烟雾检测主板

烟雾检测主板功能构成​

烟雾探测与信号处理功能​

烟雾检测主板的核心功能是实时探测环境中的烟雾浓度并将其转换为电信号，核心元件为烟雾传感器，主流采用光电式或离子式探测原理。光电式传感器通过红外发射管发射光线，正常状态下红外接收管接收不到光线（或仅微弱光线）；当烟雾进入探测腔时，光线被烟雾颗粒散射，接收管检测到散射光并转换为电压信号，信号强度与烟雾浓度正相关。​

 

信号处理模块对传感器输出的原始信号进行放大、滤波和 AD 转换，放大电路采用低噪声运算放大器，将 mV 级微弱信号放大至伏级（放大倍数 100-1000 倍可调），确保微小烟雾浓度也能被识别。滤波电路由 RC 网络（1kΩ 电阻 + 100nF 电容）组成，滤除 50Hz 工频干扰和高频噪声，使信号信噪比≥60dB。AD 转换器（12 位分辨率）将模拟信号转换为数字信号，采样频率 10Hz，实时传输至主控芯片进行浓度判断。​

 

浓度判断采用阈值比较法，主板预设两级阈值：报警阈值（对应烟雾浓度 0.65-1.3mg/m³，符合 GB 4715 标准）和预警阈值（约为报警阈值的 60%）。当检测值超过预警阈值时，主板启动预报警提示；超过报警阈值且持续 3 秒以上时，触发正式报警，避免瞬时干扰导致的误报。​

 

报警与联动控制功能​

报警功能通过声光信号同步提示危险，主板集成蜂鸣器和 LED 指示灯。蜂鸣器工作频率 3kHz±500Hz，声压级≥85dB（距离 1 米处），采用间歇鸣响模式（响 1 秒停 1 秒），穿透力强；LED 指示灯为红色高亮发光二极管，闪烁频率 1Hz，与蜂鸣器同步动作，在光线较暗处也能清晰可见。​

 

联动控制功能实现与其他安防设备的协同工作，主板配备继电器输出接口（容量 250V/5A），报警时继电器吸合，可触发外接设备动作，如启动排气扇、关闭燃气阀、联动消防报警系统等。部分型号集成 RS485 或无线模块（433MHz/zigbee），能将报警信号传输至监控中心或用户手机，传输延迟≤10 秒，支持远程查看实时状态。​

 

报警状态具有记忆功能，触发报警后即使烟雾消散，仍保持报警状态直至手动复位（通过复位按键或远程指令），确保用户能知晓曾发生过的危险事件。复位后主板自动进入正常监测状态，无需重新上电。​

 

电源管理与续航功能​

电源管理支持多种供电方式，满足不同安装场景需求，包括市电供电（AC 220V）和备用电池供电（DC 9V/12V，通常为锂电池或干电池）。市电供电时，通过电源适配器转换为 DC 5V，为各模块供电，同时为备用电池充电；断电时自动切换至电池供电，切换时间≤100ms，确保无缝续航。​

电池管理功能针对备用电池设计，采用涓流充电模式（充电电流 50-100mA），充满后自动停止，避免过充；当电池电压低于阈值（如 9V 电池降至 7.2V）时，主板发出低电量报警（LED 间隔 3 秒闪烁一次），提示更换电池。备用电池容量通常为 1200mAh，在市电中断后可维持主板正常工作≥8 小时（报警状态下≥4 小时），满足应急需求。​

 

低功耗设计延长电池续航，主板在正常监测状态下功耗≤50mW（市电模式）、≤30mW（电池模式）；无烟雾时，传感器和主控芯片可进入间歇工作模式（工作 10 秒休眠 5 秒），进一步降低功耗，电池模式下待机电流≤5mA。​

 

自检与故障诊断功能​

自检功能定期验证主板各组件的有效性，每日凌晨自动执行一次全面自检：主控芯片发送测试信号至传感器，检查其响应是否正常；检测蜂鸣器和 LED 的驱动电路；验证电源电压和电池容量；检查通信接口（如有）的连接状态。自检耗时≤10 秒，期间不影响正常监测。​

 

故障诊断模块实时监测关键参数，当出现传感器故障（无响应或信号异常）、电源电压异常（市电中断未切换电池）、电池欠压、通信中断等情况时，触发故障报警：蜂鸣器发出不同于烟雾报警的声信号（如响 0.2 秒停 0.2 秒），LED 黄色灯常亮（部分型号），同时记录故障代码（存储在 EEPROM 中，可通过专用设备读取）。​

 

故障分级处理机制确保核心功能优先，传感器轻微漂移时，主板自动校准补偿；严重故障时（如传感器完全失效），强制发出故障报警并锁定，直至维修更换，避免带病工作导致的漏报风险。​

 

灵敏度校准功能​

灵敏度校准确保长期使用后检测精度不下降，主板支持手动校准和自动校准两种方式。手动校准需在洁净空气中进行，通过专用工具发送校准指令，主板将当前传感器输出值设为零点，调整报警阈值基准；自动校准则由主控芯片定期（每 30 天）执行，基于历史数据判断传感器漂移趋势，微调阈值补偿，校准幅度≤±10%/ 年，确保符合国家标准要求。​

 

校准数据存储在非易失性存储器中，断电后可保存 10 年以上，包括最近 10 次校准记录（时间、校准值、环境温湿度），便于追溯设备状态。对于需要强制检定的场景，主板预留校准接口，支持计量机构使用标准烟雾发生器进行精确标定。​

 

烟雾检测主板设计要点​

可靠性与抗干扰设计​

可靠性是烟雾检测主板的核心要求，设计寿命需≥5 年（平均无故障时间≥10000 小时）。元件选型采用工业级器件，烟雾传感器选用长寿命型号（MTBF≥50000 小时），主控芯片工作温度范围 - 10-60℃，电容采用固态电容（寿命≥1000 小时 @105℃），确保在温湿度波动较大的环境中稳定工作。​

 

抗干扰设计重点解决环境因素对检测精度的影响，传感器探测腔采用迷宫式结构，减少灰尘、昆虫进入（防护等级 IP20），同时通过光学滤镜过滤环境光干扰（仅允许特定波长红外光通过）。电路布局将强电部分（电源转换）与弱电部分（传感器、信号处理）分离，间距≥5mm，强电回路采用宽铜箔（≥2mm），弱电回路添加接地屏蔽层，减少电磁耦合。​

 

电源输入端设置 EMI 滤波器（共模电感 + 安规电容），抑制电网传导干扰，使传导骚扰限值符合 GB 14536.1 标准（30MHz 以下≤54dBμV）；信号处理电路添加瞬态抑制二极管（TVS），防止静电放电（接触放电 ±6kV）对芯片的损坏。​

 

灵敏度与稳定性平衡设计​

灵敏度与稳定性需兼顾，避免误报与漏报。传感器选择需满足低浓度响应（能检测 0.1mg/m³ 以上烟雾）和高稳定性（漂移≤5%/ 年），光电式传感器优先采用双光束设计，通过比较两束光线的散射差异，抵消环境因素导致的基线漂移。​

 

信号处理采用动态阈值算法，主控芯片根据环境温湿度（通过内置温湿度传感器采集）实时调整报警阈值：湿度≥85% RH 时阈值提高 10%（防止潮湿导致的误报）；温度≥40℃时阈值降低 5%（补偿高温对烟雾扩散的影响），使实际有效阈值保持在标准范围内。​

 

电路稳定性设计包括基准电压源（精度 ±0.5%）为 AD 转换提供参考，传感器供电采用线性稳压器（纹波≤1mV），避免开关电源噪声影响探测精度，确保长期使用后灵敏度衰减不超过 15%。​

 

低功耗与环境适应性设计​

低功耗设计针对电池供电场景，主控芯片选用低功耗 MCU（如 MSP430 系列），正常工作电流≤1mA，休眠电流≤10μA，通过定时器唤醒实现间歇工作；传感器在休眠期间断电，仅在检测周期内上电（每次上电时间≤1 秒），降低待机功耗。​

 

环境适应性需覆盖宽温湿度范围，工作温度 - 10-55℃，存储温度 - 20-60℃，湿度 5%-95% RH（无凝结）。PCB 板采用 FR-4 基材（Tg≥130℃），表面涂覆三防漆（厚度 50-80μm），具备防潮、防霉菌性能；关键接口（如电源接口、继电器接口）采用防水连接器（防护等级 IP40），适应厨房、浴室等潮湿环境。​

 

抗振动设计确保安装在墙面或天花板上的稳定性，PCB 板边缘设置防震安装孔，通过橡胶垫与外壳连接，能承受 10-500Hz、加速度 10g 的振动测试，测试后无元件松动或参数漂移。​

 

安装与维护便利性设计​

安装便利性体现在结构紧凑与接口标准化，主板尺寸控制在 50mm×70mm 以内，预留标准安装孔位（间距 60mm），兼容主流底盒；电源接口采用通用 DC 插座（5.5mm×2.1mm），继电器输出采用端子排（间距 2.54mm），方便施工人员接线。​

 

维护便利性通过自检与状态指示实现，主板通过 LED 颜色和闪烁频率直观反馈状态：绿色常亮表示正常，黄色闪烁表示低电量，红色闪烁表示报警，红色常亮表示故障，无需专业工具即可判断设备状态。部分型号支持远程自检指令，通过手机 APP 即可触发自检，查看电池电量、传感器状态等信息，减少现场维护成本。​

 

烟雾检测主板组成元件​

核心控制与检测元件​

核心控制元件包括主控芯片和烟雾传感器。主控芯片为 8 位 / 32 位 MCU，集成 AD 转换器（12 位）、定时器、GPIO 接口，工作电压 3.3V/5V，主频 8-24MHz，负责信号处理、报警逻辑判断、电源管理和故障诊断，程序存储容量≥16KB，支持在线升级。​

 

烟雾传感器为光电式或离子式，光电式传感器包含红外发射管（波长 940nm）和接收管，探测腔体积 1-3cm³，响应时间≤30 秒（烟雾浓度 1.0mg/m³ 时）；离子式传感器灵敏度更高（最小检测浓度 0.1mg/m³），但受限于环保要求应用较少。传感器输出为模拟信号（0-5V）或数字信号（I2C/SPI），与主控芯片直接通信。​

 

信号处理与放大元件​

信号处理元件包括运算放大器、滤波电容和 AD 转换器。运算放大器为低噪声型号（输入失调电压≤1mV），组成同相放大电路，放大倍数可通过外接电阻调节（100-1000 倍），确保微弱烟雾信号被有效捕捉。​

 

滤波电容由陶瓷电容（100nF）和电解电容（10μF）组成，分别滤除高频和低频噪声；AD 转换器若主控芯片未集成，则采用独立芯片（如 ADS1115），转换速率≥128SPS，确保实时性。​

 

报警与联动元件​

报警元件包括蜂鸣器和 LED 指示灯。蜂鸣器为有源压电式（工作电压 3V/5V），声压级 85-100dB，频率稳定，功耗≤100mW；LED 为 5mm 直径高亮红光二极管（亮度≥5000mcd），串联 1kΩ 限流电阻，确保长期工作不损坏。​

 

联动元件主要是继电器，采用小型电磁继电器（触点容量 250V/5A），线圈电压 5V，吸合电流≤30mA，释放时间≤10ms，用于控制外接设备；部分型号采用固态继电器（无触点），适合高频次动作场景，寿命≥10 万次。​

 

电源管理元件​

电源管理元件包括电源适配器、稳压芯片和电池管理芯片。电源适配器将 AC 220V 转换为 DC 5V/12V，输出电流≥500mA，具备过流、过压保护；稳压芯片（如 LDO）将输入电压转换为 3.3V，为 MCU 和传感器供电，输出纹波≤10mV，输出电流≥300mA。​

 

电池管理芯片负责备用电池的充放电管理，支持锂电池或镍氢电池，充电电流 50-100mA，充满截止电压 4.2V（锂电池）或 1.4V / 节（镍氢电池），具备过充、过放、短路保护，确保电池安全。​

保护元件包括保险丝（250V/500mA）和 TVS 二极管，保险丝串联在市电输入端，过流时熔断；TVS 二极管并联在电源接口，吸收 ±8kV 静电和浪涌电压。​

 

辅助与接口元件​

辅助元件包括晶振、电阻、电容和 EEPROM。晶振为 MCU 提供时钟信号（频率 8MHz），精度 ±20ppm，确保定时和采样周期准确；电阻用于设定放大倍数、校准阈值，精度 ±1%；电容包括去耦电容（100nF）和储能电容（10-100μF），稳定电源电压。​

 

EEPROM（容量≥2KB）用于存储校准数据、故障记录和设备参数，断电后数据保存≥10 年；接口元件包括电源接口（DC 插座）、继电器接口（端子排）、复位按键（轻触式）和通信接口（如 RS485 端子），复位按键用于手动清除报警状态，寿命≥1 万次。​