火灾温度报警器的设计与实现

摘  要： 分析了温度传感器中温升式温度传感方式和温差温度传感方式的特点和区别，利用离子式烟雾报警专用芯片A5348设计了一种不需要转换开关就可以自动选择这两种传感方式的温度报警器，给出了设计原理图以及安装调试的方法。该报警器对于突发的火情和隐蔽火情均可正常工作，使用方便。
关键词： 温度传感方式；报警；火灾；A5348

　火灾报警器由原来的业余制作发展到现在的专业生产的工业产品，说明其重要性越来越受到重视。很多国家都为火灾报警器制定了相关标准，如美国的UL标准以及BSI、VDS、DVN、SSL等标准，而且有些国家还专门生产火灾报警器的专用IC。在众多的火灾报警器中最为常见的有烟感离子火灾报警器、红外线火灾报警器及温度火灾报警器等[1]。
　温度报警器中有两种温度传感方式，一种是温升式温度传感方式，另一种是温差温度传感方式。按UL标准（美国电器工会标准），温升式温度传感方式的火灾报警器是指当环境温度以每分钟0.5℃的速度上升至60℃~ 85℃时报警器应该及时报警；而温差式温度火灾报警器指当环境温度在一分钟内上升到比原来的环境温度相差22℃时，也就是指当出现警情时温度突然上升应及时报警[2]。
　一般工厂生产的温度传感火灾报警器分为温差式和温升式两种，也有的工厂将这两种方式综合在一起，利用一个转换开关来进行传感方式的选择使用，这种方式虽然综合了两种温度传感方式，但实际上只要选中一种方式，而另一种方式根本没有起到任何作用，并且给使用者带来一些不便。本文介绍了一种火灾温度报警器，可以不用转换开关自动选择两种传感方式[3]。
1 火灾温度报警器工作原理及A5348介绍
　该报警器的原理图如图1所示。A5348是一种离子式火灾报警器使用的专用集成芯片，它是一种CMOS电路结构的高内阻的芯片。其他离子式火灾报警器的芯片只要按照本原理图的工作原理进行安装就可以正常工作，如A5368、M14467。图2是A5348各脚的功能图和内部结构图。

　图1中，A5348的6脚为电源输入端，电源使用范围为6 V~12 V；9脚为电源负极接地，供电电压选择DC 9 V，一般使用普通的叠层电池；D1是为了防止电池装反时烧毁芯片而设置的。本电路待机电流极小，一般在几微安以内，用一块普通叠层电池在不报警的情况下可以待机使用10个月到一年左右。A5348内设有低电压提示功能，当电池电压低到内部设置值时，每隔40 s音频电路会随着D2的闪烁发出“嘟”的一声提示，说明电池电量已不足。2脚是一个输入（IN）/输出（OUT）接口，它既有输出功能又有输入功能。输入/输出口主要是用来作为并机使用的端口，据有关资料介绍，一台报警器可以并联约125台同类报警器，在这些并联报警器中只要有任何一台接收到警情（有火灾发生），其他报警器将在2 s内同时发出报警声。主叫机在报警时LED－R D2随报警声闪烁，而被动机只有报警声LED灯不闪烁。5脚是工作状态显示，待机时每40 s闪烁一下，报警时随着警声闪烁。
　由图2中可以看出，A5348内是一个比较器1，比较器1的反相输入端与电路内部由D1和电源组成的基准电压相连作为比较器的标准电压，同相端与电路内部由电源、R1、R2、R3及Q1组成的分压电路连接。Q1每40 s导通一次，当电源电压低于反相输入端的标准阈值电压时，比较器1翻转，翻转信号送到逻辑处理电路中，由逻辑处理电路每40 s触发一次音频电路，使音频电路发出一声报警声。IC内部设置的下限电压为7.1 V，当电源电压下降到7.1 V时，电路提示用户更换电池。3脚是低电压提示外设置端，将3脚对地接一个电阻可以改变提示电压的设置。电源电压为9 V时，可使用内部设置值，本电路中该脚不用。10、11脚是报警音频输出，从图2中可以看出，8、10、11脚内部是一个振荡器，外围元件是该振荡器时基元件，8脚是反馈端。12脚是A5348时序振荡电路的频率选择端，改变12脚的电容C3可以改变时序振荡频率。7脚是频率校准电路。1、4脚为低灵敏度延时设置端，本电路悬空不用。15脚是检测信号输入端，低电压有效。14、16脚为保护电路。13脚是灵敏度选择，改变其输入电压，可使本机的灵敏度上升或者下降。
　图1中由R6、RT2、RT1、R5及R8组成温度传感电路，其中A点电压通过R8送到A5348的15脚，与其内部的比较器2的反相输入端连接。本电路A点的电压设定在1/2电源电压上，比电路内部设定的阈值电压高出约1.5 V，因此，内部比较器2输出低电平。RT1和RT2是负阻性热敏电阻，在环境温度为25℃的情况下用万用表测得其阻值均在1.5 M 赘内。R9和SW1按钮开关组成检测电路。按下按钮开关使A点电压下降，15脚的电压也随之下降，报警器可发出报警声。LM358运算放大器组成电压比较器，比较器的同相输入端与电路中B点相连；反相输入端与R10、VR1和R11组成的基准电压连接，其电压的设置高于反相输入端约1.2 V。输出端通过二极管D3与电阻R7连接送到A5348的13脚，进入其内部比较器2的同相输入端。R7的另一端接地，电阻R7在电路中起到灵敏度调整作用，调整电阻R7阻值的大小可以改变电路的灵敏度。13脚同时也可以与电源6脚并接一个电阻，配合R7的调整也能更精确地调整该报警器的灵敏度。
　在使用中，如遇到突发的火情使环境温度陡然升高，由于热敏电阻RT1的敏感部位暴露在机壳外面，它将首先感受到环境温度的变化，而RT2装在机壳内，它不能感受到突然上升的温度。当RT1受到环境温度的影响使其内阻突然下降，RT1阻值的减小导致A点的电压下降，下降的电压经R8送到A5348的15脚进入A5348内部比较器2反相输入端，使比较器2反相输入端的电压也突然下降，下降的电压值低于阈值电压时比较器2立即翻转为高电平，高电平信号送到逻辑处理电路中由逻辑处理电路触发音频振荡电路使报警器发出报警声，同时A5348的5脚输出矩形波，使LED D2随报警声闪烁。
当A点电压下降时，B点的电压也同时跟着下降，但由于LM358的同相输入端电压在待机状态下比反相输入端的阈值电压低，因此B点电压的下降对LM358没有影响，所以LM358在“环境温度突然上升”这种警情下仍处于待机状态[5]。
　另外一种是隐蔽火情。这种火情比较隐蔽，着火点由小变大，因此在这种情况下环境温度是逐渐升高。所以，以上报警方式不适合在这种情况下使用。由于缓慢升高的温度会使机壳内的RT2和机壳外的RT1同时感受到温度的变化，RT2和RT1的阻值也是同时降低的，因此A点的电压基本不变。但是B点电压且随着RT2及RT1阻值的减小而逐渐升高，环境温度越高，则B点的电压就越高。由于B点直接接在比较器LM358的同相输入端，当环境温度上升到一定值时，B点电压超过LM358的反相输入的阈值电压时比较器翻转，输出端输出高电平。比较器输出的高电平经二极管D3送到A5348的13脚，即A5348内部比较器2的同相输入端，使比较器2的同相输入端电压上升，改变了预设的阈值电压，上升电压值超过反相输入端的电压时，比较器2翻转，电路报警。
　当电路出现报警时，在供电电压为9 V的情况下，2 s内A5348的2脚输出一个8.5 V的电压。将这个电压送到同一个类形的其他报警器，或者与A5348型号相同的其他类形的报警器（如离子烟感火灾报警器）的I/O接口上，这些并联在一起的报警器会同时发出报警声。发声器件选用带反馈的三端输入蜂鸣器。RT1、RT2选用一种小形玻璃管封装的热敏电阻，型号为RSTA1388K，其大小与1/2W的稳压管差不多。如购买不到此种热敏电阻，也可用其他型号的热敏电阻代替，但常温阻值必须选在300 kΩ~500 kΩ内，两只电阻的阻值尽量一致，偏差不要大于5 kΩ[6]。
2 电路的安装与调试
　将PCB板做好后，把元器件贴板装到PCB板上。RT2应与其他元件一样贴板安装；RT1的元件脚不要剪断高高地焊在PCB板上，要将RT1的敏感部露在机壳外面。PCB板焊接完后需要对电路进行调试，调试时应在25℃的环境温度下进行，将RT1、RT2用两个阻值尽量接近的1.5 MΩ的电阻代替。用一段导线将IC的12脚对地短路，让主机的时序振荡电路停止工作，用万用表观察IC的16脚或者14脚与13脚的电压，调整13脚上的电阻R7，使万用表反映的电压数为1.2 V左右，这个电压值越小灵敏度就越高。调试完后断开12脚的短路线。这项指示调好后将替代电阻从PCB板上卸下来，将RT1和RT2装到PCB板上，放在一个大小适当的盒中，用电吹风向盒子中吹热风，使盒子中的温度在60℃~80℃内，慢慢调整VR1直至报警器刚出现报警。同时，检测按钮开关的按钮必须露在机壳外，以便于检测；按下按钮时应该发出报警声，表示报警器工作正常[7]。
参考文献
[1] 毛星.家用烟雾报警器[J].消防科学与技术，2012（9）：940.
[2] 张琳，孙耀杰，张坤.TN9红外温度传感器在火灾报警系统中的应用[J].传感器与微系统，2012（10）：146-148.
[3] 罗乐.红外传感器数据采集防盗报警器系统设计[J].制造业自动化，2012（18）：138-140.
[4] 张霄霞，候洪丽，王福明，等.火灾烟雾报警系统的设计[J].山西电子技术，2011（2）：5-7.
[5] 林月芳.粮库温湿度测量与防火防盗检测系统[D].北京：中国农业大学，2003.
[6] 张敏，宋国辉.烟雾检测的火灾自动探测报警系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（3）：58-61.
[7] 陈文平.有关吸气式烟雾探测火灾报警系统设计的探讨[J].福建建设科技，2009（4）：64-65.