МОНОКРИСТАЛЬНЫЙ ПРОГРАММИРУЕМЫЙ КОНТРОЛЛЕР ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПОРОГОВОГО ПОЖАРНОГО ИЗВЕЩАТЕЛЯ

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к однокристальным программируемым микросхемам, реализующим, функцию управляющего контроллера для построения шлейфовых и автономных пороговых пожарных извещателей.
Известно множество реализации пожарных извещателей, в частности патент RU 2321071, патент Украины UA 13221U. К недостаткам известных изобретений относится ограниченные функциональные возможности, применение аналоговых элементов, высокое энергопотребление.
Известен также патент RU2258260C2 с использованием микроконтроллера Atmel - AT90S1200, который взят за прототип. Использование данного контроллера в пожарных извещателях имеет следующие недостатки: высокое энергопотребление; при питающем напряжении более 6 В требуется внешний стабилизатор; отсутствие схем защиты от синфазных электромагнитных помех по входу фотодиода;
необходимость применения специального программатора для инициализации микроконтроллера.
Целью заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей: возможность построения различных типов пороговых пожарных извещателей с применением фото и ИК-диодов с различными параметрами и характеристиками за счет широкого диапазона программируемых, установочных, калибровочных коэффициентов, коэффициентов усиления сигналов фотодиода, повышение устойчивости работы при больших уровнях синфазных помех, обеспечение простоты калибровки и настройки собранного пожарного извещателя по двухпроводной схеме через контакты питания.
Технический результат достигается благодаря тому, что монокристальный программируемый контроллер оптико-электронного порогового пожарного извещателя, содержащий выводы подключения напряжения питания, выводы подключения фотодиода, вывод подключения ИК диода, вывод подключения сигнального светодиода, который отличается тем, что содержит стабилизатор напряжения, фотоусилитель сигналов фотодиода, включающий измерительный усилитель, предварительный "усилитель, регулируемый усилитель с цифровой перестройкой коэффициентов усиления, измерительный компаратор с перестраиваемым порогом компарирования, вспомогательный источник образцового напряжения с выводом для подключения блокировочного конденсатора опорного напряжения; блок памяти установочных и калибровочных коэффициентов, блоки информации о четности состояния всех ячеек установочных, калибровочных коэффициентов и состояния, определяющего рабочий режим всего программируемого контроллера, блок контроля программирования, блок управления и программирования, блок инициализации для установки начального состояния программируемого контроллера - режим программирования, калибровки и тестирования, блок цифровой обработки и управления через буферы, управляющий драйверами, которые обеспечивают прямое подключение сигнального светодиода, зондирующего ИК диода и индикацию режима работы в шлейфовом варианте, низкочастотный генератор, формирующий управляющие импульсы для блоков программируемого контроллера в дежурном режиме, высокочастотный генератор для формирования ИК импульсов, блок звукового оповещения и контроля локальной сети, причем стабилизатор напряжения может работать как при входном напряжении менее 7 вольт, так и при входном напряжении от 7 вольт до 40 вольт.
На чертежах изображено:
на фиг.1 - контроллер автономного извещателя с напряжением питания более 7 Вольт;
на фиг.2 - контроллер шлейфового извещателя для работы с (ППКП);
на фиг.3 - контроллер автономного извещателя с напряжением питания менее 5 Вольт;
на фиг.4 - схема пожарного извещателя для работы с ППКП, содержащая контроллер с отсутствующими блоками 8 и 20 для минимизации стоимости микросхемы;
на фиг.5 - схема включения контроллера для построения автономного оптико-электронного пожарного извещателя с напряжением питания более 6 Вольт;
на фиг.6 - схема включения контроллера для построения автономного оптико-электронного пожарного извещателя с напряжением питания менее 6 Вольт.
На чертежах фиг.1, фиг.2, фиг.3 монокристальный программируемый контроллер содержит низкочастотный генератор 1 для формирования управляющих импульсов в дежурном режиме, высокочастотный генератор 2 для формирования зондирующих ИК-импульсов, управляемый стабилизатор 3 с выходных напряжением 5 Вольт для питания контроллера, блок 4 управления и программирования, блок 5 цифровой обработки и управления, блок 6 контроля программирования блока 7 (EEPROM) хранения установочных и калибровочных коэффициентов, блок 8 звукового оповещения и контроля локальной сети, блок 9 (PARITY) контроля четности ячеек установочных и калибровочных коэффициентов блока 7 (EEPROM), блок 10 (CLOSE) контроля режима программирования блока 7 (EEPROM), фотоусилитель, содержащий измерительный фотоусилитель 11, предварительный усилитель 12, регулируемый усилитель 13, измерительный компаратор 14 и источник 15 опорного напряжения, блок 16 (OPEN) инициализации контроллера, буферы 17 управления мощными драйверами 18, обеспечивающими прямое подключение сигнального, зондирующего ИК-диодов и индикации состояния в шлейф питания (для шлейфового извещателя), ключ 19, обеспечивающий подключение выхода фотоусилителя на вывод «VLED» для достижения возможности непосредственного контроля аналогового сигнала фотоответа, буферы 20, обеспечивающие формирование внешних сигналов оповещения управления повышающим преобразователем напряжения для работы пьезоэлектрического звукового излучателя, контроля локальной сети.
Назначение выводов:
VDDH/VPROG - напряжение питания и программирования (+) (вход);
VDD - стабилизированное напряжение питания (вход/выход);
РНС - катод фотодиода (вход);
РИА - анод фотодиода (вход);
VCM - вывод подключения блокировочного конденсатора опорного напряжения (выход);
GND - общий провод (-);
PGND - общий провод силовых цепей микросхемы;
VLED - вывод для подключения сигнального светодиода (вход/выход);
ILED - вывод для подключения ИК-диода (выход);
FIRE/FB - вывод индикации режима «Пожар» в шлейфовом варианте, обратная связь, повышающего преобразователя напряжения в автономном варианте (вход/выход);
SOUND - вывод звукового оповещения (выход)
FCHP - управляющий вывод повышающего преобразователя напряжения (вход);
WIRE/VPROG - вывод для объединения автономных извещателей в локальную сеть (вход/выход);
MODE - вывод, задающий режим работы автономного извещателя:
уединенный, краевой или не краевой (в середине сети) (вход).
Заявленная структура контроллера является универсальной и позволяет в полной мере обеспечить построение основных видов пороговых оптико-электронных пожарных извещателей-шлейфовых, со средним током потребления ~50 мкА, автономных с напряжением питания от 2,7 Вольт, программирование любых порогов запыления и задымления дымовой камеры, установку любых требуемых коэффициентов усиления, защиту от потери записанных коэффициентов.
На основе заявленной полезной модели было реализовано несколько модификаций микросхем контроллера. Упрощенная структурная схема одной из них (TIN104) приведена на фиг.7.
В данной микросхеме реализованы виды защиты:
от короткого замыкания на выходе и входе;
от превышения напряжения на выходе VDD+0.6 В;
от перегрузки по току на выходе (ограничение тока потребления 10 мА);
от превышения температуры кристалла более 150°С (защита переводит микросхему в режим «Пожар»);
от разрушения калибровочных и установочных коэффициентов;
от несанкционированного перепрограммирования собранного извещателя;
от потери запрограммированных данных.
Стабилизатор напряжения имеет следующие значения ограничения выходного тока:
50 мкА в дежурном режиме;
10 мА в режиме «Пожар»;
10 мА в режиме программирования.
Данный стабилизатор формирует ряд сигналов необходимых для функционирования микросхемы:
CMP15V и CMP21V - выходные сигналы компараторов контроля входного напряжения, предназначенные для защиты энергонезависимой памяти EEPROM от повреждения высоким напряжением в процессе программирования;
CMP6V - выходной сигнал компаратора используется для передачи записываемых в режиме программирования данных и для защиты от перехода микросхемы в режим «Пожар» при понижении напряжения питания во время дежурного режима;
CMP4.3V - выходной сигнал компаратора инициализирующий начальное состояния микросхемы (очистка бита «CLOSE») и предотвращающий сброс извещателя, в случае его перехода в режим «Пожар» при кратковременном отсутствии напряжения питания в шлейфе;
CMP3.7V - сигнал сброса «FOR» для всех узлов микросхемы;
CMP2.5V - выход компаратора, определяющий состояние сброса на шлейфе;
ТМР150 - температурный компаратор на 150°С предназначен для защиты микросхемы от перегрева и является дополнительным тепловым каналом, который переводит извещатель в режим «Пожар» при превышения порога температуры равного 150°С.
Данные сигналы поступают в блок управления и программирования, который вырабатывает необходимые сигналы для управления блоком цифровой обработки и управления, схемами обеспечивающими режим программирования и вспомогательными блоками управления.
Блок цифровой обработки и управления в дежурном режиме вырабатывает управляющие сигналы для фотоусилителя, зондирующего инфракрасный диод, сигнального светодиода и высоковольтного ключа, сигнализирующего срабатывание извещателя.
Блок инициализации переводит микросхему в состояние «OPEN» при котором доступны режимы программирования и тестирования извещателя.
В состав ИС входят низкочастотный малопотребляющий генератор на 32 КГц и высокочастотный генератор на 1 МГц, вырабатывающий сигнал инфракрасного диода с точностью до 1 мкс. Выходные силовые транзисторы обеспечивают прямое подключение инфракрасного и сигнального светодиодов, а также вывода «FIRE» к питающему шлейфу через токоограничительный резистор.
Вывод «VLED» функционирует в трех режимах в зависимости от текущего состояния пожарного извещателя и подключается через электронный ключ. В режиме программирования может передавать выходное напряжение с выхода фотоусилителя на вывод «VLED» для непосредственного контроля напряжения фотоответа.
Блок четности «EEPROM 5 BIT PARITY» и блок закрытия микросхемы «EEPROM 5 BIT CLOSE» представляют собой элементы логической защиты от потери записанной информации по калибровочным и установочным коэффициентам с течением временем. Для реализации данного вида защиты в элементах энергонезависимой памяти «EEPROM» предусмотрены два контрольных блока, каждый из которых является мажоритарной системой из пяти бит с состоянием «менее двух» и «более трех». Эти ячейки битов памяти физически разнесены на кристалле, что позволяет с высокой степенью точности определять повреждения в записанных битах информации по коэффициентам во время использования извещателя. Таким образом, при включении датчика происходит вычисление четности всех записанных бит установочных и калибровочных коэффициентов, и сравнение с ранее записанным значением в блоке четности. Если значения не совпадают или блоки четности «EEPROM 5 BIT PARITY» и закрытия «EEPROM 5 BIT CLOSE» имеют неопределенное состояние, микросхема переходит в ждущий режим.
Фотоусилитель «PHOTOAMPLIFIER» содержит: измерительный усилитель для работы с высоким уровнем синфазных помех, обеспечивающий работу извещателя без сбоя вблизи ламп дневного освещения с электронным балластом; предварительный фотоусилитель; встроенный источник опорного напряжения 2,4 В усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления от 30 до 300 и с возможностью его умножения на 2 или 4; измерительный компаратор с перестраиваемым порогом переключения 2; 1.5; 1; 0.5 В, что обеспечивает эквивалентный коэффициент усиления от 30 до 4800 и позволяет использовать практически любые фотодиоды и инфракрасные светодиоды.
Фотоусилитель работает в режиме класса «А», обладает высоким быстродействием, хорошей линейностью тракта и большим запасом по фазе. Внутрисхемные усилители, развязаны по постоянной составляющей. Минимизация взаимного влияния усилителей друг на друга достигается с помощью инвертирующих схем их включения.
Блоки памяти 8 бит и 32 бита предназначены для хранения установочных и калибровочных коэффициентов. Блок 8 бит через шину KRES[7…0] определяет коэффициент передачи регулируемого усилителя от 1 до 10 с шагом 9/256. 32 битный блок логически разделен на несколько шин, аппаратно защищенных от записи в них нулевых состояний (при попытке записи нуля будет записана единица).
ТМ[3…0] определяет основное время между измерениями оптической плотности дыма и может принимать значение от 0,5 до 8 секунд с шагом 0,5 с. TPF[3…0] определяет время между измерениями при подготовке извещателя к переходу в режим «Пожар» и может принимать значение от 0,5 до 8 секунд с шагом 0,5 с. Подготовка к переходу в режим «Пожар» начинается с захвата сигнала высокого уровня с выхода измерительного компаратора, поступающего на вход PHIN блока цифровой обработки и управления, начиная с этого момента время между измерениями оптической плотности определяет значение на шине TPF. Количество «положительных» измерений задается шиной KFIRE[2…0] и может принимать значение от 1 до 8. Если следующее измерение не является «положительным», счетчик «положительных» измерений сбросится в ноль и отсчет будет начат заново, при этом время между измерениями оптической плотности снова определяется значением на шине ТМ. При последовательном достижении количества «положительных» измерений, определенных шиной KFIRE, извещатель перейдет в режим «Пожар».
В этом режиме происходит сигнализация через шлейф питания путем увеличения тока потребления с помощью вывода FIRE и включение сигнального светодиода. Извещатель будет находиться в таком состоянии неопределенно долгое время, ожидая сброса по шлейфу питания. Сброс датчика осуществляется установкой напряжения на шлейфе питания менее 2,5 В. Время, через которое извещатель сбросится и перейдет в нормальный режим работы определяется значением шины TRES[2…0] и может принимать значения от 0,5 до 4 секунд с шагом 0,5 с. Каждый цикл измерений оптической плотности дыма начинается с включения всех аналоговых блоков и заряда блокировочной емкости до напряжения 2,4 В подключенной к выводу VCM ИС. Время заряда блокировочной емкости и установление фотоусилителя в рабочий режим определяется значением на шине TWCH[2…0] и может принимать значение от 1 до 8 мс с шагом 1 мс. Затем включается ИК диод для зондирования оптической плотности дыма в дымовой камере. Время зондирования определяется значением на шине TILED[5…0] и может принимать значение от 1 до 64 мкс с шагом 1 мкс. Визуальная индикация зондирования осуществляется кратковременным включением сигнального светодиода на время определяемое значением на шине TVLED[2…0] и может принимать значение от 1 до 8 мс с шагом 1 мс.
Шина СВ[5…0] содержит шесть дополнительных бит - СВ[1…0] и определяет коэффициент умножения фотоусилителя. СВ[3…2] определяет порог переключения компаратора. СВ[4] определяет режим работы вывода «VLED» как сигнального светодиода или как вывод фотоусилителя: в этом режиме необходимо отключить сигнальный светодиод, по причине низкой нагрузочной способности выхода фотоусилителя, при этом возможен непосредственный контроль аналогового сигнала фотоответа в исследовательских целях. Бит СВ[5] является резервным.
При подборе установочных коэффициентов необходимо учитывать энергетический баланс извещателя. Энергии запасенной в конденсаторах питания за цикл зарядки должно хватать для работы схемы в ее активный период (инфракрасный импульс диода, импульс сигнального светодиода и фотоусилителя), при этом выходное напряжение питания не должно значительно отклоняться от величины+5 Вольт.
Благодаря схемному решению монокристального программируемого контроллера, который был разработан как специализированная микросхема для пороговых оптико-электронных пожарных извещателей, и достигается технический результат - расширяются функциональные возможности: появляется возможность построения различных типов пороговых пожарных извещателей с применением фото и ИК-диодов с различными параметрами и характеристиками за счет широкого диапазона программируемых, установочных, калибровочных коэффициентов, коэффициентов усиления сигналов фотодиодаповышается устойчивость работы при больших уровнях синфазных помех, обеспечивается простота калибровки и настройки собранного пожарного извещателя по двухпроводной схеме через контакты питания.