基于CAN总线的火灾报警系统的设计方案和实现方法

摘要随着人们防火意识的增强，火灾探测报警技术越来越受到人们的重视。传统的火灾报警系统多采用RS485总线作为通信方式，并采用单一的温度传感器监测现场环境，在灭火执行装置中使用玻璃球洒水喷头。本文主要研究基于CAN总线的火灾报警系统的设计方案和实现方法。与RS485相比，CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。本文研究的火灾报警系统采用温湿传感器和烟雾传感器来探测火灾现场的数据信息，对火灾的判断使用温度、湿度和烟雾浓度三种信息参数，当报警点探测到的环境数据超过传感器的阈值时，终端开始报警。本文的设计采用主从式结构。终端和报警点都采用AT89S52芯片。为了实现终端对报警点的实时监测，在终端和报警点处都设计有CAN通信电路模块，由控制器SJAl000和收发器82C250组成CAN通信接口。终端的外围电路部分包括GSM电路、蜂鸣器报警电路、状态指示电路；报警点的外围电路部分包括DHT11传感器电路和MQ-2传感器电路。关键词：火灾报警，CAN，实时监测ABSTRACTWith the enhancement of peopleS awareness of fire prevention，fire detection alarm technology attracts more and more peopleS attentionMost of the traditional fire alarm system used RS485 to communicate，and adopt a single temperature sensor to monitor the environment at the scene，and used glass ball sprinkler head as the performing devicesThe design and realization of fire alarm system was studied based on CAN busCompared with traditional fire alarm systems，such as based on RS-485，the communication of CAN bus was more reliable，real-time and flexibleIn this paper, we study the fire alarm system adopts the temperature humidity sensors to detect the scene of the fire and smoke sensor data information, the use of temperature, humidity and their appreciation of the fire smoke concentration parameters of three kinds of information, when the emergency alarm detect environmental data exceeds the threshold value of the sensor, the terminal began to call the police.This system used master-slave structureTerminal and stations are adopted AT89S52 In order to communicate，the CAN interface is designed，which is composed by SJAl000 and 82C250Terminal peripheral circuit part including GSM, buzzer alarm circuit, status indication circuit;The periphery of the emergency alarm circuit part including DHT11 sensor circuit and MQ - 2 sensor circuit.Keywords：fire alarm，CAN，realtime monitor第一章 前言1.1火灾报警系统的目的与意义随着人类社会经济的发展和科技的进步，人类一步一步的征服自然，成为世界的主宰,然而我们依旧依附于大自然，无法摆脱大自然对我们的影响。在洪涝、旱灾等一系列自然灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的灾害之一。它对人们的健康、生命和财产安全存在重大威胁，火灾一旦发生，成千上万的财产瞬间毁于一旦，其造成的损失将是地震的5倍，仅次于旱灾、洪涝给人们造成的损失。曾瑞士保险公司的调查报告显示，1970年到1985年世界每周要平均发生3起以上的大火灾害，15年间由火灾而造成的人员伤亡高达150万人以上，全球5000万人失去家园，火灾隐患逐渐得到了人们的关注。人类能够对火进行利用和控制也是文明进步重要标志之一，所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相互共存的，人们不仅在使用火，与此同时不断总结火灾发生的规律，尽可能地更多的减少火灾及其对人类造成的危害，人类不仅在处理火灾造成的损失，也还注重火灾的预警的研究，从而有了火灾报警系统的诞生，特别是近十几年，高灵敏度、安装简便灵活、低误报率、便于集中监控等优点的先进的智能型火灾报警系统，得到了国内外的广泛应用。1.2火灾报警系统的发展历程与现状火灾报警系统由简单到复杂，由单一品种趋于多样化，由以前误报率较高、监测范围较窄和安装复杂变成现在测量较精准、监测范围广、安装简单。19世纪40年代至20世纪40年代，火灾报警系统处于初级发展阶段，主要采用感温式探测器，先采集温度信号，再判定是否超出预设的阂值，进而判断是否有火灾发生。此时的火灾报警系统结构简单，仅仅只靠单一的温度参量来进行火灾判断的。但是它存在许多不足之处，抗干扰能力差，响应速度慢，灵敏度低，无法判断阴燃火灾，也无法满足应用要求。20世纪40年代末，离子感烟探测器推出，它是由瑞士物理学家EmstMeili研究发明的，备受人们关注和重视，随后感烟探测器得到广泛应用，并逐渐占据了市场主导地位，之前的感温式探测器退居其次；到70年代末，光电式感烟探测器发展起来，光电式感烟探测器使用寿命长，抗干扰能力强，解决了离子感烟探测器的放射性问题。此时火灾报警系统普遍采用的是多线制布局方式，但布线、调试、系统可靠性等的问题又使火灾报警系统的发展停滞不前。20世纪80年代初期，火灾报警领域随着总线型火灾报警系统的兴起迈出了一大步，从此总线型火灾报警系统得到了广大认可，在实践中广泛应用，改善了多线制布局方式存在的弊端。但此时火灾报警系统智能化的水平不高，采用有线连接对工程的要求较高。从20世纪80年代中后期开始，随着计算机技术、检测技术、现场总线技术快速发展，火灾自动报警系统步入了智能化的时代，智能化火灾报警系统的迅速发展，使得各种智能型火灾自动报警系统相继出现。1.3火灾智能报警的概念火灾智能报警具备对火灾信号的容错识别、分析判断的功能，不同于火灾自动报警。传统的火灾报警判断方法和依据是根据预先设定的某一阈值或阈值区域比较，再设定一个或多个来判断阈值，当探测到的火灾信号超过预设的阈值时发出报警。阈值法虽然简单，但对于传感器的灵敏度依赖性强，而且易受干扰，出错率高。例如，有许多人在一个小的空间内吸烟，室内会产生大量的烟雾，一般情况下，这种情况不会导致火灾的发生，但使用阈值法此时则有可能会被认为有火灾发生，出现误报警。又比如，当电线超载时，在短时间内系统可能检测不到热、烟，等到识别出的时候可能为时已晚，出现漏报警。火灾智能报警系统区别于火灾自动报警系统，它把室内的烟雾浓度或温度对时间的变化的数据传送给计算机，计算机内事先储存了智能数据库内有关火灾形态资料，将收集回来的数据与其进行分析比较，判断是否真有火灾从而报警。火灾智能报警系统感受和传送的不再是简单的物理信号，而是信号变化的过程，计算机可以对多维信号变化的过程进行实时的处理和系统识别。 1.4本章小结火灾预警不仅仅再局限于火灾自动报警，随着火灾报警领域的发展，火灾智能报警已得到完善和普遍应用，大大减少了系统误报率，提高了系统的可靠性和准确度，具有广泛的商业前景。第二章 智能火灾报警系统的总体方案设计2.1火灾发生的原理火灾是一种由燃烧造成的不以人的意志控制的灾害，产生火灾有三个基本要素：可燃物、助燃物和点火源。其中，可燃物的形态有三种：气态、液态和固态；助燃物通常指的是氧气。当从外界获取到一定能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体(如CO、H2等)的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。在产生气溶胶的同时，产生分子较大的液体或固体微粒，称为烟雾。着火后，燃烧产生的热量使液体或固体的表面继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量，形成火灾。其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。根据火灾发生时产生现象的不同，可以将火灾分为慢速阴燃、明火和快速发展火焰等。通过大量的研究表明阴燃是诱发火灾的重要原因。总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能达到全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。起火过程中，起初和阴燃两个阶段所占的时间比较长，虽然产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，若探测器就应该从此阶段开始进行探测，就可以火灾损失控制在最小限度。火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能将这时能够探测到有效地温度值，就可以比较及时地控制火灾。2.2本系统的总体方案设计2.2.1系统的功能要求本系统的研制主要包括以下几项功能：1、异常报警功能。当环境出现异常（如烟雾浓度过大或温度较高）时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免火灾发生；2、火灾报警功能。一旦真出现火灾（烟雾和温度同时出现异常）时，能立即发出声光警报，并通知主人；3、具有3种报警方式：声、光、短信接收报警；4、总线连接实现多点布控2.2.2系统的技术要求本系统的研制主要包括以下几项技术要求：(1)体积小：探测器的体积要尽可能的小，这样占用的空间才能减少，使用和更换才会方便；(2)功耗低：系统可以采用5v电源供电；(3)可靠性高: 可以实现对室内温度、烟雾浓度的精确监控，发现异常立即报警，可以通过蜂鸣器、发光二极管、短信收发模块实现声、光、短信三种方式同时报警，提高报警可靠性；2.2.3系统硬件的总体方案设计1.系统总体结构框图本火灾报警系统设计为多点报警系统，整个系统包括若干报警点和终端节点，系统总体结构如图2-1所示，若干报警点通过CAN总线连接通信并在终端设置短信收发报警模块，各报警点不仅发生温度、烟雾浓度异常时在该点有声、光报警，而且也可通过总线传到终端进行短信收发报警。报警点1报警点2终端：短信收发报警点4报警点3图2-1 系统总体结构框图2、报警点框图系统各报警点结构如图2-2所示，各报警点各有一个单片机控制，每一个单片机都有温度传感器模块、烟雾传感器模块和声光报警模块，并且各单片机都与总线连接，作为整个系统的一部分。单片机温度传感器声音报警 烟雾传感器状态指示灯总线图2-2 报警点结构框图3、终端节点结构框图终端节点结构如图2-3所示，也是由一个单独的单片机控制并与总线连接，作为整个系统的一个终端，其上连接短信收发模块，作为终端报警。单片机短信收发模块总线图2-3 终端节点结构框图2.2.4 系统的硬件选择1.单片机的选择 单片机是本方案设计的灵魂，所以对于单片机的选择是我们首先要确定的。MCS-51是Intel公司推出的一款单片机类型，MCS-51系列单片机典型机型包括51和52两个子系列，其中在51子系列中，主要有8031、8051、8751三种机型，基于HMOS工艺，它们的指令系列与芯片引脚完全兼容，只是片内ROM有所不同。8031片内不含程序存储器，8051片内有4KB的掩模ROM，8751片内有4KB的紫外线可擦除ROM。三种机型对应的低功耗CHMOS产品分别为80C31、80C51、87C51。目前国内MCS-51系列及与之兼容的80C51系列单片机最为普遍，它在一块超大规模集成电路芯片上同时集成了CPU、ROM、RAM及TIMER/COUNTER等部件，具有64KB的寻址能力，使用者只需外接少量的接口电路就可以组成自己的单片机应用系统。新一代的80C51单片机集成度更高，在片内集成了更多的功能部件，如A/D、PWM、PCA、WDT及高速I/O接口等，在工业测量控制领域内获得了极为广泛的应用，为此有人指出80C51单片机已成为事实上的工业标准。目前已有多个厂家生产不同型号的80C51单片机，它们各有特点，但其基本内核相同，指令系统也完全兼容。AT89C51单片机是由Atmel公司推出的，应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，且适合民用、商用，用途更广泛。综合以上观点，本论文选定AC89C51作为本系统的核心。2.传感器的选择引起火灾的因素有很多，由于本设计只讨论温度、湿度、烟雾浓度这三项与火灾的发生相关的指标的检测，所以其他与之相关的因素未予探讨。其中，为简化设计过程，没有选择单个的传感器进行焊接，选择了传感器模块，并且因为本设计温度和湿度都要检测，传感器也没有单独选择，而是直接选择温湿度传感器模块，下面对温湿度传感器模块和烟雾传感器模块进行详细阐述。（1） 温湿度传感器模块的选择温湿度传感器模块分为两种类型：电压输出型(0-3V)、数字信号输出型。电压输出型有AH11, AHT11, AHT2M1等，数字信号输出型：有DHT11,AM2301, AM2302，相较于电压输出型来说，数字信号输出型更加方便，一条线就可以输出温度和湿度信号。DHT11体积小，功耗低，便于集成，虽然DHT11的传输距离比不上AM2301和AM2302，但也可达20米以上，符合本设计要求，综合以上观点，本论文选定DHT11温湿度传感器模块。（2） 烟雾传感器模块的选择烟雾传感器的类型有很多，在此列举比较三种常用类型：.离子式烟雾传感器该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。.光电式烟雾传感器光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。但前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。当发生熊熊大火时，空气中烟雾的微小粒子较多，而闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些。如果火灾发生后，产生了大量的烟雾的微小粒子，此时光电式传感器预警稍差些。.气敏式烟雾传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器。该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。考虑到本次设计的实际需求，气敏式烟雾传感器更符合设计要求，所以选择MQ-2烟雾传感器模块。（3） 短信收发模块的选择由于本设计中要求在总线终端实现短信报警，在火灾发生时，可以第一时间通知主人，所以本设计要用到全球移动通讯系统GSM，采用的型号是西门子公司的TC35。它是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块，易于集成，在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域发挥着重要作用。（4） 总线现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠地数据通信提供了强有力的技术支持。总线连接方式有很多，例如RS485、RS232、CAN等。本设计采用CAN总线，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。2.3本章小结本章节主要介绍了火灾发生的原理和对本课题的总体方案设计，详细的介绍了系统的功能要求、技术要求，并对硬件模块进行选型，使我们有一个大致的思路，下面通过对硬件和软件两方面的分开介绍，进一步的了解火灾报警系统。第三章 系统的硬件设计3.1 终端电路设计3.1.1 CAN总线控制电路1. 通信控制器SJA1000SJA1000是一种独立的控制器，一般用于区域网络控制的工业环境和移动目标环境中，作为一种扩展过的接收缓冲器。它具有完成CAN 高性能通信协议所要求的全部必要特性, 具有简单总线连接的SJA1000 可完成物理层和数据链路层的所有功能。其原理图如图3-1所示。引脚功能：/CS：片选输入，当处于低电平可以访问SJA1000CLKOUT：时钟信号，由内部晶振产生。 XTAL1：外部振荡信号由此输入XTAL2：振荡器放大电路输出，在使用外部振荡信号时，这个引脚应当是开路TX0：从输出驱动器0到物理路线的输出端TX1：由输出驱动器1到物理路线的输出端/INT：用于中断控制；当为低电平时可以激活IC睡眠模式/RST：复位输入RX0，RX1：是从物理总线到SJA1000比较器的输入端；显性电平时会激活SJA1000的睡眠模式；倘若RX1的电平高于RX0的电平，此时将会读出显性电平，否则会是隐性电平；如果CBP位被置位，就会忽略输入比较器用来减少内部延迟时间；处于这种情况下说明RX0是激活的，此时隐性电平高，而显性电平是低的。图3-1 通信控制器SJA10002. 收发器PCA82C250CAN控制器与总线之间的接口是PCA82C250，它可以提供差动发送给总线，此外也有差动接收能力。差动接受器具有很强的抗磁干扰能力，其功能框如图3-2所示：斜波/备用收发器参考电压热保护驱动器TXDRsRXDVrefGDNNDCANLCANHTXGND图3-2 PCA82C250引脚图PCA82C250作为总线的收发器，该器件具有较强的差动接收能力，其原理图如图3-3所示。它的主要特性主是能够和“ISO11898”标准完全兼容，而且其传输速率比较高。具有很强的抗干扰能力，以及它可以保护总线，此外斜率控制是用来减小低射频的干扰；不仅如此还具有共模抑制能力等优点。图3-3 收发器PCA82C250原理图3.1.2 终端GSM电路设计随着 GSM 移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈 , 新技术和新业务的开发和应用已提到十分重要的位置 。GSM 模块作为一种主要的 GSM 网络接入设备 , 已得到越来越多的系统制造商和系统开发商的重视 , 基于它的各种应用也蓬勃发展起来 。GSM 模块是继 GSM 手机外又一种非常重要的 GSM 移动通信系统的终端设备 。它是传统调制解调器与 GSM 无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备 , 因此也叫无线调制解调器 。它的出现给 GSM 的发展注入了新的活力 , 改变了传统的以话音为主的通信手段 , 打开了 GSM 网络数据通信及其应用的大门 。所以在应用上 , 凡 是 使 用 调 制 解 调 器 的 地 方 大 多 数 可 以 用GSM 模块代替 。由于调制解调器必须通过 PS TN 或者其他专用通讯网进行通信 , 因而受地域 , 线路等影响 , 在应用上有很大的局限性。 而 G SM 模块则无此限制 , 所以基于这种模块 , 以 G SM 网络作为无线传输网络 , 可以开发出多种前景极其乐观的各类应用 , 如 :G PS / G SM ( SMS ) 移动车辆监控定位系统 ; 移动 POS机 , 移动收费系统 ; 移动性数据和 Internet 接入。TC35 模块是 S iemens 最新推出的新一代 G SM 模块 , 它 与 G SM p has e 2/ 2 + 兼 容、双 频 ( G SM900/G SM1800) 、RS 232 数据口、 符合 ETSI 标准 G SM0707和 G SM0705 且易于升级为 G PRS 模块 ; 该模块集射频电路和基带于一体 , 向用户提供标准的 AT 命令接口，为数据、 语音、 短消息和传真提供快速、 可靠、 安全的传输 , 方便用户的应用开发及设计。其原理图如图3-4所示：图3-4 GSM模块原理图 1. 主要技术指标： TC35 的主要特性与技术指标包括以下几点 :(1)频带：双频E GSM900和GSM1800(GSM Phone2+)；(2)支持数据、语音、短消息和传真(3)高集成度(5415mm36 mm6185mm) ；(4)重量：18g(5)电源电压：单一电压313515V；(6)波特率：可选波特率300bps115 kbps，自动波特率418115 kbps；(7)电流消耗：空闲模式小于315mA，语音模式平均300mA，峰值213A，掉电模式( Power down)100A；(8)温度范围：正常操作- 20+ 55，存放-30+ 85；(9)S IM电压：3V/118V 2. 引脚功能 TC35共有40个引脚，通过一个ZIF(Zero In 2 sertion Force)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。第114脚为电源部分，其中15为电源电压输入端Vbat t +，610为地GND，11、12充电引脚，13对外输出电压(共外电路使用) ，14为ACCU - TEMP接负温度系数的热敏电阻 ；2429为SIM卡引脚， 分别为CCIN、CCRST、CCIO、CC2CLK、CCVCC和CCGND；3340为语音接口用来接电话手柄；15、30、31和32脚为控制部分，15为点火线IGT ( Ignition)，当TC35通电后必须给IGT一个大于100 ms低电平，模块才启动，30为RTCbackup ，1为Power down，32为SYNC； 1623位数据输入/输出分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。3.1.3 报警电路设计本系统采用压电式蜂鸣器，这种蜂鸣器是10mA的驱动电流，如图3-5所示，图中驱动器的输入端接AT89S51的P1.0。当室内的环境参数超出规定范围值的时候，P1_0接受信号时，使压电蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。P1.0图3-5 蜂鸣器原理图3.1.4状态提示电路设计本系统状态提示采用发光二极管，当室内环境参数超出预设值时闪烁提示，其原理图如图3-6所示。图3-6 发光二极管原图LED是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、辐射低与功耗低。作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。3.2 下位机电路设计3.2.1 DHT11传感器本系统要对多个房间的环境参数进行监控，根据选型我们采用了DHT11传感器，它首先对所处环境内的温度、湿度参数进行采集，然后通过自身的感应元件，将采集到的信息传送给单片机，其原理图见图3-7所示。图3-7 DHT11传感器原理图DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。该传感器为4针单排引脚封装。连接方便。DHT11的供电电压是3V-5V,等到传感器上电的时候，将会需要等待1S钟来跳过短暂的不稳定的状态，在这个时间内，不需要发送任何命令，电源引脚的VDD和GND之间加一个100uF电容，可以实现去耦以及滤波。DHT11温湿度传感器的引脚说明见表3-1：表3-1 DHT11传感器引脚说明pin名称注释1VDD供电3-5V DC2DATA串行数据，单总线3NC空脚4GND接地，负极1. DHT11特点：相对湿度和温度测量全部校准，数字输出卓越的长期稳定性无需额外部件超长的信号传输距离超低能耗4 引脚安装完全互换2. 应用领域：暖通空调、测试及检测设备、汽车、 数据记录器、消费品、 自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器。3.技术参数电压： 3.3V-5.5V DC输出： 单总线数字信号范围： 湿度20RH-90%RH，温度0-50精度： 湿度5%RH，温度2分辨率：湿度1%RH，温度1可换性：可完全互换 稳定性：小于1%RH/年3.2.2 MQ-2传感器MQ-2型气敏元件有两种型号。MQ-2A型适用于天然气、城市煤气、石油液化气、丙丁烷及氢气等;MQ-2型适用于烟雾等减光型有害气体。本设计采用MQ-2型传感器，原理图如图3-6所示，它抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。1.MQ-2 特点： 广泛的探测范围 高灵敏度快速响应恢复 优异的稳定性长寿命 简单的驱动电路 图3-6 MQ-2传感器原理图3.3 本章小结本章主要介绍所有硬件电路设备、CAN总线的相关功能和用途的介绍，以及对其他电路进行设计。下章将对本系统的软件部分进行设计。第四章 系统的软件设计4.1 系统整体软件设计该系统的软件设计是基于硬件电路连接完成的基础上编写的，主要实现主节点对各从节点的实时监测以及各从节点对环境数据的采集与传送，进而控制执行装置工作等功能。为了保证系统能正常运行，每次上电时，必须对主、从节点进行初始化。各从节点将采集到的环境数据信息传送给主节点，主节点判断各从节点的信号数据是否超过传感器阈值，如果没有超过阈值，则返回继续监测各从点信息；如果有某一从节点的数据信息超过了阈值，则发出火灾报警。根据以上分析，本系统的软件设计部分的工作主要从主节点和从节点两大块来开展。4.2 终端节点的软件设计4.2.1 终端节点的流程为了使各部分连接起来，构成整个系统，设计主节点的流程如图4-1所示。当主节点接收到从节点发来的信息，开始判断是否有异常情况，如果发生异常，则开始报警，若正常，则继续接收从节点的信息。开始接收从节点信息启动声、光、短信报警判断是否有异常情况？是否图4-1 主节点流程框图4.2.2 CAN总线初始化本系统采用的是CAN接口通信，CAN总线的初始化，就是对SJA1000进行参数的初始化设置。初始化模式寄存器，接收代码寄存器、时分寄存器、屏蔽寄存器、总线定时寄存器以及输出控制寄存器。这些寄存器必须在CAN控制器在复位的状态时才可以进行写访问。SJA1000的初始化流程如图4-2所示。开始进入复位模式设置时钟分频寄存器定义屏蔽和验收代码寄存器设置中断使能寄存器设置总线定时寄存器确定波特率设置输出控制寄存器结束退出复位模式进入正常工作图4-2 SJA1000的初始化流程框图4.2.3 CAN总线发送子程序信号发送模块承担着发送报文的功能。发送子程序负责节点报文的发送，发送时用户只需将待发送的数据按特定的格式组合成一帧报文，送入SJAl000发送缓冲区中，然后启动SJAl000发送即可。当然，在往SJAl00发送缓冲区送报文之前，必须先做一下判断。发送程序分发送远程帧和数据帧两种，远程帧无数据场。SJAl000发送报文子程序流程如图4-3所示。开始发送TX帧信息发送TX识别码发送数据字节置位发送请求位判断是否发送完？结束是否图4-3 SJAl000发送报文子程序流程框图4.2.4 CAN总线接收子程序信号接收模块承担着接收报文的功能。接收子程序负责节点报文的接收，接收时用户要从SJAl000接收缓冲区读出数据，组合成一帧报文。在此处通过中断方式接收报文。在中断使能寄存器IER中使能接收中断使能，则当接收FIFO中有数据时，将会引发中断，从而可以启动接收程序。SJAl000接收报文子程序流程如图4-4所示。开始发现有接收中断进入中断主程序关闭SJA1000接收中断验证主节点目标是否是本从节点依次读出接收FIFO中内存释放接收缓冲器开SJA1000接收中断结束是否图4-4 SJAl000接收报文子程序流程框图4.2.5 终端GSM短信收发软件设计本系统只使用短消息收发功能, 因此只使用TC35 的数据输入/输出接口。单片机控制短消息收发子程序, 其流程如图4-5所示。其中, 初始化工作包括设置串口速率、无线网络登陆及设置短信模式为PDU 模式。开始初始化串口产生PDU数据包通过串口发送AT进行联机通过串口发送AT+CMGF=0设定发送PDU短信通过串口发送AT+CMGS=17设定短信长度通过串口将包含文字内容的数据包发给TC35iTC35i将短信发送出去图4-5 短消息发送工作流程图4.3 报警点的软件设计4.3.1 报警点的流程根据报警点硬件设计电路及各模块功能分析，设计报警点整体软件流程图如图4-6所示。开始向终端发送相关信息判断采集的物理量是否超过阈值声光报警并开启执行装置是否图4-6 报警点整体软件流程框图4.3.2 温湿度传感器的软件设计温湿度传感器DHT11首先对周围环境的温度、湿度参数进行采集，然后通过自身的感应元件将采集到的信息传送给单片机，其温湿度传感器流程图如图4-7所示：开始DHT11初始化将温湿度数据存入RAM将校验数据存入RAM采集数据将温度数据与湿度数据相加相加和末8位=校验和？结束NY有请求？NY图4-2 DHT11温湿度数据采集工作流程图4.3.3烟雾传感器的软件设计本设计采用MQ-2传感器对室内烟雾浓度进行采集，其烟雾传感器流程图如图4-8所示。开始使能数字输入A/D口开启A/D转换等待转换完成读取A/D转换数据结束图4-3 烟雾传感器流程框图4.4 本章小结本章较为具体的阐述了系统的软件设计，对于每个模块都给出了相关的流程框图。当然为了能够验证本次系统的具体效果，还需要对该系统进行仿真检测，查看是否能够达到预期的要求。下一章将会对该系统进行仿真调试。第五章 系统的调试 系统的调试基本可分为硬件调试和软件调试两大部分，目的是为了查找并发现以及解决问题，从而得以实现设计效果。5.1 系统的硬件调试 系统的硬件调试是利用开发系统、万用表、示波器等检查设计的硬件系统中存在的问题。5.1.1 整体检测系统的整体检测是对系统的各个模块进行粗略地直观地检测，首先检查各个模块的连接是否完整、正确，由于此次设计所用的都是现成的集成好的模块，所以对于电路的连接我们无法通过肉眼辨别，只能检查所需元器件是否齐全，连接处焊锡是否牢固，有无连锡、少锡现象。然后使用万用表的电阻档，检查需要短接的地方是否出现断路或需要断路的地方是否出现