摘 要： 分析了溫度傳感器中溫升式溫度傳感方式和溫差溫度傳感方式的特點(diǎn)和區(qū)別，利用離子式煙霧報(bào)警專用芯片A5348設(shè)計(jì)了一種不需要轉(zhuǎn)換開關(guān)就可以自動(dòng)選擇這兩種傳感方式的溫度報(bào)警器，給出了設(shè)計(jì)原理圖以及安裝調(diào)試的方法。該報(bào)警器對(duì)于突發(fā)的火情和隱蔽火情均可正常工作，使用方便。
關(guān)鍵詞： 溫度傳感方式；報(bào)警；火災(zāi)；A5348
火災(zāi)報(bào)警器由原來的業(yè)余制作發(fā)展到現(xiàn)在的專業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品，說明其重要性越來越受到重視。很多國家都為火災(zāi)報(bào)警器制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如美國的UL標(biāo)準(zhǔn)以及BSI、VDS、DVN、SSL等標(biāo)準(zhǔn)，而且有些國家還專門生產(chǎn)火災(zāi)報(bào)警器的專用IC。在眾多的火災(zāi)報(bào)警器中最為常見的有煙感離子火災(zāi)報(bào)警器、紅外線火災(zāi)報(bào)警器及溫度火災(zāi)報(bào)警器等[1]。
溫度報(bào)警器中有兩種溫度傳感方式，一種是溫升式溫度傳感方式，另一種是溫差溫度傳感方式。按UL標(biāo)準(zhǔn)（美國電器工會(huì)標(biāo)準(zhǔn)），溫升式溫度傳感方式的火災(zāi)報(bào)警器是指當(dāng)環(huán)境溫度以每分鐘0.5℃的速度上升至60℃~ 85℃時(shí)報(bào)警器應(yīng)該及時(shí)報(bào)警；而溫差式溫度火災(zāi)報(bào)警器指當(dāng)環(huán)境溫度在一分鐘內(nèi)上升到比原來的環(huán)境溫度相差22℃時(shí)，也就是指當(dāng)出現(xiàn)警情時(shí)溫度突然上升應(yīng)及時(shí)報(bào)警[2]。
一般工廠生產(chǎn)的溫度傳感火災(zāi)報(bào)警器分為溫差式和溫升式兩種，也有的工廠將這兩種方式綜合在一起，利用一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)來進(jìn)行傳感方式的選擇使用，這種方式雖然綜合了兩種溫度傳感方式，但實(shí)際上只要選中一種方式，而另一種方式根本沒有起到任何作用，并且給使用者帶來一些不便。本文介紹了一種火災(zāi)溫度報(bào)警器，可以不用轉(zhuǎn)換開關(guān)自動(dòng)選擇兩種傳感方式[3]。
1 火災(zāi)溫度報(bào)警器工作原理及A5348介紹
該報(bào)警器的原理圖如圖1所示。A5348是一種離子式火災(zāi)報(bào)警器使用的專用集成芯片，它是一種CMOS電路結(jié)構(gòu)的高內(nèi)阻的芯片。其他離子式火災(zāi)報(bào)警器的芯片只要按照本原理圖的工作原理進(jìn)行安裝就可以正常工作，如A5368、M14467。圖2是A5348各腳的功能圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖1中，A5348的6腳為電源輸入端，電源使用范圍為6 V~12 V；9腳為電源負(fù)極接地，供電電壓選擇DC 9 V，一般使用普通的疊層電池；D1是為了防止電池裝反時(shí)燒毀芯片而設(shè)置的。本電路待機(jī)電流極小，一般在幾微安以內(nèi)，用一塊普通疊層電池在不報(bào)警的情況下可以待機(jī)使用10個(gè)月到一年左右。A5348內(nèi)設(shè)有低電壓提示功能，當(dāng)電池電壓低到內(nèi)部設(shè)置值時(shí)，每隔40 s音頻電路會(huì)隨著D2的閃爍發(fā)出“嘟”的一聲提示，說明電池電量已不足。2腳是一個(gè)輸入（IN）/輸出（OUT）接口，它既有輸出功能又有輸入功能。輸入/輸出口主要是用來作為并機(jī)使用的端口，據(jù)有關(guān)資料介紹，一臺(tái)報(bào)警器可以并聯(lián)約125臺(tái)同類報(bào)警器，在這些并聯(lián)報(bào)警器中只要有任何一臺(tái)接收到警情（有火災(zāi)發(fā)生），其他報(bào)警器將在2 s內(nèi)同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲。主叫機(jī)在報(bào)警時(shí)LED－R D2隨報(bào)警聲閃爍，而被動(dòng)機(jī)只有報(bào)警聲LED燈不閃爍。5腳是工作狀態(tài)顯示，待機(jī)時(shí)每40 s閃爍一下，報(bào)警時(shí)隨著警聲閃爍。
由圖2中可以看出，A5348內(nèi)是一個(gè)比較器1，比較器1的反相輸入端與電路內(nèi)部由D1和電源組成的基準(zhǔn)電壓相連作為比較器的標(biāo)準(zhǔn)電壓，同相端與電路內(nèi)部由電源、R1、R2、R3及Q1組成的分壓電路連接。Q1每40 s導(dǎo)通一次，當(dāng)電源電壓低于反相輸入端的標(biāo)準(zhǔn)閾值電壓時(shí)，比較器1翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)信號(hào)送到邏輯處理電路中，由邏輯處理電路每40 s觸發(fā)一次音頻電路，使音頻電路發(fā)出一聲報(bào)警聲。IC內(nèi)部設(shè)置的下限電壓為7.1 V，當(dāng)電源電壓下降到7.1 V時(shí)，電路提示用戶更換電池。3腳是低電壓提示外設(shè)置端，將3腳對(duì)地接一個(gè)電阻可以改變提示電壓的設(shè)置。電源電壓為9 V時(shí)，可使用內(nèi)部設(shè)置值，本電路中該腳不用。10、11腳是報(bào)警音頻輸出，從圖2中可以看出，8、10、11腳內(nèi)部是一個(gè)振蕩器，外圍元件是該振蕩器時(shí)基元件，8腳是反饋端。12腳是A5348時(shí)序振蕩電路的頻率選擇端，改變12腳的電容C3可以改變時(shí)序振蕩頻率。7腳是頻率校準(zhǔn)電路。1、4腳為低靈敏度延時(shí)設(shè)置端，本電路懸空不用。15腳是檢測(cè)信號(hào)輸入端，低電壓有效。14、16腳為保護(hù)電路。13腳是靈敏度選擇，改變其輸入電壓，可使本機(jī)的靈敏度上升或者下降。
圖1中由R6、RT2、RT1、R5及R8組成溫度傳感電路，其中A點(diǎn)電壓通過R8送到A5348的15腳，與其內(nèi)部的比較器2的反相輸入端連接。本電路A點(diǎn)的電壓設(shè)定在1/2電源電壓上，比電路內(nèi)部設(shè)定的閾值電壓高出約1.5 V，因此，內(nèi)部比較器2輸出低電平。RT1和RT2是負(fù)阻性熱敏電阻，在環(huán)境溫度為25℃的情況下用萬用表測(cè)得其阻值均在1.5 M?贅內(nèi)。R9和SW1按鈕開關(guān)組成檢測(cè)電路。按下按鈕開關(guān)使A點(diǎn)電壓下降，15腳的電壓也隨之下降，報(bào)警器可發(fā)出報(bào)警聲。LM358運(yùn)算放大器組成電壓比較器，比較器的同相輸入端與電路中B點(diǎn)相連；反相輸入端與R10、VR1和R11組成的基準(zhǔn)電壓連接，其電壓的設(shè)置高于反相輸入端約1.2 V。輸出端通過二極管D3與電阻R7連接送到A5348的13腳，進(jìn)入其內(nèi)部比較器2的同相輸入端。R7的另一端接地，電阻R7在電路中起到靈敏度調(diào)整作用，調(diào)整電阻R7阻值的大小可以改變電路的靈敏度。13腳同時(shí)也可以與電源6腳并接一個(gè)電阻，配合R7的調(diào)整也能更精確地調(diào)整該報(bào)警器的靈敏度。
在使用中，如遇到突發(fā)的火情使環(huán)境溫度陡然升高，由于熱敏電阻RT1的敏感部位暴露在機(jī)殼外面，它將首先感受到環(huán)境溫度的變化，而RT2裝在機(jī)殼內(nèi)，它不能感受到突然上升的溫度。當(dāng)RT1受到環(huán)境溫度的影響使其內(nèi)阻突然下降，RT1阻值的減小導(dǎo)致A點(diǎn)的電壓下降，下降的電壓經(jīng)R8送到A5348的15腳進(jìn)入A5348內(nèi)部比較器2反相輸入端，使比較器2反相輸入端的電壓也突然下降，下降的電壓值低于閾值電壓時(shí)比較器2立即翻轉(zhuǎn)為高電平，高電平信號(hào)送到邏輯處理電路中由邏輯處理電路觸發(fā)音頻振蕩電路使報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)A5348的5腳輸出矩形波，使LED D2隨報(bào)警聲閃爍。
當(dāng)A點(diǎn)電壓下降時(shí)，B點(diǎn)的電壓也同時(shí)跟著下降，但由于LM358的同相輸入端電壓在待機(jī)狀態(tài)下比反相輸入端的閾值電壓低，因此B點(diǎn)電壓的下降對(duì)LM358沒有影響，所以LM358在“環(huán)境溫度突然上升”這種警情下仍處于待機(jī)狀態(tài)[5]。
另外一種是隱蔽火情。這種火情比較隱蔽，著火點(diǎn)由小變大，因此在這種情況下環(huán)境溫度是逐漸升高。所以，以上報(bào)警方式不適合在這種情況下使用。由于緩慢升高的溫度會(huì)使機(jī)殼內(nèi)的RT2和機(jī)殼外的RT1同時(shí)感受到溫度的變化，RT2和RT1的阻值也是同時(shí)降低的，因此A點(diǎn)的電壓基本不變。但是B點(diǎn)電壓且隨著RT2及RT1阻值的減小而逐漸升高，環(huán)境溫度越高，則B點(diǎn)的電壓就越高。由于B點(diǎn)直接接在比較器LM358的同相輸入端，當(dāng)環(huán)境溫度上升到一定值時(shí)，B點(diǎn)電壓超過LM358的反相輸入的閾值電壓時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)，輸出端輸出高電平。比較器輸出的高電平經(jīng)二極管D3送到A5348的13腳，即A5348內(nèi)部比較器2的同相輸入端，使比較器2的同相輸入端電壓上升，改變了預(yù)設(shè)的閾值電壓，上升電壓值超過反相輸入端的電壓時(shí)，比較器2翻轉(zhuǎn)，電路報(bào)警。
當(dāng)電路出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，在供電電壓為9 V的情況下，2 s內(nèi)A5348的2腳輸出一個(gè)8.5 V的電壓。將這個(gè)電壓送到同一個(gè)類形的其他報(bào)警器，或者與A5348型號(hào)相同的其他類形的報(bào)警器（如離子煙感火災(zāi)報(bào)警器）的I/O接口上，這些并聯(lián)在一起的報(bào)警器會(huì)同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲。發(fā)聲器件選用帶反饋的三端輸入蜂鳴器。RT1、RT2選用一種小形玻璃管封裝的熱敏電阻，型號(hào)為RSTA1388K，其大小與1/2W的穩(wěn)壓管差不多。如購買不到此種熱敏電阻，也可用其他型號(hào)的熱敏電阻代替，但常溫阻值必須選在300 kΩ~500 kΩ內(nèi)，兩只電阻的阻值盡量一致，偏差不要大于5 kΩ[6]。
2 電路的安裝與調(diào)試
將PCB板做好后，把元器件貼板裝到PCB板上。RT2應(yīng)與其他元件一樣貼板安裝；RT1的元件腳不要剪斷高高地焊在PCB板上，要將RT1的敏感部露在機(jī)殼外面。PCB板焊接完后需要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時(shí)應(yīng)在25℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行，將RT1、RT2用兩個(gè)阻值盡量接近的1.5 MΩ的電阻代替。用一段導(dǎo)線將IC的12腳對(duì)地短路，讓主機(jī)的時(shí)序振蕩電路停止工作，用萬用表觀察IC的16腳或者14腳與13腳的電壓，調(diào)整13腳上的電阻R7，使萬用表反映的電壓數(shù)為1.2 V左右，這個(gè)電壓值越小靈敏度就越高。調(diào)試完后斷開12腳的短路線。這項(xiàng)指示調(diào)好后將替代電阻從PCB板上卸下來，將RT1和RT2裝到PCB板上，放在一個(gè)大小適當(dāng)?shù)暮兄?，用電吹風(fēng)向盒子中吹熱風(fēng)，使盒子中的溫度在60℃~80℃內(nèi)，慢慢調(diào)整VR1直至報(bào)警器剛出現(xiàn)報(bào)警。同時(shí)，檢測(cè)按鈕開關(guān)的按鈕必須露在機(jī)殼外，以便于檢測(cè)；按下按鈕時(shí)應(yīng)該發(fā)出報(bào)警聲，表示報(bào)警器工作正常[7]。
參考文獻(xiàn)
[1] 毛星.家用煙霧報(bào)警器[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012（9）：940.
[2] 張琳，孫耀杰，張坤.TN9紅外溫度傳感器在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012（10）：146-148.
[3] 羅樂.紅外傳感器數(shù)據(jù)采集防盜報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012（18）：138-140.
[4] 張霄霞，候洪麗，王福明，等.火災(zāi)煙霧報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2011（2）：5-7.
[5] 林月芳.糧庫溫濕度測(cè)量與防火防盜檢測(cè)系統(tǒng)[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.
[6] 張敏，宋國輝.煙霧檢測(cè)的火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（3）：58-61.
[7] 陳文平.有關(guān)吸氣式煙霧探測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討[J].福建建設(shè)科技，2009（4）：64-65.