一种自学习模拟火源系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种自学习模拟火源系统和方法。本系统包括红外火焰探测模块、主控制电路、恒功率驱动电路和MEMS光源。主控制电路包括微处理器及其外围电路，红外火焰探测模块的输出通过串口连接到主控制电路的微处理器，主控制电路和恒功率驱动电路相连，恒功率驱动电路和MEMS光源相连。依照本发明专利技术的产品可以作为一些重要的现场火灾报警系统定期检查和校准的仪器；也可以作为火灾探测器生产厂家研发工具和生产车间的质检工具；同时能够对现场多种干扰源进行近距离的学习，达到对干扰信号模式识别数据积累的作用。它的使用能提高火灾探测器的可靠性，减小维护的工作量，提高质检的效率，减小研发生产费用。

【技术实现步骤摘要】
一种自学习模拟火源系统和方法
本专利技术提供了一种模拟火源的系统及方法，特别是一种可以自学习模拟火源系统和方法，可用于对不同材质燃料燃烧的火焰频谱特征进行准确模拟。
技术介绍
火灾探测仪器等相关产品的研发中，获取实验采集数据，来确定不同火焰类型和探测距离的经验阈值，并由此选择火焰识别算法，经常需要点明火做试验；在核潜艇、航空母舰、炼油厂及军火库等场合火灾探测器必须定期检验和维护，点明火检验火灾报警系统，具有巨大的潜在风险；在火灾探测器的生产过程中也需要点明火来对产品质检获取实验采集数据。这些场合频繁的点火试验，既浪费燃料又存在安全隐患。针对点明火对空间、时间、安全和人员限制等不便利性，技术人员提出了各种模拟火源的方法。传统的火焰模拟实现方法主要有三类：1、电机转动型，电机带动刻有透光孔的滚筒转动，灯光透过滚筒投影在成像屏上，如中国专利号为ZL01113160.8的模仿火焰燃烧图像的装置；2、智能型，利用控制电路控制多组发光体交替闪烁，使发光体构成的火焰图案直射或无图案的光线束通过火焰孔板透射到成像屏，产生动态闪烁的火焰图案，如中国专利号为CNlO1162078A的一种模拟火焰图像的方法及装置；3、红紫外模拟型，中国专利号CN102384788B的手持式防爆红紫外火焰探测器现场检测装置利用广谱灯、紫外灯、抛物线型反光镜、滤光片、窗口红外玻璃、可充电电池、控制模块等部件组成整机，能够发出一定频率的红紫外光谱来模拟。这三类装置各有优缺点，但第一类需要使用电动机，产生的噪声比较大，体积比较大，笨重且消耗能量较大。第二类火焰形状主要由硬件决定，一旦要改变火焰外形，需要改变硬件，而且火焰变化不连续，不可控。前两类是根据火焰的外观而设计。第三类智能型火焰的能够模仿一定频率的火焰，但是它模仿频率比较固定，然而不同的材料燃烧时的火焰闪烁频率是不同的。该装置模拟的火源的种类比较单一，不能推广使用；另外该装置使用的光谱灯的内阻会随着使用时间的增加而显著变大，由于灯泡的供电电压不变，该光谱灯的功率会明显下降，即发光强度显著减弱。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种自学习模拟火源系统和方法。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术的设计思路如下：首先进行信号特征采集，将红外火焰探测模块采集的数据通过串口将数据传递给微处理器，通过快速傅里叶变换得出不同材质的火焰的频率及其对应的幅值。基于火焰的光谱特性，为了最终得到有效的测量信号，模拟火源在4.3um波段处具有较高的辐射能量，也就是说，它必须提供测量所需的足够的光强。基于火焰的频谱特性，模拟火源需要能够在不同的频率下闪烁，且每个闪烁频率对应的辐射能量及闪烁频率幅值不同。利用可发出强光的MEMS光源作为辐射源，通过滤光片选择4.3um波段的红外光，设计微处理器控制电路改变光源的闪烁频率和闪烁幅值，即可实现模拟火源。这里以恒功率电路作为光源的驱动电路，使MEMS光源工作稳定；MEMS光源发出的光经过一个镀金抛物面反射镜，形成一个均匀光斑，通过蓝宝石滤波窗口向外发射，产生与火焰波段相同的红光；使用拨码开关手动控制或微处理器自动产生随机数改变光源的闪烁频率，微处理器调节数字电位器改变光源的电压，从而改变光源的发光强度，达到不同频率对应不同幅值的目的。根据上述专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案：一种自学习模拟火源的系统，包括红外火焰探测模块、主控制电路、恒功率驱动电路和MEMS光源，其特征在于：所述的红外火焰探测器采集的火焰信号数据经过串口发送给所述主控制电路中的微处理器。所述的主控制电路由微处理器及其外围电路组成，微处理器的外围电路包括微处理器的供电电源电路、外部低速时钟电路、外部高速时钟电路和复位电路。红外火焰探测模块对被监视场合可能存在的火源或者干扰源辐射信号进行连续的数据采集，通过串口将数据传输给微处理器，微处理器将这些数据进行时频联合分析，特征提取分类，对辐射强度按照不同波段归一化处理，然后根据这些特征，由微处理器调节控制恒功率驱动电路改变MEMS光源两端的电压，与此同时微处理器通过I/O口产生一定时间的脉冲电压控制MEMS光源的闪烁频率，进而实现对火焰信号的模拟。所述的红外火焰探测模块采用中国专利技术专利CN10242675A技术，使用其红外多参数火气探测器采集火焰辐射强度信息。所述的主控制电路包括微处理器及其处理器外围电路。主控制电路由U1微处理器STM32F051K8U6、晶振Y2，电容C2、C4、C13、C14、C38，电阻R5、R9、R16、R25、R38，电感L1、L2和按键KEY1构成。电阻R25的一端连接微处理器的BOOT0引脚，另一端接地。电容C2和C4并联，晶振Y2和电阻R5并联，二者串联并连接微处理器，至此构成微处理器的外部晶振时钟电路，晶振Y2的一端连接微处理器（3）的OSC_IN引脚，另一端连接微处理器（3）的OSC_OUT引脚。电感L1、L2和C13串联，C14和C13并联，C14一端连接微处理器的VDDA引脚，构成了微处理器的供电电路。所述的主控制电路包括微处理器及其处理器外围电路；控制电路通过串口和恒功率驱动电路相连。所述的恒功率电路驱动电路由功率电流监视器芯片MAX4211EEUE、运算放大器LM358，晶体三级管Q4、Q5，数字电位器MCP41010、二极管D1、电阻R7、R8、R10、R11、R12、R14、R15、R18，电容C6、C8、C9，插座P2、P3构成。电阻R7、R8串联，R7两端分别接入MAX4122EEUE，R8接三极管Q4的集电极，电容C5作为、MAX4211EEUE的电源滤波电容。MAX4211EEUE的输出电压作连接运算放大器LM358的反相输入端口，电容C6作为LM358的供电电压的滤波电容，LM358的输出经电阻R10进入三级管Q4的基极，电容C7作为Q4的基极去噪电容，三级管Q4的发射极连接MEMS光源作为MEMS光源的输入，Q4的发射极连接电阻R11，R11和R14串联，R14的分压作为MAX4211EEUE的Vin引脚的输入。数字电位器通过SPI模块和微处理器STM32F051K8U6相连，数字电位器的PW0连接LM358的正向比例放大端引脚。二极管D1、电阻R12、R18、和三级管Q5串联成一条支路，R15一端连接Q5的基极，R15的另外一端和微处理器的PC8引脚相连接，该支路为MEMS光源提供一定频率脉冲的电压信号。该恒功率驱动电路用于消除MEMS光源电阻变大的影响，当光源发光久了之后，MEMS光源的灯丝电阻值会随着温度的升高而增大，此时由于电压不会变化导致光源输出的电功率发生变化，从而影响光强度。因此恒功率电路模块控制光源，使光源工作在最佳发光点。恒功率电路模块主要是利用功率监视器检测电流和电压，输出一个表示光源功率的电压，通过三极管与运算放大器组成一个反馈系统进行调节恒定光源的功率，本专利技术利用数字电位器通过调节运算放大器的同相端输入电压来改变光源的发光功率，使光源的发光功率不会随着光源的阻值变化而改变。模拟火源发光强度的调节通过微处理器调节数字电位器来控制。本专利技术所述的MEMS光源采用INTEX公司生产的MIRL17-900红外MEMS光源可覆盖1-20um宽波段，有高调制效率、高脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自学习模拟火源系统，包括红外火焰探测模块（1）、主控制电路（2）、恒功率驱动电路（5）和MEMS光源（6），其特征在于：所述的红外火焰探测器模块（1）采集的火焰信号信息经串口输入所述主控制电路（2）中的微处理器（3）；所述的主控制电路（2）由微处理器（3）及其外围电路（4）组成；主控制电路（2）的输出连接至恒功率驱动电路（5）；所述的恒功率驱动电路（5）的输出端和 MEMS光源（6）相连，所述的MEMS光源（6）最终发出设定频率和辐射强度的光，实现对火源的模拟。

【技术特征摘要】
1.一种自学习模拟火源系统，包括红外火焰探测模块(1)、主控制电路(2)、恒功率驱动电路(5)和MEMS光源(6)，其特征在于：所述的红外火焰探测器模块(1)采集的火焰信号信息经串口输入所述主控制电路(2)中的微处理器(3)；所述的主控制电路(2)由微处理器(3)及其外围电路(4)组成；主控制电路(2)的输出连接至恒功率驱动电路(5)；所述的恒功率驱动电路(5)的输出端和MEMS光源(6)相连，所述的MEMS光源(6)最终发出设定频率和辐射强度的光，实现对火源的模拟；所述的红外火焰探测模块(1)使用其红外多参数火气探测器采集火焰辐射强度信息；所述的主控制电路(2)包括微处理器(3)及其处理器外围电路(4)，主控制电路(2)由微处理器STM32F051K8U6、晶振Y2，电容C2、C4、C13、C14、C38，电阻R5、R9、R16、R25、R38,电感L1、L2和按键KEY1构成，电阻R25的一端连接微处理器(3)的BOOT0引脚，另一端接地；电容C2和C4并联，晶振Y2和电阻R5并联，二者串联并连接微处理器(3)构成微处理器(3)的外部晶振时钟电路，晶振Y2的一端连接微处理器(3)的OSC_IN引脚，另一端连接微处理器(3)的OSC_OUT引脚；电感L1、L2和C13串联，C14和C13并联，C14的上端连接微处理器(3)的VDDA引脚组成微处理器(3)的供电模块；R38和C38串联，KEY1和电容C38并联，R38一端接3.3V电压，KEY1一端接微处理器(3)的复位引脚RESET，另一端接地构成了微处理器(3)的复位电路。2.根据权利要求1所述的一种自学习模拟火源系统，其特征在于：所述的恒功率电路驱动电路(5)由功率电流监视器芯片MAX4211EEUE、运算放大器LM358，三级管Q4、Q5，数字电位器MCP41010、二极管D1、电阻R7、R8、R10、R11、R12、R14、R15、R18，电容C6、C8、C9，插座P2、P3构成；电阻R7、R8串联，R7两端分别接入MAX4122EEUE，R8接三极管Q4的集电极，电容C5作为、MAX4211EEUE的电源滤波电容；MAX4211EEUE的输出电压作连接运算放大器LM358的反相输入端口，电容C...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帮华，高攀，张永怀，宋春婷，李华荣，张桃，段凯文，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31