出脈沖。

通常，輸出脈沖寬度由一對(duì)定時(shí)電阻和電容調(diào)節(jié)，但該電路沒有這些元件。

相反，IC1的引腳6和7連接到負(fù)電源軌。激活后，IC1的輸出接通并繼續(xù)處于該狀態(tài)，從而允許閉鎖動(dòng)作。

從晶體管Q2的集電極，IC1的引腳2連接并調(diào)節(jié)到電源電壓的一半。

因此，在待機(jī)條件下，IC1未激活。單元啟動(dòng)的那一刻，Q2的集電極電壓振蕩。

此外，在負(fù)半周期期間，它變得低于觸發(fā)閾值電壓。使用工作開關(guān)SW1和IC1的復(fù)位輸入至0V電源電壓，可以復(fù)位整個(gè)電路。

當(dāng)IC1被激活時(shí)，用于將電源引導(dǎo)至報(bào)警電路的元件是晶體管Q3。出于安全原因，R8用作限流電阻。

報(bào)警信號(hào)

IC2是最后一個(gè)芯片，它是一個(gè)CMOS

4046BE鎖相環(huán)。然而，在這種設(shè)計(jì)中，只有VCO部分至關(guān)重要。相位比較器被恰當(dāng)?shù)厥褂茫荒茏鳛閳?bào)警電路的逆變器。

VCO輸出的反轉(zhuǎn)產(chǎn)生兩相輸出，允許陶瓷諧振器LS1接收到兩倍于電源電壓的峰峰值電壓。

結(jié)果，產(chǎn)生尖銳的警報(bào)信號(hào)。如果需要，IC2引腳4的輸出可以增強(qiáng)并用于為標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器供電。電容器 C6 和電阻 R12 用作 VCO

的定時(shí)器件。電子元件提供約2kHz的穩(wěn)定輸出頻率，這是陶瓷諧振器達(dá)到峰值效率的區(qū)域。

調(diào)制信號(hào)由晶體管Q4的典型單結(jié)松弛振蕩器產(chǎn)生。這提供了4 kHz的發(fā)散斜坡波形。

如何設(shè)置

從中間點(diǎn)的RV1開始，RV2確定最大輸出，完全逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

使用萬用表（如果有），將RV2設(shè)置為其最小直流電壓，并在負(fù)極探頭連接到負(fù)電源線時(shí)將其連接到R3。

打開設(shè)備的電源，將傳感器面向墻壁或任何約10或20厘米外的光滑表面。

當(dāng)RV1被驅(qū)動(dòng)時(shí)，萬用表上會(huì)有讀數(shù)或移動(dòng)，然后RV1被調(diào)諧以達(dá)到可能的最大讀數(shù)。

強(qiáng)烈建議在完成調(diào)節(jié)時(shí)在SW1上固定導(dǎo)體，因?yàn)閳?bào)警發(fā)生器靜音，其輸出不會(huì)影響測量。

如果萬用表不可用，可以通過采用試錯(cuò)法調(diào)整RV1，以發(fā)現(xiàn)適用于整個(gè)零件的值。

盡管RV2受到很好的保護(hù)，但報(bào)警單元仍然很敏感。必須為設(shè)備精心規(guī)劃安裝位置。一個(gè)好的位置應(yīng)該在操作員的工作臺(tái)上方，由于電動(dòng)工具和焊接材料，那里的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最高。

將設(shè)備放置在較高的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)闊峥諝鈺?huì)上升，并且更容易觸發(fā)警報(bào)，而不會(huì)有人們?cè)诜块g里跑來跑去產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)。

通過幾次試驗(yàn)，可以為火災(zāi)報(bào)警發(fā)生器實(shí)現(xiàn)一個(gè)合適的位置，而不會(huì)受到人為因素的影響，并且靈敏度穩(wěn)定。

為了測試設(shè)備位置的有效性，將工作烙鐵放置在組件的下方和前面。

當(dāng)產(chǎn)生足夠的湍流空氣時(shí)，它應(yīng)該激活警報(bào)。接通時(shí)，電路會(huì)通電，但可以通過將SW1置于復(fù)位狀態(tài)立即消除這種情況。

超聲波火災(zāi)報(bào)警電路沒有設(shè)計(jì)有導(dǎo)通延遲開關(guān)，但在操作SW1時(shí)必須確保您在設(shè)備后面。如果您在接合開關(guān)后移開手，則沒有風(fēng)險(xiǎn)。

零件清單

印刷電路板設(shè)計(jì)和軌道布局

原型圖像