摘 要

首先，本文对火焰燃烧辐射光谱进行了分析。通过对火焰辐射光谱的分析确立了需要检测的火焰辐射波段。然后，通过对环境中可能存在的干扰成分进行光谱分析，从而确立了另外两个需要检测的红外波段。

其次，本文随后提出了两种四波段火焰探测器的设计方案，并对这两种方案进行了比较从而确立了最终的设计方案。然后对方案中涉及到的硬件电路做出了具体的介绍，包括具体的电路原理图和各部分电路的功能。之后介绍了火焰探测器的软件部分，着重阐述了火焰识别算法的设计原理。至此，本文就完成了以MSP430f149为核心的四波段火焰探测器的论述。

最后，本文对本次设计的实物进行了测试，并对实物所存在的问题进行了分析。

关键词：四波段火焰探测；放大滤波；AD转换；火焰信号处理算法

Abstract

Firstly, the radiation spectra of flame combustion are analyzed. The Flame radiation band needed to be detected was established by analyzing the spectrum of flame radiation. Then, by analyzing the possible interfering elements in the environment, the other two infrared bands which need to be detected are established.

Secondly, the design scheme of two kinds of four-band flame detectors is proposed, and the final design scheme is established by comparing these two schemes. Then the hardware circuits involved in the scheme are introduced in detail, including the circuit schematic diagram and the functions of each part of the circuit. After introducing the software part of the flame detector, the design principle of the flame recognition algorithm is emphatically expounded. At this point, the thesis completes the discussion of four-band Flame detector based on MSP430f149.

Finally, this article has carried on the test to the real object of this design, and has carried on the analysis to the question which in kind exists.

Keywords: Four-band Flame detection; Amplification Filter; ADC; Flame Signal Processing algorithm

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究内容 2

第二章 火焰探测原理分析 3

2.1火焰探测原理分析 3

2.2 火焰闪烁频率分析 4

第三章 火焰探测器系统总体方案设计 6

3.1 火焰探测器设计方案的提出 6

3.2 火焰探测器设计方案的比较 7

第四章 火焰探测器系统硬件电路设计 8

4.1 红外传感器和处理电路分析 8

4.1.1红外传感器的选择和原理分析 8

4.1.2 红外部分信号处理电路的设计 9

4.2 紫外传感器和信号处理电路分析 11

4.2.1 紫外传感器的选用和原理分析 11

4.2.2 紫外部分信号处理电路设计 12

4.3 处理器的选择和分析 13

4.4蜂鸣器和LED报警电路设计 15

4.5 供电电路分析 16

第五章 火焰识别算法与探测器软件设计 17

5.1软件部分总体设计 17

5.2 三波段红外部分软件设计 17

5.2.1 三波段红外软件总体设计 17

5.2.2红外火焰识别算法分析 18

5.2.3 三波段红外AD转换程序分析 19

5.3 紫外部分软件设计 20

5.4 蜂鸣器报警程序的设计 20

第六章 火焰探测器实物展示 21

第七章 总结 25

参考文献 26

致谢 27

1. 绪论

1.1课题研究背景和意义

随着我国工业的快速发展，火灾检测的重要性已经逐渐突显出来。近些年来，工业现场火灾事故频发，这使得新的火灾检测技术的研发已经迫在眉睫。

在火灾检测的领域里，最早开始运用的是烟雾型火灾探测系统和温度型火灾探测系统。烟雾型火灾探测系统是根据火灾产生的烟雾颗粒来进行检测的，而温度型火灾探测器则是根据火灾引起的温度变化来进行检测的。这两种火灾检测系统都存在一些明显的的缺点，首先是误报率比较高。其次是响应速度比较慢，往往当其报警时，火灾已经造成了比较大的破坏。为尽量减少以上因素的影响，一种崭新的火灾检测方式也就应运而生：通过检测火焰辐射产生的光谱进行火灾检测。这种检测方式火灾报警正确率远高于感烟和感温型火灾检测系统，而且检测速度极快，火灾一经出现便立马会报警^[10]。

由于火灾所具备的这么多的有点，可想而知其应用场景将非常广泛。除了一些禁止火焰的场所比如油气存储站和工业仓库之外，一些时刻有火焰产生的场所也是可以使用的。相比于最初的感烟和感温探测方式，火焰探测器由于是直接检测火焰自身而不是检测火焰所带来的附加效应因而准确性和响应快速性等指标都会有明显的提高。随着火焰探测器技术的日益成熟，其将慢慢不仅仅局限于工业领域的使用，将会迈入寻常百姓家。

1.2国内外研究现状

首先就国内而言，虽然我国在火焰检测技术研发这一块起步比较晚，但在进入21世纪之后就对其进行了足够的重视。1995年国家技术监督局颁布了《GB 15631-1995点型红外火焰探测器性能要求及试验方法》国家标准^[11]，该标准涵盖了许多内容。首先，其不仅给出了单波段红外火焰探测器的强制性标准和推荐性标准并且还提出了一套单波段火焰探测器的性能测试方法。该方法以强制的口吻规定性能测试应该包括一致性实验、方位实验、重复性实验以及低温实验。其次，其在技术层面上也就一些参数提出了强制要求，比如响应阈值分布一致性、重复性、电源参数等等。该标准一直沿用了10多年，直到2008年才由属于公安部的沈阳消防研究所进行了修订，也就是《GB15631-2008特种火灾探测器》国家标准^[5]。该标准较比之前的标准而言其设计的火灾探测器有所增加，比如加入了对图像火灾探测器的要求。除此之外，为顺应科技的发展，新的标准中还添加了最新的电磁兼容性要求。随着国家标准的日趋成熟和完善，火焰探测技术也得到了飞跃式的发展。尤其是国内一些知名高校逐渐取得了一些成果，其中做的最好的当属中国科技大学的火灾科学国家重点实验室。还有一些如上海交大、西安交大等高校也做了不少的研究^[12]。到目前为止，虽然都取得了一些成绩，但还是存在报警准确性不高、快速响应能力不够等不足。

国外火灾探测技术相对已经比较成熟。第一款单波段红外火焰探测器在1972年产生，该款火焰探测器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，很好的克服了阳光辐射的影响。这款单波段红外火焰探测器存在探测距离小的缺点，而且容易受到受调制的黑体热源的影响，因而在空间比较大的工业生产现场一般都很少使用。为了应对更加复杂的工业生产环境，在20世纪70年代末，美德两国的相关研究人员提出了双波段红外火焰检测技术^[15]。该检测技术是通过两个火焰传感器分别检测火焰辐射和背景环境辐射，从而将检测到的数据与火焰特征数据库进行对比。当两者相似度很高的话，就可以判断有火焰产生，发出报警信号。双波段火焰探测器相比于单波段火焰探测器，在可靠性上得到了一定程度上的改进。为了进一步减小火焰探测器的误报率，美国休斯航空公司的Robert J.Cinzori和Santa Barbar工程师提出了一种新的火焰探测方法：将热探测器和光子探测器相结合的方法^[11]。分别接收火焰光谱的短波和长波信号，在通过放大电路之后输入“或非门”电路。只要两个探测器中的任何一个能够检测到信号，便开始报警。虽然通过这种方式能够提高探测器的灵敏度，但是其抗干扰的能力并没有得到显著的增强。20世纪90年代，此时火焰探测技术已经发展到一个比较成熟的时候，三波段、四波段火焰探测器也就自然而然被研发出来了。至今为止，火焰探测器不断被改良，其可靠性、响应速度也逐渐被提升。而且在微处理器潮流的推动下，将火焰探测器与视频火焰探测技术相结合也成了当今乃至未来火焰探测器发展的主流趋势。

1.3课题研究内容

本次课题主要研究的时间四波段火焰探测器的设计。在硬件电路部分，主要是设计三波段红外通道的信号处理电路和紫外光电管输出信号整形电路。在软件部分，最主要的是运用火焰识别算法对三波段红外通道信号进行处理，从而判断红外部分是否有火焰产生，再与紫外部分的判断结果进行逻辑与最后的出最终结论。除了软件和硬件之外，本文还对设计所使用到的红外传感器和紫外传感器进行了比较细致的分析。

1. 火焰探测原理分析

本文所设计的四波段火焰探测器是通过分别检测化合物燃烧产生的红外光谱和紫外光谱从而实现火焰检测的目的。然而由于可燃物燃烧后产生的物质非常复杂，因此往往会产生比较复杂的辐射光谱。除此之外，在环境中还存在着许多其他的辐射光谱对火焰光谱造成比较严重的干扰。综合以上因素，接下来对火焰辐射光谱的分析就显得非常的有必要了。通过下面的分析，就可以充分了解火焰燃烧和辐射信号光谱的特点，从而确认我们所需要检测的火焰频谱的波段。

2.1火焰探测原理分析

本文所研究的四波段火焰探测器要监测的波段涉及到红外和紫外范围内的4个不同波