Датчик дыма

[ro_mic]

Добрый вечер!
Хочу попросить совета по разработке датчика дыма. Суть вопроса в следующем. Имеется приведенная мною часть схемы, которая отвечает за измерение уровня задымленности в дымовой камере датчика (smoke_chamber). Данная схема полностью работоспособна за исключением одного нюанса, который состоит в том, что на выходе операционного усилителя присутствует постоянная помеха в виде синусоиды частотой 30-35 кГц и амплитудой 5 – 40 мВ в зависимости от образца изделия. Указанная помеха очень сильно мешает проведению измерений, поскольку ее уровень и частота отличаются от образца к образцу, да и вообще она мешает проведению точных измерений. Проблема состоит в том, что я не могу идентифицировать источник данной помехи и поэтому прошу совета по ее устранению.
В качестве источника помехи рассматривались фотодиод и источник питания, но оказалось, что они не являются таковыми (вместо фотодиода устанавливался резистор, в качестве источника питания применялись две последовательно включенные батареи по 1,5 В). Уменьшение коэффициента усиления операционного усилителя уменьшает уровень помехи, но не устраняет ее совсем.
Вместо приведенного на схеме операционного усилителя используется аналог AD8591 (в том же включении пробовал LM2904 и LM4520 ситуация похожая).
Если есть мысли по устранению указанной помехи, то прошу Вас по возможности ими поделиться. Возможно, у кого, то есть опыт в разработке подобных устройств. Так же рассмотрю варианты других схем включения операционных усилителей, которые будут годны для усиления сигналов с низкой амплитудой и способных функционировать в режиме микропотребления тока. На данный момент потребление всей схемы составляет порядка 200 мкА.

Спасибо.

-- Прилагается рисунок: --

[alexgap]

Я обычно решаю подобные проблемы так - модулирую сигнал излучающего диода импульсами определенной частоты (чаще всего 312.5 Гц), это так называемый пилот-сигнал. Затем сигнал с фотоприемника подаю на вход АЦП, и в программном обеспечении микроконтроллера сигнал после оцифровки АЦП попадает на вход цифрового полосового фильтра, настроенного ровно на частоту пилот-сигнала. В итоге система становится помехоустойчивой, так как воспринимаются только сигналы нужной частоты, все остальные подавляются.

Самая хитрая часть здесь это математика цифрового полосового фильтра/детектора. Я использую алгоритм Горцеля (Goertzel), который является очень частным случаем преобразования Фурье. Полное описание алгоритма тут http://en.wikipedia.org/wiki/Goertzel_algorithm. Если частоту дискретизации АЦП выбирать в 4 раза большей чем требуемая частота фильтра, то большие формулы сокращаются до нескольких простейших операций целочисленного сложения/вычитания. Операцию возведения в квадрат можно с натяжкой опустить (но если позволяют вычислительные мощности, то я очень не рекомендую опускать, так как математически это неправильно). Вот пример такого фильтра и амплитудного детектора по совместительству:

// Цифровой фильтр, настроенный на частоту в 4 раза меньшей частоты дискретизации.

static int8_t Q1, Q2;

static void ProcessSample(int8_t sample)
{
	int8_t q0 = sample - Q2;
	Q2 = Q1;
	Q1 = q0;
}

static uint16_t GetSquaredMagnitudeAndReset()
{
	const uint16_t x =
		static_cast‹int16_t›(Q1) * Q1 +
		static_cast‹int16_t›(Q2) * Q2;
	// Сброс.
	Q1 = Q2 = 0;
	return x;
}

Использование кода простое:
1. Для каждого отсчета, полученного из АЦП вызывается процедура ProcessSample(x). Значение отсчета х очень желательно нормировать относительно 0, это повысит точность.
2. После определенного количества обработанных отсчетов (чем больше тем лучше, начиная от 20 можно получать удовлетворительные результаты) вызывается функция GetSquaredMagnitudeAndReset(), которая возвращает значение амплитуды сигнала на заданной частоте. Значение амплитуды представлено значением в квадрате, чтобы избежать вычисления квадратного корня.
3. Если нужно несколько замеров то дальше все повторяется с пункта 1.

Для надежности я бы еще поставил цифровой мажоритарный фильтр чтобы устранить случайные срабатывания (реализованный в программном обеспечении, конечно же).

И еще: я не вижу в вашей схеме фильтра низких частот после ОУ и перед входом АЦП (если конечно это у вас вход АЦП). Это был бы очень большой просчет, так АЦП будет перегружаться гармониками сигнала, которые выше половины частоты дискретизации. Я чаще всего использую RC-фильтр первого порядка с частотой среза f = f_дискретизации / 2 по уровню -3 dB, что есть минимальной и в большинстве случаев достаточной классикой.

[atlab]

30-35 кГц и амплитудой 5 – 40 мВ

Это очень похоже на самовозбуждение ОУ.
На схеме нет конденсаторов на питании ОУ и на делителе, обеспечивающем рабочую точку ОУ. Как насчет поставить?

Я обычно решаю подобные проблемы так - модулирую сигнал излучающего диода импульсами определенной частоты (чаще всего 312.5 Гц)

Для пожарного извещателя это не подойдет: низкая частота, да еще формировать пачку импульсов - потребление будет слишком высоким. Уже сейчас схема у спрашивающего потребляет 200 мкА, а желательно раза в 2 меньше.

[yarunt]

Добрый вечер!
Хочу попросить совета по разработке датчика дыма. Суть вопроса в следующем. Имеется приведенная мною часть схемы, которая отвечает за измерение уровня задымленности в дымовой камере датчика (smoke_chamber). Данная схема полностью работоспособна за исключением одного нюанса, который состоит в том, что на выходе операционного усилителя присутствует постоянная помеха в виде синусоиды частотой 30-35 кГц и амплитудой 5 – 40 мВ в зависимости от образца изделия. Указанная помеха очень сильно мешает проведению измерений, поскольку ее уровень и частота отличаются от образца к образцу, да и вообще она мешает проведению точных измерений. Проблема состоит в том, что я не могу идентифицировать источник данной помехи и поэтому прошу совета по ее устранению.
В качестве источника помехи рассматривались фотодиод и источник питания, но оказалось, что они не являются таковыми (вместо фотодиода устанавливался резистор, в качестве источника питания применялись две последовательно включенные батареи по 1,5 В). Уменьшение коэффициента усиления операционного усилителя уменьшает уровень помехи, но не устраняет ее совсем.
Вместо приведенного на схеме операционного усилителя используется аналог AD8591 (в том же включении пробовал LM2904 и LM4520 ситуация похожая).
Если есть мысли по устранению указанной помехи, то прошу Вас по возможности ими поделиться. Возможно, у кого, то есть опыт в разработке подобных устройств. Так же рассмотрю варианты других схем включения операционных усилителей, которые будут годны для усиления сигналов с низкой амплитудой и способных функционировать в режиме микропотребления тока. На данный момент потребление всей схемы составляет порядка 200 мкА.

Спасибо.

Вам нужно контролировать наличие дыма или уровень задымленности? Если первый случай то можно дважды мерять общий фон яркости на ФД только второй раз с включеным ИК светодиодом,разница между этими измерениями будет индикатором дыма
http://www.remexpert.com/ipb/index.p...blog&blogid=8&
7 топик в низ

-- Прилагается рисунок: --

[ro_mic]

Добрый вечер, Коллеги!

Спасибо большое всем, кто принимает участие в обсуждении моей проблемы.

1. К сожалению, применять алгоритмы цифровой обработки сигнала нет никакой возможности по причине того, что для этого придется большое количество времени держать схему в активном режиме, что приведет к существенному увеличению потребления тока.
2. Совет по использованию фильтра низких частот после операционного усилителя считаю разумным, конечно же, его поставлю.
3. На данный момент основную часть времени микроконтроллер (MSP430F2012) тактируется от кварца частотой 32 кГц и по прерываниям от таймера (каждые 90 мкс) и одного внешнего переводится на работу от внутреннего генератора настроенного примерно на 1 мГц.
4. Большое потребление тока (200 мкА) вызвано тем, что датчик является адресным, т.е. обменивается с центральной станцией по специально разработанному протоколу (протокол позволяющий передавать по двухпроводной линии связи, которая одновременно является и питающей (24В), состояние датчика). Опрос каждого из датчиков (общее количество до 127) производится 1 раз в 2 секунды. Соответственно измерение уровня задымленности производится так же 1 раз в 2 секунды. Для измерения задымленности на операционный усилитель подается напряжение питания с ножки микроконтроллера на время 13,5 мс (этого времени достаточно для устранения влияния переходных процессов), далее производится включение светодиода в дымовой камере на время 100 мкс (в течение этого времени снимается 26 отсчетов АЦП (10 разрядов), первые 10 отсчетов отбрасываются по остальным на данном этапе производится усреднение). Первые 10 отсчетов отбрасываются по причине того, что фотодиод обладает собственной емкостью и необходимо время до его выхода на «рабочий режим». Естественно при старте датчика (при включении питания) и через каждый час измеряется уровень «фона» в дымовой камере (проводятся серии измерений при выключенном и включенном светодиоде дымовой камеры, вычисляется их разница, далее на этом фоне измеряется уровень задымленности).
5. Возможность самовозбуждения операционного усилителя мною, конечно же, была рассмотрена да и сейчас рассматривается. Непонятно почему все испытываемые мною операционные усилители в данной схеме включения ведут себя одинаково. Напомню, что изменение (уменьшение) коэффициента усиления изменяет (уменьшает) уровень помехи. Приведенная схема включения операционного усилителя взята из родной документации Texas Instruments. Если это самовозбуждение, то хочется понять причину. На первоначальном этапе в качестве причины помехи рассматривался кварц микроконтроллера, поскольку частот практически совпадала (32 кГц). Схема измерения была собрана отдельно и запитана постоянно, помеха в наличии.
6. Конденсатор на питание операционного усилителя (соответственно и на делитель) устанавливался, разницы в поведении схемы нет. На разведенной печатной плате указанный элемент присутствует.
7. На данном этапе мне необходимо контролировать уровень задымленности, а не просто наличие дыма, по этой причине измерения должны быть максимально точными. Датчик будет передавать (передает и сейчас, но неточно) центральной станции уровень задымленности в относительных единицах по упомянутому выше протоколу обмена. Чувствительность датчика должна быть очень высокой, образно говоря, он должен чувствовать дым, не видимый визуально, но ощущаемый по запаху. Чувствительность подобных датчиков регламентируются нормами пожарной безопасности.
8. Потребление тока 200 мкА для адресного датчика считаю приемлемым результатом, поскольку много программных ресурсов и соответственно энергии тратится на осуществление обмена по протоколу. В обычных не адресных датчиках нам удается получить потребление менее 100 мкА.
9. Идеальным вариантом считаю не борьбу с помехой а с причиной ее появления, которую, к сожалению, не могу обнаружить.
10. Кроме приведенной в начале схемы включения использовалась и сейчас используется другая (используемые усилители LM4250 и К1407УД2Т). К сожалению в ней так же присутствует упомянутый эффект.

Спасибо.

-- Прилагается рисунок: --

[atlab]

Контора, на которую ты работаешь серийно выпускает датчики? Какие?
И усилитель в этих датчиках построен по приведенной схеме?

Ты же сам себе ответил на вопрос "в чем проблема":

"...Напомню, что изменение (уменьшение) коэффициента усиления изменяет (уменьшает) уровень помехи"

Продолжи логически: следовательно нужно еще снизить коэффициент усиления, чтобы убрать самовозбуждение.

А дальше ты попадаешь в классический круг оптимизации параметров схемы дымового извещателя:
- стоимость комплектующих
- потребляемый ток
- чувствительность усилителя
- устойчивость к помехам
- мощность ИК излучателя
и ходишь по этому кругу, пока не получишь работающий датчик с приемлемыми потреблением и себестоимостью.

Твоя схема не годится для серийного датчика.
Ты проверял ее на помехоустойчивость?
Если к ней просто поднести руку, как меняются показания?
А если разместить рядом с лампой дневного света, или, хотя бы, накаливания ватт на 150?

Первая схема, что я нарисовал, выглядела примерно так же - как в умных книжках.
Схема датчика, который пошел в серийное производство, была 8-й или 10-й по счету и не похожа на первую.

P.S. Я от этих дел отошел уже лет 5 назад. Но интересное было время...
До сих пор где-то дома валяются автономный извещатель с дистанционной проверкой лазером, микропотребляющий (среднее потребление примерно 30-35 мкА), прототип адресного, ну и тот, обычный, что пошел в серию... Э-хе-хе, молодость...

[alexgap]

Вот подумал еще, что может там рядом с вами мощный передатчик находится. Тогда фотодиод может выполнять роль паразитного амплитудного детектора. Попробуйте между входами ОУ (параллельно фотодиоду) поставить фильтрующий конденсатор небольшой емкости (100-1000 пф), это устранит ВЧ наводку на цепи возле диода.

[ro_mic]

Добрый вечер, Коллеги!

1. Да, мы действительно серийно выпускаем пожарные извещатели. В линейке нашей продукции существуют следующие изделия:
Неадресный дымовой оптический пожарный извещатель.
Неадресный ручной пожарный извещатель.
Автономный дымовой оптический пожарный извещатель.
Адресная панель пожарной сигнализации со следующим набором периферийных устройств:
Адресный дымовой оптический пожарный извещатель
Адресный тепловой максимально-дифференциальный пожарный извещатель.
Адресный ручной пожарный извещатель.
Адресный концентратор безадресных извещателей.
2. Последняя приведенная мною схема используется в адресном дымовом пожарном извещателе. Ее помехоустойчивость является достаточной при условии использования усилителя LM4250 (его российский аналог К1407УД2Т работает гораздо хуже). На данном этапе разрабатывается не просто адресный дымовой оптический извещатель, а адресно-аналоговый, где требования к стабильности работы измерительной части схемы выше. Не спорю, что указанная схема не является идеальной, она мне досталась по наследству, я писал только математику. По причине того, что работа указанной схемы меня не совсем удовлетворяет, прошу совета по ее корректировке.
3. На начальном этапе я тоже считал, что источником помехи является фотодиод, но как оказалось без него схема ведет себя так же. Но все равно, спасибо за совет, поскольку других мыслей у меня на данном этапе нет, завтра попробую еще раз провести эксперимент. По результатам напишу.

Спасибо.

[atlab]

... Не спорю, что указанная схема не является идеальной, она мне досталась по наследству, я писал только математику. По причине того, что работа указанной схемы меня не совсем удовлетворяет, прошу совета по ее корректировке..

1. Совет уже дан: отказаться от этой схемы, она не будет работать.
А чем не устраивает на LM4250, если вы на ней уже делаете извещатели?

2. Производство адресно-аналогового ИП в первую очередь означает, что на предприятии разработана методика точной и повторяемой регулировки чувствительности извещателя. Без этого, делать такой извещатель бессмысленно.
У вас есть в линейке продукции датчик, для которого
в характеристиках указано конкретное значение чувствительности (например 0,14 дБ/M +- 0,02) а не ворота 0,05-0,2?
Если такого датчика нет, ваша затея с адресно-аналоговым датчиком не имеет смысла: любой грамотный покупатель это сразу поймет и не будет их покупать.
Впрочем, это уже не имеет прямого отношения к обсуждаемому вопросу.

P.S. Ваша контора "Планета ОПС"? Что, в Москве закончились схемщики, или "в условиях кризиса" решили поэкономить? Так в перспективе эта экоомия вам боком выйдет...

[awtoap]

Попробуйте просто увеличить ёмкость С2 скажем до 100pf или больше.