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1.前言

火的合理使用推动了社会发展，但失去控制的火却会给人类带来巨大的生命威胁和财产损失。伴随着城市化和工业化的快速发展，火灾频繁发生，人们对于火灾的防范意识也逐步提高，减少和预防火灾已经成为全人类共同面临的挑战，而火灾探测技术作为预防火灾的重要手段，也一直是人们研究的对象，如何高效、可靠、智能的识别和判断火灾发生初期的火焰是火灾探测技术研宄的重点。传统的火灾探测系统如感温、感烟传感器误报率高，响应时间长，已无法满足现代市场需求。三波段红外火焰探测技术的出现，而本文研究的三波段红外火灾探测器，使用一个红外探测器探测火焰辐射出的 4.0um 波段的红外光谱，另两个红外火焰探测器用来探测火焰环境背景，探测 3.8um 和 5.0um 两个波段，并结合快速傅里叶变换(FFT)提取火焰闪烁频率的方法来识别火焰。

2.国内外研究现状

第一款单波段红外火焰探测器于 1972 年问世，采用了精密的窄带光学滤光系统滤除探测波段外的干扰信号，抑制了阳光辐射的影响。但是单波段红外火焰探测器探测距离小，而且由于它对某些受调制的黑体热源，如来压缩机或自涡轮机的黑体辐射干扰信号比较敏感， 因而误报警率也较高。20 世纪 70 年代，美国休斯航空公司的 RobertJ.Cinzori 和 SantaBarbar 工程师在单波段红外火焰探测技术的基础上，提出了用热探测器和光子探测器结合的红外火焰探测方法。该方案中将火焰光辐射分成长波信号和短波信号，分别由对应的两个传感器接收，其两个输出信号再经放大送入“或非’，逻辑电路。只要热探测器和光子探测器中的任一个检测出相关的火焰信号，系统便输出报警信号。在一定程度上提高了火焰探测器的准确度，但是对周围环境的抗干扰能力还没有得到改善。于是美国佛罗里达州的 Chloride 公司设计了新的双波段红外火焰探测器，设计者 serginSchapira 和 HowardLTufts 同样探测两个波段的光谱辐射，分别是 4.3μm 附近的长波信号(即真实火焰信号)波段和 2.7μm 的短波信号(即主要干扰信号)波段，并设计了相应的报警逻辑电路，使得当长波信号的强度大于短波波段信号强度时系统报警。该双波段火焰探测器一定程度上抑制了外部干扰信号的影响。1990 年，美国贝勒大学化学学院的 Ravishankar 教授等研究人员提出了一种基于色谱分析技术的双波段红外火焰探测器。这种探测器使用分光镜将辐射光谱分离成两个光波段，再利用两个硒化铅传感器感受经滤波后的光波信息，并构成惠斯顿电桥，其输出作为锁相放大器的差分输入。同时提出了三种消减背景噪声的方法:背景相减法、前置放大器增益控制法和光衰减法。测试结果表明，该双波段红外火焰探测器测得的氟利昂 113 浓度的线性动态变化超过45%，探测范围约为 56ng/s，并能有效地抑制来自火焰燃烧中的附加噪声元件对系统的影响。

20 世纪 90 年代，随着火焰探测器的研究进展，科学家们开始研发性能更加优越的三波段红外火焰探测器，以满足更复杂的工业现场的需求。三波段红外火焰探测技术考虑到了探测范围内高温、非燃烧物质存在的影响。由于非燃烧物质的辐射规则遵循普朗克定律，非燃烧物质在 400℃会产生约 4.3 林 m 的 CO:共振峰值，在 1800℃会产生约 2.5μm 的 CO2 共振峰值。针对这两种干扰信号，日本的 TosiakiIkeda 提出了通过检测火焰在 2.5μm 和 4.3μm 产生co2 的共振波峰，在 3.5μm 会产生 co2 共振波谷的方法判断真实火焰的存在，因而整个探测器使用了三个红外传感器分别工作在上述三个波段。这种方法无需设定火焰强度阂值，既简化了系统信号处理电路，又减小了探测器误报警率。日本 Horiba 公司研发的这种红外火焰探测技术成为多波段红外火焰探测器的里程碑，世界各国的研究人员在此基础上进行了多次改进。2000 年，美国 GM 公司将微处理机引入火焰探测器中，实现了火焰检测的数字化控制。美国 Fire seniry 公司于 2003 年又发明了一种数字式的四波段红外火焰探测器，将光谱信号分为微波、近红外波、可见光和 4.3μm 附近的波段，并同样使用了微处理器设计了多级报警系统，四波段探测器达到了更高的探测精度、更远的探测距离。

我国从 20 世纪 70 年代才开始研制并推出火灾探测产品。进入 80 年代后，国内主要厂家引进国外技术迅速发展，并且市场也刚刚开始形成，但是市场占有率和自主产权较少。火灾报警产品真正发展是在 90 年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也不断推动市场的成熟。这时期我国的火灾报警企业大量出现，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩。如今，我国广泛运用的红外火焰探测系统正处在从传统双波段红外火焰探测系统向三波段红外火焰探测系统过渡的过程。传统双波段红外火焰探测系统易被干扰，若经长期阳光照射或生物热源经过，很有可能发生误报，即便有某些抗干扰能力强的双波段红外火焰探测器，它们的灵敏度和探测距离也会大大降低，故双波段红外火焰探测系虽然价格较低却应用范围小，这种类型的红外火焰探测器虽能满足国家标准 GB15631-1995，却已不在是主流产品。现阶段国内大多数厂家都在研发三波段红外火焰探测系统，例如国内的汉生 XO-GAM1124，可检测距离 50 米且不会对电焊光,卤素灯，太阳光等物质做出误报反应。如何在现有技术的基础之上提高探测器的探测灵敏度、探测距离、探测范围、可靠性并且降低误报警率和提高探测器在不同复杂环境下的自适应能力成为我国火灾探测器的研究方向。

3.基于STM32 的三波段红外火灾探测器的整体设计

热释电红外传感器安装在屏蔽外壳中，外壳的作用是使传感器与周围空气具有良好的热绝缘，避免传感器受到周围空气的扰动，增强稳定性，同时也屏蔽掉环境中的电磁干扰。红外光学系统的作用是汇聚传感器视场中的红外辐射，提高信号的幅度，增大传感器的探测距离。信号放大电路将传感器输出的微弱信号进行低通放大，得到幅值合适的火灾信号波形。信号经 A/D 转换和数据采集卡进入火灾探测控制主机，主机采集到信号后进行预处理，主要是数字滤波和离散傅立叶变换，之后从原始波形和频谱中提取若干特征值作为火灾识别算法的输入数据，识别算法根据事先设计好的规则对发生火灾的概率做出判断，从其输出结果即可得知是否发生火灾。

本系统总体分为三大部分，即信号采集、信号分析和显示部分。

1、信号采集部分为温度采集电路、火焰数据采集电路与按键电路。主要采集当前检测的温度信息，火焰信息与按键的控制信号。将信息反馈给单片机。

2、信号分析部分由 STM32F103C8T6 单片机进行数据处理，通过 FFT 处理并分析比对当前阈值，判断是否真火。并把当前数据利用串口发送给上位机软件。

3、信号显示为显示电路。显示单片机发来的实时的温度火焰数据信息。

 

4.结论

火焰检测一直是当前的主要问题，由于各种干扰原因，火焰检测一直会受到假火信号。为了解决这个问题，本论文所研究设计三波段红外火焰探测系统，经过阅读大量资料和不断的实验探索，设计了基本的硬件电路，并对控制和调试进行了软件编程，得出以下结论：系统总体框架基本可行，能够实现必要的功能；本设计完成了火焰检测系统的构建，采用的微控制器是 STM32C8T6 单片机，同时利用温度传感器检测当前温度，火焰传感器的信号传输至单片机，利用单片机判断温度阈值与火焰信息。使用当时唯一的单片机定时器，定时采样采集到的数据，通过 FFT 转化频域分析。当判定为有火焰时，则驱动警报器进行报警提示。但是系统还存在一些问题需要进一步完善。 目前只是通过简单的阈值判断，当前的火焰特征，后续需要加强分析能力。

 

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