火灾报警系统设计方案.docx
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火灾报警系统设计方案
火灾报警系统设计方案
第一章绪论
1.1本课题研究背景
随着我们社会的不断发展，人们的生活、工作以及我们居住的环境愈来愈相对的集中，火灾发生的可能性也变得日益突出，火灾给人们所造成的损失和危害也越来越不可忽视，对广大人民群众的生命财产安全造成了很大的威胁。
世界上很多国家都致力于各种各样的火灾报警系统的研究和实验，人们更加重视对火灾发生的及时发现与报警。
2011年，我国公安部消防局公布了当年的全国火灾情况，全国共接到报火灾一共125402起，死亡人数一共1106人，受伤人数有572人，直接造成的财产经济损失有18.8亿元。
其中，尤其是在节日期间，燃放烟花原因所造成的火灾有所增多，还有建设施工的工地、以及小作坊和小商店等场所火灾发生的数量较多，同时由于用电用火所引起的火灾，在火灾发生总量上仍然占据了比较大的比重。
统计数据显示，全国较大火灾共接报76起，死亡281人，受伤54人，直接财产损失8468.2万元，与2010年相比，死亡人数增加3.3%。
全国公司厂房所发生的火灾6779起；居民住宅一共发生了火灾有48548起；而用作仓储场所引起的火灾一共5463起，人口比较集中的场所所发生火灾12471起，因为交通工具事故所造成的火灾13049起；易燃易爆地方事故所发生的火灾407起；城乡火灾总量下降。
全国农村一共发生了火灾38469起，死亡349人，受伤154人，造成直接财产损失有39301.3万元。
而城市已共引发火灾有43171起，死亡331人，受伤196人，造成的直接财产损失有55330万元；从以上统计数据可以看出，我国火灾情况不容乐观，因此，传统的火灾报警系统已经越来越不适应当今火灾发生的复杂情况了，而传统的火灾报警系统多采用RS-485总线作为通信方式，通信可靠性比较差。
所以现在各国更加注重，更加智能、高效、可靠的型、火灾报警控制系统的开发。
现代智能高效的火灾报警系统是一个将信号的检测、传输以及控制集于一体的控制系统,指引了当今智能火灾报警系统的发展方向[1]。
随着我国科学技术的迅速发展和经济的快速增长,市场上迫切需要一种容量更大、性能更加优越、可靠性更高，更加便于安装、使用以及维修的更加智能高效的火灾报警系统。
1.2火灾报警系统的国外发展现状
在国外，火灾自动报警系统从发展过程来看，大体可分为3个阶段：
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19世纪四十年代一直延续到20世纪四十年代。
第二阶段从20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。
第三阶段为总线型火灾传到自动报警系统。
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。
此外，国外还有许多比较发达的国家，已经具有了火灾的预防和报警、扑救以及善后处理等等相当完善的消防体系。
每年政府都要拨出很大一笔专项资金，主要应用于消防设备的更新、人员方面的培训以及消防设施的定期维护和升级。
比如美国，日本以及德国等比较发达的国家，就已经采用了计算机与用户的终端传感器，抑或是和用户使用的终端信号采集器进行连接。
除此之外，他们还对火灾自动报警设备进行实时的监控，还有故障的远距离传输[2]。
比如美国、日本、加拿大、澳大利亚以及英国等一些国家就在建设和使用城市的火灾自动报警监控系统技术方面，均有我们可以利用的成功经验的地方。
这些国家已经将他们的自动火灾报警作为了公共报警的手段成功地嵌入了监控系统，并且有效的运行了很多年。
使得他们的消防指挥中心可以快速而又准确地判断火灾发生的地点以及火灾发生的类型，这样使得消防部队能够在第一时间到达火灾发生的现场，在这其中，自动火灾报警监控系统起到了相当大的作用。
除此之外，这些国家在火灾监控系统的管理方面已经相当的规，而且还专门成立了监控服务机构，该机构的主要责任就是保证火灾报警数据进行通畅的通信，对用户全面负责，为用户进行服务。
与此同时消防部队也可以收到可靠的火灾报警信号，从而此类服务机构也受到了消防部门是他们资质的审查和监督管理。
这种管理模式已经取得了很好的效果。
我们国家的火灾报警系统的出现和发达国家相比晚了有几十年的时间,我国从上
世纪的七十年代，才开始真正的对火灾报警系统产品的生产和研制。
进入上世纪八十年代以来，国主要的生产厂家也大都是对国外产品进行模仿，或者是引进国外先进的技术进行生产，而且我们并没有什么核心技术，与此同时中国的市场也刚刚萌芽。
在九十年代以后，火灾报警的相关产品才真正的得到发展。
随着改革开放的春风吹遍祖国，国外越来越多的企业开始大规模的进军我国的消防市场，这些企业带来先进技术，与此同时也大大促进了中国市场走向成熟。
这一时期，我们国家的火灾报警产品科技含量得到了极提升，同时企业也得到了快速发展，其中部分企业还和外资进行了合作，共同生产，取得了很大的成绩，从而造就了现今一大批市场上有实力的企业和商家，部分技术已经达到了国际领先水平[3]。
1.3本文的研究意义
本文研究是基于CAN总线的火灾报警系统，现在我们传统的火灾报警系统大都采用RS-485总线。
本系统是使用温度传感器和气体烟雾传感器对现场环境相关的信息进行检测。
而为了能够得到更加可靠、稳定的通信，本文所研究的系统选用CAN总线。
我们现在使用的传统火灾报警，灭火执行装置很多情况下是采用物理控制方法，即当火灾现场的温度达到所设置的阀值后（火灾现场温度到达玻璃球封头的启动温度），玻璃球就会受热爆裂，然后洒水喷头开始工作喷水；本文所研究的火灾报警系统，是当某从节点处的气体烟雾浓度达到系统所设置的阈值，而火灾现场的温度还没有升高到使玻璃球炸裂的温度的时候，火灾报警系统执行装置的喷头，即开始工作喷水。
从而大大降低了因为系统执行装置运作不及时而造成的损失。
除此之外，本文所研究的系统所采集的信息是温度和气体烟雾浓度的数据，作为判断是否发生火灾的依据，从而避免了传统的单一采集温度信息处理而造成的误判。
第二章灾报警系统的总体设计
2.1系统设计容
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RS-485总线通信方式，与之相比，CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性，本文主要研究基于CAN总线的火灾报警系统的设计方案及实现方法。
2.2系统设计要求
本系统设计要求，选择合适的温度及烟雾传感器进行相关信息的采集，主节点和从节点之间通过CAN总线进行通信；系统可以对数据进行处理、显示、存储等功能，并且根据测量值可驱动灭火装置。
2.3课题总体方案设计
本课题是基于CAN总线的火灾报警系统，系统的总体方案设计采用主从式的结构，根据设计的要求，设计的主节点和从节点功能如下：
（1）主节点：
接收通过CAN通信传输过来的从节点采集到的相关信息，并通过液晶显示屏显示接收到的相应信息。
主节点主要包括以下功能模块：
1LCD显示屏：
显示从节点反馈的相关信息。
2时钟电路：
记录火灾发生的时间。
3报警电路：
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。
（2）从节点：
实时的采集现场环境的相关数据，实时的通过CAN通信反馈现场环境的
温度和气体烟雾浓度，若发生火灾则控制执行装置（电机）的工作。
从节点主要包括以下功能模块：
1温度传感器：
采集从节点现场环境的温度信号。
2可燃气体及烟雾传感器：
采集从节点现场环境可燃气体浓度和烟雾浓度信号。
3执行装置：
当环境可燃气体浓度和烟雾浓度、温度升高或超过阈值时，主节点发出报警的同时，执行装置受到从节点的控制而带动电机，进行灭火的模拟驱动。
（3）主从节点之间用CAN莫块进行通信。
（4）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下图
所示:
图2-1系统整体设计框图
如上图所示，系统整体设计框图是由三大主体部分组成的，分别是：
第一部分：
主节点部分；第二部分：
CAN总线部分；第三部分：
从节点部分。
主节点和从节点之间是通过CAN总线进行通信的，也就是说，系统主节点和从节点是挂在CAN总线的
两端的。
主节点以及从节点功能框图如下:
图2-2主节点功能框图
如上图所示，主节点是由单片机，LCD1602显示器，时钟电路，报警电路，以及
CAN!
信电路组成的。
单片机负责从节点传输过来的数据进行处理；LCD1602显示屏
显示相关的数据，比如温度，气体和烟雾浓度等等；时钟电路负责火灾报警系统报警的时间，以备事后查询；CAN!
信电路负责把从节点采集到的数据传输到主节点，它是主节点和从节点之间信息传递的桥梁。
灭火装置电路
图从■节点功能框擁框图
如上图所示，从节点是由单片机，CAN!
信电路，灭火装置电路，可燃气体及烟雾传感器电路，温度传感器电路等五大部分组成的。
其中，单片机负责处理采集到的数据；CAN总线负责将从节点采集到的数据信息传输给主节点；灭火装置，负责火灾发生的时候，及时的进行灭火工作；可燃气体及烟雾传感器电路，负责现场环境可燃气体及烟雾浓度的收集；温度传感电路，负责现场环境的温度。
综上可知，当从节点反馈的现场环境数据超过系统设定的阈值的时候，触发报警电路，并且这个从节点控制灭火装置的执行，开始工作即电机带动进行灭火模拟。
在实际的应用中，主节点设置在值班室，工作人员对其进行控制；而各个从节点则设置于楼房的走道及各房间处，与主节点一起挂接在CAN总线上，以便随时向主节点发送信息。
各从节点控制它上面的传感器和执行装置。
各传感器收集到现场的环境数据，及时的将信息传送给主节点，主节点将各从节点的信息显示在显示屏上，以便工作人员进行观测和控制。
第三章火灾报警系统的硬件设计
本章任务是对火灾报警系统的硬件进行设计，主要阐述了主节点和从节点的硬件设计。
在从节点的设计中，根据系统设计要求的分析，即通过传感器采集到现场环境的数据，实时的实现CAN!
信传输到主节点上，设计出相应模块的实际功能，主要包括从节点上信息采集模块、CAN电路模块以及其他功能模块的设计。
3.1主节点硬件设计
主节点的功能模块由微控制器MCU（单片机）、CAN通信电路以及时钟电路、报
警电路、液晶显示屏等外围电路组成。
各模块具体的硬件电路设计如下一一作出详细的阐述
主节点和从节点，都用80C51单片机作为微处理器。
80C51单片机是MCS-51的系列其中一种单片机，由英特尔公司开发，其结构是8048的一个延伸，更加优化
8048的性能，改善了它的缺点，除此之外，还增加了一系列的指令，比如比较（CMP、
乘（MUL、减（SUBB、除（DIV）、布尔代数运算、16位数据指针等等指令。
与此同时，5个中断源和串行通信能力也被增加到了其中⑷。
以下是51单片机开发板上单片机弹簧座及扩展排针电路图
图3-1单片机弹簧座及扩展排针电路图
3.1.1LCD1602显示器电路设计
液晶显示的原理是利用了液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就可以显示，因此就可以显示出了图形。
液晶显示器具有很多优点，比如厚度比较薄、方便实现全彩色显示以及适用于大规模集成电路直接驱动的特点，目前液晶显示已经广泛应用于PDA移动通信工具、数字摄像机、便携式电脑等很多的领域。
1602LCD分为不带背光和带背光两种，基控制器大部分都是HD44780不带背光
[5]
的比带背光的薄，是否带背光在应用中并没有什么差别
。
1602A与单片机的以总线方式连接，其硬件连接图如图所示:
VCC
图3-4LCD硬件连接图
3.1.2时钟电路设计
为了方便人们可随时查询火灾事故发生的时间，本系统设计了时钟电路主要用以
记录相关时间信息。
随着人们对实时时钟的要求不断地提高，且在很多数据的记录方面需要提供对应的时间等相关的信息，因此实时时钟（Real-TimeClock）被广泛的
应用于各种系统。
在没有系统电源的情况下，时钟芯片也能保持时间的走动，因此可以给系统提供准确的时间，来满足系统对时间各种各样的要求。
时钟芯片的接口分为
并行和串行，不同的芯片要根据不同的情况进行设计。
本系统主节点采用的是DS1302时钟芯片。
DS1302是达拉斯公司推出的涓流充电时钟芯片，里面有一个实时时钟和日历以
及31字节静态RAM可以通过串行接口和单片机进行通信。
DS1302工作时，将复位
脚（RST置为高电平，与此同时将命令信息和8位地址装入移位寄存器，这样就可以对任何传送的数据进行初始化。
数据在时钟（SCLK的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据⑹。
DS1302时钟电路，主节点时钟芯片工作原理图如图
DS1302
（}ND
图3-5主节点时钟芯片电路图
3.1.3CAN模块通信电路设计
CAN!
信协议主要是通过CAN控制器完成的。
实现微处理器接口部分和实现CAN
总线协议部分的电路组成了CAN控制器。
对于不同型号的CAN总线通信的控制器,实现CAN协议部分电路的功能和结构大部分一样，但是和微处理器接口部分的方式和结构还是有所差异的。
CAN模块与单片机电路通信电路如下:
图3-6CAN模块与单片机电路连接图
3.2从节点硬件设计
从节点的功能模块由微控制器MCU（单片机）、CAN通信电路以及可燃气体及烟雾传感器电路、温度传感器电路等电路组成。
各模块具体的硬件电路设计如下一一作出详细的阐述。
3.2.1温度传感器电路设计
DSI8B20是美国DALLAS^司生产的单总线数字温度传感器，它具有很多优点，比如它体积比较小、功耗比较低，而且性能有很高，具有很强的抗干扰能力强，除此之外，它很容易和微处理器接口，以及适合各种不同的温度测控系统等优点。
DSI8B20功能特点如下：
（1）采用单总线技术，与单片机通信只要一根I/0线，
在一根线上挂接多个DSI8B20。
（2）测温围为-55C到+125C，在-10C到85C围误差为土0.5C。
（3）用户可自设定报警上下限温度。
（4）每只DSl8B20具有一个独有的、不可修改的64位序列号，根据序列号访问对应的器件。
（5）低压供电，电源围从3V到5V,可以直接从数据线上进行窃取电源（寄生式供电），也可以本地供电。
（6）报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值。
（7）DSI8B20可将检测到的温度值直接转化数字量，并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。
（8）DSI8B20的分辨率可由用户通过WPROM设置为9〜12位［11］。
DSI8820的部结构主要包括：
64位激光ROM温度传感器、单总线接口和寄生电源、8位循环冗余校验码（CRC）发生器、用于存储用户设定温度上下限值的TH和TI触发器、存放中间数据的高速暂存器RAM存储与控制逻辑等7部分⑺o
DSI8B20测量温度时使用特有的温度测量技术，将被测温度转换成数值信号，测量结果存入温度寄存器中。
温度和数字量的关系如表所示。
温度和数字量的对应关系
温度
数字输出（二进制数）
数字输出（十六进制）
+125C
10000B
07D0H
+85C
10000B
0550H
+25.0625C
10001B
0191H
+10.125C
00010B
00A2H
+0.5C
01000B
0008H
0C
00000B
0000H
-0.5C
11000B
FFF8H
-10.125C
11110B
FF5EH
-25.0625C
01111B
FE6FH
-55C
10000B
FC90H
在下图中，DSI8B20的1脚接地、3脚接电源，2脚DQ是数据线引脚。
数据以串
行通信的方式与P3.7口进行数据通信，将检测到的信号送给单片机
图3-7DS18B20与80C51的连接图
3.2.2可燃气体及烟雾传感器电路设计
MQ-2气体传感器，具有比较广泛的探测围，除此之外，它还具有灵敏度高，响应恢复反应快速，同时，还具有稳定性强，寿命长，以及驱动电路比较简单等优点。
因此，它可以应用于家庭和工厂的气体泄漏情况的监测装置，对一些可燃性气体,
比如家庭常用的液化气，甲烷、丁烷、丙烷、氢气、以及酒精、烟雾等等都具有良好的探测效果⑹。
MQ-2可燃气体及烟雾传感器模块原理图如下:
图3-8MQ-2气体传感器原理图
MQ-2气体传感器相关规格参数：
A.标准工作条件
站Ml宕林
時約1
Vc
回路电用
<15V
ACorDC
v（J
50V±（k2V
AC'orIX-
K,
叮明
Rii
加熱电琳
JIQ±3O
VOOOni*
B.环境条件
符。
摂用条件
鶴注
Tao
便用3
-WTC-5DC
Tan
-anv-Tor
E?
li
小F9叭旳
o;
氮"度
小。
禎标布条件、傀气祇应佥聒响灵敏屢特也
域小fft大T2%[
C.灵敏度特性
扌殳术蔘数
务注
R*
瞰黑体农面电阻
3KQ-30KO
（lOUOppm异丁規｝
探则液践范围
10（^|Mn>1OOOOpptn液化r和丙規
3QOj）f>ni-5ppm：
坨
5000ppTn-2000nppm叩悅
3OOppm-5OOO0pm
I00ppm-2000|>pin衲粘
a
UOOO.rooo）异丁烷
決臭斜率
^0.6
标）ft_E作条fl
溫厦：
201?
±2VVc:
5.0V±0.lV
til对型度：
65饶士腋Vh;5,OV±0.lV
同訥时间
不少于24小时
1
323灭火装置电路
本系统使用步进电机进行驱动灭火装置，当主节点收到由从节点传输回来的数据的
时候，进行判断，如果气体和烟雾的浓度或者温度大于系统设定的阀值的时候，系统
就会报警，对灭火装置进行驱动。
本系统所使用的是28BYJ48步进电机，28BYJ48步进电机是永磁式的减速步进电机，减速比为1:
64。
步进电机如下图所示，
28B¥J-4a
28BYJ-48
图3-928BYJ48步进电机示意图
这个步进电机一共有五根引线，他们分别是：
红色、橙色和黄色以及粉色和蓝色
等五种颜色。
其中橙色与黄色，以及粉色和蓝色四根接线依次是A、B、C、D绕组的
一端，红色引线是四个绕组的公共端。
步进电机有很多它的优势，比如通常不需要任何反馈就可以实现对速度以及位置
的控制；不仅有能力和数组设备进行兼容，可以对数字信号进行直接的接收，而且位置误差也不会积累起来。
除此之外，还可以实现快速启停等等[9]。
步进电机的品种规格十分丰富，按照它们不同的工作原理和结构可以划分为以
下四种主要型式，分别是特种电机，磁阻式电机，永磁式电机和混合式电机。
它不使
用位移传感器就可以实现定位的精确，因此被广泛的应用到精确定位系统中。
目前很多领域，比如说传真机、数控机床、打字机等设备中都大量使用了步进电机[16]0
本系统中使用L298N双H桥直流电机驱动板的目的是，为了提高系统的I/O口的载流量。
因为80c51单片机的P0P1、P2、P3的口线，只有10毫安的输出驱动能力，但是28BYJ48步进电机在工作的时候所需要的电流需要几百毫安。
所以在I/
O口必须得增加功率驱动芯片。
L298N芯片驱动部分峰值电流2000毫安，完全符合设计的要求。
L298N双H桥直流电机驱动芯片的驱动部分端子供电围Vs:
+5V〜+35V;如
果需要板取电，则供电围Vs：
+7V〜+35V,驱动部分峰值电流Io:
2A;逻辑部分端子供电围Vss:
+5V〜+7V（可板取电+5V）;逻辑部分工作电流围:
0〜36mA控制信号输入电压围：
低电平：
一0.3V2.3V低电平：
一0.32.3V20W（温度T=75T时）；存储温度：
—25E〜+130C；驱动板尺寸：
48mm*43mm*33m®固定铜柱和散热片高度）;驱动板重量：
33g;其他扩展：
控制方向指示灯、逻辑部分板取电接口[10]0
以下是步进电机和L298N双H桥直流电机驱动板的原理连接图：
图3-11步进电机和L298N双H桥直流电机驱动板原理连接图
第四章火灾报警系统的软件设计
本章工作主要围绕基于CAN总线火灾报警系统软件的设计展开。
首先根据系统设计所需要完成的整体实现的功能，从而开发出系统各个部分的设计软件流程图。
然后根据各部分的流程图，结合主节点和从节点所实现的功能再对主、从节点进行详细的软件设计，进一步完善设计节点上各功能模块以及CANS信的软件程序。
4.1系统整体软件设计
本系统的软件设计，主要分为主节点的软件设计、CAN莫块通信的软件设计、从
节点的软件设计等三大部分。
整体实现从节点对现场相关数据的采集与传送，主节点
的显示与报警，并控制执行装置工作等功能。
为了确保系统能够正常的工作，每次上电时，需要对主节点和从节点进行初始化。
从节点将采集到的现场环境相关的数据信息通过CAN通信传输到主节点，而主节点则通过从节点传输过来的信号数据是否超过传感器的阈值，来判断是否发生了火灾。
以此同时，把发生火灾的相关信息显示在显示屏上，同时控制其执行装置进行工作。
4.2主节点软件设计
当从节点将采集到的现场环境的相关信息数据通过CAN实现通信传输给主节点的
售后，此时，相关的信息会在主节点的显示屏进行显示出来。
当判断有异常情况发生时，显示屏上显示出异常情况，并触发报警电路，以提示工作人员
4.2.1LCD1602显示屏的软件设计
液晶模块需要显示的容有：
从节点米集到的环境温度、环境的烟雾和气体浓度以
及火灾发生的时间。
液晶屏工作流程图如下:
图4-2液晶屏工作流程图
如上图所示，液晶屏工作的流程图，首先对LCD进行初始化，其次进行延迟，然后对液晶屏进行设置第一行显示的位置，显示的容是烟雾气体的浓度，之后对第二行显示位置进行设置，并显示的容是温度，最后结束，这就是液晶显示屏一个整体的工作流程。
4.2.2时钟电路软件设计
以下是DS1302时钟电路流程图，从图上看出，首先对DS1302进行初始化，其次读取
DS1302时间，然后是显示时间，显示时间之后，再次返回到读取时间的那一步，进
行循环往复，记录火灾发生的时间，以备事后查询
DS1302初始化
1
■
r
记录火灾发生时间
U-1
1
r
-1显示时间
图4-3DS1302时钟电路流程图
4.3CAN模块通信电路软件设计
火灾报警器系统中CAN总线通信
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