毕业设计（论文）-智能电缆防火报警系统.docVIP

摘 要 - -i 摘摘 要要 引起电缆火灾的直接原因是电缆中间头制作不良、压接头不紧，长期 运行造成电缆头过热而烧穿绝缘，导致火灾发生。目前全国运行的电力电 缆故障 80%以上是由于电力电缆附件引起的，其中电缆接头引起的事故占 一半以上。据有关部门统计，在我国发生的多次电缆火灾事故中直接和间 接损失巨大。电缆火灾事故严重影响发电厂和变电站的安全运行，所以对 电缆防火进行探讨有十分重要的意义。研究设计电力电缆火灾在线监测系 统就是为了能够实时监测电力电缆的温度变化,在温度越限或温升速度越限 时能及时报警,并指出发热点位置(温度探头位置),通知运行人员及时处理, 从而保证运行安全,避免经济损失。针对电缆火灾故障的特点，本次设计将 针对该课题进行初步的探讨。 本文针对变电站、发电厂电缆沟中的电缆防火问题，设计出了电力电 缆火灾在线监测系统，该系统是以 ds18b20 为温度数据采集芯片，以 max1480b 为通讯芯片的温度巡检系统，结合离子感烟技术和可视化技术。 可有效监测电缆沟中的电缆温度和环境状态，防止电缆火灾、保障电力生 产的安全运行，因此该系统具有极其重要的理论意义和实际价值。 关键词：温度巡检系统；串行通讯；ds18b20；max1480b abstract - -i abstract cable caused the direct cause of the fire is among the first cable produced adverse pressure connector, and do not long-running causing the cable to the first overheating burn through insulation, leading to fires. at present operation of the electricity cable fault is 80% above the electric cables of the annex, cable connector which caused the accidents account for more than half. according to the statistics made by the departments, indirect and direct loss is great in the numerous cables fire accident that takes place in china. the fire accident of the cable influences the safe operation of the power plant and transformer substation seriously. so it has great importance take cable fire prevention into research. design fire power cable on-line monitoring system is to be able to monitor real-time electricity cables, the temperature change the temperature or temperature limit speed limit can be more timely warning, and pointing out that the location of the hot (temperature probe location). notify the operational personnel handled in a timely manner, so as to ensure safe operation and avoid economic losses. cable fault fire against the characteristics of this design will address the subject of preliminary discussion. in order to solve the fire prevention issue of cable in the cable trench of transformer substation and power plant, we developed the electric cable fire online monitoring system. this temperature measuring system based on the temperature data acquisition chip-ds18b20 and the serial communication chip max1480b.in addition to the visualization technology and ionic smoke sensing technology. it can monitor the cable temperature in the cable trench and environmental state effectively, prevent the cable fire, ensure the safe operation of electric power production, so the electric cable online monitoring system has great significance in theory and practical value. keywords: temperature measuring system; serial communication; ds18b20; max1480b 目 录 - -i 目目 录录 摘摘 要要i abstract.ii 目目 录录.iii 第第 1 章章 绪绪 论论1 1.1 课题背景及意义.1 1.1.1 火电厂发生电缆火灾的特点1 1.1.2 引起电缆火灾的原因2 1.2 电缆防火的主要问题.2 1.3 主要应对方案.3 1.4 电缆防火的特点及发展趋势4 1.4.1目前火灾探测领域的主要热点.4 1.4.2电缆防火的发展趋势.5 第第 2 章章 系统的总体结构分析系统的总体结构分析8 2.1 系统的总体结构.8 2.2 系统的工作原理.8 2.2.1 串行通信模块8 2.2.2 子站的硬件设计9 2.3 温度数据的采集.9 2.3.1 温度传感器特性10 2.3.2 ds18b20设计中存在的几个问题13 2.3.3 rom操作指令及其含义.14 2.3.4 存储器操作指令代码及其含义14 2.4 烟雾监测15 2.4.1 烟雾监测原理15 2.4.2 离子感烟器的详细介绍16 第第 3 章章 系统多机通讯及接口系统多机通讯及接口18 3.1 rs232 与 rs485 接口的特点.18 3.2 多机通讯原理.18 东北电力大学本科毕业论文 - -ii 3.3 多机通讯的软件协议.19 3.4 max1480b 通讯接口芯片.19 第第 4 章章 下位机硬件组成及通讯原理下位机硬件组成及通讯原理24 4.1 下位机硬件组成.24 4.2 温度传感器单线通讯原理.24 4.2.1 下位机软件流程26 4.2.2 温度数据转换27 4.3 串行通讯方式的选择.27 4.4 系统多机通讯协议及原理.28 4.3 采取的主要方案.29 4.4 上位机监控软件的实现30 4.4.1 上位机通信程序设计30 4.4.2 在c+build下设计开发实时的数据采集曲线.31 4.5 上位机监控软件.34 结结 论论36 致致 谢谢37 参考文献参考文献38 附附 录录40 第 1 章 绪论 - -1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题背景及意义课题背景及意义 21 世纪是计算机的广泛应用使电力电缆的安全性有了一个很大的发展。 根据事故分析，引起电缆火灾的直接原因是电缆中间头制作不良、压接头不 紧，长期运行造成电缆头过热而烧穿绝缘，导致火灾发生。目前全国运行的 电力电缆故障 80%以上是由于电力电缆附件引起的，其中电缆接头引起的 事故占一半以上。据有关资料统计2，近 20 年来，我国火电厂发生电缆火 灾 140 多次，其中 19861992 年 7 年间竟达 75 次。有 24 个电厂发生过 2 次 及以上电缆火灾事故，个别电厂达 46 次。70% 以上的电缆火灾所造成的 损失非常严重，其中 40%的火灾事故造成特大损失。19751985 年间，因电 缆着火延燃造成的重大事故发生 60 起，造成直接和间接损失达 50 多亿元。 截止到 2005 年 9 月，据不完全统计，全国近十年来发生因电缆着火蔓延成 灾的重大事故逾百起，累计烧毁电缆 32 万多米。 随着电力事业的发展,电力电缆的使用愈来愈普及，由于在一个局部范 围内，电力电缆的数目较多，电厂敷设在沟道或隧道内的电缆，由于电缆的 特殊结构和相对集中（甚至重叠），当一条电缆发生故障后，往往会使周围 其它电缆严重地产生重大火灾事故。沟道或隧道电缆则由于在地面以下，当 电缆发生故障后而引起严重火灾时，很难发现而延误事故处理。随着大型发 电厂单机容量的增大，自动化水平的提高，电缆大量增加。一旦发生电缆火 灾事故，将严重威胁机组和电网的安全，造成巨大损失. 恢复重建工作耗资 大，费时长，仅少供电量的损失就达 100 多亿元，给国民经济带来了重大损 失。因此，从控制危险因素着手预防电缆火灾十分重要。 1.1.1 火火电厂发生电缆火灾的特点电厂发生电缆火灾的特点 1、火势凶猛，延燃迅速，危害性大 电缆5本身是一种易燃物，特别是塑料电缆，更易着火蔓延。由于发 电厂6内的电缆数量多，又采用隧道和架空密集敷设，有的还处于高温管道 重迭或交错布置的环境中，电缆夹层更是布满蜘蛛网似的电缆，再加以电缆 竖井的高差形成自然抽风，因此一旦着火，火势就特别迅猛，沿着电缆群很 快地延燃扩大，加之地方狭小，现有的消防器具往往难以充分投入或者不易 奏效，使得火势不能遏止在小范围内而短时扑灭。 2、损失严重，恢复时间长 东北电力大学本科毕业论文 - -2 电缆火灾事故，造成严重损失。同时还有其特殊危险性。即控制回路失 灵，极易造成事故扩大，甚至损坏主设备，面且修复困难-长时间不能发电。 根据历年来的统计，修复时间超过1个月的有35次，占总数56，而达半年 以上的有16次，占总数的26。严重影响了发供电。 3、扑救困难，有二次灾害 电缆着火7后产生大量浓烟和有毒气体，对人体直接造成生理上的“一 次灾害” ，同时燃烧产物中的氯化氢等气体与水结合形成强烈酸雾，通过缝 隙、孔洞会弥漫到电气装置室内，以稀盐酸形式附着在电气装置上，形成一 层导电膜，严重降低了设备和接线回路的绝缘。另外酸雾对设备及建筑物钢 筋混凝土构件造成侵蚀，危及建筑物安全，因此即使火被扑灭后，仍影响安 全运行，采用绝缘清洗剂清洗效果也不佳。这种灾害称为“二次灾害” 。 1.1.2 引起电缆火灾的原因引起电缆火灾的原因 引起电缆火灾的直接原因是电缆中间头制作不良、压接头不紧，长期运 行造成电缆头过热而烧穿绝缘，导致火灾发生。电缆火灾的发生，有电缆短 路、过载、绝缘老化、受潮、电缆接头爆炸等，据有关资料统计，约占火灾 总数25。也有电缆堆积煤粉自燃，油管路、锅炉、变压器漏油点引燃电缆， 电、气焊溶渣引燃电缆，开关及电气设备起火引燃电缆等外因。约占火灾总 数75%。 电缆火灾几率与电缆投运时间也有内在联系，据有关资料显示2，投产 运行5年内渐多，20年后逐渐增多。主要原因是设计、施工及投产初期阶段 对电缆防火工作重视不够，火灾较多。运行中，由于重视电缆防火工作，采 取了必要的防火措施，因而火灾事故下降。运行较长时间后，设备老化，各 个薄弱环节逐渐成了事故隐患，易引发电缆事故，因而火灾事故又增多。因 此，防止电缆火灾除加强管理外，还必须对电缆采取防火、阻止延燃等措施。 1.2 电缆防火的主要问题电缆防火的主要问题 火灾监控系统8是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的复杂系 统，随着科学技术的发展，基于单片机或 pc 机控制的火灾监控系统业已出 现，提高了火灾监控的科学性与可靠性，但目前的系统普遍存在以下问题9： 1、监控对象往往针对局部区域，重复研究造成了人力、物力的巨大浪 第 1 章 绪论 - -3 费。 2、虽采取单片机或 pc 机控制，但未考虑其可扩展性问题，组网困难。 3、由于火灾监控时采集信号量大，控制执行元件多，系统布线复杂。 为此，根据国家标准10火灾自动报警系统设计规范(gb50116 系统、 集中报警系统和控制中心报警系统)，结合生产实际我们提出了电力电缆火 灾在线监测系统，使运行人员在主控室就可以随时监控各温度测点的温度变 化，随时处理可能引起事故的火灾隐患，为安全运行提供保证随时处理可能 引起事故的火灾隐患，为安全运行提供保证。 1.3 主要应对方案主要应对方案 首先要提高电缆头的制作质量，这是从根本上杜绝事故发生的办法；其 次在运行中加强电缆头温度监测，进行实时监控，及时判断出故障点，进行 报警及相关处理。根据实际事故分析，电缆过热是引起电缆火灾的根本原因 11，只要能够及时准确地发现系统运行中电缆的过热部位，即使不能立即 停产检修，也可以确定故障点，及时采取严密措施，有效防止电缆火灾12 的发生，避免不应有的重大损失。 目前温度监测常采用的方法有：温度传感器型13-14、光纤温度检测型 15、红外自动巡检型16。 温度传感器型电缆温度检测元件采用高精度数字测量和高抗干扰能力的 数字传输温度传感器，对电缆沟内的电缆采用分段、选点的方式，进行温度 监测。温度传感器型的电缆火警在线监测系统，其突出特点是系统造价较低， 测点布置灵活，传感器更换方便，缺点是系统安装工作量很大。 光纤温度检测型的测温部分，采用光学纤维作为电缆的温度测量元件， 同样是对电缆沟内的电缆采用进行选点、分段的方式，进行电缆表面温度的 监测。光纤温度检测型式的原理，是将短促的激光脉冲按精确的时间间隔注 入光纤之中，在同一根光纤中，散射光的强度将随时间与温度呈现出指数衰 减。根据光纤的拉曼散射与温度的密切关系，计算光在光纤中的传播速度， 就能计算出光纤中各确定点的距离，而通过检测散射状态即可识别温度的变 化量。光纤温度检测型的电缆火警在线监测系统，其特点是系统安装工作量 小、系统分辨率高、抗干扰能力强，但其缺点是调试复杂和造价高。 红外自动巡检型的电缆火警在线监测系统，是一种非接触式的温度检测系统， 可对电缆沟内的电缆进行分段测温和选点监测。该型式的温度检测采用红外 线检测电缆的表面温度，用激光定位，步进电机扫瞄的方式进行电缆温度监 东北电力大学本科毕业论文 - -4 测。红外自动巡检型的电缆火警在线监测系统，其主要特点是系统安装方便、 测点布置灵活、不影响电缆的正常维护。但是也存在着对电缆沟内电缆的摆 放要求过于严格的麻烦。 综合考虑以上因素，初选温度传感器型的电缆火警在线监测系统。设计 该系统实时地检测电缆头和电缆本体的温度17，然后通过一些比较来判断 电缆的运行情况，当出现异常现象系统将通过声、光和图文等方式报警；当 真的发生短路放炮等火灾事故时，启动消防灭火系统将进行灭火，把损失降 到最低。 整个监测系统18可分为在线温度监测19、烟雾监测20、现场视频监测 21三部分。 。 1.4 电缆防火的特点及发展趋势电缆防火的特点及发展趋势 二十世纪九十年代，我国火灾报警技术从多线制发展至总线制5；从传 统的开关量感烟、感温探测技术发展到具有模拟量、多传感、多判据等特点 的智能型探测技术；从单一的火灾报警发展到结合消防联动、通信指挥的联 动控制技术。 1.4.1 目前火灾探测领域的主要热点目前火灾探测领域的主要热点 1. 复合探测技术6 消除火灾误报的有力手段之一是采用复合火灾探测技术，通过来自多个 传感器的多个火灾参量来克服测量单一参量可能导致的误报。目前研究认为 测量三至四个火灾参量构成的复合探测性能最佳。目前，德国研究利用光电 感烟、离子感烟、感温和co探测四种功能进行复合探测这项复合探测技术已 经具有相当高的水平。我国在这方面的研究是以二至三个参量的复合技术为 主，其中包括由离子感烟、光电感烟和感温探测构成的三参量复合探测技术； 光电感烟感温探测构成的二参量探测技术等。此外，还有采用双光源的光电 复合探测技术，也能改善火灾探测效果。 2. 光纤测温技术7 这种探测技术稳定性好，特别适用于不易接近的地方，完全不受电磁干 扰，完全不受湿度、侵蚀等环境问题干扰。因此它适合用于在隧道、地铁、 输送管、炼钢厂、核电站、冷藏室等一般火灾探测技术难以胜任的场所。 3. 大空间火灾安全监控技术8-10 是基于 ccd 摄像机的图象型火灾探测技术，该技术可以对既可以对火 进行探测，又可对烟进行探测由于采用多种火灾模式识别，有效地减少了误、 漏报。ccd 摄像机同时还可以进行自动空间定位、联动灭火由于其优异的 第 1 章 绪论 - -5 性能，该技术特别适台于对大空问库房、博物馆、展览馆、飞机库、体育馆、 会议厅、演播厅、古建筑及环境比较恶劣的工业场所进行监测和保护。 1.4.2 电缆防火的发展趋势电缆防火的发展趋势 从研究热点可以发现，早期准确预报是火灾自动报警的关键问题，也是 今后的发展趋势11-15。 1. 多参量多判据火灾探测技术 伴随着火灾的发生，会产生气体、烟雾、温度和火焰等火灾参量。由于 火灾过程是一个极其复杂的物理化学过程，而且与环境的相关性很强，不同 的环境和不同的燃烧物质的火灾生成物，如气体成份、烟雾粒径、温度场分 布及光谱构成均有不同，因此很难用一种火灾参量探测变化莫测的各类火灾。 此外，目前已知的引起误报的非火灾信号有灰尘、水气、香烟烟雾等都不具 备真实火灾的多个火灾参量。因此，多参量复合探测技术结合相关的信号处 理方法不仅可以克服因使用单火灾参量造成的漏报，还可以从根本上识别由 于非火灾信号导致的误报和由于电子干扰信号等引起单一参量火灾探测器的 误报，使得火灾的误报率大大降低。多参量多判据火灾探测技术还可使火灾 探测的时问缩短，达到早期预报的目的。因此各种火灾参量敏感元件组成的 各种复合探测器仍将是今后火灾探测领域中主要研究方向 2. 早期火灾探测技术 要使起火不成灾或者火灾造成的损失很小，及早地发现火灾极其重要， 只有这样才能以最小的代价、最短的时间扑灭火灾，达到最大的效益。基于 a射线与烟粒子相互作用改变离子电流大小的原理研制成的离子感烟探测器 其灵敏度远远高于比它早诞生半个世纪的感温探测技术，使火灾探测技术进 入了一个崭新阶段，实现了预报火灾的目的。后来，又出现了基于光与烟粒 子相互作用的散射光式。 感烟探测技术这些点型感烟探测技术要烟雾进人探测器内才能感知到 烟雾的存在，才能探测到火灾，通常称为接触式火灾探测。而烟气的运动主 要靠热气流或者扩散运动到达探测器的，因此探测器是等待烟雾的到来，是 被动工作方式。在火灾早期，特别是阴燃阶段，温度较低，烟气到达探测器 很慢，有的烟还到不了探测器，因此这种被动工作方式的接触式感烟探测器 的早期发现火灾受到了一定的限制。高灵敏度吸气式火灾探测器变被动等烟 工作方式为主动吸气工作方式。其工作原理是主动抽取空气样本，经滤波将 灰尘滤除后进入检测室，在检测室用激光侦测技术对烟粒子探测、计数、分 析，当烟粒子达到一定数量时，给出报警信号。由于采用了吸气方式和激光 东北电力大学本科毕业论文 - -6 侦测技术，使探测器的灵敏度和可靠性大大提高，实现了火灾的极早期预报。 在极早期火灾探测技术方面分析空气中气体成分也是非常有发展前途的。众 所周知，通常火灾是一种不充分燃烧，在蕴酿火灾过程中或者发生火灾的过 程中，co 的含量会远高于正常情况下的含量，因此通过测量空气中的 co 的 含量，便可准确判断是否发生了火灾，并且可以早期发现火灾。近年来，co 传感技术有了一定的突破大空间火灾安全监控系统是属于非接触式火灾探测 技术，它可以安装在普通点型火灾探测器无法发挥效能的高大空间内监测火 灾，可以实现早期预报火灾，还可以利用摄像机监视现场的方法，克服误报， 提高报警的可靠性和快速性。 3. 网络型火灾自动报警技术 目前，国内的火灾报警及联动控制主要采用多总线一体化控制模式，即 所有的现场设备均由一台控制器集中控制，控制器根据现场设备检测到的信 息进行信息处理，完成状态修正、火灾报警、故障判定及联动控制等功能。 这种系统采用总线制编码寻址方式，每一回路可控的编码地址有限对于一个 大型系统，主控制器采用主从式多cpu并行处理模式，分回路控制，通过内 部多总线进行cpu间的数据交换，实现对现场设备的统一集中控制这种技术 一旦主控制器发生故障，将面临整个大系统瘫痪的风险。此外，这种技术在 分散型，大规模建筑群中应用存在一定的局限性，因此网络型火灾报警控制 技术将成为今后的发展方向。网络型火灾报警控制技术采用多个区域报警控 制器组成一个基于某种网络通讯方式的局域网络，网络中的每个区域控制器 与其所控设备组成一个相对独立的报警区域控制器之间通过局域网络进行数 据交换，完成交互的显示和控制功能。这种技术不仅克服了上述风险，还可 使整个系统处于多台控制器的监控之中，消除了由于操作人员的疏忽造成的 损失。这种技术可以将一个单位甚至一个城市的消防系统纳人到一个大系统 中，再结合城市通信指挥系统、住宅小区安全防范系统和现代火灾信息处理 技术。这样不仅提高了系统的安全性，而且还可以及早发现火警，作出快速 反应，迅速组织灭火，将火灾损失降低到最低限度。 第 2 章 系统的总体结构分析 - -7 第第 2 章章 系统的总体结构系统的总体结构分析分析 2.1 系统的总体结构系统的总体结构 系统采用全数字化网络结构，提高了整个系统的抗干扰能力。系统为双 层总线结构，一条总线将上位机(工控机)与下位机(单片机)连接起来。另一 条总线将下位机与温度传感器、烟雾采集测点连接起来,实现数据采集。每 个单片机可挂接多个温度传感器和离子感烟探头，温度总线可支持智能温度 传感器。整个系统的数据通信采用 crc8 纠错校验，并保证系统能在恶劣环 境下可靠地运行。系统原理结构图如图 2.1。 2.1 系统结构原理图 2.2 系统的工作原理系统的工作原理 本系统的上位机采用了工业控制 pc 机,安装于总控室,它负责各个子站 (下位机)的供电、通信控制、状态显示和报警决策。子站测量监测范围内的 温度和烟雾,并储存于数据存储器 ram 中,等待上位机的发送指令。上位机 通过通信模块发送巡检命令,从下位机获取温度数据和烟雾数据,并同参考阈 值比较,做出正常还是异常的判断,如果监测站点的数据异常,则上位机将命令 该站点继续检测并上报每一点的温度值和烟雾浓度状态,通过分析做出最终 判断(火灾或传感器有故障)。 2.2.1 串行通信模块串行通信模块 由于各温度测控点之间的距离不同，现场的要求也不同，系统采用主从 式多机通信网络进行系统温度监控。通信接口采用标准的 rs-485 通信接口。 主机可以远距离控制现场，操作者通过主机控制面板，调节各从机的设定温 度阈值。子站实时采集与其相连的一系列温度传感器的数据，经过各个子站 东北电力大学本科毕业论文 - -8 的处理后，通过远程通信接口电路，把代表电缆位置信息的传感器编号以及 相应的温度数据传送给主机。该设计简化了系统结构，便于管理和维护。 2.2.2 子站的硬件设计子站的硬件设计 子站的核心是 intel 公司的 8 位单片机 89c5121，系统采用 at89c52 单片机通过串行通信来实现各数据的采集。intel 89c51 具有 4kb eeprom 作为程序存储器，128b ram 作为数据存储器2。复位电路采用上电自动复 位、按钮手动复位和定时器（看门狗）自动复位多重复位设计，以保证子站 工作的可靠性。时钟电路由外接石英晶体振荡器和电容构成的三点式振荡电 路及内部反向放大器构成，时钟频率为 11.0592 mhz intel 89c51 的 16 位内部定时/计数器以中断方式工作，控制子站定时 扫描与之相连的传感器，内部并行口线则用于子站与温度传感器之间的单总 线数据传输。考虑到一台子站要连接多个温度传感器，且距离较远，因此增 加了驱动接口电路，由光电耦合连接传感器，从而提高子站的抗干扰能力和 可靠性。 2.3 温度数据的采集温度数据的采集 传统的温度检测系统使用热敏电阻作为温度敏感元件，热敏电阻主要优 点是成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，准确度和精度 都较低。本设计温度传感器采用美国 dallas 公司生产的数字式温度传感 器 ds18b2028，它支持 dallas 触摸（touch）接口，遵循单线协议，可以 与处理器进行双向通信，是一种使用起来非常方便的温度传感器。使用 ds18b20 的测温系统，电路简单，应用方便灵活，在常温测量中有较大的优 势，与总线结合应用前景更加广阔，在工业过程、空调系统、智能楼宇等领 域的测量会有广泛的应用。 2.3.1 温度传感器特性温度传感器特性 2.3.1.1 ds18b20 硬件结构及特点硬件结构及特点 温度传感器采用美国 dallas 公司生产的新型温度检测器件 ds18b20，为单片结构，体积小，外部仅有三脚：1-gnd（地） 、2-dq（数 据线） 、3-vdd（电源） 。其结构如图 2.3 所示。 第 2 章 系统的总体结构分析 - -9 图 2.2 ds18b20 的结构框图 图 2.3 描述了 ds18b20 的主要元件，它主要由四个部分组成： 1)64 位 rom；2）温度传感器；3）非易失性报警高位、低位触发器；4）设 置显示器，ds18b20 由单信号线在高电平时存储内部电源，低电平时关掉电 源供给，直到其恢复高电平状态。也可由外部电源供给 3v-5v 电压。 虽然 ds18b20 支持寄生电源工作方式，但是当总线上所挂接的 ds18b20 数量超过 8 个时，不宜采用寄生电源的供电方式，而采用电源直接供电的方 式，以保证温度测量的可靠性。多点温度监测系统的硬件电路原理如图 2.4 所示，采用外部电源供电方式。该器件的主要特性如下： 1、体积小、功耗低、抗干扰能力强易于微处理器连接； 2、温度测量范围为55c125c； 3、通过编程可以实现 912 位的温度读数29，即具有可调温度分辨率； 4、每个 ds18b20 出厂时具有唯一的 64 位序列号，因此一条总线上可同 时挂接多个 ds18b20； 5、内含寄生电源，也可以外接5v 电源； 6、同微处理器双向通讯时，不须外加 a/d 转换电路。因而特别适合于 构成多路多点温度测量系统。 东北电力大学本科毕业论文 - -10 图 2.3 多点温度采集原理图 2.3.1.2 ds18b20 的温度测量原理的温度测量原理 ds18b20 内部的低温系数振荡器能产生稳定的频率信号 f0，高温系数振 荡器则将被测温度转换成频率信号 f。当计数门打开时，ds18b20 对 f0记数， 记数门开，通过时间由高温度系数振荡器决定。 低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于生产固定频率的脉冲 信号送给计数器 1，而高温度系数晶振的震荡频率随温度变化明显，它产生 的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器被预置在-55c 所 对应的一个基数值。计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计 数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预 置值重新装入，并再次对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行记数，如此循 环直到计数器 2 记数减到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器 中的数值即为所测温度。图 2.5 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中 的非线性，其输出用于修正器 1 的预置值。测量结果暂存于温度寄存器中， 利用单片机可以方便地读出来。 第 2 章 系统的总体结构分析 - -11 图 2.4 ds18b20 内部温度测量电路原理图 由于总线上可能同时有多个温度传感器，所以在发送读取命令前必须先 向总线上发送 ds18b20 的 64 位序列号，总线上的每一个温度传感器将这个 64 位序列号与自已固有的 64 位序列号相比对，只有序列号匹配上的那一个 温度传感器在随后的读取命令中被读取出温度数据。因此，挂接在总线上的 每一个温度传感器在事先都要用读 rom 命令（33h）读取出 64 位序列号， 预先写入汇编程序中，供程序循环发送这些序列号，读取每一个传感器的温 度值。读出的温度暂时存入单片机的数据存储器中，等待通过 rs422 口发 送至上位机。系统的软件流程如图 2.6。 图 2.5 统软件流程 以下程序为启动温度转换子程序，程序中所用代号参照图 2.4 多点温度 采集原理图。 mov a， #44h mov r5，#8 sdata：rrc a jc send1 clr p1.7 东北电力大学本科毕业论文 - -12 clr p1.3 nop sjmp send0 send1：clr p1.7 clr p1.3 nop setb p1.3 send0：mov r6，50 djnz r6，$ setb p1.7 mov r6，20 djnz r6，$ djnz r5，sdata ret 2.3.2 ds18b20 设计中存在的几个问题设计中存在的几个问题 dsl8b20具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用接口线少等 优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： 1.较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于dsl8b20与微处 理器间采用串行数据传送，因此，在对dsl8b20进行读写编程时，必须严格 的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。 2.在dsl8b20的有关资料中均未提及lwire上所挂dsl8b20数量问题， 容易使人误认为可以挂任意多个dsl8b20，在实际应用中并非如此。当l wire上所挂dsl8b20超过8个时，就需要考虑微处理器的总线驱动问题，这一 点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 3.连接dsl8b20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号 电缆传输长度超过50米时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为 双绞线带屏蔽电缆时，正常通信距离可达150米。这主要是由于总线分布电 容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用dsl8b20进行长距离测温系统设 计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。实际应用中，测温电缆线建 议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接vcc和地线， 屏蔽层在源端单点接地。 第 2 章 系统的总体结构分析 - -13 2.3.3 rom 操作指令及其含义操作指令及其含义 1、read rom 33h 这个命令允许总线控制器读到 ds18b20 的 5 位系列编码，唯一的序列号 和 8 位 crc 码。只有在总线上存在单只 ds18b20 的时候才能使用这个命令。 如果总线上存在不止一个从机，当所有从机试图同时传递信号时就会发生数 据冲突（漏极开路连在一起形成相“与”的效果） 2、catch rom 55h 匹配 rom 命令，后跟 64 位 rom 序列，让总线控制器在多点总线上定位 一只特定的 ds18b20，只有和 64 位 rom 序列号完全匹配的 ds18b20 才能响 应随后的存储器操作。所有的 64 位 rom 序列不匹配的从机都将等待复位脉 冲。这条命令在总线上有单个或多个器件都可以使用。 1、skip rom cch 跳转命令，这条命令允许总线控制器不用提供 64 位 rom 编码就使用存 储器操作命令，在单点总线情况下，可以节省时间。如果总线上不止一个从 机，在 skip rom 命令后跟着一条读命令，由于多个从机同时传送信号，总 线上就会发生数据冲突。 2、search rom 0f0h 当一个系统初次启动时，总线控制器可能并不知道单总线上有多少个器 件或他们的 64 位 rom 编码。搜索 rom 命令允许总线控制器用排除法识别总 线上的所有从机的 64 位编码。 3、alarm search ech 这条命令的流程和 search rom 相同，然而只有在最近一次测温后遇到 符合报警条件的情况，ds18b20 才会响应这条命令，报警条件定义为温度高 于 th 或低于 tl。只要 ds18b20 不掉电，报警状态将一直保持直到再一次测 得的温度值达不到报警条件。 2.3.4 存储器操作指令代码及其含义存储器操作指令代码及其含义 1、write scratchpad 4eh 这个命令向 ds18b20 的暂存器 th 和 tl 中写入数据，可以在任何时刻发 出复位命令来中止写入。 2、read scratchpad 0beh 这个命令读取暂存器的内容。读取将从第一个字节开始，一直进行下去， 直到第九个字节（crc）读完。如果不想读完所有字节，控制器可以在任何 东北电力大学本科毕业论文 - -14 时间发出复位命令来终止。 3、copy scratchpad 48h 这个命令把暂存器的内容拷贝到 ds18b20 的 e2prom 的存储器里，即把 温度报警触发字节存入非易失性存储器里，如果总线控制器里在这条命令之 后随着发出读时间隙，而 ds18b20 又忙于把暂存器拷贝到 e2prom 存储器， ds18b20 就会输出一个 0，如果拷贝结束的话，ds18b20 则输出 1。如果使用 寄生电源，总线控制器必须在这条命令发出后立即启动强上拉并最少保持 10ms。 4、convert t 44h 这条命令启动一次温度转换而无需其他数据。温度转换命令被执行，而 ds18b20 保持等待状态。如果总线控制器在这条命令之后跟着发出时间隙， 而 ds18b20 又忙于做时间转换的话，ds18b20 将在总线输出 0，若温度转换 完成，则输出 1。如果使用寄生电源，总线控制器必须在发出这条命令之后 立即启动强上拉，并保持 500ms 以上的时间。 5、recall e2 0b8h 这条命令把 e2prom 中的数值拷贝到温度寄存器中。这种拷贝操作在 ds18b20 上电时自动执行。这样器件一上电，暂存器马上就存在有效的数据 了。若在这条命令发出之后读数据隙，器件会输出温度转换的标识：0 为忙； 1 为完成。 4、read power supply 0b4h 若把这条命令发给 ds18b20 后发出读时间隙，器件返回它的电源模式： 0 为寄生电源；1 为外部电源。 2.4 烟雾监测烟雾监测 2.4.1 烟雾监测原理烟雾监测原理 由于温度过高引发的火灾现场的另一特点是有大量的烟雾存在，根据这 一特点，在系统中加入感烟器件。通过监测现场烟雾浓度，进一步增强系统 的可靠性。系统采用的感烟器件为离子型感烟器。它本身相当于一个开关， 在正常状态下开关开启，当监测到烟雾浓度过高发生报警时开关闭合。其示 意图如图 2.7 所示。该型感烟器用于检测电缆绝缘受热及燃烧时产生的有色 或无色化学气体，这是采用红外或非离子型感烟探头所无法实现。 第 2 章 系统的总体结构分析 - -15 （a） (b) 图 2.6 烟雾检测原理 烟雾检测原理如图 2.10 所示： 1、正常情况时： 光电偶合器断开，节点 1 为高电平，通过反向器后，输出端 2 为低电平。 p0.0 口读取值为 0。 2、报警情况时： 光电偶合器闭合，节点 1 为低电平，通过反向器后，输出端 2 为高电平。 p0.0 口读取值为 1。 系统定时查询单片机的 p0 口，根据 p0 口的状态判断感烟器是否报警。 感烟器工作电压为 24v。 图 2.7 烟雾检测原理 2.4.2 离子感烟器的详细介绍离子感烟器的详细介绍 jty-lz-1412 和 jty-lz-1424 型为采用现代工艺技术的离子感烟探测器。 此类探测器设计对开放式区域提供保护。探测器的运行状况和灵敏度能够现 场测试。作为自锁型探测器，当报警锁定后，须通过瞬间中断电源来使其复 位。 工作原理：探测器上有一只发光二极管作为探测器现场的显示。如果探 测器通电，处于正常监视状态，led 会每 10 秒闪亮一次。在报警状态， led 将锁定恒亮直至探测器复位。每一探测器内含一对常开触点（a 型） 用于联接到报警控制电路还有一组常开/常闭辅助触点（c 点） 。对探测器电 源的监视是通过在探测器电源回路末端安装一电源监视终端断电器来完成的。 当电流加向并流过探测器时，终端电源监视模块被上电，其断电器触点闭合 东北电力大学本科毕业论文 - -16 使控制器的报警回路形成闭合的串联电路。一旦断电或探测器回路断开，终 端模块将失电，断电器触点脱开并向控制器触发故障信号。 第 3 章 系统多机通讯及接口 - -17 第第 3 章章 系统多机通讯及接口系统多机通讯及接口 3.1 rs232 与与 rs485 接口的特点接口的特点 子站负责采集温度数据并对数据进行简单的处理，通过接口电路把传感 器编号以及相应的温度数据传送给主机。intel 89c52 具有片内串行接口，在 串行口控制寄存器 scon 的控制下，可以方便地工作在移位寄存器方式、 波特率可变的 8 位异步通信方式、波特率固定的 9 位异步通信方式和波特率 可变的 9 位异步通信方式中。由于 intel 89c51 的串行口为 ttl 电平，而上 位机（主机）的串行口为 rs-232 电平，因此通常的设计是采用 mc1488/mc1489 电平转换接口电路。 rs232 串行通信标准规定26，驱动器允许有 2 500 pf 的电容负载， 因此通信距离受到很大限制，一般通信距离不超过 15 m。此外，rs232 串行接口采用单端信号传输方式，其抗干扰能力较差。考虑到 rs232 串 行接口的固有缺点以及子站数量多、分布范围大、距离主机较远等实际情况， 本设计采用 rs485 串行总线33构成子站与主机的接口。rs485 串行数 据发送接收器采用平衡发送和差分接收，具有很强的抑制共模干扰能力，而 且接受器具有较高的灵敏度，因此通信距离可达到 1 000 m 以上。 在通信线路安装方面，rs485 总线比 rs232 总线具有很多优势： rs232 总线采用三线共地传输，而 rs485 总线采用两线差分传输，也 就是说，采用 rs485 总线可以利用一对双绞线方便地构成主机与多个子 站的分布式系统。 rs485 接口芯片可以采用 max 公司的数据接口芯片 max1480b27。 3.2 多机通讯原理多机通讯原理 分布在各个监控位置的下位机将各温度测点所采集到的温度数据及离子 感烟器所采集的现场烟雾数据通过 rs485 口传送到上位机，利用上位机强 大的数据处理和控制功能，进行集中监控，实现温度超限报警，甚至通过控 制模块启动降温装置，如果判断发生火灾，还可以启动灭火装置进行灭火。 温度传感器到下位机的最远距离为 100 米，上位机到下位机的距离为 1500 米，因此可对方圆 3 公里的范围进行监控。系统通信采用美信公司的 rs485 数据接口芯片 max1480b。图 4.1 为通讯原理图。 东北电力大学本科毕业论文 - -18 图 3.1 通讯原理图 下位机与多个温度传感器之间由 74ls244 驱动芯片相连，其引脚图如图 3.2。 图 3.2 74ls244 引脚图 3.3 多机通讯的软件协议多机通讯的软件协议 通信协议是对数据传送方式的规定，包括数据格式定义、数据位定义和 握手信号约定等，通信双方必须遵从统一的通信协议。在本设计中，因被测 信号频率不高且采集的数据量不多，所以采用异步串行通讯，通信协议为： 无起始位和奇偶校验位、数据位 8 位、停止位 1 位、波特率 9600bps、传送 码为 ascii 码。 3.4 max1480b 通讯接口芯片通讯接口芯片 max1480系列数字通讯接口芯片，符合rs485rs422接口规范，用于微 第 3 章 系统多机通讯及接口 - -19 机控制装置与传输线路完全隔离的串行通讯场合。芯片采用28脚。( 1480) 24脚(max1490)双列直插封装，用正5v 电源供电。左侧引脚为串行逻辑端、 使能控制端以及电源输入端，主要信号引脚有三个：di、ro 和de，其中di 为发送输入端，与串行口的数据发送端txd相连接，ro 为接收输出端，与串 行口的数据接收端rxd相连接。de为使能控制端，该位拉高电平时接口处于 发送状态，拉低电平时接口处于接收状态(max1490是全双工接口，无此引脚)。 这些引脚可以直接与ttl 或cmos电平相匹配。芯片右侧引脚为串行线路驱动 器、线路接收器的输出、输入及相应的控制信号引脚，两侧的隔离耐压大于 1600v。其中引脚a、b为输入、输出信号复用。信号传输采用一对双绞线， 在实际使用中传输线实现完全“悬浮”，有效地防止传输线引入的干扰和意 外短路对控制系统造成损坏。该类接口芯片可以达到很高的串行通讯波特率 和很远的通讯距离，其中max1480b的通讯波特率为250kbps，而max1480a 的 通讯波特率可达2.5mbps，通讯距离可达1200米。该芯片的工作电压很低， 工作电流很小，毫瓦级的功率消耗，内部设有过流、过热保护机制，与单片 机配合使用，可以构成低成本、高性能、高可靠性的多路信号异步串行传输 系统。 该芯片即可以用来发送数据，也可以用来接收数据。当 11 脚为高电平 时，芯片用来发送数据。出现在 9 脚上的低电平导致输出端 a（23 脚）低， b（25 脚）高。相反出现在 9 脚上的高电平导致输出端 a 高，b 低。当 11 脚 为低电平时，芯片用来接收数据。如果 a 端高于 b 端 200mv，13 脚将出现低 电平。如果 a 端低于 b 端 200mv，13 脚将出现高电平。所以 9 脚、11 脚、 13 脚分别与单片机的 txd、p1.1、rxd 相连接实现数据的发送和接收。其管 脚介绍如下表 4.2： 表 4.2：max1480b 管脚介绍 max1480b 管脚 非隔离端管脚 名称功能 1，2，8，10vcc1-vcc4为逻辑端（非隔离端）提供+5v 电压。 3，4d1，d2内部连接使管脚分离。 5gnd1逻辑端电源地，与管脚 12（电源地）相连。 6fs频率选择输入。若 fs=vcc 或开状态时， 改变频率为高电平；若 fs=gnd，改变频 东北电力大学本科毕业论文 - -20 率为低电平， 。