Понятие и виды охранно-пожарной сигнализации

4. Цифровые датчики  температуры, подключенные при  помощи интерфейса I2C. МК аппаратно  поддерживает обмен по двухпроводному  последовательному интерфейсу, совместимому  со стандартом I2C. Интерфейс I2C использует  те же выводы микросхемы и внутреннюю логику, что и встроенный в МК интерфейс SPI. Выбор (разрешение работы) одного из этих двух интерфейсов может быть произведен программно, путем установки или сброса бита SPE специального регистра SPICON. Интерфейс I2C можно программно сконфигурировать как «программный ведущий» или как «аппаратный ведомый». В режиме «программный ведущий» обмен данными возможен на скоростях до 140 кбит/с, а в режиме «аппаратный ведомый» - до 3,4 Мбит/с. Имеющиеся на кристалле цепи фильтрации подавляют выбросы на линиях интерфейса SDATA и SCLOCK длительностью менее 50 нс с целью предотвращения ошибок при обмене. Для организации шины I2C используются линии, которые, в общем случае, должны быть «подтянуты» к «плюсу» источника питания с помощью внешних нагрузочных резисторов. В МК «подтягивающие» резисторы уже имеются на кристалле, однако, по замечанию производителя, в системах с нескольким «ведомыми» могут понадобиться дополнительные внешние резисторы.

5. Оптопара. Оптронами  называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом. Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик. Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

Транзисторные оптопары рядом своих свойств  выгодно отличаются от других видов  оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что  коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока Кi , так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар. [11]

6. Реле - это  устройство для автоматической  коммутации электрических цепей по сигналу извне. Любое релейное устройство, как и реле для коммутации электрических цепей, состоит из релейного элемента (с двумя состояниями устойчивого равновесия) и группы электрических контактов, которые замыкаются (или размыкаются) при изменении состояния релейного элемента. Реле широко применяются в устройствах автоматического управления, контроля, сигнализации, защиты, коммутации и т.д. Наиболее распространены коммутационные реле, реле давления, перемещения, расхода, реле времени, защитные реле.

В зависимости  от физической природы входного (управляющего) сигнала реле подразделяются на механические (сила, давление, скорость, ускорение), магнитные, тепловые, оптические, электрические (ток, напряжение, мощность, сопротивление).

Электромагнитные  реле, как и другие электрические  реле, по роду управляющего и коммутируемого тока могут быть постоянного и (или) переменного тока.

По чувствительности входного сигнала и величине коммутируемого тока электромагнитные реле подразделяют на сверхчувствительные (10-7 - 10-10 Вт) реле, регистрирующие сверхмалые токи, а также высоко - и нормально чувствительные слаботочные (10-6 - 25 А).

Более мощные реле, коммутирующие токи более 50 А и  напряжения более 1000 В, называются, соответственно, контакторами и высоковольтными реле.

Слаботочные реле стали в настоящее время самостоятельным  классом электрических реле, включающим в себя наиболее распространенные электромагнитные реле с подвижным якорем, герконовые реле, электротепловые и слаботочные  реле времени. К классу слаботочных реле относят также и другие виды неэлектрических слаботочных реле, например, тепловые реле. [12]

7. Элементы оповещения. В качестве элементов оповещения  используются комбинированное устройство. Оно включает в себя звуковое  и световое оповещение, и служит для предупреждения персонала о возгорания.

8. Блок аварийного  питания. В него входят АС\DC, DC\DC преобразователи; аккумулятор,  обеспечивающий 4 часа аварийного  питания системы, в случае отключения  основного питания.

В AC/DC преобразователях, благодаря внутреннему мостовому выпрямителю, защита от обратной полярности не требуется. Для защиты по выходу, все AC/DC преобразователи имеют защиту от работы на холостом ходу и от короткого замыкания на выходе. Кроме того, существуют и дополнительные меры защиты (тиристорная защита или второй, независимый контур управления). Семейство W AC/DC и специальные модели семейств LOK, Т, M, H, S, K, KP могут работать в режиме зарядного устройства кислотных батарей (с номинальными напряжениями 12В, 24В, 36В, 48В, 60В). Эти устройства обеспечивают правильную и безопасную зарядку батарей.

DC/DC преобразователи  (для защиты от обратной полярности  включения) снабжены внутренним  защитным диодом или предохранителем.  Некоторые модели снабжены защитным  отключением преобразователя при  выходе входного напряжения за  пределы указанного диапазона  входного напряжения. [13]

Разработанная функциональная схема

Блок  схема алгоритма функционирования разработанного устройства

В начале идёт инициализация  МК, затем на клавиатуре задается режим  работы т.е задание порогового значения температуры. Затем опрос датчиков (т.е. превышает ли измеренная температура порогового значения, заданный на клавиатуре), затем полученная информация выводится на ЖК индикатор. В соответствии с опросом датчиков, если температура не выше порогового значения, цикл повторяется. Если же выше, то формируется сигнал на исполнительный элемент и вывод информации на ЖК индикатор. Далее формируется время задержки. Если время задержки выше времени, заданного на клавиатуре, и процесс начинается сначала.

Выбор и обоснование элементной базы

Система пожарной сигнализации состоит из следующих компонентов:

1. Чувствительный  элемент - датчики;

2. Устройства  управления - микроконтроллер;

3. Устройства  оповещения - сирена звуковая и  световая;

4. Клавиатура  для управления режимами работы;

5. ЖКИ для  отображения текущего состояния.

МК принято  взять ADuC845, так как он обладает всеми  необходимыми ресурсами и возможностями  для реализации разрабатываемого устройства. МК ADuC845 является функционально законченным  контроллером интеллектуального датчика, включающим в себя: два аппаратных модуля сигма-дельта АЦП высокого разрешения (24-разрядное и 16-разрядное), 8-разрядное микропроцессорное устройство управления и встроенную Flash-память программ и данных. Кроме двух независимых модулей АЦП в составе устройства имеется датчик температуры и прецизионный программируемый усилитель, что позволяет МК выполнять прямые измерения малых уровней напряжения. АЦП с встроенным цифровым фильтром предназначены для измерения низкочастотных сигналов в широком динамическом диапазоне. Так же он включает в себя порты последовательного обмена UART, SPI, I2C, три таймера - счетчика, сторожевой таймер. В состав МК включены также 12-разрядный ЦАП с выходом напряжения, два источника тока, монитор источника питания. Устройство питается от однополярного источника с напряжением +3…+5 В. При напряжении источника +3 В потребляемая микроконвертором мощность составляет менее 10 мВт. [7]

В качестве устройства отображения информации о текущем  состоянии разработанного устройства используется ЖКИ-модуль на основе контроллера HD44780 фирмы HITACHI. Он обладает малым энергопотреблением и простым интерфейсом. ЖКИ состоит из 2 строк, по 16 символов в каждой, что вполне достаточно для эффективного отображения информации. Для соединения ЖКИ-модуля с управляющей системой используется параллельная синхронная шина, насчитывающая 8 линий данных DB0-DB7, линию выбора регистра RS и линию синхронизации E. [6]

Клавиатура  используется для ввода информации, задания режимов работы устройства. Клавиатура, используемая в данном устройстве, является матричной и имеет размер 3х3, работа которой основана на системе прерываний.

Датчики - предназначенные  для измерения температуры помещения  и последующей передачей сведений об этом в МК для обработки. В качестве температурного датчика используется датчик ТМР175 компании Кемпел. Основным достоинством этих датчиков является сверхмалое потребление энергии и миниатюрное исполнение. Устройства содержат полупроводниковый температурный сенсор, 12-ти битный АЦП, тактовый генератор, регистр конфигурации, регистр измеренного значения температуры, регистры верхнего и нижнего порогового значений температуры, схему сброса и логику реализации последовательного интерфейса. У всех ИМС этого семейства имеется схема слежения, формирующая сигнал тревоги, при переходе измеряемой температуры за определенное пользователем пороговое значение. Датчики имеют возможность передачи данных при помощи интерфейса I2C. Интерфейс I2C позволяет подключение до 120 цифровых датчиков. [4]

Устройства  оповещения предназначены для уведомления о наличии пожара. В качестве оповещателя выбран комбинированный оповещатель СВИРЕЛЬ-2 включающий в себя световое и звуковое оповещение. Источник питания постоянный 12В, ток потребления 350мА. [5]

В качестве гальванической развязки использована оптопара РС816. Краткие характеристики: максимальный выходной ток 50мА, максимальный прямой ток через входной светодиод 50мА, напряжение изоляции 5кВ, тип корпуса DIP4. [8]

В качестве коммутационного  элемента используется электромагнитное реле РЭС60 РС4.569.435-02.01, (12В). С помощью этого реле производится коммутация цепи питания устройства оповещения СВИРЕЛЬ-2 Технические параметры: ток питания обмотки постоянный; число коммутационных положений двухпозиционное; номинальное рабочее напряжение 12В; ток срабатывания 22.4 мА; ток отпускания 4.8 мА; максимальное коммутируемое постоянное напряжение 25В, максимальный коммутируемый постоянный ток 0.50А; время срабатывания 3.5 мс; время отпускания 1.5 мс.

Устройство  аварийного питания включает в себя АС/DC и DC/DC преобразователи, аккумулятор емкостью на 4-е часа работы.

В качестве АС/DC выбрана модель ECA150.10120 15Вт AC/DC 12В. Выбор  объясняется тем, что напряжение питания аккумулятора составляет 12В, так же это напряжение служит для  питания пожарного оповещателя. Технические характеристики: входное напряжение переменное 176-242В; напряжение выходное постоянное 12В; мощность 15Вт; номинальный выходной ток 1.25 А.

В качестве DC/DC преобразователя выбрана модель TMA1205S DC-DC, 1Вт, вход 12V, выход 5V/200mА. DC/DC преобразователь понижает напряжение с 12В до 5В, для возможности подключения МК ADuС845, датчиков, ЖКИ и клавиатуры. Технические характеристики: номинальное входное напряжение 12В; номинальное выходное напряжение 5В; номинальный выходной ток 0.2 А; мощность 1Вт.

В качестве аккумулятора выбран DT 12-2.2. Технические характеристики: номинальная емкость 2.2 А.ч; напряжение питания 12В; зарядный ток при 20 ч 20мА.

В качестве диодов выбраны диоды типа FR157 , который  входит в зарядное устройство. Технические характеристики: Максимальное постоянное обратное напряжение 1кВ; прямой ток 1.5А; Максимальный обратный ток 5мкА. [9]

Разработка  схемы электрической принципиальной

Схема электрическая  принципиальная

Принцип работы устройства заключается в следующем:

Основным блоком в данной схеме является управляющее устройство, которое представляет собой микропроцессорную систему или МК. Рассмотрим три отличительные особенности данного микроконвертора в серии ADuC845: двухканальном сигма-дельта АЦП, тактовом генераторе, реализованном на стандартном «часовом» кварцевом резонаторе на 32,768 кГц и режимах программирования (модификации) внутренней FLASH/EE памяти. Данный блок управляет всем процессом, который происходит в системе, в частности измерение температуры. Датчик используется в данной схеме для непрерывного измерения температуры рабочей поверхности. Датчики температуры преобразуют значение температуры в цифровой сигнал и по средствам интерфейса I2C передают данные на МК. Далее информации о температуре выводится на ЖКИ. При помощи сигнала на линии RS микропроцессор сообщает контроллеру индикатора о том, что именно передается по шине: команда или данные. Сигнал на линии Е является стробом, сопровождающим сигналы на шине «команды/данные». Запись информации в ЖКИ происходит по спаду этого сигнала. Микроконтроллер проверяет входы, подключенные к матричной клавиатуре, если находит изменение уровня, переходит на выходы. Проводит также проверку выходов. Находится клавиша, которая находится на пересечении входа и выхода, уровень напряжения, которых изменился. И уже на другой вход микроконтроллера подается последовательность, которая соответствует нажатой клавише. МК находиться в постоянной проверке входов и выходов клавиатуры. Чтобы устранить пустую проверку необходимо использовать блок формирования прерываний. Теперь при нажатии клавиши случается прерывание, и уже потом МК начинает проверять изменение уровня напряжения на входах и выходах. Она присоединяется к портам P2.0-P2.5, P3.3. МК производит сравнение измеренной температуры с заданным на клавиатуре пороговым значением. Если оно не превышает порогового значения, то МК повторно производит опрос датчиков. В случае если измеренное значение превышает пороговое, МК вырабатывает сигнал на выходе Р1.1, которому подключено через оптопару реле. Реле при подаче сигнала замыкает цепь питания пожарного оповещателя, и происходит срабатывание его. Оповещатель производит световую и звуковую сигнализацию. Аварийное питание устройства обеспечивает аккумулятор.