基于交流耦合AFE电路设计的烟雾传感器的检测方法

技术领域

本发明属于火灾探测技术领域，尤其涉及烟雾探测技术领域，具体涉及基于交流耦合AFE电路设计的烟雾传感器的检测方法。

背景技术

随着现代社会的快速发展，智能化的理念开始在我们身边体现出来，相比传统建筑，智能建筑有着诸多的优点，可以为人们提供更加理想的生活环境和工作环境。随着科技创新智能化的发展越来越普及，关乎人们日常生活的基本设施的智能化也在快速发展，而关于智能化建筑火灾报警系统就是其中一个体现，该技术提高了发生火灾时检测的效率、灵敏度和可靠性。智能化的快速变化引起了对火灾报警系统的一大热潮，诸多学者对该系统的探测、报警、处理和控制等功能都进行了非常多的研究和探讨，做出的成果又开发了新的传感技术和新的电子信息处理算法，以期达到最优的效果。烟雾传感器作为智能火灾探测的重要一环，在智能火灾探测中扮演着举足轻重的角色。

现有的烟雾传感器主要有离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器三种，目前市场上用的最多的是光电式烟雾传感器。光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。

公开号CN 114354459 A的中国专利公开了一种光电式烟雾传感器的故障检测方法及系统，所述光电式烟雾传感器包括呈角度设置的光发射管及光接收管，其特征在于，所述故障检测方法包括以下步骤：步骤S1、上电并初始化配置参数；步骤S2、信号发生器驱动光发射管发射光信号；步骤S3、光接收管持续接收所述光发射管发射的光信号，并将所述光信号转化为模拟电信号；步骤S4、将所述模拟电信号转换为频域数据，并分离筛选出对应频率；步骤S5、根据分离筛选出的频率数量确定光电式烟雾浓度传感器的工作状态。基于光电式烟雾浓度传感器原理和空气的湍流，能够判断光电式烟雾浓度传感器是否发生故障。但是该专利的烟雾传感器故障检测不稳定、不及时，容易导致事故的发生。公开号CN114613093 A的中国专利公开了一种基于交联聚乙烯燃烧产物的气敏传感器阵列装置及检测方法，涉及火灾检测领域，用于解决在电缆火灾发生之前对火灾检测不及时、不准确的问题。阵列装置包括传感器单元、供电模块和传输模块，其中所述供电模块为传感器单元提供正常工作所需的电能，所述传感器单元与传输模块信号连接，传感器单元检测电缆温度是否异常、是否有CO产生、是否有烟雾产生和是否有Hcl气体产生，通过所述传输模块将传感器单元检测到的异常信号传递至火灾预警主控室。本发明投资少，电缆火灾检测稳定、迅速，可以在第一时间及时发现火灾。但是该专利没有对采集数据进行处理，造成检测数据误差较大，从而使设备的误报率大大提升。为了解决上述问题，研究一种能够提高烟雾传感器系统的检测稳定性和准确率的检测方法是目前急需解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于交流耦合AFE电路设计的烟雾传感器的检测方法。该检测方法通过交流耦合的方式采样红外光信号，并通过多重滤波算法，实现烟雾传感器系统的稳定、可靠、精确。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于交流耦合AFE电路设计的烟雾传感器的检测方法，包括以下步骤：

(1)系统上电，系统进行初始化；

(2)采样开始，DC偏置电压使能；

(3)运放0使能，延时200us；

(4)运放1使能，延时200us；

(5)红外发射使能，延时60us；

(6)模拟量采集；

(7)运放、直流偏置、红外发射禁用；

(8)红外发射禁能；

(9)检查烟雾浓度是否达到阈值，如果达到报警，如果未达到结束。

进一步的，所述步骤(1)中系统初始化的方法如下：所述系统初始化是通过对运放0和运放1的参数进行配置；所述运放0的参数配置方法具体如下：K0、K1为模拟信号输入选通开关，K2为短路开关，S1为滤波回路选通开关，当S1闭合时，由R1和C1的滤波电路接入电路；S2为信号反馈选通开关；所述运放1的参数配置方法具体如下：K3、K4为模拟信号输入选通开关，K5为短路开关，S4为接地选通开关，当S4闭合时信号通过R2接地，S5为偏置电压选通开关，当S5开关闭合时接通偏置电压；S3开关为直流耦合选通开关，当S3闭合时选择直流耦合，当S3断开时选择交流耦合，R2和C3组成了运放1的反馈电路；S6、S7是接地和偏置电压选通开关。

进一步的，所述步骤(6)中采集的模拟量数据通过中位递推平均值滤波算法处理。

进一步的，所述中位递推平均值滤波算法的具体公式如下：

S

其中，m为用于中位递推平均值滤波算法计算的采样数据的个数，且m为奇数；Sm为参与滤波的m个采样值；n当前采样数据的序列号。

进一步的，所述中位递推平均值滤波算法的具体方法包括如下步骤：

步骤S1、按照模拟量采集数值的大小进行排序，具体如下：

A

其中，A

步骤S2、去掉步骤S1中采集数值中的一个最大值和一个最小值，具体如下：

A

其中，A

步骤S3、按照平均值滤波算法算出模拟量采集数值的当前状态值：

/>

其中，X

步骤S4、根据卡尔曼滤波函数可得模拟量采集数值的状态方程和观测方程，分别如下：

其中，X

进一步的，所述交流耦合电路AFE由运放0和运放1组成，交流耦合电路AFE可软件配置交流耦合的状态，并且可配置运放放大倍数。

进一步的，所述交流耦合电路AFE具体包括运放0、运放1、运放0输入信号配置开关K0、K1、K2、运放0反馈电路R1和C1、运放0反馈电路配置开关S1、S2、耦合电容C2、耦合配置开关S3、一级信号接地开关S4、一级信号偏置开关S5、一级电阻R2、运放1输入信号配置开关K3、K4、K5、运放1反馈电路R4和C3、二级电阻R3、二级信号接地开关S6、二级信号偏置开关S7。

进一步的，所述运放0的输入信号端与所述配置开关K0、K1、K2相连，所述配置开关K1串接在所述运放0的正向输入端，所述配置开关K0串接在所述运放0的反向输入端，所述配置开关K2短接运放0的正向输入端和反向输入端；所述运放0的反馈电路连接在所述运放0的正向输入端和输出端之间，所述R1、C1、S2为并联关系，所述S1与所述R1和C1串联，再与所述S2并联；所述运放0的输出端与所述K3之间串联有所述耦合电容C2，所述S3与C2并联；所述信号的一级电阻R2的一端共同与所述S3、C2、K3的一端相连，另一端通过所述S4与接地相连，并通过所述S5与偏置电压相连；所述运放1的输入信号端与所述配置开关K3、K4、K5相连，所述配置开关K3串接在所述运放1的正向输入端，所述配置开关K4串接在所述运放1的反向输入端，所述配置开关K5短接所述运放1的正向输入端和反向输入端；所述运放1的反馈电路连接在所述运放1的反向输入端和输出端之间，所述信号的二级电阻R3的一端共同与所述R4、C3、K4的一端相连，另一端通过所述S6与接地相连，并通过所述S7与偏置电压相连。

与现有技术相比，本发明具有的积极有益效果在于：

本发明通过交流耦合的方式，运用信号处理以及多重滤波算法，得出稳定可靠的响应数据，解决了烟雾传感器存在误报以及受干扰后的数据失真等问题；通过该发明的检测方法，可以定量的检测烟雾浓度，并可以标定烟雾浓度和折光率之间的对应关系，提升了烟雾传感器的性能，拓展了烟雾传感器的应用领域；通过该发明的检测方法可以实现通过烟雾浓度的数据判断火灾发生的阶段，对火情分析提供了有效的数据支撑。

附图说明

图1是本发明基于交流耦合AFE电路设计的烟雾传感器的检测方法的流程图；

图2是本发明交流耦合AFE电路的原理图；

图3是本发明交流耦合曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

如附图1所示，基于交流耦合AFE电路设计的烟雾传感器的检测方法，包括如下步骤：

(1)系统上电，系统进行初始化；

(2)采样开始，DC偏置电压使能；

(3)运放0使能，延时200us；

(4)运放1使能，延时200us；

(5)红外发射使能，延时60us；

(6)模拟量采集；

(7)运放、直流偏置、红外发射禁用；

(8)红外发射禁能；

(9)检查烟雾浓度是否达到阈值，如果达到报警，如果未达到结束。

上述检测方法的检测控制逻辑如下：检测控制逻辑是一个顺序控制逻辑，但是中间延时可设计，其过程是，首先是运放0使能，延时200us后运放1使能，再延时200us；接着红外发射管的灌电流使能，红外发射管向外发射红外射线，延时60us，这个延时时间由交流耦合曲线选得，并有两个条件：其一让耦合采样的有效范围最广(最佳的分辨率)，其二模拟信号不能超限采样界点(采样溢出)；模拟量的采集及数据滤波，数据滤波算法是通过多重滤波算法实现；完成模拟量采集后，禁用运放0、运放1、直流偏置电压、红外发射；然后根据采样数据和设置报警阈值通过迭代滤波报警值延时对比判断报警；数据滤波算法主要是对模拟量的采样数据进行中位递推平均值滤波算法，滤波后采样数据平稳，干扰小，精度高。

系统初始化的具体方法如下：基于AFE的前端采样的初始化配置主要是对运放0和运放1的参数配置，其运放0配置内容是，K0、K1为模拟信号输入选通开关，K2为短路开关；S1为滤波回路选通开关，当S1闭合时由R1和C1的滤波电路接入电路；S2为信号反馈选通开关；其运放1配置内容是，K3、K4为模拟信号输入选通开关，K5为短路开关；S4为接地选通开关，当S4闭合时信号通过R2接地；S5为偏置电压选通开关，当S5开关闭合时接通偏置电压；S3开关为直流耦合选通开关，当S3闭合时选择直流耦合，当S3断开时选择交流耦合；R2和C3组成了运放1的反馈电路；S6、S7是接地和偏置电压选通开关。

本发明中位递推平均值滤波算法采用如下公式：

S

其中，m为用于中位递推平均值滤波算法计算的采样数据的个数，且m为奇数；Sm为参与滤波的m个采样值；n当前采样数据的序列号。

上述中位递推平均值滤波算法具体方法包括如下步骤：

步骤S1、按照模拟量采集数值的大小进行排序，具体如下：

A

其中，A

步骤S2、去掉步骤S1中采集数值中的一个最大值和一个最小值，具体如下：

A

其中，A

步骤S3、按照平均值滤波算法算出模拟量采集数值的当前状态值：

其中，X

步骤S4、根据卡尔曼滤波函数可得模拟量采集数值的状态方程和观测方程，分别如下：

其中，X

如图2所示，交流耦合电路AFE包括运放0、运放1、运放0输入信号配置开关K0、K1、K2、运放0反馈电路R1和C1、运放0反馈电路配置开关S1、S2、耦合电容C2、耦合配置开关S3、一级信号接地开关S4、一级信号偏置开关S5、一级电阻R2、运放1输入信号配置开关K3、K4、K5、运放1反馈电路R4和C3、二级电阻R3、二级信号接地开关S6、二级信号偏置开关S7；其中，所述运放0的输入信号端与所述配置开关K0、K1、K2相连，所述配置开关K1串接在所述运放0的正向输入端，所述配置开关K0串接在所述运放0的反向输入端，所述配置开关K2短接运放0的正向输入端和反向输入端；所述运放0的反馈电路连接在所述运放0的正向输入端和输出端之间，所述R1、C1、S2为并联关系，所述S1与所述R1和C1串联，再与所述S2并联；所述运放0的输出端与所述K3之间串联有所述耦合电容C2，所述S3与C2并联；所述信号的一级电阻R2的一端共同与所述S3、C2、K3的一端相连，另一端通过所述S4与接地相连，并通过所述S5与偏置电压相连；所述运放1的输入信号端与所述配置开关K3、K4、K5相连，所述配置开关K3串接在所述运放1的正向输入端，所述配置开关K4串接在所述运放1的反向输入端，所述配置开关K5短接所述运放1的正向输入端和反向输入端；所述运放1的反馈电路连接在所述运放1的反向输入端和输出端之间，所述信号的二级电阻R3的一端共同与所述R4、C3、K4的一端相连，另一端通过所述S6与接地相连，并通过所述S7与偏置电压相连。

交流耦合电路AFE可软件配置交流耦合的状态，并且可配置运放放大倍数，得到交流耦合曲线图，该图的横坐标为红外发射使能延时时间，纵坐标为交流耦合AD采样的最大值，通过设置各点的红外发射使能延时，得到采样数据，然后通过描点拟合的方式得到交流耦合曲线图，具体如图3所示。

本发明采用耦合AFE电路设计通过描点拟合形成红外光电激发曲线，该曲线为光电式烟雾传感器的红外发射管和接收管的响应关系，通过曲线分析出最佳响应测量时间点；其检测方法通过离散数据的多重滤波算法，得出更加稳定测量数据，并提高了烟雾传感器的抗干扰能力，有效解决的烟雾误报问题；基于交流耦合AFE电路设计的烟雾传感器在低硬件成本的基础上，通过软件滤波检测方法，解决了烟雾传感器的数据量化问题和外界环境的干扰问题。

以上是对本发明一种基于交流耦合AFE电路设计的烟雾传感器的检测方法进行的阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。