CN110956773B - 一种光电式烟雾探测器环境光抑制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及烟雾探测器技术领域，具体涉及一种光电式烟雾探测器环境光抑制方法及系统。包括以下步骤：当探测器需要进行检测时，发光二极管D1发光；接收发光二极管D1发出并由烟雾颗粒散射的光线；提取出发光二极管D1开启的瞬间产生的上升沿信号，并将提取到的信号输出；将带输出信号中的峰值进行维持；探测器在峰值维持的过程中进行采样并完成数模转换。本发明能够使用于无光学迷宫的点型光散射式烟雾探测器中，在避免使用复杂的数字逻辑或数字运算的情况下，仍能提供优秀的静态及动态环境光抑制能力。为低成本低功耗的无光学迷宫点型光散射式烟雾探测器提供了现实可行的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及烟雾探测器技术领域，具体涉及一种光电式烟雾探测器环境光抑制方法及系统。
背景技术
在光电式烟雾探测器中，通常都是通过迷宫的结构及光路设计来减少环境光对接收管的影响。通过迷宫的设计实现环境光消除，一方面增加了设计的复杂度；另一方面也会阻碍烟雾颗粒进入探测区，降低探测灵敏度及增加响应时间。
在专利CN104200606中公开了一种无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器中解决环境光干扰的信号处理方法。该方法利用发射管对散射信号进行调制，再通过频谱分析及数字滤波的方式解调得到烟雾浓度的信号。这种方法因为使用了复杂的算法，会对信号采样周期及系统运算能力提出较高的要求，显著增加系统成本及功耗，同时也会引入额外的判断延时。
在PPG信号采集领域，目前主流的方式是通过电路及逻辑控制实现对环境光的抑制。
比如TI方案中将LED不发光时采集到环境光电流补偿至LED发光时PD产生的光电流中对环境光的影响进行消除。这种方法由于前后两次采样存在时间差，对于动态环境光的抑制能力较差。即使是对于静态的环境光，由于补偿电流通过DAC产生，无法做到连续调整，也会影响到环境光抑制的效果。再者整个系统的模数设计比较复杂，也会增加系统的成本及功耗。
MAXIM方案与TI方案原理相似只是实现的方法不同，一部分克服了使用DAC产生补偿电流的不连续影响，同时通过减少补偿电流反馈环的时间延时改善了对动态环境光干扰的影响，但是并没能从根本上解决这些问题。
ADI方案使用了互阻放大+模拟带通滤波+模拟积分器的方式，能够很好的解决动态环境光干扰的问题。但是该方案由于第一级使用了互阻放大电路，为了避免环境光电流使这一级饱和，电路的互阻抗必须足够小。但是通常烟雾的散射电流会远远小于环境光电流，小的增益大大限制了这一方案在烟雾探测器上的应用。这就限制了其在强环境光干扰条件下的使用。此外，积分器需要控制正向积分与反向积分切换的时间，这同样增加了系统的复杂度，无法应用于低成本低功耗的系统中。
发明内容
针对现有技术中环境光抑制方案的缺点，本发明提供了一种光电式烟雾探测器环境光抑制方法及系统，在避免使用复杂的数字逻辑或数字运算的情况下，仍能提供优秀的静态及动态环境光抑制能力。
一方面，本发明提供了一种光电式烟雾探测器环境光抑制方法，所述方法包括以下步骤：
当探测器需要进行检测时，发光二极管D1发光；
接收发光二极管D1发出并由烟雾颗粒散射的光线；
提取出发光二极管D1开启的瞬间产生的上升沿信号，并将提取到的信号输出；
将带输出信号中的峰值进行维持；
探测器在峰值维持的过程中进行采样并完成数模转换。
进一步地，所述发光二极管D1由发光二极管驱动电路驱动发光；
所述发光二极管D1发出的光线由光电接收二极管D2接收；
所述发光二极管D1开启的瞬间产生的上升沿信号由带通滤波器提取和输出；
所述上升沿信号中的峰值由峰值保持电路进行维持。
进一步地，所述方法还包括以下步骤：
发光二极管D1发光前，对电路中的峰值进行清除。
进一步地，所述电路中的峰值由峰值复位电路进行清除。
另一方面，本发明提供了一种光电式烟雾探测器环境光抑制系统，所述系统包括：
驱动模块，用于当探测器需要进行检测时，驱动发光二极管D1发光；
接收模块，用于接收发光二极管D1发出并由烟雾颗粒散射的光线；
提取模块，用于提取出发光二极管D1开启的瞬间产生的上升沿信号，并将提取到的信号输出；
维持模块，用于将带输出信号中的峰值进行维持；
采样模块，用于探测器在峰值维持的过程中进行采样并完成数模转换。
进一步地，所述驱动模块包括发光二极管驱动电路；
所述接收模块包括光电接收二极管D2；
所述提取模块包括带通滤波器；
所述维持模块包括峰值保持电路。
进一步地，所述发光二极管驱动电路包括三极管Q1和第九电阻R9，所述三极管Q1的基极与LED_CTRL相连，集电极与发光二极管D1相连，发射极与第九电阻R9相连；所述发光二极管D1的阳极与电源相连，阴极与三极管Q1的集电极相连；所述第九电阻R9一端与三极管Q1的发射极相连，另一端接地；
所述带通滤波器包括第一运算放大器U1和第二运算放大器U2，所述第二运算放大器U2的同相输入端分别与第二电阻R2和第七电阻R7相连，所述第二电阻R2一端与电源相连，另一端分别与第二运算放大器U2和第七电阻R7相连；所述第七电阻R7的一端分别与第二电阻R2和第二运算放大器U2相连，另一端分别与第十电阻R10和第一运算放大器U1的同相输入端相连，所述第十电阻R10的一端分别与第七电阻R7和第一运算放大器U1相连，另一端接地；所述第二运算放大器U2的反相输入端分别与第二电容C2、第八电阻R8和第五电容C5相连，所述第二电容C2一端与第二运算放大器U2相连，另一端分别与光电接收二极管D2和第五电阻R5相连，所述光电接收二极管D2的阳极分别与第二电容C2和第五电阻R5相连，阴极与第一电阻R1串联后与电源相连，所述第五电阻R5一端分别与光电接收二极管D2和第二电容C2相连，另一端接地；所述第八电阻R8和第五电容C5并联后，分别与第二运算放大器U2的反相输入端和输出端相连；所述第二运算放大器U2的输出端与第三电阻R3和第一电容C1依次串联后，与第一运算放大器U1的反相输入端相连，第六电阻R6和第四电容C4并联后，分别与第一运算放大器U1的反相输入端和输出端相连；
所述峰值保持电路包括二极管D3和第三电容C3，所述二极管D3的阳极与第一运算放大器U1的输出端相连，阴极分别与SMOKE_ADC和第三电容C3相连，所述第三电容C3的一端分别与二极管D3的阴极和SMOKE_ADC相连，另一端接地。
进一步地，所述系统还包括：
清除模块，用于发光二极管发光前，对电路中的峰值进行清除。
进一步地，所述清除模块包括峰值复位电路。
进一步地，所述峰值复位电路包括MOS管Q2和第四电阻R4，所述第四电阻R4的一端与SMOKE_ADC相连，另一端与MOS管Q2的漏极相连，所述MOS管Q2的栅极与SMOKE_RST相连，源极接地。
本发明具有以下有益效果：
本发明能够使用于无光学迷宫的点型光散射式烟雾探测器中，在避免使用复杂的数字逻辑或数字运算的情况下，仍能提供优秀的静态及动态环境光抑制能力。为低成本低功耗的无光学迷宫点型光散射式烟雾探测器提供了现实可行的解决方案。本发明无需复杂的迷宫设计，减少迷宫引起的灵敏度下降及响应时间加长，无需复杂的控制及计算，与传统烟雾探测器成本相当，且可以实现更低的功耗，对动态及静态环境光均有很强的抑制能力，在强环境光干扰下仍能正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中所述的光电式烟雾探测器环境光抑制方法流程示意图；
图2是本发明实施例2中所述的光电式烟雾探测器环境光抑制系统结构示意图；
图3是本发明实施例2中所述的光电式烟雾探测器环境光抑制系统电路结构示意图；
图4是本发明实施例2中的波形图；
图5是本发明实施例2中所述的光电式烟雾探测器结构俯视示意图；
图6是图5中A-A剖视示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的一种光电式烟雾探测器环境光抑制方法，所述方法包括以下步骤：
S1.当探测器需要进行检测时，发光二极管D1发光；
S2.接收发光二极管D1发出并由烟雾颗粒散射的光线；
S3.提取出发光二极管D1开启的瞬间产生的上升沿信号，并将提取到的信号输出；
S4.将带输出信号中的峰值进行维持；
S5.探测器在峰值维持的过程中进行采样并完成数模转换。
所述发光二极管D1由发光二极管驱动电路驱动发光；所述发光二极管D1发出的光线由光电接收二极管D2接收；所述光电接收二极管D2接收发光二极管D1发出并由烟雾颗粒散射的光线，当无烟雾时光电接收二极管D2几乎不会接收到发光二极管D1发出的光线。所述发光二极管D1开启的瞬间产生的上升沿信号由带通滤波器提取和输出；所述上升沿信号中的峰值由峰值保持电路进行维持。
所述方法还包括以下步骤：
S6.发光二极管D1发光前，对电路中的峰值进行清除。所述电路中的峰值由峰值复位电路进行清除。
由于环境光线的变化通常为变化率较小的信号，其频率成分以低频为主。当探测器需要进行检测时，会开启发光二极管D1，如果检测区域内存在烟雾，发光二极管D1发射的部分光线会通过散射进入光电接收二极管。在开启发光二极管D1的瞬间引起光电接收二极管产生一个快速的上升沿，这个上升时间与发光二极管D1的响应时间，发光二极管D1的驱动电流变化速率，光电接收二极管的结电容及电路参数设计有关。这一变化速度会远远大于正常使用中的环境光变化速度。利用合理设计的带通滤波器，可以有效地提取出上升沿的信号，并滤除环境光的相对低频的信号。
由于带通滤波器的存在，当上升沿消失，接受到的光电流变化趋于稳定时，滤波器的输出也将很快回归到基线。通过提高ADC及系统的时钟，可以对这一快速变化的带通滤波器信号进行采样，但这一方面会增加系统的成本及功耗，另一方面也要求系统在处理过程中保持良好的时序工作，不能被其他任务中断。峰值保持电路的引入可以将带通滤波器输出信号中峰值维持一段相对较长的时间，让低速运行的系统有足够的采样时间完成数模转换。
峰值复位电路用于清除保持的峰值，在开启发光二极管D1前对峰值保持电路的值进行清除，从而确保采集到的为当次发光二极管D1开启引起的响应值。这一复位机制同样可以消除因为开关灯或其他发生频率与发光二极管D1开启不同步的环境光快速变化对有用信号的影响。
这一方法带来的另外一个有益效果是可以显著减少发光二极管D1的导通时间。在传统烟雾探测器中，发光二极管D1必须等待信号稳定且ADC完成采样时才能关闭发光二极管D1，所以其导通时间通常需要数十微秒甚至一百多微秒。对于本发明提及的方法，因为关注的是上升沿的信号，发光二极管D1的开启时间可以做到几微秒到十几微秒，大幅减少了发光二极管D1上消耗的能量。
实施例2
如图2、图3和图4所示，本实施例公开了一种光电式烟雾探测器环境光抑制系统，所述系统包括：
驱动模块10，用于当探测器需要进行检测时，驱动发光二极管D1发光；
接收模块20，用于接收发光二极管D1发出并由烟雾颗粒散射的光线；
提取模块30，用于提取出发光二极管D1开启的瞬间产生的上升沿信号，并将提取到的信号输出；
维持模块40，用于将带输出信号中的峰值进行维持；
采样模块50，用于探测器在峰值维持的过程中进行采样并完成数模转换；
清除模块60，用于发光二极管发光前，对电路中的峰值进行清除。
所述驱动模块10包括发光二极管驱动电路；所述接收模块20包括光电接收二极管D2；所述提取模块30包括带通滤波器；所述维持模块40包括峰值保持电路；所述清除模块60包括峰值复位电路。
所述发光二极管驱动电路包括三极管Q1和第九电阻R9，所述三极管Q1的基极与LED_CTRL相连，集电极与发光二极管D1相连，发射极与第九电阻R9相连；所述发光二极管D1的阳极与电源相连，阴极与三极管Q1的集电极相连；所述第九电阻R9一端与三极管Q1的发射极相连，另一端接地；
所述带通滤波器包括第一运算放大器U1和第二运算放大器U2，所述第二运算放大器U2的同相输入端分别与第二电阻R2和第七电阻R7相连，所述第二电阻R2一端与电源相连，另一端分别与第二运算放大器U2和第七电阻R7相连；所述第七电阻R7的一端分别与第二电阻R2和第二运算放大器U2相连，另一端分别与第十电阻R10和第一运算放大器U1的同相输入端相连，所述第十电阻R10的一端分别与第七电阻R7和第一运算放大器U1相连，另一端接地；所述第二运算放大器U2的反相输入端分别与第二电容C2、第八电阻R8和第五电容C5相连，所述第二电容C2一端与第二运算放大器U2相连，另一端分别与光电接收二极管D2和第五电阻R5相连，所述光电接收二极管D2的阳极分别与第二电容C2和第五电阻R5相连，阴极与第一电阻R1串联后与电源相连，所述第五电阻R5一端分别与光电接收二极管D2和第二电容C2相连，另一端接地；所述第八电阻R8和第五电容C5并联后，分别与第二运算放大器U2的反相输入端和输出端相连；所述第二运算放大器U2的输出端与第三电阻R3和第一电容C1依次串联后，与第一运算放大器U1的反相输入端相连，第六电阻R6和第四电容C4并联后，分别与第一运算放大器U1的反相输入端和输出端相连；
所述峰值保持电路包括二极管D3和第三电容C3，所述二极管D3的阳极与第一运算放大器U1的输出端相连，阴极分别与SMOKE_ADC和第三电容C3相连，所述第三电容C3的一端分别与二极管D3的阴极和SMOKE_ADC相连，另一端接地。
所述峰值复位电路包括MOS管Q2和第四电阻R4，所述第四电阻R4的一端与SMOKE_ADC相连，另一端与MOS管Q2的漏极相连，所述MOS管Q2的栅极与SMOKE_RST相连，源极接地。
本发明可用于如图5所示的光电式烟雾探测器。光电管支架D4下方的两侧分别设置有发光二极管D1和光电接收二极管D2。
本实施例及附图中涉及的英文词组解释：SMOKE_RST为峰值保持复位控制信号；LED_CTRL为D1发光驱动信号；ADC_CONV为数模转换时序；BPF_OUT为带通滤波器输出信号；SMOKE_ADC为峰值保持电路输出信号。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种光电式烟雾探测器环境光抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
当探测器需要进行检测时，发光二极管(D1)发光；
接收发光二极管(D1)发出并由烟雾颗粒散射的光线；
提取出发光二极管(D1)开启的瞬间产生的上升沿信号，并将提取到的信号输出；
将待 输出信号中的峰值进行维持；
探测器在峰值维持的过程中进行采样并完成数模转换；
其中，所述发光二极管( D1) 开启的瞬间产生的上升沿信号由带通滤波器提取和输出；
所述方法还包括以下步骤：
发光二极管(D1)发光前，对电路中的峰值进行清除；
所述电路中的峰值由峰值复位电路进行清除；
所述峰值复位电路包括MOS管(Q2)和第四电阻(R4)，所述第四电阻(R4)的一端与SMOKE_ADC相连，另一端与MOS管(Q2)的漏极相连，所述MOS管(Q2)的栅极与SMOKE_RST相连，源极接地。
2.根据权利要求1所述的光电式烟雾探测器环境光抑制方法，其特征在于：
所述发光二极管(D1)由发光二极管驱动电路驱动发光；
所述发光二极管(D1)发出的光线由光电接收二极管(D2)接收；
所述上升沿信号中的峰值由峰值保持电路进行维持。
3.一种光电式烟雾探测器环境光抑制系统，其特征在于，所述系统包括：
驱动模块，用于当探测器需要进行检测时，驱动发光二极管(D1)发光；
接收模块，用于接收发光二极管(D1)发出并由烟雾颗粒散射的光线；
提取模块，用于提取出发光二极管(D1)开启的瞬间产生的上升沿信号，并将提取到的信号输出；
维持模块，用于将待 输出信号中的峰值进行维持；
采样模块，用于探测器在峰值维持的过程中进行采样并完成数模转换；
其中，所述发光二极管( D1) 开启的瞬间产生的上升沿信号由带通滤波器提取和输出；
所述系统还包括：
清除模块，用于发光二极管发光前，对电路中的峰值进行清除；
所述清除模块包括峰值复位电路；
所述峰值复位电路包括MOS管(Q2)和第四电阻(R4)，所述第四电阻(R4)的一端与SMOKE_ADC相连，另一端与MOS管(Q2)的漏极相连，所述MOS管(Q2)的栅极与SMOKE_RST相连，源极接地。
4.根据权利要求3中所述的光电式烟雾探测器环境光抑制系统，其特征在于：
所述驱动模块包括发光二极管驱动电路；
所述接收模块包括光电接收二极管(D2)；
所述提取模块包括带通滤波器；
所述维持模块包括峰值保持电路。
5.根据权利要求4中所述的光电式烟雾探测器环境光抑制系统，其特征在于：
所述发光二极管驱动电路包括三极管(Q1)和第九电阻(R9)，所述三极管(Q1)的基极与LED_CTRL相连，集电极与发光二极管(D1)相连，发射极与第九电阻(R9)相连；所述发光二极管(D1)的阳极与电源相连，阴极与三极管(Q1)的集电极相连；所述第九电阻(R9)一端与三极管(Q1)的发射极相连，另一端接地；
所述带通滤波器包括第一运算放大器(U1)和第二运算放大器(U2)，所述第二运算放大器(U2)的同相输入端分别与第二电阻(R2)和第七电阻(R7)相连，所述第二电阻(R2)一端与电源相连，另一端分别与第二运算放大器(U2)和第七电阻(R7)相连；所述第七电阻(R7)的一端分别与第二电阻(R2)和第二运算放大器(U2)相连，另一端分别与第十电阻(R10)和第一运算放大器(U1)的同相输入端相连，所述第十电阻(R10)的一端分别与第七电阻(R7)和第一运算放大器(U1)相连，另一端接地；所述第二运算放大器(U2)的反相输入端分别与第二电容(C2)、第八电阻(R8)和第五电容(C5)相连，所述第二电容(C2)一端与第二运算放大器(U2)相连，另一端分别与光电接收二极管(D2)和第五电阻(R5)相连，所述光电接收二极管(D2)的阳极分别与第二电容(C2)和第五电阻(R5)相连，阴极与第一电阻(R1)串联后与电源相连，所述第五电阻(R5)一端分别与光电接收二极管(D2)和第二电容(C2)相连，另一端接地；所述第八电阻(R8)和第五电容(C5)并联后，分别与第二运算放大器(U2)的反相输入端和输出端相连；所述第二运算放大器(U2)的输出端与第三电阻(R3)和第一电容(C1)依次串联后，与第一运算放大器(U1)的反相输入端相连，第六电阻(R6)和第四电容(C4)并联后，分别与第一运算放大器(U1)的反相输入端和输出端相连；
所述峰值保持电路包括二极管(D3)和第三电容(C3)，所述二极管(D3)的阳极与第一运算放大器(U1)的输出端相连，阴极分别与SMOKE_ADC和第三电容(C3)相连，所述第三电容(C3)的一端分别与二极管(D3)的阴极和SMOKE_ADC相连，另一端接地。
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