基于火焰传感器和供电通信一体的有线火灾联网报警装置设计与实现

河北理工大学信息学院 摘要 基于火焰传感器和供电通信一体的有线火灾联网报警装置的设计与实现摘要随着经济的高速发展和城市化进程的不断推进，建筑工程日益增多，火灾事故时有发生，给国家和人民群众带来巨大的生命财产损失。火灾自动报警系统作为及时发现和扑救初起火灾的有力手段，在保障建筑消防安全中发挥着不可或缺的作用。本文针对传统火灾报警系统存在布线复杂、功能单一、易误报等问题，设计了一种基于火焰传感器和单总线通信的新型火灾报警系统。本系统以STM32F103系列单片机为控制核心，采用HY-04高灵敏度红外火焰探测模块实时检测火情，通过MAX485收发器实现RS485总线通信，同时利用OLED液晶屏显示系统状态信息，由无源蜂鸣器发出声光报警信号。系统的最大亮点在于，创新性地提出了"供电通信一体化"的设计理念，用RS485总线实现了系统的供电和通信功能，极大地简化了布线，提高了可靠性，降低了成本。关键词火灾报警系统；STM32单片机；HY-04火焰传感器；RS485总线；供电通信一体化AbstractAbstractAbstractWiththerapiddevelopmentoftheeconomyandthecontinuousadvancementofurbanization,thenumberofconstructionprojectsisincreasing,andfireaccidentsoccurfromtimetotime,causinghugelossesoflifeandpropertytothecountryandthepeople.Theautomaticfirealarmsystem,asapowerfulmeansoftimelydetectionandextinguishingofinitialfires,playsanindispensableroleinensuringbuildingfiresafety.Thisarticleproposesanewfirealarmsystembasedonflamesensorsandsinglebuscommunication,whichaddressestheproblemsofcomplexwiring,singlefunctionality,andeasyfalsealarmsintraditionalfirealarmsystems.ThissystemusestheSTM32F103seriesmicrocontrollerasthecontrolcore,andadoptstheHY-04high-sensitivityinfraredflamedetectionmoduletodetectfiresinrealtime.RS485buscommunicationisachievedthroughtheMAX485transceiver,andthesystemstatusinformationisdisplayedontheOLEDLCDscreen.Thepassivebuzzeremitssoundandlightalarmsignals.Thebiggesthighlightofthesystemistheinnovativedesignconceptof"powersupplyandcommunicationintegration",whichusesRS485bustorealizethepowersupplyandcommunicationfunctionsofthesystem,greatlysimplifyingwiring,improvingreliability,andreducingcosts.Keywords：Firealarmsystem;STM32microcontroller;HY-04flamesensor;RS485bus;Integratedpowersupplyandcommunication 目录 目录 目录10888摘要 2选型及原理介绍2.1硬件模块选型硬件选型是系统设计的关键，需要综合考虑性能、成本、可靠性、功耗等多重因素。以下就控制器、火焰探测器、通信接口、显示等主要硬件模块的选型进行论证。2.3.1单片机模块的选型单片机是控制器的核心，其选型直接决定了系统的数据处理能力和控制性能。本节从多方面对STM32F103和STC89C52这两款常见的单片机进行对比分析。方案一：STC89C52STC89C52是51系列单片机的一种，在低端单片机领域应用广泛。其主要特点如下：（1）8位CISC内核，最高时钟频率35MHz，指令周期1微秒。（2）8KBytesISPFlash存储器，支持ISP和IAP。（3）512字节SRAM。（4）32个可编程I/O口。（5）三个16位定时器/计数器，支持6种工作模式。（6）片上集成MAX810专用复位电路。STC89C52完全可以满足常规的火灾报警控制任务，其Flash容量虽然不大，但对于轻量级的控制程序已绰绰有余。而丰富的I/O接口和定时器，可轻松实现人机交互、数据采集等功能。不过，STC89C52也存在一些不足，考虑到火灾报警系统的功能将日益复杂化，51单片机的性能瓶颈日益凸显。图2.1STC89C52单片机方案二：STM32F103STM32F103是意法半导体推出的一款基于Cortex-M3内核的32位单片机，定位于中高端嵌入式应用。其主要特性包括：（1）32位RISC架构，最高72MHz主频，1.25DMIPS/MHz。（2）最大128KBFlash，支持读保护、写保护。（3）最大20KBSRAM。（4）最多80个快速I/O口，支持位带操作。（5）12路DMA控制器，支持存储器到存储器、外设到存储器等多种传输模式。（6）1个12位ADC，最多16个外部通道。（7）7个定时器，支持PWM、输入捕获、输出比较等多种工作模式。（8）多种通信接口，包括2个I2C、3个SPI、2个USART、1个USB、1个CAN。（9）2.0~3.6V宽范围供电，休眠模式电流低至2微安。（10）多种封装形式，LQFP64、LQFP48、VFQFPN36等。可以看出，STM32F103无论在运算性能、存储容量，还是外设种类上，都远胜51系列单片机。其采用的哈佛结构和三级流水线，使得代码执行效率大大提高。丰富的通信接口，特别是USB、CAN的引入，使其可轻松构建复杂的通信网络。DMA的设置，可实现数据的自动传输，减轻CPU的负担。数个定时器的配合，可方便地实现多任务调度。STM32采用MDK集成开发环境，调试功能强大。其函数库丰富，提供了各种外设驱动程序源码，极大提高了开发效率。用户可用C语言进行编程，代码的可读性、可维护性更好。虽然STM32的价格略高于51，但从性价比角度看，无疑是更划算的选择。图2.2STM32F103单片机综上所述，考虑到火灾报警系统日益增长的功能需求和性能要求，本方案选用STM32F103系列单片机。这不仅可充分满足当前系统的控制任务，也为后续的功能扩展和系统升级奠定了基础。2.3.2火焰检测模块的选型火焰探测是火灾自动报警系统的核心功能，其灵敏度和可靠性直接决定了报警的有效性。火焰探测器按照探测原理，可分为紫外、红外、可见光等类型。本节重点对85UV和HY-04两款常见的火焰探测器进行对比分析。方案一：85UV紫外火焰探测器85UV采用特制的紫外线传感器，可检测火焰在200280nm波段的紫外辐射。当辐射强度超过一定阈值时，即发出报警信号。其主要特点如下：（1）85UV对一般的明火，探测距离可达20m以上。（2）火焰出现后，85UV可在0.20.5s内发出报警。（3）紫外波段的太阳光等环境光干扰较小，不易误报。（4）工作可靠，受温度、湿度等环境影响小。（5）寿命长，一般可达5年以上。但85UV也存在以下局限：（1）只能检测明火，对闷烧、阴燃等隐蔽性火灾难以奏效。（2）对探测物体有一定的指向性要求，容易产生死角。（3）价格较贵，一般在100元以上。（4）对紫外线较为敏感，长期照射可能降低灵敏度。图2.385UV紫外火焰探测器方案二：HY-04红外火焰探测器HY-04采用高灵敏度的热释电红外传感器，可检测火焰在1~5um波段的红外辐射。当辐射强度在一定时间内突变时，即判定为火警。其主要优势包括：（1）对一般火焰，HY-04的探测视场角可达120°，半径可达10m以上，覆盖面积是85UV的数倍。（2）HY-04采用了数字信号处理技术，可有效提取火焰的闪烁特征，区分环境干扰，灵敏度远高于传统的比较器电路。（3）HY-04具有看门狗功能，可及时恢复因干扰引起的误报。（4）采用脉冲调制技术，有效降低了静态电流，待机功耗仅为20微安。（5）单价在20元左右，性价比高。HY-04也有一些使用限制：（1）对黑体辐射较弱的蓝焰火灾，响应灵敏度偏低。（2）对高温干扰源（如卤钨灯）稍敏感，需设法屏蔽。（3）对粉尘、油污等附着物敏感，需定期清洁透镜。图2.4HY-04红外火焰探测器对比可知，从探测性能看，85UV对紫外辐射敏感，响应迅速，但容易产生死角；而HY-04红外覆盖范围广，不易遗漏，但对某些特殊火焰的灵敏度不足。从成本看，85UV的价格是HY-04的数倍。从可靠性看，两者均需注意光学窗口的维护。鉴于大多数初期火灾均有明显的红外辐射，而且对于开阔场合，需要探测器具有较大的覆盖范围，同时考虑到成本因素，本系统选择HY-04红外火焰探测器。通过合理布点，并辅以数字滤波等算法改进，可以克服其在灵敏度和抗干扰性方面的不足，获得令人满意的探测效果。2.3.3通信模块的选型RS485工业总线以其抗干扰能力强、通信距离远、支持多点等特点，在楼宇自控领域得到广泛应用。常见的RS485接口芯片有以下两种。方案一：MAX485MAX485是Maxim公司推出的一款低功耗RS485收发器。其特点如下：（1）MAX485在全双工模式下，传输速率可达10Mbps。（2）MAX485的供电电流仅为300微安，断电模式下小于1微安。（3）MAX485具有_+15kV的ESD保护，_+60V的共模瞬态抑制，可靠性高。（4）提供使能引脚，可方便地控制收发状态；提供半双工引脚，可节省I/O口。（5）MAX485的单价在5元左右。但MAX485也有其局限：一是逻辑电平与TTL兼容，需外加电平转换电路；二是容易受到静电和瞬变的破坏，需严格的PCB布局和防护措施。图2.5MAX485方案二：SP485ESP485E是国内厂家研发的增强型RS485收发器。其优点包括：（1）SP485E集成了DC/DC电源模块和LDO稳压器，无需外加电源。（2）采用3.3VLVTTL逻辑电平，可直接与微控制器连接。（3）SP485E采用隔离耦合技术，抗共模干扰能力可达10KV/us。（4）内置+/-15KVESD保护电路和上电延迟，支持热插拔。（5）较MAX485更便宜。SP485E的不足是速率较低，最高只有250kbps，并且引脚较少，无使能和半双工控制功能。综合比较，考虑到系统的供电情况和接口预留，本方案优选MAX485作为通信接口，系统已有12V供电，经降压后可直接给MAX485供电，而SP485E虽然自带电源模块，但增加了成本和功耗，系统需要根据通信状态动态控制收发模式，而MAX485的使能和半双工引脚恰好满足这一要求。至于电平转换和防护设计，只要采取适当措施，并不难实现。而且，对于通信速率要求不高的火灾报警场合，MAX485完全够用。图2.6SP485E2.3.4显示模块的选型方案一：LCD12864LCD12864是一款常见的点阵型液晶模块，分辨率为128×64，可显示8行汉字或16行字符。其主要特点如下：（1）LCD12864支持4位/8位并口，也有串行的IIC、SPI接口。（2）大多采用兼容HD4478或ST7920协议，代码移植容易。（3）内置了8×16点阵的ASCII字符集和16×16的GB2312汉字库。（4）采用STN型液晶，可视角可达45°以上。（5）整屏价格在20元以内，性价比高。但LCD12864也有其局限：（1）每个字符仅占8×16个点，显示内容有限。（2）STN液晶的对比度一般小于10：1，边看不清晰。（3）整屏需要上百mW，不利于便携式应用。（4）响应时间在百毫秒以上，不适合频繁刷新的场合。图2.6LCD12864方案二：OLED0.96OLED0.96是一款典型的有机发光二极管显示器，分辨率128×64，对角线0.96英寸。其优点包括：（1）OLED不需背光，对比度可达2000：1，清晰度高。（2）OLED几乎可以180°任意角度观看，不受视角限制。（3）OLED的开关速度在1us以下，流畅性好。（4）OLED的驱动电压仅2.8V左右，整屏功耗不足50mW。（5）采用IIC或SPI总线控制，引脚少。（6）OLED一般厚度小于2mm，重量只有几克。图2.6LCD12864综合对比，本系统选用OLED作为显示器件，OLED的高对比度和宽视角特性，保证了报警信息的清晰可辨；OLED的快速响应有利于实时的状态指示；OLED的低功耗和简单驱动，减轻了控制器的负担。虽然OLED在价格和寿命上不如LCD，但考虑到火灾报警系统的使用环境和频度，这两点并非主要矛盾。0.96寸的屏幕虽小，但足以清晰显示几行汉字信息和菜单图标，完全满足系统的人机交互需求。2.2供电通信一体化技术概述RS-485总线标准规定了接口电路及协议等技术要求，但对布线方式没有明确限制。传统的RS-485系统大多采用专用的通信电缆和供电电缆，存在布线复杂、接线易错、维护不便等问题。而将供电线与通信线合二为一，不仅可节约布线资源，还能提高系统的集成度，这就是供电通信一体化技术的核心思想。供电通信一体化技术源于20世纪90年代智能楼宇的施工实践，最初只是简单地将电源线塞进通信电缆，实现电源与信号的捆绑传输。此后，人们开始研究在相同线缆中传输电源和数据的调制解调技术，逐步发展出多种实现方案。按照信号调制方式，可将现有的供电通信一体化技术分为3类，即基于载波的技术、基于时分复用的技术、基于特殊编码的技术。其特点如表2-1所示。表2-1几种典型的供电通信一体化技术类别代表技术信号调制方式数据速率供电电压载波调制DCSK、PSK高频载波调相<1Mbps12~48V时分复用RS-485供电通信时分复用<500kbps5~24V特殊编码MS/TP总线曼彻斯特编码<78.4kbps24VAC本系统拟采用的是基于RS-485接口的供电通信一体化方案，该方案利用485总线较强的抗干扰能力和灵活的组网特性，通过定制的通信协议实现电源和数据的自适应切换。在总线空闲期间，将+24V直流电源接入总线，对下位机进行供电；当需要通信时，切断电源，改为RS-485收发器驱动总线，完成数据收发；通信结束后，电源再次接入，周而复始。电源和数据在时间上交替传输，从而实现供电通信一体化。该方案的优点如下：（1）485接口电路简单，成本低，易于实现。（2）电源电压适中，可直接给单片机供电，不需要降压和隔离。（3）布线少，施工方便，可大幅降低系统造价。（4）支持热插拔，便于节点的增删和维护。（5）可靠性高，即使个别节点损坏，也不影响总线通信。（6）兼容多种通信协议，如Modbus等，应用范围广。局限性如下：（1）实时性差，不适合对时延要求高的场合。（2）通信速率偏低，一般在500kbps以内。（3）供电能力有限，不适合大功率负载。（4）所有节点必须采用统一的供电通信接口，互操作性差。（5）缺乏成熟的标准规范，不同厂商的产品互换性差。尽管如此，鉴于RS-485的广泛使用基础和火灾报警系统的实际需求，本方案仍不失为一种务实的选择。在此基础上，我们还可采取差分电压转换、多点地线连接等措施，进一步改善通信和供电性能。图2.1RS485示意图4系统的软件设计PAGE19 3系统的硬件设计3.1STM32F103单片机STM32F103芯片基于ARM公司的Cortex-M3内核设计，采用32位RISC指令集架构。该内核使用哈佛存储器架构，支持高达72MHz的主频运行，具备每秒可达1.25DMIPS的运算能力。即使在需要运行复杂算法的情况下，也可以为系统带来充裕的计算资源。Cortex-M3内核还支持硬件dividedby0检测、不对齐访问、先进的嵌入式系统调试等先进功能，整体性能表现卓越。除了强劲的内核之外，STM32F103本身也提供了丰富的硬件资源。它集成了512KB的FLASH存储空间和64KB的SRAM，可以保证控制程序和运行数据的充分存储。芯片上还包含了三个16位高级定时器、一个基本定时器、两个看门狗定时器、七个通用DMA通道、三个通用16位计数器、一个USB2.0全速接口等众多外设支持。图3.1STM32F103单片机内部框图时钟部分STM32可使用HSI（内部高速时钟）、HSE（外部高速时钟）和LSE（外部低速时钟）三种时钟源。其中，HSI为片内RC振荡器，频率为8MHz，精度较低；HSE接外部晶体，频率范围可选4~16MHz；LSE接32.768kHz的手表晶体，主要用于RTC。本系统使用8MHz的无源晶体作为HSE，配以20pF的负载电容，同时并联1MΩ的偏置电阻。经过PLL倍频后，可得到72MHz的系统时钟。晶体及负载电容应尽量靠近HSE引脚（OSC_IN和OSC_OUT）布放，走线应对称且不宜超过10mm。图3.2典型晶振电路复位部分STM32复位电路主要由复位源、复位处理和系统时钟三个部分组成。复位源负责提供复位信号，可以来源于外部或内部。外部复位通常通过RESET引脚向CPU发送低电平脉冲来触发，如按下复位按钮；而内部复位则可能由内部掉电复位信号触发，这种信号能监测电源电压是否低于设定的阈值，以防止在电源电压过低时工作不稳定或出错。复位处理模块对复位信号进行滤波处理，确保复位信号的正确性，避免无效的复位操作。当复位信号有效时，STM32的寄存器和其他关键元件会被重置到默认值，确保系统可以从一个已知的状态重新开始运行。系统时钟模块在复位操作完成后提供系统时钟，使CPU能从正确的地址开始执行指令，从而进入正常的工作状态。STM32复位电路还支持软件复位，即可以通过软件程序控制产生复位信号。这在需要在软件层面进行灵活复位控制的场合特别有用。但应注意，软件复位可能会导致数据丢失，因此应谨慎使用。图3.3典型复位电路表3-1STM32启动模式配置BOOT1BOOT0启动区域x0Flash01系统存储器11内置SRAM本系统使用Flash做程序存储区，因此将BOOT0和BOOT1均下拉至地（低电平）。为防止引脚悬空，建议BOOT0和BOOT1分别接4.7kΩ的下拉电阻。调试接口部分STM32支持JTAG和SWD两种调试接口，本系统选用SWD接口。SWD接口仅需SWDIO和SWCLK两根信号线，大大减少了调试器的占用资源。通过SWD口，可以实现程序的下载、单步跟踪等常用调试功能。本设计中，SWD接口的连接器选用5×2P的双排母座（如STL-110-01-L-D），与ST-Link调试器的接口相匹配。图3.4STM32F103单片机接线情况3.2HY-04火焰检测模块3.2.1功能详解HY-04是一款用于火焰检测的红外传感器模块，其核心是TO-39封装的敏感元件——热释电红外传感器。当传感器接收到火焰辐射时，内部的热电堆会产生与辐射强度成正比的微弱电压信号（uV级），经信号调理电路放大、滤波后转化为0~5V的模拟电压输出。HY-04模块具有灵敏度高、探测角度大、工作稳定可靠等特点。其主要技术指标如表3-2所示。表3-2HY-04模块主要技术指标参数值单位工作电压3.3~5V静态电流<0.3mA检测波长760~1100nm检测角度<120°光谱响应0.6~1.0um最大模拟输出电压5V响应时间<2ms工作温度-25~85℃尺寸35×10mmHY-04采用3针单排直插式封装，其引脚定义如表3-3所示。表3-5HY-04模块引脚定义引脚编号名称描述1VCC电源正，5V供电2GND电源地3AOUT模拟信号输出，0~5V4DOUT数字信号输出其中，AOUT为模拟信号输出，输出电压与火焰辐射强度成正比。该引脚可接STM32的ADC输入，实现火焰大小的连续检测。DOUT为数字信号输出，当火焰辐射强度超过设定阈值时，该引脚输出高电平（3.3V），否则输出低电平（0V）。DOUT引脚可接STM32的GPIO口，实现火焰报警功能。HY-04内部集成了信号放大、滤波、比较等电路，使用时只需接通电源即可工作。电路如图3.5所示。图3.5HY-04火焰检测模块实际接线图3.2.2检测原理HY-04的火焰检测原理是基于火焰辐射的非接触式测量，不同物质在燃烧时，会产生不同波长的电磁波辐射，如图3.6所示。图3.6不同燃料的火焰辐射光谱由图可见，大多数可燃物燃烧时，在红外波段（760nm~1100nm）都有较强的辐射，这为红外火焰检测提供了物理基础。HY-04采用硫酸铅（PbS）或硫化铅（PbSe）作为红外敏感材料，通过测量入射到热电堆上的红外辐射功率，实现对火焰的检测。热电堆是由一系列热电偶串联而成，两端分别固定在陶瓷基片的中心区和边缘区。当中心区接收到的辐射能量大于边缘区时，热电偶两端会产生温差电势，其大小与入射功率成正比。由于热释电效应极其微弱，输出信号往往只有几个uV，需经过高增益、低噪声的放大器将其转换为可测量的电压信号。HY-04内置了一个三级放大电路，其中首级采用超低噪声运放OPA333构成跨阻放大，中间级为带通滤波，末级为比较器。经过放大滤波后，微弱的温差电可被稳定地转化为0~5V的电压信号输出。OPA333的典型噪声电压密度仅为50nV/√Hz，增益带宽积高达350kHz，非常适合微弱信号的精密放大。HY-04还采用了独特的火焰闪烁频率判别技术，进一步提高了检测可靠性。由于火焰在燃烧过程中会产生强度和频率都在不断变化的闪烁，而其他红外干扰源（如太阳光、白炽灯等）的辐射则相对稳定。因此，可通过分析AOUT输出信号的频谱特征，准确区分火焰和非火焰，HY-04在电路中增加了一个带通滤波器，其通带频率与火焰频谱相匹配，有效滤除了低频和高频干扰。HY-04通过热释电效应感知火焰辐射，并对微弱信号进行高倍放大、带通滤波，同时结合火焰频谱分析技术，可实现灵敏度高、误报率低的火焰检测。3.3MAX485通信模块3.3.1引脚及功能详解MAX485是Maxim公司推出的一款低功耗、高ESD抗扰性的RS-485收发器芯片。其工作原理是将TTL电平转换为RS-485总线上的差分电平，通过平衡传输实现远距离、高速率的数据通信，表3-6列出了MAX485的引脚功能。表3-6MAX485引脚功能引脚编号符号类型功能描述1RO输出接收数据输出，读RO上的电平可获得485总线上的数据2RE输入接收使能，RE为低电平时使能接收3DE输入发送使能，DE为高电平时使能发送4DI输入发送数据输入，写DI上的电平可将数据发送到485总线5GND电源芯片地6A输出485总线差分数据线A（TR+）7B输出485总线差分数据线B（TR-）8VCC电源芯片供电，+5V从表中可以看出，MAX485通过RE和DE引脚控制数据的接收和发送。当RE为低电平、DE为高电平时，MAX485工作在发送模式，DI输入的数据将被送至485总线；当RE为高电平、DE为低电平时，MAX485工作在接收模式，485总线上的数据经芯片内部处理后由RO引脚输出。需要注意的是，RE和DE不能同时为低电平，否则会使芯片进入空闲状态。MAX485的A和B引脚以差分形式连接485总线，其间的电位差决定了传输数据的逻辑状态。根据RS-485标准，当A相对B为正电压（VA-VB>+200mV）时，总线处于逻辑1状态；当A相对B为负电压（VA-VB<-200mV）时，总线处于逻辑0状态；而当|VA-VB|<200mV时，总线处于不确定状态。这种差分信号具有很强的抗共模干扰能力，可有效抑制噪声和串扰。MAX485的供电范围为4.75V~5.25V，工作电流小于500uA。其接口电平与TTL/CMOS兼容，可直接与单片机连接。静电保护能力可达±15kV，短路保护电流typical250mA，具有很高的可靠性。3.3.2通信原理RS-485是一种常用的串行通信标准，采用平衡双绞线传输差分信号，可实现多点、双向半双工通信。MAX485作为RS-485接口的驱动芯片，负责完成电平转换和信号驱动。其内部集成了发送器和接收器，可实现总线的收发控制。图3.7数据发射示意图图3.8数据接收示意图图3.9MAX485实际接线图3.3.3性能特点与其他总线收发器相比，MAX485具有以下优点：支持半双工、全双工和多点应用，最多可挂256个节点。采用低功耗CMOS工艺，无信号时电流小于1uA。具有宽广的共模电压范围（-7V~+12V），抗干扰能力强。ESD保护达±15kV，带有热插拔保护功能。带斜率控制，典型值为6V/us。采用断线检测技术，可自动切断输出，保护总线。工作频率高，支持250kbps~2.5Mbps。体积小巧，SOIC和DIP两种封装可选。这些特性使得MAX485成为工业现场信号传输的理想选择。尤其在高噪声、强干扰环境下，MAX485可发挥其出色的抗扰性能，保证通信的可靠性。3.4蜂鸣器模块蜂鸣器是一种常用的声音报警器件，通过PWM信号驱动压电陶瓷或电磁线圈，将电信号转化为声音信号，发出报警声响。火灾报警控制器应具备声光报警功能，以提醒人们及时采取灭火或撤离措施。蜂鸣器可发出响亮刺耳的报警音，是声音报警的主要实现手段。选用无源蜂鸣器作为本系统的声音报警器件，其特点是驱动电路简单（只需一路PWM信号），频响范围宽（一般在2~5kHz），声压级高（可达85dB以上），价格低廉。报警音的频率由PWM信号的周期决定，响度由PWM信号的占空比决定。调整PWM周期可得到不同音调，改变PWM占空比可控制音量大小。一般取2~5kHz的频率较为常用，可产生尖锐刺耳的报警音。过高频率会使蜂鸣器的声音变得难以分辨，也加剧了器件的机械磨损；而频率过低，会使声音沉闷难听，也达不到警示的效果。占空比的选取需兼顾响度和功耗，在蜂鸣器的额定功率范围内，占空比越大，响度越高，但同时功耗也越大。超过50%的占空比通常就能产生很大的音量，没有必要一味追求100%占空比。对于一些场合，如夜间值班室等，还需增加音量调节功能，可通过按键或软件设置控制PWM占空比，从而控制报警音的响度。本系统拟采用STM32的定时器TIM3产生PWM波形，其周期和占空比可通过配置TIM3_ARR和TIM3_CCRx寄存器实现。虽然蜂鸣器可发出很大的声音，但其扩散范围有限，在环境噪声大或区域面积广时，单一蜂鸣器的报警效果并不理想。因此，在实际应用中，往往需要多个蜂鸣器协同报警，或与其他声光报警器件（如警示灯、警铃）配合使用，才能达到预期的报警效果。图3.10蜂鸣器实际接线图3.5OLED显示模块OLED是一种新型的平面显示器件，具有自发光、视角广、响应快、体积小、耗电低等优点，广泛应用于移动终端、工控设备、医疗器械等领域。本系统选用0.96寸OLED作为人机交互界面，用于显示系统状态、报警信息、菜单操作等内容。OLED显示原理与LCD等传统显示器不同，OLED是一种主动发光器件，无需背光源，而是通过电流激励有机发光材料直接发光。OLED的基本结构如图3.11所示，由阴极、发光层、空穴传输层、阳极依次叠加而成。图3.11OLED基本结构当在阴极和阳极之间施加一定的电压时，电子和空穴在电场作用下向发光层迁移，并在发光层复合，从而激发发光材料发光。调整加载的电压和电流，可控制发光亮度。OLED器件在电压驱动下，阴极向LUMO（最低未占据分子轨道）注入电子，阳极向HOMO（最高占据分子轨道）注入空穴。电子和空穴在发光层中相遇并复合，当复合能量大于分子的HOMO-LUMO能隙时，分子就会跃迁到激发态，再通过辐射跃迁的方式回到基态，同时辐射出可见光子。图3.12OLED并口读时序图3.13OLED并口写时序根据发光材料的不同，OLED可实现红、绿、蓝多色显示。将这三种OLED叠加，可构成全彩色OLED显示器。控制各发光单元的亮度，即可实现任意颜色和灰度的显示。与LCD相比，OLED具有以下显示优势：（1）自发光，无需背光源，结构简单，轻薄；（2）窄带发射光谱，色彩纯度高，色域宽；（3）半导体固态器件，响应速度快（<1μs），适合动态显示；（4）超薄薄膜结构，可实现柔性显示；（5）驱动电压低（3~10V），功耗小，效率高。但OLED也存在一些不足，如寿命较短（约1万小时），大尺寸量产困难，易受水氧侵蚀等。随着OLED材料和封装工艺的不断进步，这些问题有望逐步得到解决。图3.14OLED实际接线4系统的软件设计4.1软件介绍Keil5是德国KEIL公司推出的一款针对ARMCortex-M系列处理器的集成开发环境（IDE），包括C/C++编译器、项目管理器、编辑器、调试器等多个功能模块，支持多种ARM设备，是目前Cortex-M开发应用最广泛的IDE之一，其各功能区简介如下：（1）工程管理区：管理工程文件，如源文件、库文件、头文件等。（2）编辑区：编写和修改代码，支持代码高亮、自动补全等功能。（3）输出区：显示编译、链接、下载等操作的输出信息。（4）调试区：用于程序的单步调试、断点设置、变量监视等。（5）选项区：配置工程的各项参数，如目标器件、优化级别、存储分布等。使用Keil5进行STM32开发的一般步骤为：（1）新建工程，选择芯片型号，如STM32F103RB；（2）添加工程文件，包括启动文件、库文件、用户代码文件等；（3）配置工程属性，设置编译参数、优化等级、头文件路径、分散加载文件等；（4）编写代码，完成所需功能；（5）编译工程，检查语法错误，直至编译通过；（6）下载调试，根据需要设置断点、监视变量，排查逻辑错误；（7）完成开发，输出HEX文件，用于产品烧录。Keil5具有强大的在线调试功能，支持多种调试接口，如JTAG、SWD等。通过设置断点、单步执行、内存监视等手段，可以深入分析程序运行过程，快速定位问题。Keil5还提供了性能分析、代码覆盖率测试等工具，有助于优化代码，改进软件质量。对于STM32开发，Keil5还提供了CMSIS（CortexMicrocontrollerSoftwareInterfaceStandard）库和STM32FirmwareLibrary，封装了常用的外设操作函数，降低了开发难度。用户可根据需要自行添加或修改库函数，快速实现各种应用。Keil5功能丰富，使用灵活，适合各种规模的嵌入式软件开发，可大大提高开发效率。Keil5的软件界面如4.1图所示：图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图4.2系统逻辑流程图如图4.2所示，程序首先进行上电初始化，包括系统时钟配置、GPIO配置、串口初始化、OLED初始化等。初始化完成后，程序创建3个任务：火焰检测任务、按键扫描任务和通信任务。这3个任务分别对应火焰传感器的信号采集与处理、面板按键的输入检测、与上位机和其他设备的通信。创建任务后，程序进入一个无限循环，反复查询各任务的状态，根据需要进行任务间的同步和调度。如当火焰检测任务发现火情时，主程序负责启动声光报警，并通知通信任务上报火警信息；当按键任务检测到确认按键时，主程序则通知火焰检测任务解除报警，并通知通信任务发送报警解除帧。在每次循环的末尾，主程序还要检查系统状态，如电源电压、看门狗等，确保系统正常运行。一旦发现异常，主程序要采取适当的错误处理和恢复措施，必要时可复位系统。其部分主程序源码如下所示：#include"stm32f10x.h"//STM32头文件#include"sys.h"#include"delay.h"#include"tim.h"#include"oled0561.h"#include"usart.h"#include"led.h"#include"key.h"#include"iwdg.h"#include"flash.h"#defineFLASH_START_ADDR0x0801f000 //写入的起始地址u16command=0；//通讯缓存u16ds1=0；//延时计数器u16ds2=0；u16ds3=0；u16ds4=0；u16time=500； u8flag_beep=1；u8flag_fs1=0； u8flag_fs2=0； u8flag_key=0； u8menu=0； u8command1=0；//通讯缓存u8command2=0；u8command3=0； u8bommand=0； u8temp[9]； intmain（void）{//主程序 delay_ms（100）；//上电时等待其他器件就绪 RCC_Configuration（）；//系统时钟初始化 I2C_Configuration（）；//I2C初始化 OLED0561_Init（）；//OLED初始化 LED_Init（）；//LED初始化 KEY_Init（）；//按键初始化{（部分代码省略）……}4.2.2火焰检测任务流程分析火焰检测是火灾报警的核心功能，其任务就是通过火焰传感器采集现场的火情信息，并及时作出判断和响应。任务初始化火焰传感器，包括GPIO口配置、ADC初始化、报警阈值设定等。然后，任务进入一个无限循环，以固定周期（如100ms）对传感器数据进行采集和处理。在每个周期内，任务先读取火焰传感器的模拟量输出（AOUT），通过ADC转换为数字量。为消除电源纹波等干扰，需对采样值进行滤波，如取多次平均值。任务将滤波后的采样值与报警阈值进行比较。如果采样值超过阈值，且持续一定时间（如3个周期），则判定为火警。这种"延迟判决"的方法可有效防止瞬时干扰引起误报。一旦确认火警，任务应立即置位火警标志，并启动声光报警。同时，任务通过消息机制通知通信任务，将火警信息上报监控中心。报警启动后，任务还需周期性地再次判断火焰信号，确认火情是否持续。如果连续多个周期（如30个）火焰信号都低于阈值，则可判定火情解除，清除火警标志并停止报警。由于不同环境下的火焰信号差异较大，因此报警阈值需根据现场情况合理设定。过高的阈值会降低灵敏度，漏报火情；而过低的阈值则易引起误报，带来不必要的损失。可采取自适应阈值、多传感器融合等方法，提高火焰检测的可靠性。在编程实现中，火焰检测任务可定义为一个独立函数，通过任务创建函数调用。典型的代码结构如下：//火焰检测任务函数voidFire_Detect_Task（void*p_arg）{ //局部变量定义 uint16_tadc_value； uint8_talarm_cnt=0； //初始化火焰传感器 Fire_Sensor_Init（）； while（1） { //读取ADC值 adc_value=Get_Fire_ADC（）； //滤波处理 adc_value=Filter（adc_value）； //判断是否火警 if（adc_value>=ALARM_THR） { alarm_cnt++； if（alarm_cnt>=3） { //连续3次超过阈值，火警 Fire_Alarm_Flag=1； Alarm_ON（）； Msg_Send（COMM_TASK，FIRE_ALARM_MSG）； alarm_cnt=0； } } else { alarm_cnt=0； if（Fire_Alarm_Flag==1&&adc_value<ALARM_THR_LOW） { //连续30次低于阈值，解除火警 if（restore_cnt++>=30） { Fire_Alarm_Flag=0； Alarm_OFF（）； Msg_Send（COMM_TASK，FIRE_RESTORE_MSG）； restore_cnt=0； } } } //延时100ms vTaskDelay（100）； }}//创建火焰检测任务xTaskCreate（Fire_Detect_Task，"Fire_Detect"，512，NULL，3，&Task_Handle）；其中，ALARM_THR和ALARM_THR_LOW分别为火警和解警的阈值，可根据实际情况设定。Alarm_ON（）和Alarm_OFF（）用于控制声光报警器的开关。Msg_Send用于向其他任务发送消息，通知火警或解警事件。vTaskDelay用于任务延时，参数为延时的时间（单位为操作系统的最小时间粒度）。通过上述流程和代码，即可实现火焰检测任务的基本功能。在实际应用中，还需进一步优化传感器布防、报警策略、人机交互等，以满足不同场合的需求。4.2.3显示程序流程火灾报警控制器的显示任务主要负责在OLED屏上显示当前的系统状态、报警信息、菜单界面等内容。由于OLED分辨率有限，显示内容需经过精心设计和编排，既要信息明确，又要布局美观。任务初始化OLED屏，包括IIC总线配置、初始化指令发送、字库加载等。由于OLED的显示RAM与MCU分离，因此每次显示内容更新都需重新传输数据。为了降低通信开销，本系统采用"帧缓冲"技术，即先在MCU内存中构建显示画面的点阵数据，再一次性发送给OLED。这种方式易于图形绘制和局部刷新，是OLED显示的常用方法。构建帧缓冲的过程就是将显示内容转化为点阵数据的过程。对于文字，可先取模生成字模数据，再根据字符串内容将字模复制到帧缓冲的相应位置；对于图形，则需根据坐标和尺寸绘制点、线、圆等基本图元。帧缓冲构建完成后，任务将点阵数据通过IIC总线发送至OLED的显示RAM。考虑到数据量较大，传输时间不可忽略，因此可采用DMA方式，避免长时间占用CPU。发送完成后，任务可适当延时，或等待其他任务的显示请求。为了提高显示效率，可为不同的显示内容（如主界面、报警界面、菜单界面等）维护单独的帧缓冲，根据需要切换显示。当用户按下菜单键时，任务还需响应按键事件，进入菜单显示流程。菜单可采用分级结构，每一级对应一个界面。用户通过方向键选择菜单项，按确认键进入下一级或执行相应操作。显示任务的菜单处理可使用"状态机"方法，根据按键事件转移状态，每个状态对应一种界面。例如，在主菜单状态下，按"上"键选择上一项，按"下"键选择下一项，按"确认"键进入所选子菜单；在参数设置状态下，按"上"键增大参数值，按"下"键减小参数值，按"确认"键保存设置，等等。在编程实现时，显示任务也可定义为一个独立函数，由任务创建函数调用。软件部分程序源码如下所示：voidDisplay_Task（void*p_arg）{ //局部变量定义 uint8_tkey_event； uint8_tmenu_state=MENU_MAIN； //初始化OLED OLED_Init（）； //加载主界面 Load_Main_Frame（）； OLED_Refresh（）； while（1） { //检查按键事件 key_event=Key_Scan（）； switch（menu_state） { caseMENU_MAIN： if（key_event==KEY_MENU） { //进入主菜单 Load_Menu_Frame（）； OLED_Refresh（）； menu_state=MENU_LIST； } //... break； caseMENU_LIST： if（key_event==KEY_UP） { //选择上一项 Select_Last_Item（）； OLED_Refresh（）； } elseif（key_event==KEY_DOWN） { //选择下一项 Select_Next_Item（）； OLED_Refresh（）； } elseif（key_event==KEY_ENTER） { //进入所选子菜单 menu_state=Get_Sub_Menu（）； Load_Sub_Menu_Frame（）； OLED_Refresh（）； } //... break； //其他菜单状态处理 //... } //检查其他任务请求 //... //延时100ms vTaskDelay（100）； }}//创建显示任务xTaskCreate（Display_Task，"Display"，1024，NULL，2，&Task_Handle）；其中，Load_Main_Frame、Load_Menu_Frame等函数用于构建不同界面的帧缓冲。OLED_Refresh用于将帧缓冲发送至OLED显示。Key_Scan用于检测按键事件，返回按键值。Select_Last_Item和Select_Next_Item用于选择菜单项，一般通过移动反色光标实现。Get_Sub_Menu根据当前选项返回对应的子菜单状态值。通过状态机，可将复杂的菜单逻辑分解为简单的状态转移，易于理解和维护。同时，由于每次只处理当前状态，减少了不必要的代码执行，提高了效率。当然，菜单的具体设计还需考虑用户的操作习惯、界面美观等因素，并非唯一的实现方式。一些触摸屏控制器还可采用图形化的菜单，用手势进行操控。这就需要借助专门的GUI库，实现更友好的人机交互。总之，显示任务承担着人机交互的重任，其设计的好坏直接影响用户体验。在保证功能的前提下，应尽量简化操作，优化界面，提供必要的提示和反馈，让用户能够直观、准确地掌控系统的运行状态。图4.4显示函数逻辑流程图4.3报警阈值的设定报警阈值是火灾报警系统的重要参数，它决定了探测器的灵敏度和误报率。设置过高，会降低系统的探测能力，延误火情报警；设置过低，则会频繁触发误报，带来不必要的损失和干扰。因此，报警阈值的设定需要综合考虑环境条件、探测性能、成本效益等因素，在可靠性和经济性之间取得平衡。对于火焰探测器，由于不同燃料和燃烧条件下的火焰辐射差异较大，单一固定的报警阈值往往难以满足要求。一种改进方法是采用"动态阈值"技术，即根据探测器安装环境的背景辐射强度，自适应地调整报警判据，提高探测可靠性。具体实现时，可利用探测器的火焰信号平均值或长期趋势，估计当前的背景辐射水平，并据此计算报警阈值。设背景辐射估计值为B，报警灵敏度系数为k，则报警阈值A可表示为：A=B+k式中，B可用一定时间内（如几分钟）火焰信号的平均值或中值估计，k则根据探测器的标称灵敏度和可接受的误报率选取，通常取1.2~2倍的探测下限。在控制器中，可设置专门的任务实现自适应阈值算法，该任务以较长的周期（如1分钟）运行。典型的代码结构如下：//阈值自适应任务函数voidAdaptive_Threshold_Task（void*p_arg）{ //局部变量定义 uint32_tsum=0； uint16_tsample[60]； uint8_tindex=0； while（1） { //记录1分钟内的采样值 for（index=0；index<60；index++） { sample[index]=Get_Fire_ADC（）； vTaskDelay（1000）； } //计算平均值或中值 #if1 for（index=0；index<60；index++） { sum+=sample[index]； } Background=sum/60； #else Background=Get_Median（sample，60）； #endif //计算报警阈值 Alarm_Threshold=Background+1.5*DET_LIMIT； //更新系统参数 Update_Threshold（Alarm_Threshold）； }}//创建阈值自适应任务xTaskCreate（Adaptive_Threshold_Task，"Adapt_Thr"，512，NULL，1，&Task_Handle）；其中，Get_Fire_ADC用于读取火焰传感器的模拟量输出。Get_Median用于计算样本的中值。DET_LIMIT为探测器的标称灵敏度，需根据器件参数设定。Update_Threshold用于将计算得到的阈值更新到系统参数，以便其他任务读取。自适应阈值是火灾探测算法的一个重要改进，可有效提高探测可靠性，减少误报发生。结合其他措施，如采用多传感器信息融合、改进信号处理方法等，可进一步提升火灾预警的整体性能。不过，自适应阈值也有其局限性，如算法引入了一定的滞后，可能无法及时响应瞬时火灾。在高风险区域，固定的高灵敏度阈值可能更为合适。因此，阈值设定还需因地制宜，权衡安全性和经济性，选择最优方案。4.4通信协议设计为实现火灾报警控制器与探测器、显示屏、上位机之间的可靠通信，需要设计合理的通信协议。通信协议定义了通信双方的数据交换格式、时序关系、差错控制机制等，是通信系统的核心。本系统主要涉及控制器与探测器之间的通信，以及控制器与上位机之间的通信。控制器与探测器之间采用RS-485总线通信。RS-485是一种平衡双绞线通信标准，具有传输距离远、抗干扰能力强等优点，广泛应用于工业控制领域。在本系统中，所有探测器均并联在一条RS-485总线上，控制器通过轮询方式逐个访问各探测器，实现信息的采集和控制。控制器与探测器之间的通信协议可设计如下：1.物理层：RS-485，9600bps，8位数据位，1位停止位，无校验。2.数据链路层：采用类Modbus-RTU协议，控制器作为主站，探测器作为从站。每个探测器分配唯一的地址码（1~255）。3.帧格式：采用Modbus-RTU帧格式，起始和结束域用于标识一帧的开始和结束；地址域用于标识从站地址；功能码域用于标识所请求的操作类型；数据域用于传送参数或状态等信息；CRC校验域用于接收方校验数据完整性。功能码：本协议使用3种功能码，如表4-1所示。其中，读线圈状态（0x01）用于读取探测器的报警状态等离散量信息；读输入寄存器（0x04）用于读取探测器的模拟量输出等保持寄存器信息；写单个线圈（0x05）用于控制探测器的报警复位、自检等操作。表4-1通信协议功能码功能码名称发送帧数据域接收帧数据域0x01读线圈状态起始地址（2B）+线圈数量（2B）线圈状态（nB）0x04读输入寄存器起始地址（2B）+寄存器数量（2B）寄存器值（2nB）0x05写单个线圈线圈地址（2B）+线圈值（0xFF00/0x0000）线圈地址（2B）+线圈值（0xFF00/0x0000）5.异常响应：当控制器发送的请求帧出现错误（如CRC校验错误、数据地址越界等），探测器将返回异常响应帧，告知错误原因。异常响应帧的功能码是请求帧功能码的最高位置1。例如，若控制器发送读线圈状态请求（0x01），但数据地址超出范围，则探测器返回的异常响应帧功能码为0x81。常见的异常码如表4-2所示。表4-2通信协议异常码异常码名称含义0x01不支持的功能码：请求的功能码不被支持0x02数据地址错误：请求的数据地址超出范围0x03数据值错误：请求的数据值超出范围0x04从站设备故障：从站执行请求时发生不可恢复的错误6.通信流程：控制器与探测器之间的通信可分为三类：状态查询、参数设置和控制操作。图4-7给出了典型的通信流程。状态查询是最频繁的通信，控制器以一定周期（如1秒）轮询各个探测器的火警状态和模拟量输出，用于火情监测。探测器收到合法请求后，将相关数据装入响应帧返回。参数设置是在探测器安装调试或需要改变探测器工作方式时进行的通信，一般采用写寄存器方式，将报警阈值、滤波参数、模式选择等写入探测器。探测器执行写操作后，将寄存器的新值原样返回，供控制器校验。控制操作是控制器对探测器的一些即时操作，如报警复位、自检等，一般采用写线圈方式。探测器在线圈状态就绪后，同样将线圈值返回。以上是控制器与探测器间采用Modbus-RTU协议通信的基本设计，可实现可靠、高效、可扩展的火灾探测数据传输。该协议兼容大多数工业设备，调试手段完善，可大大降低二次开发难度。在编程实现时，通信功能可封装为一个通信管理任务和若干协议服务函数。通信管理任务负责定时轮询探测器、解析接收到的响应帧、更新系统参数和火警信息等；协议服务函数则提供标准的读写接口，供其他任务调用。工程学院毕业设计5系统的测试PAGE45 5系统的测试5.1软件硬件调试调试过程可以分为软件仿真和硬件测试两个阶段。其中，软件仿真主要在Keil开发环境中进行，通过设置断点、单步跟踪等手段，检查每个功能模块的代码运行情况，发现并改正语法错误、逻辑错误等。还可以利用Keil的软件仿真器，构建与实际硬件环境一致的虚拟系统，从而获得逼真的运行效果。而硬件测试，则需要将代码烧录到实际的单片机中运行。在硬件测试阶段，首要关注的是程序的烧录和运行环境。通过编程器将代码下载到单片机后，先要检查程序能否正常启动、各外设能否正常初始化。如果程序卡死或复位，则需要重点排查时钟和复位电路。接着，要着重测试程序的I/O控制功能。通过逐一操作每个传感器和执行器，并观察其响应情况，判断程序对外设的控制是否正确。对于ADC、PWM等模拟接口，还需借助示波器检查其输出的电平范围和变化规律。5.2实物展示经过大量测试和调试，系统的各项功能均运行正常，监测数据准确、控制响应迅速。实物如图5.1所示：图5.1系统实物图结论结论结论本文介绍了一种基于火焰传感器和供电通信一体的有线火灾联网报警装置的设计与实现。该系统以STM32单片机为控制核心，集成了OLED显示、火焰检测、485通信、声光报警等模块。经过精心的软硬件设计和反复调试测试，系统运行稳定可靠，火灾检测灵敏准确，报警响应及时，节点间通信快速无误。该装置具有检测范围广、联网性能好、易安装维护等优点，可以满足多种场合的火灾预警需求，具有良好的应用前景。同时，系统的设计思路和实现方法对类似项目也有一定的参考价值。总之，本文完成的系统达到了预期目标，并通过测试验证了其可行性和可靠性。项目的顺利实施，也锻炼了笔者的工程实践能力。这为今后从事相关领域的研发工作打下了良好基础。参考文献参考文献[1]杨济韩,李景伟,蒲放,等.基于BLE-LoRa的布撒式自组网火灾报警系统的设计思考[J].广东通信技术,2023,43(1):6.[2]李惠滨,张金傲,张庆庆,等.一种火灾报警系统:,CN114783136A[P].2022.[3]王芳.基于智能控制的火灾报警系统设计[J].2022(2).[4]张龙祯.地铁站中火灾自动报警系统的应用[J].数码设计（上）,2022(011):000.[5]Ming-YanL,NingC.DesiononafullywirelessautomaticfirealarmsystembasedonZigBeeandGPRS[J].FireScience&Technology,2015.[6]ChenB,HuZ,GeL,etal.DesignofWirelessFireDetectionandAlarmSystemBasedonZigBeeTechnology[C]//REET2013;InternationalConferenceonRenewableEnergyandEnvironmentalTechnology.2014.[7]Dong-HaiX,Jin-FengY,MingZ,etal.Zigbeewirelessfirealarmdetectorbasedonpoweroptimization[J].FireScienceandTechnology,2011.[8]PrasadKD,ChintojuS.DesigningOfScalableFire,Smoke,GasLeakageMonitorAndAlarmSystemBasedOnZigbeeTechnology[J].[2024-04-19].[9]YunhongL,MeiniQ.TheDesignofBuildingFireMonitoringSystemBasedonZigBee-WiFiNetworks[C]//EighthInternationalConferenceonMeasuringTechnology&MechatronicsAutomation.IEEE,2016.DOI:10.1109/ICMTMA.2016.180.[10]田学文.自动烟雾报警系统设计与开发[D].电子科技大学,2019.[11]佚名.新型火灾自动报警耐火壁纸[J].传感器世界,2018.[12]王海燕,郭晓蒙.地铁火灾自动报警系统探讨[J].消防科学与技术,2010.[13]刘正华.二线制火灾自动报警系统设计探讨[J].建筑电气,2023,42(1):6.[14]北京市公安局消防局,赵英然.智能建筑火灾自动报警系统设计与实施[M]