（电路与系统专业论文）智能火灾自动报警系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着现代建筑的不断增多，火灾隐患也不断增加。火灾自动报警系统能够及 时探测火灾隐患，在现代智能建筑中起着极其重要的安全保障作用。因此，火灾 自动报警系统己成为现代建筑必不可少的装置。 本文重点研究总线型火灾报警系统，该系统是具有接收、传递和显示火灾报 警信息，并能对自动消防装置发出控制信号的报警、灭火装置。本文针对火灾报 警系统进行深入地研究，全面阐述了研制火灾报警控制器硬件电路和软件部分的 具体方法。该系统由上位机系统和下位机系统组成，上位机与下位机的m c u 都 采用a t 8 9 c 5 2 芯片。为了实现上位机对下位机的通信，系统采用c a n 通信电路 模块进行通信。另外，上位机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、报警模块、液晶显示屏模块；下位机的外围 电路部分包括传感器与执行装置功能模块、报警模块。上位机时钟芯片选用 d s l 3 0 2 ，e e p r o m 存储芯片选用a t 2 4 c 1 6 ，显示屏采用n s l 2 2 3 2 a 液晶模块。 下位机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。由于烟雾探头采集到的是火灾现场烟雾浓度的模拟值，下位机处设计了a ，d 转换功能模块以便将模拟信号转化为数字信号。灭火执行装置采用电磁阀装置， 利用控制电磁阀的通断进一步控制水阀喷水。 系统在已有产品的基础上做出了诸多改进，主要表现在：传统的火灾报警系 统采用r s 4 8 5 总线，而本系统为了使通信更加可靠、稳定，选用q 蝌总线； 在灭火执行装置中，本系统用电磁阀代替物理的喷水装置；采用温度传感器和烟 雾传感器搭配使用的方式共同监测现场环境信息，建立有效的火灾探测及灭火方 法，实现系统报警、灭火的目的。 本文的目的是开发一套结构简单，使用方便，报警准确，灭火及时的智能火 灾控制系统。研究和试验表明，该系统能满足火灾监控的实际要求，达到我们设 计的目的。 关键词：火灾探测器，c a n 总线，火灾自动报警系统 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，i n c r e a s i n go fm o d e mb u i l d i n g sl e a d st of r e q u e n c yo ff i r e w h i l em o d e mb u i l d i n g st a k eo ns m a r tc h a r a c t e r t h ef i r ea l a r ms y s t e m ( f a s ) i si n c h a r g eo fd e t e c t i n ga n da l a r m i n gf i r ei nt i m e ，s a f e g u a r d i n gb e i n g sa n db e l o n 酉n g s f a sh a sb e e nan e c e s s a r ys e t t i n gi ni n d u s t r i a la n dc i v i l i a nb u i l d i n g s t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h eb u s t y p ef i r ea l a r ms y s t e m ，w h i c hs u p p l yt od e t e c t o r , r e c e i v e ，t r a n s f e ra n dd i s p l a yf i r ea l a r ms i g n a l s ，s e n dt h ef i r ec o n t r o ld e v i c e sc o n t r o l s i g n a l sa u t o m a t i c a l l y t h i sp a p e rm a k e si n d e p t hr e s e a r c hi nt h et h e o r yo ff a c a n d e x p a t i a t e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em e t h o d i nm a i na n ds l a v en o d e sa t 8 9 c 5 2i s u s e da st h em c u ho 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 ，i n a 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 km 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 l c 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 e dm 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 d s 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 3 0 2 ，a t 2 4 c 1 6a n d n s l 2 2 3 2 al e dm o d u l e t h es l a v en o d e su s e dd s l 8 8 2 0a st e m p e r a t u r es e n s o ra n d n i s 0 9 ca ss m o k es e n s o r s ，a n du s e ds o l e n o i dv a l v es t e p p e rm o t o ra st h ei m p l e m e n t d e v i c e s s y s t e mm a k e sal o to fi m p r o v e m e n to nt r a d i t i o n a lf i r e a l a r ms y s t e m i tm a i n s h o w ：t h et r a d i t i o n a lf i r ea l a r ms y s t e mu s e dt h er s - 4 8 5 ，t h i ss y s t e mc a l lc a u s e c o r r e s p o n d e n c et ob em o r er e l i a b l e ，s t a b l y , s e l e c t sc a n b u s ：t h ed e v i c e si nt h ef i r e ， w er e p l a c et h es o l e n o i dv a l v eo ft h es p r i n k l e rd e v i c ep h y s i c s ；u s i n gt e m p e r a t u r e s e n s o ra n dt h es e n s o rm a t c h i n gu s ei nt h es c e n em o n i t o r st h es c e n ee n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o nt o g e t h e r , e s t a b l i s h e st h ee f f e c t i v ee a r l yf i r ed e t e c t i o nm e t h o d ，r e a l i z e st h e e a r l yf i r ed e t e c t i o nw a r n i n gg o a l t h ed e v e l o p i n gs y s t e mo ff i r ea l a r mc o n t r o l l e r sg o a li st od e v e l o ps e to f s t r u c t u r e st ob es i m p l e ，e a s yt oo p e r a t e ，f i g h t sf i r et h ep r o m p tf i r ew a r n i n gi n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e m r e s e a r c ha n dt e s ts h o wt h a tt h es y s t e mc a nm e e tt h ep r a c t i c a l r e q u i r e m e n t sf o rf i r em o n i t o r i n g ，t oa c h i e v e o u rd e s i g no b j e c t i v e s k e y w o r d s ：f i r ed e t e c t o r , c a nb u s ，f i r ea l a r ms y s t e m l i 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。 学位论文使用授权书 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 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 醯翕盖生： 导师( 签名) ： 日期上啦 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 在我国，随着经济的发展和生活水平的提高，火灾发生的可能性也随之大幅 提高。另外，现代建筑物中塑料制品和玻璃的大量应用使火场内外部的求援行为 困难重重。因此，现代化的楼宇，尤其是大型宾馆、酒店、商场、图书馆、博物 馆、档案馆和办公楼等公共场所，对火灾报警和自动灭火系统提出了更高的要求。 功能完善的消防设施对保障人民生命财产的安全极为重要。网络技术、控制技术 和通讯技术的高速发展为消防行业的现代化动态管理提供了机会，以网络技术为 核心的信息技术为智能网络火灾报警系统的建立拓宽了发展空间【l j 。目前，智能 火灾报警系统己成为现代建筑中必不可少的安全装置。 1 2 火灾报警系统的发展历程 火灾报警系统的发展过程大体分为三个阶段【2 l ： 第一阶段：多线型火灾自动报警系统。每个探测器需要两根电源线和一根报 警信号线，探测器的电源由报警器提供，探测器的信号线连接到报警显示盘上， 报警时点亮相应的指示灯，报警器对外围探测器无故障检测功能，只对电源线的 断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐 2 1 。 第二阶段：总线型火灾自动报警系统。此类自动报警系统采用微处理器控制， 其线制一般有二线制、三线制、四线制，探测器模块均采用地址编码形式，通过 总线与控制器实现信号传送。探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时， 由硬件决定，不可调整。此类系统可进行现场编程，通过各种模块对各联动设备 实行较复杂的控制。此类系统已具有系统自检和对外围器件的故障检验等功能， 但对故障类型不能区分。目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品。 此类产品不仅具有报警和控制双重功能，而且臆工、安装较为方便，价格低廉， 因此它被广泛地使用。 第三阶段：智能型火灾自动报警系统。由】_ 二采用了先进的计算机控制技术， 武汉理工大学硕十学位论文 智能型火灾自动报警系统的智能化程度大大提高。探测器的报警形式采用数字 量，并可根据使用场合和时间的不同通过软件对其灵敏度进行设定和调整，如设 定白天和夜间不同的灵敏度。对探测器使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设 定相对低一些，而环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些。这一 功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。 使用火灾报警系统的目的就是及早报告火灾的发生，从而迅速有效的控制火 灾，把损失降到最低。目前使用的火灾报警系统主要存在以下问趔3 6 j ： ( 1 ) 报警系统的维护和持续性的技术支持的缺乏是目前最严重的问题，而 造成这一问题的罪魁祸首是没有规范、统一的通讯标准。 ( 2 ) 报警系统的误报、漏报现象。自火灾探测器问世以来，长期困扰产业 界的就是这两种现象。环境中各种因素，如静电、灰尘、气温、水蒸气等都有可 能与火灾发生时的状况接近，从而使报警设备发生误判而报警。报警设备还可能 由于对环境的不敏感而漏报。 1 3 本研究的目的及主要内容 火灾自动报警系统包括上位机系统和下位机系统。上位机系统是一种能接 收、显示和传递火灾报警等信号的报警装置，它是火灾自动报警系统的中枢。火 灾报警探测器是监视周围环境状况的“感觉器官”，主控芯片则是系统的“大脑”， 是整个系统的核心。火灾报警控制器担负着监视探测器及系统自身的工作状况、 处理火灾探测器输出的报警信号、进行声光报警、指示报警的位置、时间及执行 相应的辅助控制等任务。 研制火灾报警系统的目的是开发一套结构简单，使用方便，报警准确，灭火 及时的装置。本文重点开发总线型火灾报警系统，在已有产品的基础上做出改进， 主要表现在：传统的火灾报警系统采用r s 4 8 5 总线，而本系统为了使通信更加 可靠、稳定，选用c a n 总线；在现场采用温度传感器和炯雾传感器搭配使用的 方式代替传统单。一传感器，共同监测现场环境信息，建立有效的早期火灾探测方 法，实现早期火灾探测报警的目的；运用电磁阀代替传统的一次性喷水装置，实 现喷头的重复利用。 本丈针对火灾报警系统的设计进行了深入地研究，全1 1 1 f l 鞫述了研制火灾报警 控制器硬件部分和软件部分的方法，共分为四部分。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第一部分介绍了国内外火灾报警系统发展的历史、现状、趋势以及火灾自动 报警系统的分类，简要说明了研制火灾自动报警控制器的意义和硬件部分的研制 过程。 第二部分介绍火灾报警系统总体方案、原理、硬件组成及设计。分别介绍控 制器a t 8 9 c 5 2 单片机、探测器电路、l c d 显示电路、声光报替控制电路、电磁 阀驱动控制电路、网络接口电路以及电源电路。 第三部分介绍火灾自动报警系统的软件设计和产品性能的测试。系统软件即 在单片机上运行的嵌入式程序。整个程序通过k e i lc 5 1 完成，由主程序、数据采 集输入子程序、l c d 显示程序、时钟串行程序、通信子程序、灭火处理等若干子 程序构成。 第四部分，对工作中的问题进行总结，提出了进一步工作的内容和对本课题 的展望。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章火灾报警系统方案及硬件电路组成 火灾报警系统，一般由火灾控制器、火灾探测器及灭火装置组成，它的基本 功能是通过探测器准确寻找火源，精确判断火灾发生位置并进行报警，同时启动 电磁阀使喷头喷水灭火。此钋，系统还具有遥控检测功能。根据建筑物或实地场 所的要求，安装不同类型的火灾探测器。至于在单片机上运行的程序的开发，嵌 入式软件开发平台是必不可少的。不同种类的单片机配套的嵌入式软件开发平台 也不尽相同。本系统硬件开发平台主要使用5 1 系列的开发套件，软件开发平台 用的是k e i ls o f t w a r e 公司出品的c 5 1 编译器。k c j l c 5 1 是5 1 系列兼容单片机c 语言软件开发系统，与汇编相比，c 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性 上有明显的优势。 2 1 火灾报警系统整体方案 火灾自动报警系统包括上位机系统和下位机系统，通过上位机和下位机之间 的通信可以实现对现场实时监控，整个系统实现主从控制。下位机引入了微控制 技术，既支持现场的操作，也支持上位机的远程控制，并把采集到的信息传送到 上位机。上位机和下位机通过c a n 通信模块直接进行通信，二者分工明确，构成 分布式控制系统。上、下位机的微控制系统均是以a t 8 9 c 5 2 系列的单片机为核心。 系统整体设计框图如图2 1 所示。 图2 1 系统整体设计框图 4 武汉理工大学硕士学位论文 上位机系统及下位机系统的功能框图如图2 2 、2 3 所示。 图2 2 上位机系统功能框图 图2 3 下位机系统功能框图 从图2 2 中可以看出，上位机的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。如图2 3 所示， 各探测器将采集到的信息传送给下位机后，下位机的m c u 通过c a n 总线与上 位机通信，将各下位机的信息发送给上位机。当探测器探测到的现场环境数据超 过系统的阈值时，下位机控制器触发报警电路，视为发生火灾，并由该下位机控 制其灭火执行装置开始工作。 在楼宇的应用中，上位机位于值班室内，便于工作人员查看；各下位机位于 楼宇的各房问及走道处，与上位机同样挂接在c a n 总线上，以便随时向上位机 发送信息。各下位机控制与其连接的传感器与执行装置。当各探测器探测到现场 的环境数据时，将其信息传送给上位机，上位机将各下位机的信息显示在显示屏 上，便于观测控制。如果在某一下位机处发生火灾，该下位机可控制其执行装置 开始 ：作以便及时控制火势。同时，为了确保各1 位机一直处于正常的工作状态， 武汉理工大学硕士学位论文 上位机根据下位机的i d 号判断下位机是否正常工作。如果上位机在一段时间内 没有接收到某一下位机的i d 信息，则会报错，提示工作人员该下位机目前没有 正常工作，方便工作人员检修。 2 2 火灾报警系统主要硬件 在硬件设计中，对器件的选取不仅仅要考虑其功能的大小，匹配的程度，还 有考虑其价格，即理想的性价比。本系统的芯片选择遵循以上思想，其功能器件 主要包括：单片机、探测器、l c d 液晶、灭火装置、时钟芯片、c a n 控制器、收 发器等。系统硬件流程框图如图2 4 所示。 2 2 1 火灾探测器 图2 4 系统硬件流程框图 探测器装置是火灾报警器的触觉系统，传统的火灾报警器采用单一的探测 器，容易造成误报、漏报。本文研究的火灾报警系统采用温度探测器和烟雾探测 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。 2 2 1 1 温度探测器 发生火灾的时候，首先伴随着温度的变化。火灾报警系统需要采集外界的温 度，根据温度的变化来判别是否发生火灾，因此我们需要温度探测器，系统采用 d s l 8 2 0 温度探测器。其性能介绍如下： 1 ) d s l 8 2 0 的特性 单线接口：仅需一根口线与m c u 连接无需外围元件，由总线提供电源，测 温范围为5 5 1 2 5 ，精度为o 5 ，九位温度读数，a d 变换时间为2 0 0 m s ， 6 武汉理工大学硕士学位论文 用户自设定温度报警上下限，其值是非易失性的。 2 ) d s l 8 8 2 0 的工作原理 d s l 8 2 0 的测温原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数， 低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无 法通过门电路。计数器设置为- 5 5 c 时的值，如果计数器到达0 之前，门电路未 关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于- 5 5 。同时，计数器复 位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直 到回零。 本课题所用的实物如图2 5 所示。 图2 - 5d s l 8 8 2 0 温度探测器 2 2 1 2 感烟探测器 烟雾探测器一种室内安装的探测器，用于检测现场环境是否有烟雾以及烟雾 的浓度，烟雾探头碰到烟雾或某些特定的t 体时，探头内部阻值发生变化，产生 一个现场烟雾的模拟值从而对其进行控制。离子感烟探测器探头电路是利用两 片放射性物质媚2 4 1 构成的两个电离室( 检测电离室和补偿电离室) 及场效应晶 体管( e f t ) 等电子元件组成。 其工作原理为：p 1 和p 2 是一相对的电极，在电极之间放有a 放射源2 4 1 镅，由 于它持续不断地放射出a 射线，a 粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极扳问 空气分子电离为正离子和负离子( 电子) ，这样电极之间原来不导电的空气具自一 定的导电性，使探头电路导通，从而实现探测器感应烟雾的功能。 在火灾发生初期，当进入离子感烟探儿中采样室的烟浓度超过山参考室的门 限值时，离子感烟探头底座上的指示灯将点亮，同时送出报警电压信号。存输入 回路- h 离子感烟探测器内的接口电路1 分关键。通过探测器接口电路可以将探 头报警电压信号转变为不同频率的电信号传送到控制器由控制器判别处理确 武汉理工大学硕士学位论文 定火灾报警发生位置，具有对火灾进行早期预报功能。 在消防安全报警系统中，烟雾探测器的主要要求；低功耗、低成本、高可靠 性。在对市场上各种产品进行分析比较后，本系统决定采用n i s 0 9 c 型离烟雾探 测器，它是n e m o t o 公司专为检测烟雾而精心设计的新型探测器。内部使用了 微量的放射性物质媚2 4 1 ，传感器本身被金属制电极所覆盖，放射性物质不会泄 露。n i s - 0 9 c 属于低功耗、灵敏度高的探测器，适用于火灾报警系统中。其外形 如图2 6 所示。 2 2 2 灭火装置 图2 - 6n i s 0 9 ( 3 型烟雾探钡4 器 传统的火灾报警系统配以物理的喷水装置，它可探钡憾知温度，并能自动喷 水灭火，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 使得喷头洒水。其工作原理是：当温度升高时，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 垫通过溅水盘洒水灭火瞄】。 现在市场上广泛应用的洒水喷头具有如下特性： 1 ) 各型号喷头部应通过配水支管及按其安装方式进行安装，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 ) 洒水喷头有z s t p - 1 5 、z s t z - 1 5 直立型、z s t x 1 s t 垂型、z s t b 一1 5 直立 边墙型、z s t b s 一1 5 水平边墙型五种类型。 3 ) 各种类型洒水喷头玻璃球感温元件均有5 种启动“披，即：5 7 c 、6 8 c 、 7 9 、9 3 、1 4 1 可供客户根据不同的环境选用。 武汉理下大学硕士学位论文 市场上广泛应用的洒水喷头，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，这样火情就不能及时在源头控制，它延时了灭火的最佳时 间，并且该灭火装置使用一次之后就不能再次使用，必须重新替换，这是造成浪 费。 本课题运用继电器控制普通喷头来代替传统的物理的喷水装置。其方法是通 过单片机的i 0 1 来控制继电器的通断，进而控制喷头的开关。这样即可以重复 使用，节约了成本，也不会错过最佳灭火时机。我们采用的喷水设备，通过喷头 把水溅到接盘上，由于水的冲力的作用，造成喷在接盘水四散开来。其物理装置 如图2 7 所示。 2 2 3 通信系统 图2 7 散水喷头 上位机和下位机之间的通信，本文采用基于c a n 总线通信网络方式，它主 要描述设各之间的信息传递方式，规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和 物理层。 通信电路由c a n 控制器s j a l 0 0 0 、c a n 总线驱动器8 2 c 2 5 0 、光耦6 n 1 3 7 组成j 。a t 8 9 c 5 2 把数据传递给s j a i l x ) 0 ，转化为c a n 通信协议的数字帧格式， 在通过8 2 c 2 5 0 使信号以差分传输的方式发送出去，这样不仅可以降低干扰，也 可i 三c 增加传输距离，为了防止灌电流和减少干扰，设计c a n 通信模块的时候， 我们在s j a l 0 0 0 和8 2 c 7 - 5 0 之间加一个光耦( 6 n 1 3 7 ) 。c a n 通信结构框图如图 2 - 8 所示。 武汉理t 大学硕七学位论文 微控制器 a r 8 9 c 5 2 a 悄控制 s j a l 0 0 0 光耦 6 n 1 3 7 图2 8c a n 通信结构框图 c a n 收发卜叫 器8 2 c 2 5 0 ic a n l 系统设计上位机和下位机的通信方式用c a n 代替r s 4 8 5 ，c a n 总线相比 r s 4 8 5 总线有自身的优点。 c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的 可靠性。另外，c a n 总线在物理层支持对总线的多主竞争，具有多主站运行和 分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点【2 0 1 。c a n 总线上任意节点可在任意时 刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由 通信，而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【5 j 。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。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章火灾报警系统硬件电路设计 火灾报警系统的硬件设计以单片机为核心，利用探测器采集现场信号，经过 处理后，判断是否执行灭火装置。本章工作主要围硬件电路系统设计展开，重点 阐述了上位机和下位机的硬件电路设计，其中探测器采集现场数据；时钟电路， 用以记录系统采集温度对应的时间；存储器用来存数火灾发生时的数据，为以后 调查备份；l c d 显示当前的温度、时间和各节点的工作状态；报警系统和灭火系 统具有联动性，考虑到电路设计的通用性，添加了些常用功台匕j t h r s 2 3 2 接口电路； c a n 通信模块实现上位机和下位机之间的通讯。 3 1a t 8 9 c 5 2 最小系统 a t 8 9 c 5 2 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反 复擦写的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，兼 容标准m c s 5 1 指令系统，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元。 a t 8 9 c 5 2 有4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入输出( i 加) 端口，同时内含2 个外 中断口，3 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线， a t 8 9 c 5 2 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程【1 0 l 。其将通用的微处理 器和f l a s h 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的f l a s h 存储器可有效地降低 开发成本。 a t 8 9 c 5 2 主要功能特性1 1 1 】： ( 1 ) 兼容m c s 5 1 指令系统，8 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m ( 2 ) 3 2 个双向i o 口，2 5 6 字节内部r a m ( 3 ) 3 个1 6 位可编程定时计数器中断，时钟频率0 2 4 m h z ( 4 ) 2 个串行中断，可编程u a r t 串行通道 ( 5 ) 2 个外部中断源，共6 个中断源 ( 6 ) 2 个读写中断口线，3 级加密位 本系统下位机和上位机均采用a t 8 9 c 5 2 芯片作为微控制器。图3 - 1 为系统 所川的微控制器最小系统电路陶。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 微控制器最小系统电路图。 a t 8 9 c 5 2 所用晶振可在4 m h z - - 一2 4 m h z 之间，此处用典型的1 2 m h z 晶振。 两旁的电容可用3 0 _ + 1 0 p f ，此处使用2 2 p f 。由于p 0i s l 是o c 门，故要在p 0 0 p o 7 脚加上拉电阻。在此最小系统中，选用经典电路中的4 7 k o 的电阻。 3 2 上位机硬件电路系统设计 上位机系统被放在监控室内，供工作人员查看。从图2 2 看出，上位机系统 功能模块主要包括控制器模块、c a n 通信模块、l c d 显示模块、时钟模块、报 警模块、存储模块等功能模块。各模块的实现方式将在本小节详细介绍。 3 2 1c a n 通信模块 c a n 总线的通信电路主要包括以下的几个部分：m c u 控制部分、c a n 控制器、 光耦隔离器、c a n 收发器等芯片组成。其中m u c 主要是控制s j a l 0 0 0 的初始化， 光耦隔离器主要用于c a n 节点的隔离，以保护c a n 控制器，c a n 收发器是c a n 控 1 2 制器与c a n 总线的接口器件，对c a n 总线以差分式发送。c a n 总线通信电路的设 计主要实现的是c a n 标准结构中的数据链路层和物理层。这是本设计系统的核心 部分，本节就将分为2 部分：m c u 和 发电路来具体的阐述c a n 总线通信电 c a n 控制器连接电路、带光耦隔离的c a n 收 路的设计。 灾进行c a n 总线开发前，首先要选择好c a n 总线控制器。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 l 8 2 5 2 6 8 2 5 2 7 等，另一类是带有在片c a n 的微控制器，如：p 8 s c 5 8 2 及1 6 位微控制器8 7 c 1 9 6 c a c b u ”。本文选用p h i1i p s 公司的s j a i o o o c a n 控制器，它 符合c a n 2 0 b 协议，主要是考虑到s j a l 0 0 0 是比较常见的控制，并且国内的 p h i l i p s 的产品型号比较多，购买也会比较方便，其和单片机连接的电路如图3 - 2 所示。 c ； 诳h 卜 1 0 0 叠 图3 2s j a l 0 0 0 与单片机的连接电路图 图3 2 中包括了a t 8 9 c 5 2 单片机最小系统，以及s j a l 0 0 0 和a t 8 9 c 5 2 单片 机的连接的基本电路。其中单片机的p 0 口分别与s j a l 0 0 0 的a d 0 - a d 7 口相连， 由于s j a l 0 0 0 内部有地址锁存器，所以在此不需要再接地址锁存器。a l e 、w r 、 r d 、i n t 0 分别与单片机的a l e 、w r 、r d 及i n t 0 端相互联，分别控制地址锁 存使能，s j a l 0 0 0 的读写以及中断功能。s j a l 0 0 0 的中断请求信号i n t ，在中断 允许且有中断发生日j ，i n t 由高电平跳变到低电平，所以i n t 和a t 8 9 c 5 2 的i n t 0 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 直接相连，片选信号c s 由p 2 7 控制，当c s 接低电平时，s j a l 0 0 0 被选中，c p u 可对s j a l 0 0 0 进行读写操作，从而可以使a r 8 9 c 5 2 可以通过中断方式访问 s j a l 0 0 0 。 需要注意的是：s j a l 0 0 0 复位端的连接，a t 8 9 c 5 2 是高电平复位，而s j a l 0 0 0 是低电平复位，但是s j a l 0 0 0 的复位信号并不是单纯地经单片机的复位电路加 一反相器获得，而是通过单片机的一个i o 口来控制，这样，s j a l 0 0 0 的复位过 程就可以方便地由单片机通过软件来控制，本文中选择的是p 2 7 口。在此电路的 设计中，由于s j a l 0 0 0 的3 个v s s 脚分别为接地、输入比较器地端、输出驱动 器的地端，所以本文将此三脚接地。而3 个v d d 脚分别为逻辑电路电源、输入 比较器电源和输出驱动器的电源端，故而接上高电平，另外，m o d e - 口是s j a l 0 0 0 的模式选择输入脚，一般情况下选择i n t e l 二分频模式( 高电平：i n t e l 模式；低 电平：m o t o r o l a 模式) ，故而接高电平。另外，在v c c 和地端，本文加上了一个 滤波电容，可以有效地去除电源端的纹波干扰。 本文在s j a l 0 0 0 的2 0 脚r x l 端接了2 个电阻，一个3 6 k ，另一个为6 8 k 。 由于本文中采用了隔离电路，这样做是为了给s j a l 0 0 0 的r x l 端加上略大于 v c c 2 电压，是为了给后面的c a n 控制器的模拟比较器提供一个参考电压，使 比较器能够准确地读出总线上的位值。如果系统传输距离近，环境干扰小，可以 不用电流隔离，这样可直接把8 2 c 2 5 0 的v r e f 端与r x l 脚相连，从而简化了电 路。如果电路采用电流隔离，s j a l 0 0 0 的r x l 引脚应该输入v c c 2 左右的电压。 在智能测控系统中，如果m c u 与外部信号直接相连，则外设引起的电源波 动、产生的干扰信号等因素都会影响m c u 的正常运行，致使系统的可靠性、稳 定性变差，容易出现死机、误动作等故障，严重时会造成系统的损坏1 7 j 。将m c u 与外部信号之间进行电气隔离，是解决这些问题非常有效的方法。6 n 1 3 7 是一个 很常见的高速光耦隔离芯片，市场也很容易买到。为了增强c a n 总线节点的抗 干扰的能力，增加了6 n 1 3 7 高速光耦构成了隔离电路，这样就很好的实现了总 线上的各c a n 节点的电气隔离。 c a n 总线收发器采用p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 5 0 ，它是c a n 控制器与 物理总线的接口，它最初是为在汽车中的高速应 j ( 1 m p b s ) 而设计的。该 器件可以提供对总线的差动发送与接收功能。c a n 总线驱动电路8 2 c 2 5 0 在性能上比r s 4 8 5 总线驱动电路强得多。而且，8 2 c 2 5 0 驱动电路内部具有 限流电路，可以防止发送输出级对电源、地或者负载短路。虽然短路出现 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 时功耗增加，但不致使输出级损坏。若温度超过大约1 6 0 ，则两个发送器 输出端极限电流将减小，由于发送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片 的温升【4 0 1 。 具体的光耦器件6 n 1 3 7 和c a n 总线收发器p c a 8 2 c 2 5 0 之间的电路连 接图如图3 3 所示。 r 4 7 x 7 图3 - 3 带光耦隔离的c a n 收发器电路 图3 3 中，由于s j a l 0 0 0 的总线驱动能力有限，它通过c a n 收发器 p c a 8 2 c 2 5 0 芯片与物理总线联接起来。c a n 收发器将来自c a n 控制器的 逻辑电平信号转换成适合在c a n 总线上传输且能被c a n 收发器接收的逻 辑电平信号，起到抗瞬间干扰和射频干扰、增大通信距离的作用；8 2 c 2 5 0 采用双线差分驱动，有助于抑制恶劣电气环境下瞬变干扰和保护总线等作 用；为了进一步增强抗干扰能力，在s j a l 0 0 0 与p c a 8 2 c 2 5 0 之间，使用高 速光电耦合器6 n 1 3 7 实现总线上各c a n 节点间的电平隔离。 图3 3 中，信号r x 0 和r x l 经过限流电阻r 3 和r 4 之后，输送到6 n 1 3 7 中进行电流隔离。由于光耦隔离必须是两个无直接电气联系、相互隔离的 直流电源，否则就失去了采用光耦的意义，这样不仅隔离了总线上的c a n 节 点，而且有利于减少来自总线的干扰，同时也保证了节点内部电路的安全，如 i 羽3 3 中的v d d 和v c c 。 武汉理工大学硕士学位论文 需要注意的是，v c c 为5 v 时，可以在v c c 和2 脚之间加上一个大小5 0 0 0 左右的限流电阻，如果不加虽然6 n 1 3 7 也会正常工作，由于发光二极管导通的 电流很大，对v c c 的冲击很大，尤其是对波形较陡时，上升、下降沿的频谱很 宽，会造成很大的脉冲噪声。并且，在5 脚和8 脚之间必须接一个1 0 0 n f 的高频 特性良好的电容，如瓷片电容或者钽电容，而且应该尽量的放在脚5 和脚8 附近， 可以吸收电源上的纹波，还可以减少光电隔离器接收端开关工作时对电源的冲 击。8 2 c 2 5 0 的r s 脚上接有一个斜拉电阻，电阻的大小可以根据总线速率适当调 整，引脚r s 用于选定8 2 c 2 5 0 的工作模式，有3 种不同的工作模式可供选 择：高速、斜率控制和待机，在此本文采用的是斜率控制工作方式。其值一 般在1 6 1 4 0 k o 之间，图3 3 中选用的是4 7 k o 。6 n 1 3 7 的管脚上的7 脚是使能 端，当它在0 加8 v 时，强制输出为高( 开路) ；当在2 0 v v d d 时允许接收端 工作。6 n 1 3 7 的6 脚是集电极开路输出端，通常加上拉电阻，一般为3 9 0 0 左右。 在保护电路方面，除了上述涉及到的光耦隔离器件6 n 1 3 7 的使用之外，图 3 3 中，8 2 c 2 5 0 与c a n 总线接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。8 2 c 2 5 0 的c a n h 和c a n l 与地之间并联了两个3 0 p f 的小电容，可以起到滤除总线上的 高频干扰和一定的防电磁辐射的能力；另外，在两根c a n 总线接入端与地之间 分别反向接了一个保护二极管，当c a n 总线有较高的负电压时，通过二极管的 短路可以起到一定的过压保护作用，以保护8 2 c 2 5 0 在瞬间高电压的情况下而不 受到损坏。在c a n h 和c a n l 引脚与c a n 总线之间各串联一个5 0 的电阻，而 且这样还可起到一定的限流作用。若8 2 c 2 5 0 处于c a n 总线的网络终端，总线 接口部分必须加一个1 2 0 0 的匹配电阻，以保护8 2 c 2 5 0 免受过流的冲击保护 8 2 c 2 5 0 免受过流的冲击【4 列。在信号线r x 0 、t x 0 上各自加上了一个发光二极管， 其电阻起限流作用，当信号线上有高低电平出现的时候，二极管就会发光，便于 调试程序检查问题。 c a n 节点的接收发送端均为差分输入输出，所以一般来说，只要能够 呈现两种电平模拟量差，就可以满足c a n 的要求。使用p c a 8 2 c 2 5 0 作为 c a n 控制器与物理总线之间的接口时，应注意以下几个问题： ( 1 ) 注意电缆的终端阻抗匹配。这直接影响c a n 总线是否能够正常 工作和网络工作性能。 ( 2 ) 尽可能的提高接收端的共模抑制能力。 ( 3 ) 当网络的规模较大时( 节点数和网线长度) ，必须考虑增加输甘j 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 电流，以提高输出驱动能力。 3 2 2 存储器接口模块 为了记录火灾发生的时间、节点i d 和对应的温度，便于技术人员事后查询， 需要对系统在火灾发生时的信息进行存储，并且对显示屏上的字库也需要进行存 储，本系统主节点采用a r 2 4 c 1 6 ，其特点如下1 1 0 l 。 1 ) a t 2 4 c 1 6 的容量适中，可存储较多从节点的信息，1 0 0 万次写操作，数据 保存时间：1 0 0 年，并且读写速度也满足系统要求。 2 ) 1 2 c 串行接口，节约控制器资源，输入端带施密特触发器，可抑制杂波， 双向数据传输协议，可通过写保护引脚进行数据保护。这款价格比较便宜，性价 比高，节约系统成本。 e e p r o m 接口电路如图3 4 所示。 矗t 8 ；c 5 2 图3 4e e p r o m 接口电路 3 2 3 上位机报警模块 为了提示现场的：_ 作人员，我们设计了报警电路，如图3 5 所示。单片机的 1 7 武汉理工大学硕+ 学位论文 p 1 3 引脚通过限流电阻r 与三极管基极相接，三极管的集电极接有蜂鸣器。当 单片机的p 1 3 引脚电平为低时，三极管导通，蜂呜器有电流流过；当p 1 3 引脚 电平为高时，三极管截止，蜂鸣器没有电流流过。这样，在蜂鸣器两端就会出现 波动的电流，波动的电流就会使蜂鸣器发声。 u 2 3 2 4r s 2 3 2 c 接口模块 图3 5 报警电路 r s 2 3 2 c 总线标准接口的全称是“使用二进制进行交换的数据终端设备和数 据通信设备之间的接口”，是由美国电子工业协会( e n ) 正式公布的、