（通信与信息系统专业论文）基于can总线的火灾报警系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 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r s 4 8 5 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。对火灾现场采集的单 一物理量的分析往往会因一些干扰因素而产生误差，并且该灭火装置使用之后 必须重新更换，费时费力。 本文主要研究基于c a n 总线的火灾报警系统的设计方案和实现方法。与 r s 4 8 5 相比，c a n 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度和烟雾两 种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和烟雾浓度两种 信息参数。并且，本系统使用电子灭火执行装置，当某处探测到的环境数据超 过传感器的阈值时，执行装置开始运转，并且该装置可多次重复使用，避免了 一次性使用造成的浪费。 本文的设计采用主从式结构。主节点与从节点的m c u 都采用a t 8 9 s 5 2 芯 片。为了实现主节点对从节点的实时监测，在主节点和从节点处都设计有c a n 通信电路模块，由控制器s j a l 0 0 0 和收发器8 2 c 2 5 0 组成c a n 通信接口。另外， 主节点的外围电路部分包括时钟电路功能模块、e e p r o m 存储电路模块、串口 通信电路模块、译码电路功能模块、液晶显示屏模块；从节点的外围电路部分 包括传感器与执行装置功能模块。主节点时钟芯片选用d s l 2 8 8 7 ，e e p r o m 存 储芯片选用a t 2 4 c 1 6 ，显示屏采用f m l 2 2 3 2 b 液晶模块。从节点温度传感器采 用数字传感器d s l 8 8 2 0 ，烟雾传感器采用n i s 0 9 c 型离子式。本系统设置温度 传感器的阈值为7 0 。c ；设置烟雾传感器的阈值为3 ，即火灾现场气体中烟雾 ( c 0 2 ，c o ) 浓度达到气体总量的3 。由于烟雾探头采集到的是火灾现场烟雾 浓度的模拟值，从节点处设计了a d 转换功能模块以便将模拟信号转化为数字 信号。灭火执行装置采用y h b y - 2 5 4 2 型永磁式二相四拍步进电机，利用步进 电机的转动控制水阀喷水。 关键词：火灾报警，c a n ，实时监测 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ee n h a n c e m e n to fp e o p l e sa w a r e n e s so ff i r ep r e v e n t i o n ，f i r ed e t e c t i o n a l a r mt e c h n o l o g ya t t r a c t sm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n m o s to ft h et r a d i t i o n a l f i r ea l a r ms y s t e mu s e dr s - 4 8 5t oc o m m u n i c a t e ，a n da d o p tas i n g l et e m p e r a t u r e s e n s o rt om o n i t o rt h ee n v i r o n m e n ta tt h es c e n e ，a n du s e dg l a s sb a l ls p r i n k l e rh e a da s t h ep e r f o r m i n gd e v i c e s t h es c e n eo ft h ef i r eo nt h ea c q u i s i t i o no fas i n g l ep h y s i c a l a n a l y s i so f t e nb r o u g h ts o m ei n t e r f e r i n gf a c t o r sa n de r r o r s ，a n dt h ef i r e - f i g h t i n g e q u i p m e n tm u s tb er e p l a c e do n c eb eu s e d t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ff i r ea l a r ms y s t e mw a ss t u d i e db a s e do nc a nb u s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l f i r ea l a r ms y s t e m s ，s u c ha sb a s e do nr s - 4 8 5 ，t h e c o m m u n i c a t i o no fc a nb u sw a sm o r er e l i a b l e ，r e a l - t i m ea n df l e x i b l e i nt h i ss y s t e m t h et e m p e r a t u r ea n ds m o k es e n s o r sh a su s e dt od e t e c tt h ef i r es c e n e ，s ot h a tt h e j u d g e u s e st w op a r a m e t e r s t h es y s t e mu s e de l e c t r o n i cf i r e f i g h t i n gd e v i c e ，w h i c hc o u l dr u n b e t i m e sa n dr e d u c ew a s t e t h i ss y s t e mu s e dm a s t e r - s l a v es t r u c t u r e i nm a i na n ds l a v en o d e sa t 8 9 s 5 2i s u s e da st h em c u i no r d e rt oc o m m u n i c a t e ，t h ec a ni n t e r f a c ei sd e s i g n e d ，w h i c hi s c o m p o s e db ys j a l 0 0 0a n d8 2 c 2 5 0 i na d d i t i o n ，t h em a i nn o d ei n c l u d e dc l o c k m o d u l e ，e e p r o mm e m o r ym o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d e c o d i n gm o d u l e ， l c d m o d u l e s ；f o l l o w i n gn o d e si n c l u d e ds e n s o r sa n dp e r f o r m i n gd e v i c e s t h em a i n n o d eu s e dd s l 2 8 8 7 ，a t 2 4 c 1 6a n df m l 2 2 3 2 bl c dm o d u l e t h es l a v en o d e su s e d d s l 8 8 2 0 嬲t e m p e r a t u r es e n s o r a n dn i s 一0 9 ca ss m o k es e n s o r s ，a n du s e d y h b y - 2 5 一一4 2s t e p p e rm o t o ra st h ei m p l e m e n td e v i c e s k e y w o r d s ：f i r ea l a r m ，c a n ，r e a l t i m em o n i t o r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 1 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 熟一 日期：丝竺竺： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童l 导师签名：肆日期：煎 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着人类社会的发展，人们居住、生活、工作的地方越来越集中，火灾的 隐患也越来越大，火灾越来越严重的影响着人民的生命财产安全。世界各国都 致力于各种火灾探测方法的研究和实验，对火灾的及时发现与报警，成为人们 普遍关心的问题。 在现代智能建筑中，火灾报警系统属于智能建筑系统的一个子系统。火灾 自动报警系统起着极其重要的安全保障作用，在完全脱离其他系统或网络的情 况下能独立正常运行和操作，完成自身所具有的防灾和灭火的功能。在工业和 民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾自动报警系统已成为必需的 装置【。 火灾自动探测报警技术是将传感技术、通信技术和智能化信息处理应用于 火灾预防的一项综合性技术，具有速度快、精度高、实时性好等突出优点1 2 l 。在 这方面，传统的单片机技术在火灾的探测、报警、控制中发挥了重要作用。为 了能够实时快速的处理大量数据，探测器和控制器之间应该有更快速完善的、 低误码率的通信协议，在受控设备和网络所处的特殊的环境下，对信号的多方 面的干扰都应有所考虑。因此，将现场总线技术应用于火灾报警控制是必然的 发展趋势1 3 j 。 火灾自动探测报警技术这些年发展很快，技术上的更新变化也非常明显。 总体来看，主要的发展变化是：数字技术和新工艺、新材料的应用，改进了系 统能力和减少维护要求，向着高可靠、低误报和网络化、智能化方向发展。我 国对此技术的研究与应用起步较晚，但发展迅速。随着城市现代化建设的发展、 人们消防意识的增强、消防法宣传的不断深入，对火灾自动探测报警技术的研 究必将成为热点与方向【4 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 火灾报警系统的种类 传统的火灾报警系统根据需要可划分为：区域报警系统、集中报警系统和 控制中心报警系统1 5 j 。 区域报警系统是由火灾探测器，手动火灾报警按钮、区域控制器等组成。 区域可以视为一栋楼或几层楼的范围，在区域报警系统中般设置一台区域控 制器，最多设置不应超过三台区域控制器。 集中报警系统是由火灾探测器、手动火灾报警按钮、区域报警控制器、集 中报警控制器等组成。在集中报警系统中应设置一台集中报警控制器和两台以 上的区域报警控制器。集中报警控制器应设置在专用值班室或消防值班室内， 由专人看守。 控制中心报警系统是由火灾探测器、区域报警控制器、集中报警控制器、 消防控制设备、手动火灾报警按钮等组成。系统中应至少设置一台集中报警控 制器和有关的消防控制设备。设置在其他部位的集中报警控制器应将火灾报警 信号和消防联动控制信号均送至消防控制值班室。 随着新的消防技术的发展，火灾报警控制设备越来越现代化，已逐渐由区 域报警、集中报警、控制中心报警发展到了网络报警系统【6 1 。 1 3 火灾报警系统的国内外发展现状 火灾报警控制系统的研究在国外起步较早，我国是在2 0 世纪八十年代中期 才有个别企业开始这方面的研究开发。随着越来越多的产品进入市场，国家也 制定了相应的检验标准。这类产品国外主要企业有日本的日探、报知机、和能 美等，法国的f a r e ，瑞士西门子楼宇自控公司，美国的h o n e y w e l l 、s i m p l e x ， 西门子西伯乐斯的消防系统等。火灾自动报警系统从发展过程来看，在国外大 体可分为3 个阶段l | 7 j 第一阶段是用一些简单的分立元件构成的火灾自动报警系统，从1 9 世纪四 十年代一直延续到2 0 世纪四十年代。这期间感温探测器占主导地位。 早在1 8 4 7 年美国牙科医生c h a r m i n g 和缅因大学教授f a r m e r 研究出世界上 第一台用于城镇火灾报警的发送装置，1 8 5 2 年成功安装在波士顿。1 8 9 0 年英国 科学家研制成功感温式火灾探测器，开创了火灾自动探测报警技术的新纪元。 2 武汉理工大学硕士学位论文 但由于感温式火灾探测器灵敏度比较低，探测火灾的速度也比较慢，尤其对阴 燃火灾往往不响应。因此它一直无法较好的实现火灾早期报警的要求。 第二阶段从2 0 世纪五十年代至七十年代，这期间感烟探测器得到了大力发 展，感温火灾探测器处于次要地位。报警装置为开关量多线型报警系统。每个 探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线。探测器电源由报警 器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上。报警时点亮相应的指示灯。 此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能( 也为多线型) ，如 驱动警铃等。其探测器采用设置了固定阈值的开关量探测器。控制器由逻辑集 成电路、可控硅、继电器和分立器件构成。探测器与控制器之间采用多线型联 接。当探测器所探测到的信息变化到达设定的阈值后，开关电路接通，发出报 警信号。信号经导线传递给控制器，控制器接收到信号后便发出报警。 这种报警系统存在着明显的弊病。首先，探测器与控制器之间的连线繁多， 布线工作量较大，使线路出现故障的可能性增大，并且安装和维护十分困难。 其次，控制器对信号的处理是靠硬件电路适当连接实现的，故电路复杂，可靠 性差，导致误报率较高。 第三阶段为总线型火灾自动报警系统。从八十年代开始至今，总线型火灾 自动报警系统蓬勃兴起，它同以前的产品相比有了很大的飞跃。布线工作显著 减少，安装调试变得容易，降低了安装和维修费用，其最大优点是施工简单并 能精确确定报警部位，因而得到了较普遍的应用。此时已经采用微处理器控制， 各模块通过总线与控制器实现信号传送。此类系统可通过各种模块对各联动设 备实行较复杂的控制，具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能。目前 国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。由于此类产品具有先进的报 警和控制功能，施工、安装较为方便，且成本较低，已被大量使用【8 l 。 1 4 本文主要工作内容及安排 本文重点开发总线型火灾报警系统，并在已有产品上做出改进和创新，主 要表现在：传统的火灾报警系统采用r s 4 8 5 总线，本系统为了能够使通信更加 可靠、稳定，选用c a n 总线。并且本系统使用温度传感器和烟雾传感器共同监 测现场环境信息。传统的火灾报警执行装置多采用物理控制方法，即当火焰燃 烧到一定程度后，环境温度会达到玻璃球封头的启动温度，玻璃球受热炸裂后 3 武汉理工大学硕士学位论文 洒水喷头开始喷水；而本系统设置了电子执行装置，当某从节点处的烟雾浓度 达到烟雾传感器的阈值，而火灾现场温度还未升高到足以使玻璃球炸裂时，喷 头即开始喷水，这样可以降低玻璃球洒水喷头喷水器运作稍晚而造成的损失， 并且可以避免一次性使用造成的浪费。 本文主要的研究内容有以下几点： ( 1 ) 第一章主要介绍了课题的研究背景与意义，以及火灾报警系统的国内 外发展情况，提出了本文研究的意义以及对传统的火灾报警系统的改进方案。 ( 2 ) 第二章回顾了现场总线和c a n 总线的发展历史，概述了q 谢总线的 原理及技术特点，并将c a n 总线与r s 4 8 5 做出比较。 ( 3 ) 第三章主要介绍了本文研究的火灾报警系统的各项功能指标，以及为 达到各指标而采用的功能模块，在此基础上确定本系统设计的整体框架，并做 出完成系统主要设计的电子元器件的选择。 ( 4 ) 第四章详细阐述了火灾报警系统的硬件设计，根据实际应用功能设计 出主节点与从节点的硬件电路图。 ( 5 ) 第五章主要阐述了火灾报警系统的软件设计，分析了各模块工作的软 件流程，并结合主、从节点的硬件电路图设计其软件程序。 ( 6 ) 第六章总结了全文工作内容并提出前景展望。对开发调试中的各种技 术问题做出了分析，并记录了解决方案；并且针对火灾报警的各项技术以及开 展的新功能做出展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章现场总线c a n 原理概述 2 1 现场总线简介 按照国际电工委员会m c 6 1 1 5 8 的标准，现场总线的定义是：“安装在制造 和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之问的数字式、串行、多点 通信的数据总线。”它是用于过程自动化或制造自动化中的、实现智能化现场设 备与高层设备之间互联的、全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现 跨网络的分布式控制，在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统 中具有广泛的应用前景。简单的说，现场总线是应用在生产最底层的一种总线 型拓扑的网络。这种总线是用做现场控制系统的、直接与所有受控( 设备) 节 点串行相连的通信网络1 9 j 。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它 作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为 网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、 报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项集嵌入式 系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术1 1 0 】。 现场总线也可以说是工业控制与计算机网络两者的边缘产物。从纯理论的 角度看，它应用于网络范畴。但是，现有的网络技术不能完全适应工业现场控 制系统的要求。无论是从网络的结构、协议、实时性，还是适应性、灵活性、 可靠性乃至成本来看，工业控制的底层都有它的特殊性。现场总线其规模应属 于局域网、总线型结构，它简单但能满足现场的需要。它要传输的信息帧都很 短小，要求实时性很强，可靠性高。然而现场的环境干扰因素众多，有些很强 烈且带突发性。这些都决定了现场总线必须有属于自己特色的一个新型领域1 1 。 综上所述，现场总线具有如下的技术特征：系统的开放性、互可操作性与 互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环 境的适应性【删。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2c a n 总线简介 2 2 1c a n 总线的产生与发展 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网) 是一种先进的串行通信协 议，最初是由德国b o s c h 公司在+ 8 0 年代初期为了解决现代汽车中众多的控制与 测试仪器之间的数据交换而开发的，目的是通过较少的信号线将汽车上的各种 电子设备通过网络连接起来，并提高数据在网络中传输的可靠性。由于其卓越 的特性和极高的可靠性，特别适合于工业过程中监控设备的互联。利用它很容 易实现“集中监控，分散控制这一现代工业的新的控制方式，并被公认为是 最有前途的现场总线之一1 1 3 1 。c a n 总线现已广泛应用于工业自动化、多种控制 设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。 由于c a n 为越来越多不同的领域采用和推广，致使要求各种应用领域通信 报文实现标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准的和扩展的两种 报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具数字信息 交换高速通信控制器局部网( c a n ) 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) ，为控制器局部 网标准化、规范化推广铺平了道路【l 引。 2 2 2c a n 总线的特点 c a n 总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高噪声环境，并 具有较远的传输距离，特别适合中小型分布式测控系统。由于采用了许多新技 术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的 可靠性、实时性和灵活性。它具有以下几个重要特点【1 5 j ： ( 1 ) c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。 ( 2 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络 上其他节点发送信息，而不分主从。 ( 3 ) 同步、串行、面向通信数据块的通信方式，网络上节点数原则上不受 限制，只取决于物理层的承受能力。 ( 4 ) 报文传输不含目标地址，以全局广播为基础，各个接收站根据报文中 6 武汉理工大学硕士学位论文 反映数据性质的标示符过滤报文，决定是否接收。其优点在于上网下网在线进 行、即插即用和多点接收。 ( 5 ) 信息有优先级之分，以满足不同的实时要求。 ( 6 ) 采用非破坏性总线仲裁技术，当总线上多个节点同时向网络上发送信 息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继 续传输数据。这样不仅节省总线冲突仲裁时间，而且即使在网络负载很重的情 况下，也不会出现网络瘫痪的情况。 ( 7 ) 采用短帧结构，每一帧信息的字节数最大为8 个，传输时间短，受干 扰概率低，且每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 ( 8 ) 支持点对点、一点对多点( 成组) 和全局广播的传输方式。 ( 9 ) 在网络上某个节点出现严重错误的情况下，该节点具有自动关闭总线 的功能，切断与总线的联系，使总线上其他节点不受影响。 ( 1 0 ) 通信速率最高可达1 m b p s ，直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s ) ， 实际节点数可达1 1 0 个。 ( 1 1 ) 具有较高的性能价格比。结构简单，器件容易购置，每个节点的价格 较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 2 2 3c a n 总线的位数值表示与通信距离 c a n 总线上用“显性 ( d o m i n a n t ) 和“隐性 ( r e c e s s i v e ) 两个互补的逻 辑值表示“0 和“1 。当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总 线数值为显性( 即“o 与“1 的结果为“0 ”) 1 1 6 】。如图2 - 1 所示，v c a n - h 和 v c a n l 为c a n 总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差 分 电压形式出现。在隐性状态，v c a n - h 和v c a nl 被固定在平均电压附近，v d i n 近似于o 。在总线空闲和隐性位期间，发送隐性位。显性位以大于最小闽值的差 分电压表示1 1 7 j 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 总线位的数值表示 c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关。表2 1 列 举了相关的数据。 表2 - 1c a n 总线系统任意两节点之间的最大距离 位速率k b p s 1 0 0 05 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 05 最大距离m4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 这里的最大通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离。一个实际 应用系统网络结构中可以是树型拓扑。在各级分支的节点上采用网关，实际上 就是由多个c a n 控制器或外加其他通信协议的接口芯片组成的一个设备。这样 几乎既不受限制的扩大了通信距离，又有网关甚至路由的作用【1 8 】。 2 2 4c a n 协议简介 c a n 协议( c a np r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n2 0p a r ta + b ) 分为三层：目标层、 传输层和物理层。主要对应于i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，国际标 准化组织) 的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，开放系统互连) 七层模型中数 据链路层的媒体访问控制子层以及物理层的物理信号部分。目标层和传输层包 含所有由i s o o s i 模型定义的数据链路层的服务和功能。由于c a n 的数据结构 简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其他中间层，应用层数据直接取自 数据链路层或直接向链路层写数据。结构层次少有利于系统中实时控制信号的 传送。c a n 协议的分层结构如图2 2 所示【1 9 j 。p m a 子层和m d i 子层有多种规 范，由不同的组织制定，可应用在不同的领域和场合【2 0 】。 8 武汉理工大学硕士学位论文 c a n ， 协议 规范 应用层由设计者自行定义 数据 链路层 逻辑链路控制子层l l c 媒体访问控制子层m a c 物理层 物理信号子层p l s 物理媒体附属子层p m a 媒体相关接口子层m d i 传输媒体 图2 2c a n 协议的分层结构 2 3c a n 总线和r s 4 8 5 总线的比较 c a n 控制器 c a n 收发器 在传统的火灾报警系统中，一般采用r s 4 8 5 总线。由于r s 4 8 5 总线数据 通信方式是命令式，从节点只有在收到主节点的命令后才能响应，一些重要的 变位信息得不到及时上传，导致系统灵活性差、实时性差。 c a n 通信采用事件触发式，通过c a n 控制器接口芯片8 2 c 2 5 0 的两个输出 端c a n - h 和c a n l 与物理总线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮 状态，c a n l 端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现像在r s 4 8 5 网络 中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，总线呈现短路，从而 损坏某些节点的现象。而且c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的 功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现像在网络中， 因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”的状态【2 。 并且，c a n 总线具有完善的通信协议，可由c a n 控制器芯片及其接口芯片 来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是仅仅只有电气 协议的r s 4 8 5 所无法比拟的。据c i a 统计，2 0 0 1 年仅在欧洲就销售了超过1 亿个c a n 总线节点，几乎淘汰了所有的r s 4 8 5 系统。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章火灾报警系统的总体设计 3 1 系统的需求分析及总体方案设计 传统的火灾报警系统中自动喷水灭火执行装置多采用玻璃球洒水喷头，它 可探测感知火灾，并能自动喷水灭火。其工作原理是：玻璃球支撑着封挡，封 挡压紧弹性密封垫，将喷头出水口密封。当火灾发生时，密封于玻璃球之中的 液体随着温度上升而膨胀，在预定温度下将玻璃球爆裂为碎片，压力水冲掉封 挡和弹性密封垫通过溅水盘按规定的形状和流量洒水灭火。 现在市场上广泛应用的洒水喷头具有如下特性： ( 1 ) 洒水喷头框架采用铜合金压铸而成，表面镀镍处理，溅水盘为铜合金 板冲压而成，表面镀镍。 ( 2 ) 洒水喷头按其安装方式分为五种类型： z s t p 1 5 普通型 z s t z - 1 5 直立型 z s t x 1 5 下垂型 z s t b 1 5 直立边墙型 z s t b s 1 5 水平边墙型 各种类型的玻璃球洒水喷头的技术参数如表3 1 所示。 表3 - 1 玻璃球洒水喷头的技术参数 快速i 型式直立型下垂型边墙型普通型吊项型 反应型i 型号 z s t zz s t xz s t bz s r i pz s t dz s t y 公称通径 d n l 5 d n 2 0d n l 5d n 2 0d n l 5d n 2 0d n l 5d n 2 0 d n l 5 d n 2 0d n 2 0 ( 玎咖) 连接螺纹 1 2 3 4 1 2 3 41 23 41 23 4 1 2 3 43 | 4 ( i n ) 流量系数 8 01 1 58 01 1 58 01 1 58 01 1 58 01 1 51 1 5 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 各种类型洒水喷头玻璃球感温元件均有5 种启动温度，即：5 7 。c 、6 8 、7 9 。c 、9 3 c 、1 4 1 。c ，可供客户根据不同的环境选用。 ( 4 ) 各型号喷头都应通过配水支管及按其安装方式进行安装，在有吊项的 防护区内安装时，采用配套的喷头装饰可美化天花板。 图3 - 1 给出部分玻璃球洒水喷头结构示意图。 蓄管季 a z s t p - 1 5 普通型b z s t z - 1 5 直立型 cz s t x 一1 5 下垂型 图3 1z s t p z s t z z s t x 型喷头结构示意图 当火灾发生时，火灾现场温度升高，烟雾浓度显著提高。火灾中的气体烟 雾主要是c o z 和c o 。火灾时燃烧火焰的温度通常为9 0 0 1 4 0 0 。c ，而在起火后 1 0 1 5 分钟内，火灾现场的温度才逐渐升为4 0 0 c 。通常，当火焰的温度达到 1 0 0 c 时，烟雾( c 0 2 ，c o ) 浓度超过0 0 6 ：而在正常情况下，c 0 2 和c o 在 大气总容量中的浓度约占0 0 3 。由此可见，在火灾发生初期，烟雾是反映火灾 特征的主要方面。因此，利用烟雾浓度的变化作为是否发生火灾的判断标准较 之于仅仅监测火灾现场的温度更有利于系统在火灾发生初期就及时做出响应。 从上述分析可以看出，传统的火灾报警系统配以物理的喷水装置，即当火 灾现场温度达到玻璃球感温元件的启动温度时，玻璃球受热炸裂使得喷头喷水。 在这种情况下，火灾必须发展到一定的程度才能使环境温度达到玻璃球的启动 温度。并且该灭火装置使用一次之后就不能再次使用，必须重新安装，浪费人 力物力。另外，如果仅仅只是使用单一的温度传感器采集火灾现场物理数据作 为判断火灾的标准，常常会因一些干扰因素而产生误报。 本文研究的火灾报警系统采用温度传感器和烟雾传感器采集的两种信息参 数作为现场是否发生火灾的复合判断标准，对仅仅分析单一物理量而造成的误 差有很大的改进。本系统主要用于在火灾发生初期，出现烟雾但火势还不十分 武汉理工大学硕士学位论文 明显的情况下，当传感器探头探测到环境温度升高，并且烟雾的浓度超过烟雾 传感器的阈值时，控制器即控制喷头喷水，这样可以降低因玻璃球喷头洒水器 运作稍晚而造成的损失。并且，本系统的灭火装置为电子装置，可以多次重复 使用，这样可以避免一次性使用造成的浪费。 综合以上设计目标，为了增强信息传输的可靠性与实时性，本系统采用c a n 总线作为通信方式，使用主从式结构，根据实际应用需要，设计以下主、从节 点功能模块： ( 1 ) 主节点：负责接收各从节点的信息，并向液晶显示屏发送相应的显示 信息。并且定时检测各从节点，判定其是否正常工作。 主节点主要包括以下功能模块： 显示屏：显示各从节点的信息以供相关人员进行分析处理。 时钟芯片：记录发生火灾的时间以备事后查询。 e e p r o m ：存储系统历史信息。 ( 2 ) 从节点：监测现场的火灾情况，若发生火灾则向主节点发送火警信息 并控制其执行装置工作；若无火灾，则定时向主节点发送验证信号供主节点处 理。 从节点主要包括以下功能模块： 温度传感器：采集各从节点现场环境温度信号。 烟雾传感器：采集各从节点现场环境烟雾浓度信号。 执行装置：当环境温度升高且烟雾浓度超过阈值，受其所在从节点的控 制而喷水。 根据各模块需要完成的功能以及实现的需要，设计系统的整体结构框图如 图3 2 所示。 图3 - 2 系统整体设计框图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 主节点及从节点的功能框图如图3 3 、3 4 所示。 图3 3 主节点功能框图 图3 - 4 从节点功能框图 从图中可以看出，主节点的m c u 控制液晶显示屏与报警电路，并由时钟芯 片记录火灾发生等时间信息，e e p r o m 为其存储历史信息。各传感器将采集到 的信息传送给从节点后，从节点的m c u 通过c a n 总线与主节点通信，将各从 节点的信息发送给主节点。当探测到的现场环境数据超过系统的阈值时触发报 警电路，视为发生火灾，并由该从节点控制其灭火执行装置开始工作。 在楼宇的应用中，主节点位于值班室内，由工作人员控制；各从节点位于 楼宇的各房间及走道处，与主节点同样挂接在c a n 总线上，以便随时向主节点 发送信息。各从节点控制其上的传感器与执行装置。当各传感器探测到现场的 环境数据时，将其信息传送给主节点，主节点将各从节点的信息显示在显示屏 上，便于观测控制。如果在某一从节点处发生火灾，该从节点可控制其执行装 置开始工作以便及时控制火势。同时，为了确保各从节点总处于正常的工作状 态，主节点根据从节点的i d 号判断从节点是否正常工作。如果主节点在一段时 间内没有接收到某一从节点的i d 信息，则会报错，提示工作人员该从节点目前 没有正常工作，方便工作人员检修。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 系统设计的主要器件选择 目前广泛流行的c a n 总线器件有两大类：一类是独立的c a n 控制器，如 8 2 c 2 0 0 、s j a l 0 0 0 及i n t e l8 2 5 2 6 8 2 5 2 7 等；另一类是带有芯片c a n 的微控制器， 如p 8 x c 5 8 2 及1 6 位微控制器8 7 c 1 9 6 c c b 等。根据当前市场、开发工具和课 题的实际需要，系统的智能节点均选用a t m e l8 位单片机a t 8 9 s 5 2 为微处理器， 并选取p h i l i p s 公司的s j a l 0 0 0c a n 控制器以及p c a8 2 c 2 5 0 总线收发器，主要 考虑到s j a l 0 0 0 支持c a n2 0 a b 协议，而8 2 c 2 5 0 可以支持1 1 0 个c a n 节点， 并且国内市场上p h i l i p s 的产品型号比较多，购买比较方便。 3 2 1a t 8 9 s 5 2 微处理器概述 a t 8 9 c 5 1 5 2 系列单片机是美国a t m e l 公司生产的一种低功耗、高性能的 片内有4 8 k 快闪可编程擦除只读存储器( f p e r o m ) 的8 位c o m s 微控制 器。除与8 0 3 1 引脚和指令系统完全兼容外，又增加了许多新的功能【2 2 1 。最新的 8 9 s 系列时钟频率支持到了3 3 m h z ，包含看门狗定时器w d t 、2 个数据指针等 新功能，极大的增强了单片机的性能，是目前取代衄c s 5 1 单片机的主流芯片之 一【2 3 1 。故本系统选用a t 8 9 s 5 2 单片机作为微控制器。 a t 8 9 s 5 2 芯片其主要特性如下【2 4 】： ( 1 ) 与m c s 5 1 产品完全兼容。 ( 2 ) 片内包含8 k bf p e r o m 存储器，可在线编程。擦写次数不小于1 0 0 0 。 ( 3 ) 具有2 5 6 字节的片内r a m 。 ( 4 ) 最高时钟频率支持到3 3 m h z 。 ( 5 ) 具有3 个1 6 位可编程计数器t o 、t 1 和t 2 。 ( 6 ) 具有断电标志p o f 。 ( 7 ) 具有掉电状态下的中断唤醒模式。 ( 8 ) 提供了s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 同步串行外设接口。 ( 9 ) 提供1 个全双工的u a r t 串行口。 ( 1 0 ) 中断系统是具有8 个中断源、6 个中断矢量、2 级中断优先权的中断 结构。 ( 1 1 ) 具有3 级加密程序存储器。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2s j a l 0 0 0 控制器简介 s j a l 0 0 0 是一个独立的c a n 控制器，它是p h i l i p s 公司另一个c a n 控制器 p c a 8 2 c 2 0 0 的替代产品，增加了一种新的工作模式( p e l i c a n ) ，这种模式支持 c a n2 0 b 协议。s j a l 0 0 0 主要负责把并行的数据转换成c a n 的格式进行发送和 接收。它内部自带发送和接收缓冲，并有超强的错误报警和双重滤波处理【2 5 1 。 s j a l 0 0 0 的内部结构图及硬件结构框图如图3 5 、3 - 6 所示。 图3 5s j a l 0 0 0 内部结构图 s j a l 0 0 0 主 e 小 接 匕= 叫发送缓冲【= = 鸯 控 叫 口 yy 收 管 c a n 制核心 发 器 ，理 模块 器 l 倒激陪 ，r 逻 ， 辑 图3 - 6s j a l 0 0 0 硬件结构框图 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 可以看出，s j a l 0 0 0 主要由接口管理逻辑i m l 、信息缓冲器( 含发送缓冲器 t x b 和接收缓冲器r x f i f o ) 、位流处理器b s p 、接收过滤器a s p 、位时序处理 逻辑b t l 、错误管理逻辑e m l 、内部振荡器及复位电路等构成 2 6 1 。i m l 接收来 自c p u 的命令，控制c a n 寄存器的寻址并向主控器提供中断信息及状态信息。 c p u 的控制经i m l 把要发送的数据写入t x 3 3 ，t x b 中的数据由b s p 处理后经 b t l 输出到c a n 总线。b t l 始终监视c a n 总线，当检测到有效的信息头“隐 性电平一控制电平的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器 b s p 处理，并由a s p 过滤p 刀。只有当接收的信息的识别码与a s p 检验相符时， 接收信息才最终被写入r x b 或r x f i f o 中。r x f i f o 最多可以缓存6 4 字节的数 据，该数据可被c p u 读取。e m l 负责传送层中调制器的错误管制，它接收b s p 的出错报告，促使b s p 和i m l 进行错误统计【2 8 1 。 3 2 38 2 c 2 5 0 功能概述 8 2 c 2 5 0 是p h i l i p s 公司的c a n 控制器和物理总线间的接口，可提供对总线 的差动发送和接收能力。它与i s o l l 8 9 8 标准完全兼容，最高速率可达1 m b p s ， 采用斜率控制可降低射频干扰，并且其未上电节点不会干扰总线。在硬件电路中 使用8 2 c 2 5 0 是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线【2 9 1 。 8 2 c 2 5 0 功能框图如图3 7 所示【3 0 l 。 图3 78 2 c 2 5 0 功能框图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章系统的硬件设计 本章工作主要围绕火灾报警系统的硬件设计展开，重点阐述了主节点和从 节点的硬件设计。在各节点的设计中，根据系统的需求分析，设计相应的功能 模块以完成各部分的实际功能，主要包括各节点控制器模块、电源模块、c a n 控制器接口电路模块以及其他功能模块的设计。 4 1 主节点硬件设计 从图3 - 3 可以看出，主节点的功能模块由微控制器m c u 、c a n 通信电路以 及时钟电路、e e p r o m 电路、串口电路、液晶显示屏等外围电路组成。主节点 的整体硬件设计图见附录a 。各模块具体的硬件电路设计在下列小节做出详细的 阐述。 4 1 1 微控制器电路设计 对主节点和各从节点的微控制器的设计来说，复位十分重要，这直接决定 其是否正常工作。 目前单片机复位电路主要有以下2 种： ( 1 ) 正常工作状态下，r s t 脚与地电位相等为低电平，故复位不起作用。 当按键s 2 按下时，电容放电，r s t 脚为高电平，从而单片机复位。松开s 2 时， v c c 给电容充电，从而使r s t 脚慢慢变为低电平，脱离复位状态。第一种复位 方式的工作原理图如图4 1 所示。 图4 1 第一种复位方式工作原理图 ( 2 ) 用电压监控芯片复位，如m a x 8 0 9 ，m a x 8 1 0 等。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 综合两种设计方案，方案2 可靠性及稳定性较好，一般多用在a r m 等复杂 及要求较高的电路中，但成本较高，故舍弃。本系统对复位电路的要求并不是 十分严格，故选用简单、低廉的方案1 即可。 本系统主节点采用a t 8 9 s 5 2 芯片作为微控制器。图4 2 为主节点所用的微 控制器最小系统电路图。 型 p b c 3 1 0 u r 6 1 0 k y 4 c 8 厂 u 厂 - 一- l _ 1 面拖2 2 ，广 一 1 9 2 0 v c c a d 0 p 0 o a d l p o 1 a d 2 伊o 2 a d 3 p 0 3 a d 4 伊o 4 a d 5 p o 5 a d 6 p o 6 a j 弧f p o 。1 e a v p p p r o a a i e p s e n a 1 5 p 2 7 a l 卅p 2 6 a l3 p 2 5 a 1 纠p 2 4 a 1 1 p 2 3 a 1 0 p 2 2 a 9 p 2 1 a 8 p 2 0 图4 2 微控制器最小系统 盐丽百一十5v30a l e - 。 2 9 2 8p 2 7 2 7p 2 6 2 6p 2 5 2 51 2 2 3 2d i 2 41 2 2 3 2r