专利名称：带扬声器驱动的低电压感烟探测器芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种感烟探测器芯片，尤其是一种带扬声器驱动的低电压感烟探
测器芯片。
背景技术：
感烟火灾探测器可以提供早期报警，是目前使用最广泛的一种探测器。光电式感烟探测器因对阴燃火烟雾探测性好而得到广泛应用。光电式感烟探测芯片是光电感烟探测器的核心设备，目前使用的光电感烟探测芯片多为上世纪设计开发的，因受当时制造技术和电池容量限制而使用较高电压(9V)的专用电池作为电源供电，给系统集成、电池更换带来不便，并且不利于环保；其次随着火灾探测技术发展和安防要求的提高，旧的光电式感烟探测芯片将渐渐不能满足实际使用要求，如缺少误报警手动消音功能等。[0003] 设计出使用较低电压供电并集成新功能的系统可以改进以上所述不足。需要克服几项技术瓶颈1.低功耗，低电压电池容量相对较小，为满足系统工作时间强制规范，必须在保证系统工作灵敏度的情况下尽量降低设计功耗；2.较高的扬声器驱动电压，为了光电感烟探测器报警响度符合强制规范，芯片扬声器驱动端口输出电压必须达到一定幅度(高于供电电源电压)，需在芯片中集成低功耗的扬声器升压驱动模块。此方面尚未出现相关技术。
实用新型内容本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种带扬声器驱动的感烟火灾探测器芯片，作为光电式感烟探测器的核心部件。其使用较低电压(3 6V，典型值4.5V)的电池供电，周期性自检和探测环境中烟尘，当系统状态异常或烟尘浓度达到或超过预设安全阈值时可驱动芯片外部电路扬声器发出警报，此外系统在报警时还提供定时复位的手动消音功能。 按照本实用新型提供的技术方案，带扬声器驱动的感烟火灾探测器芯片，包括用于提供电源电压无关的稳定参考电压的阈值基准模块、提供芯片时钟信号的时钟电路模块、报警逻辑模块、可变增益放大器模块和时序控制逻辑模块。 在所述可变增益放大器模块的光电检测电压输入端连接光电检测输入接口 ，可变
增益放大器模块的增益选择输入端与时序控制逻辑模块的增益选择输出端连接，可变增益
放大器模块的放大电压输出端与第一比较器模块的第一比较电压输入端连接； 所述阈值基准模块的第一阈值电压输出端连接第一比较器模块的第二比较电压
输入端，第一比较器模块的输出端与报警逻辑模块的光电检测结果输入端连接； 阈值基准模块的第二阈值电压输出端与第二比较器模块的第一比较电压输入端
连接，第二比较器模块的第二比较电压输入端与电池电压输入接口连接；第二比较器模块
的输出端与报警逻辑模块的电压自检结果输入端连接； 阈值基准模块的控制输入端与时序控制逻辑模块的基准时序控制输出端连接；[0010] 所述报警逻辑模块的报警输出端口与扬声器驱动电路的报警使能输入端连接；报
警逻辑模块的电平输出端口分别与低端10 口、LED驱动接口连接； 时序控制逻辑模块的光电检测结果输入端与第一比较器模块的输出端连接； 所述扬声器驱动电路的消音使能输入端与消音逻辑模块的消音输使能出端连接； 扬声器驱动电路的驱动输出端与片外的扬声器连接；消音逻辑模块的手动消音使能输入端 与消音触发输入接口连接； 所述时钟电路模块的时钟输出端分别连接时序控制逻辑模块的时钟输入端、消音 逻辑模块的时钟输入端以及报警逻辑模块的时钟输入端。 所述扬声器驱动电路包括升压电路，用于将信号升压后输出到扬声器驱动电路的 驱动输出端；所述升压电路正常状态下不工作，仅当报警逻辑模块使能时才升压产生扬声 器驱动信号。 所述芯片提供测试模式，即手动使得可变增益放大器模块置于高增益状态，并在 光电检测接口处输入模拟有烟环境的探测信号，对芯片进行检测。 所述消音逻辑模块仅当报警逻辑模块使能时工作，当接收到消音触发输入接口输 入的消音触发信号后，切断报警逻辑模块和扬声器驱动电路的连接，并在一段时间后恢复 连接。 所述芯片使用较低电压的电池供电，所述较低电压为3 6V，典型值为4. 5V。 本实用新型使用于感烟火灾探测器中，具有以下优点 1.使用较低电压供电，可使用普通干电池供电，更换方便，节能环保； 2.更准确、可靠的火灾探测报警功能； 3.芯片具有消音使能接口，可根据需要手动关断报警，并定时恢复。
图1是本实用新型电路原理图。 图2是光电式感烟室的结构图。 图3是三次比较法的状态转换图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。 本实用新型主要应用于点型光电式感烟火灾探测器中，点型光电感烟火灾探测器 多为散射型光电感烟探测器。如图2所示，此种探测器的检测室内亦装有发光元件和受光 元件，在正常情况下，受光元件是接受不到发光元件发出的光的，因此不产生光电流；在火 灾发生时，当烟雾进入探测器的检测室时，由于烟雾离子的作用，使发光元件发射的光产生 漫射；这种漫射光被受光元件所接受，使受光元件阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了 将环境烟尘浓度转变成电信号的功能。环境烟尘浓度所转换后的电压信号被送至本实用新 型的光电检测输入接口。 如图1所示，本实用新型所述芯片包括可变增益放大器模块101、阈值基准模块 501 、第一 比较器模块201 、第二比较器模块601、扬声器驱动电路701 、时钟电路模块901 、消 音逻辑模块801、时序控制逻辑模块401、报警逻辑模块301。在时序控制逻辑模块401的控制下可变增益放大器模块101将光电检测输入电压信号选用适当的增益放大后送至第一 比较器模块201中与阈值基准模块501输出电压进行比较，检查是否发生异常；在时序控制 逻辑模块401的控制下将电池电压输入第二比较器模块601中与阈值基准电压作比较，进 行电压自检。检查结果都输入到报警逻辑模块301中，报警逻辑模块301作相应响应如直 接驱动LED发光或使能扬声器驱动电路701中的升压电路702驱动片外扬声器。 所述时钟电路模块901是一套RC振荡电路，为芯片提供时钟频率。为了满足低功 耗要求，振荡频率较低(周期设定10ms左右)。 所述消音模块给芯片集成了消音和定时复位功能。光电式火灾感烟探测器易发生 误报警，当报警时可人为输入触发静音功能后，扬声器驱动信号会被关断适当时间后再打 开。 在所述可变增益放大器模块101的光电检测电压输入端l-a连接光电检测输入接 口，可变增益放大器模块101的放大器增益选择输入端l-b、l-c与时序控制逻辑模块401 的增益选择输出端4-d、4-e连接，可变增益放大器模块101的放大电压输出端l-d与第一 比较器模块201的第一比较电压输入端2-a连接； 所述阈值基准模块501的第一阈值电压输出端5-c连接第一比较器模块201的第 二比较电压输入端2-b，第一比较器模块201的输出端2-c与报警逻辑模块301的光电检测 结果输入端3-a连接； 阈值基准模块501的第二阈值电压输出端5-b与第二比较器模块601的第一比较 电压输入端6-a连接，第二比较器模块601的第二比较电压输入端6-b与电池电压输入接 口连接；第二比较器模块601的输出端6-c与报警逻辑模块301的电压自检结果输入端3-e 连接； 阈值基准模块501的控制输入端5-a与时序控制逻辑模块401的时序控制输出端 4-a连接； 所述报警逻辑模块301的报警输出端口 3-f与扬声器驱动电路701的报警使能输 入端7-a连接；报警逻辑模块301的电平输出端口 3-c、3-d分别与低端10 口、 LED驱动接 口连接； 时序控制逻辑模块401的光电检测结果输入端4-c与第一比较器模块201的输出 端2-c连接； 所述扬声器驱动电路701的消音使能输入端7-e与消音逻辑模块801的消音输使
能出端8-c连接；扬声器驱动电路701的驱动输出端7-b、7-c、7-d与片外的扬声器连接；消
音逻辑模块801的手动消音使能输入端8-b与消音触发输入接口连接； 所述时钟电路模块901的时钟输出端9-a、9-b、9-c分别连接时序控制逻辑模块
401的时钟输入端4-b、消音逻辑模块801的时钟输入端8-a以及报警逻辑模块301的时钟
输入端3-b。
可变增益放大器模块101 :主要功能是将光电检测输入接口输入的电压适当放大
后输出到第一比较器模块201，放大器增益受时序控制逻辑模块401控制。 第一比较器模块201 :主要功能是将经可变增益放大器模块101放大后的光电检
测结果与阈值基准模块501输出结果进行比较，并将比较结果输出到报警逻辑模块301中。 第二比较器模块601 :主要功能是将电池电压输入与阈值基准在第二比较器模块中进行比较，并将比较结果输出到报警逻辑模块301中。 阈值基准模块501 :主要功能是在时序控制逻辑的控制下，向第一比较器模块201 和第二比较器模块601提供电源电压无关的稳定参考电压。 报警逻辑模块301 :报警逻辑模块301根据第一比较器模块201和第二比较器模 块601输出结果，若环境或自检异常，使能扬声器驱动电路701、低端10 口或LED驱动接口 发出异常信号。 时序控制逻辑模块401 :控制可变增益放大器模块101选择适当增益，并且控制阈 值基准模块501是否输出基准电压。 扬声器驱动电路701 :主要功能是，报警逻辑模块301检测到异常，使能升压电路 702将电源电压升压后，扬声器驱动电路701驱动片外扬声器。 消音逻辑模块801 :仅在警报时工作，当消音逻辑模块801当接收到消音触发输入 后，消音逻辑模块801将报警逻辑模块301和扬声器驱动电路701的连接"切断"实现消音， 并在15分钟后重新连接。 时钟电路模块901 :是一套RC振荡时钟模块，为时序控制逻辑模块401、消音逻辑 模块801和报警逻辑模块301提供时钟频率，周期设定10ms左右。 如图3所示，芯片在时序控制逻辑模块401的控制下有序探测环境烟尘和自检。对 环境烟尘工作过程较复杂，可被分为正常和异常两个主状态，"预报警"属于正常状态，"预 解除报警"属于异常状态，芯片在异常状态时驱动片外扬声器、LED等发出报警。本实用新 型提出"三次比较法"来提高烟雾监测的准确性和实时性，在满足报警时间强制规范的前提 下最大限度地提高探测烟雾的准确性，减少了传统芯片应用时最易出现的"误报警"情况。 所谓"三次比较法"，是将相邻三次光电检测结果进行比较后，以确认是否发生异常情况或 者已恢复正常情况。 可变增益放大器模块101的增益是随着芯片所处状态变化的，当芯片处于正常状 态时，可变增益放大器模块101采用低增益，当芯片处于异常时，可变增益放大器模块101 使用高增益。 此外芯片在自检异常时也会驱动外部电路发出报警。芯片将电池电压与阈值电压 在第二比较器601中进行比较，若电池电压低于阈值芯片即转至自检异常状态。 报警逻辑模块301根据不同的异常状态选择不同的报警模式，使能扬声器驱动电 路等外部电路发出不同的报警信号。 正常状态下升压电路702不工作，仅当电路报警逻辑使能时才升压配合扬声器驱 动电路701产生足够高电压的驱动信号。 感烟探测与自检在时序控制逻辑模块401控制下周期性进行，互不干涉。感烟探 测异常权重高于芯片自检异常，即若芯片自检异常后检测到感烟探测异常时，芯片即转而 驱动外部电路发出感烟异常报警；若芯片检测发现感烟异常后自检异常，芯片维持感烟探 测异常报警。 芯片提供测试模式，可以使得可变增益放大器模块101置于高增益状态，并手动 在光电检测输入接口处模拟有烟环境下输入的探测信号实现相关检测电路和报警能力等 的检测。 芯片还提供消音功能及自动复位功能。当芯片异常发出警报时消音逻辑模块801被使能，当接收到外部手动输入接口输入的消音触发信号后，报警逻辑模块301和扬声器
驱动电路701的连接"切断"实现消音，并在一段时间(约15分钟)后重新连接。 本实用新型运用系统集成芯片(SOC)设计技术，设计制造满足UL217和UL268规
范以及国标GB20517规范的新型带扬声器驱动模块的低电压低功耗光电式火灾感烟探测
芯片。其设计方法采用verilog语言描述(数字逻辑)和电路原理图(模拟电路)混合设计。 模拟单元手动计算、软件仿真，调整电路使模拟模块满足电路性能要求；包括可 变增益放大器模块101、第一比较器模块201、阈值基准模块501、第二比较器模块601、扬声 器驱动电路701。 数字电路根据系统所要求的功能，优化算法后，再使用verilog描述，添加约束， 基于标准单元库综合得到电路网表(netlist)，包括时钟电路模块901、时序控制逻辑模 块401、报警逻辑模块301、消音逻辑模块801。 本实用新型具有的特点如下 1.低电压、低功耗、低成本、高精度、多用途烟雾监测芯片； 2.工作电压3V 6V(典型值4. 5V); 3.工作温度-aO°C +80°C ; 4.平均静态工作电流《10uA ; 5.采用0. 5 ii m DPDM CMOS工艺设计独立的芯片； 6.集成外部报警扬声器的驱动电路，具有驱动能力，提供误报警手动消音功能接 □; 7.可以级联组成简单的通信网络，监测区域内烟雾情况； 8.在火情发生时以最快速度检测报警，故障自检功能，提供低电压报警，保证自动 报警系统功能完好，较高的系统抗干扰能力，引脚均有很好的ESD保护电路； 9.各个端口 ESD电路设计，为专门为电扬声器反向输出接口设计了 ESD电路； 本实用新型带扬声器驱动的低电压感烟探测器芯片可广泛应用于点型感烟式火 灾探测器中，适用于火灾探测预警。
权利要求带扬声器驱动的感烟火灾探测器芯片，包括用于提供电源电压无关的稳定参考电压的阈值基准模块(501)、提供芯片时钟信号的时钟电路模块(901)、报警逻辑模块(301)、可变增益放大器模块(101)和时序控制逻辑模块(401)，其特征是在所述可变增益放大器模块(101)的光电检测电压输入端(1-a)连接光电检测输入接口，可变增益放大器模块(101)的增益选择输入端(1-b、1-c)与时序控制逻辑模块(401)的增益选择输出端(4-d、4-e)连接，可变增益放大器模块(101)的放大电压输出端(1-d)与第一比较器模块(201)的第一比较电压输入端(2-a)连接；所述阈值基准模块(501)的第一阈值电压输出端(5-c)连接第一比较器模块(201)的第二比较电压输入端(2-b)，第一比较器模块(201)的输出端(2-c)与报警逻辑模块(301)的光电检测结果输入端(3-a)连接；阈值基准模块(501)的第二阈值电压输出端(5-b)与第二比较器模块(601)的第一比较电压输入端(6-a)连接，第二比较器模块(601)的第二比较电压输入端(6-b)与电池电压输入接口连接；第二比较器模块(601)的输出端(6-c)与报警逻辑模块(301)的电压自检结果输入端(3-e)连接；阈值基准模块(501)的控制输入端(5-a)与时序控制逻辑模块(401)的基准时序控制输出端(4-a)连接；所述报警逻辑模块(301)的报警输出端口(3-f)与扬声器驱动电路(701)的报警使能输入端(7-a)连接；报警逻辑模块(301)的电平输出端口(3-c、3-d)分别与低端IO口、LED驱动接口连接；时序控制逻辑模块(401)的光电检测结果输入端(4-c)与第一比较器模块(201)的输出端(2-c)连接；所述扬声器驱动电路(701)的消音使能输入端(7-e)与消音逻辑模块(801)的消音输使能出端(8-c)连接；扬声器驱动电路(701)的驱动输出端(7-b、7-c、7-d)与片外的扬声器连接；消音逻辑模块(801)的手动消音使能输入端(8-b)与消音触发输入接口连接；所述时钟电路模块(901)的时钟输出端(9-a、9-b、9-c)分别连接时序控制逻辑模块(401)的时钟输入端(4-b)、消音逻辑模块(801)的时钟输入端(8-a)以及报警逻辑模块(301)的时钟输入端(3-b)。
2. 如权利要求1所述的带扬声器驱动的感烟火灾探测器芯片，其特征是所述扬声器 驱动电路(701)包括升压电路(702)，用于将信号升压后输出到扬声器驱动电路(701)的 驱动输出端(7-b、7-c、7-d);所述升压电路(702)正常状态下不工作，仅当报警逻辑模块 (301)使能时才升压产生扬声器驱动信号。
3. 如权利要求1所述的带扬声器驱动的感烟火灾探测器芯片，其特征是所述芯片提 供测试模式，即手动使得可变增益放大器模块(101)置于高增益状态，并在光电检测接口 处输入模拟有烟环境的探测信号，对芯片进行检测。
4. 如权利要求1所述的带扬声器驱动的感烟火灾探测器芯片，其特征是所述消音逻 辑模块(801)仅当报警逻辑模块(301)使能时工作，当接收到消音触发输入接口输入的消 音触发信号后，切断报警逻辑模块(301)和扬声器驱动电路(701)的连接，并在一段时间后 恢复连接。
5. 如权利要求1所述的带扬声器驱动的感烟火灾探测器芯片，其特征是所述芯片使用较低电压的电池供电，所述较低电压为3 6V。
专利摘要本实用新型涉及一种带扬声器驱动的低电压感烟探测器芯片，其作为光电式感烟探测器的核心部件，其使用较低电压3～6V的电池供电，周期性自检和探测环境中烟尘，当系统状态异常或烟尘浓度达到或超过预设安全阈值时可驱动芯片外部电路扬声器发出警报，此外系统在报警时还提供定时复位的手动消音功能，可根据需要手动关断报警，并定时恢复。
文档编号G08B17/10GK201449650SQ20092004366
公开日2010年5月5日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者方议谅 申请人:无锡奥利杰科技有限公司