基于can总线的火灾报警控制系统设计.docx

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基于can总线的火灾报警控制系统设计

摘要

为快捷有效的预测火灾的发生，减少人们生命和财产损失；解决“传统火灾报警器只对单一物理或化学信号进行探测而容易使报警系统出现误报或漏报”等问题从而设计了本系统。

本系统采用主从式结构，具有反应迅速、工作稳定、安全等特点。

主节点与从节点的单片机都采用AT89C52芯片来控制。

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CAN通信电路模块，由控制器SJAl040和收发器82C200组成CAN通信接口。

从节点的外围电路由烟雾传感器SS-168、光电传感器ST-178、温度传感器DS18B20和声光报警装置组成。

单片机巡回检测温度、红外辐射、烟雾等传感器，当温度采集、红外检测、烟雾检测模块中任意两项检测到异常时系统发出声光报警，直到任意一项异常排除时系统才自动停止声光报警。

本系统在每个从节点跟主节点处都设有声光报警装置，它方便工作人员能快速的找到哪一个从节点所在位置有火灾发生，同时也提醒了在场的人员此处有火灾发生，从而能让工作人员快速的到达火灾现场跟现场人员快速灭火，提高了本系执行度。

关键词：

传感器，火灾报警系统，CAN总线

第一章绪论

1.1课题的研究背景

火灾是目前最常见、最普遍的威胁公共场所安全和建设和谐社会的重要灾害之一。

但是“火”被人类控制与利用也是人类迈进文明社会的一个重要标志，所以说“火”，它既能给人们带来了文明的进步，光明和温暖，但是当其一旦失去控制，就会为人类带来毁灭性地灾难。

使用“火”的过程中，人们总是在不断地总结发生火灾的规律，尽可能地尽最大可能减少火灾对人身财产造成的伤害或损失。

在100年前，那时的科技还不发达，我们伟大的先祖发挥他们的聪明与才智总结出“防为上，救次之，戒为下”的经验来防治火灾。

随着科技不断的发张与进步，人们居住的场所越来越集中，而在现如今人们的财富日益增加，诱使发生火灾的机会也越来越多，比如违规的使用电器等。

现代建筑发生火灾危险性越来越强，一旦发生某地起火，如果不能及时的扑灭就会照成一系列的连锁反应，火会越燃越大有的甚至燃烧了整条街。

这样的报道时常会出现在电视、杂志上，让人们苦不堪言。

因此，消防设施已经成为每一个场所的必需设施，突显其对现代人们社会活动的重要性。

1.2国内外火灾自动报警技术的现状

从第一个感温探测器面世，至今已有一百多年了。

其低灵敏性和不兼容性，早已难以满足时下客户的要求。

第二次世界大战后，光电和离子感烟探测器进入市场。

这些新型灵敏度高的探测器在发展初期，已能够探测早期火警，难怪它们能以革命性姿态进军世界消防保安行业。

众所周知，火警时任何事都是分秒必争的。

为此，生产商，甚至一些顾客，擅自调高探测器灵敏度，大大减低自动火灾报警系统可靠性，以至这些系统的“主要产品”被加上“误报”帽子，引起了很多连带问题。

对现代消防技术的发展来说，这绝对是急需改善的。

长期以来，大幅度地改善火灾探测器的可靠性，是客户的迫切要求和迅速扑来火警所不可或缺的。

也是世界各国科学家努力研究的方向。

随着科技的不断发展，更新的传感器、微型电子装置、数据处理及通讯设备等都正积极地寻找在火灾探测方面的新的突破。

目前国内外专业界对其分类方法还存在一些差异，从探测器利用的原理可以分为四代：

第一代四线制式开关量探测器，这种探测器历史悠久，目前依然有一定的市场；

第二代带地址编码的开关量探测器，这种探测器作为四线制探测器技术的延伸，是属于一种过渡性产品；

第三代集中智能模拟探测器，采用探测器－主机的对话方式及自动编址等技术，为目前最为流行的产品；

第四代无线智能模拟探测器和空气采样分析探测器。

目前这两种探测器已在少数工程应用之中，价格偏高，但安装方便，报警安全可靠，为未来应用的发展趋势。

1.3论文的课题背景及主要内容

根据资料分析，现如今在学校的寝室里，学生贵重物品被盗、由于学生过失而引起着火等事故时有发生，这些都是一直以来困扰着学生、学工以及学校保卫处的“大问题”。

传统的防范措施存在很大的弊端，比如当事故发生时，防护铁门、铁栏杆就会成为主人逃生的最大障碍。

而采用智能防火防盗报警系统，便能很好地解决此类问题了。

但是市场上防火防盗系统价格对大学生来讲过高，本系统便是针对大学宿舍，从低成本的角度来设计制作的。

学生宿舍报警系统是以火灾为监控对象，研究总线协议，采用can总线实现网络报警。

采集20路火警、盗警信息。

接警中心要有报警信息点指示。

宿舍中采用热释电传感器对人体进行检测，烟雾传感器实现烟火检测，主机通过CAN总线对从机实时监控，当有异常出现时，宿舍和监控室的报警装置会同时响起，只有本宿舍成员在本宿舍成员在本宿舍通过按键才可解除报警状态。

第二章CAN总线规范

2.1CAN总线简介

CAN中文名为控制器局域网，它是一种实时控制的串行通信网络或者有效支持分布式控制的控制器。

CAN总线最初是由德国博世公司开发的，在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制和数据交换之间的测试设备而开发的一种串行数据通信协议，它是的通信介质可以是双绞线、同轴电缆、光导纤维，通信速率高达1Mbps的一种多主总线控制器。

CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层，数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包含位填充，数据块编码，循环冗余校验，优先级判别等项工作。

现在，CAN总线通信被誉为自动化领域的计算机局域网。

它出现在分布式控制系统主从节点之间，为实现实时并可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

CAN总线的高性能和高可靠性也同时得到各业界的认可，它被广泛应用于工业自动化，船舶，医疗设备，工业设备等场所。

同时CAN总线的现场控制也是当今自动化技术领域的热点话题之一。

由于CAN为越来越多地被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，1991年9月PhilipsSemiconductors制订并发布了CAN技术规范（Version2.O）。

该技术规范包括A和B两部分。

Version2.O的A部分给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而Version2.O的B部分则给出了标准的和扩展的两种报文格式。

此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具、数字信息交换、高速通信控制器三者之间的CAN控制的国际标准（IS011898），为控制器局部网标准化、规范化推广与发张奠定了基础。

CAN的一些基本概念：

（1）报文：

报文就是在总线上所传送的信息，该信息以不同的报文传送，但报文长度要受帧结构的限制。

当总线空闲时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。

（2）帧传送：

在总线上传输的报文以帧结构进行传输。

报文传送有４种不同类型的帧来表示跟控制，它们分别为数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。

（3）裁仲：

用于处理总线访问冲突。

依据其报文标识符与RTR位来确定。

（4）标识符：

一个报文的内容由其标识符ID命名，ID并不指出报文的目的，但描述了数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波来决定该数据是否使它们激活。

（5）技术规范：

CAN技术规范（Version2.0）包括2.0A和2.0B。

2.0A的报文标识符为11位，2.0B有标准和扩展两种报文格式，前者的标识符19位，后者29位。

（6）远程数据请求：

通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的数据帧，该数据帧和对应的远程帧以相同的标识符命名。

（7）显性隐性：

CAN总线数值为两种互补的逻辑数值“显性”和“隐性”。

其中显性表示逻辑“0”，而隐性表示逻辑“1”。

当显性和隐性位同时发送时，总线数值将为显性。

2.2产生与发展

控制器局部网（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点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。

控制器局部网将在中国迅速普及推广。

随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。

由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：

控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。

分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。

这类系统是以微型机为核心，将5C技术--COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和CHANGE（转换技术）紧密结合的产物[2]。

它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。

典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。

现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。

现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。

尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格必将吸引众多工业控制系统采用。

同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。

控制器局部网CAN（CONTROLLERAERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。

由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。

为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION2.0）。

该技术规范包括A和B两部分。

2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能提供11位地址；而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。

此后，1993年11月ISO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（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。

2.3CAN总线优势

CAN属于现场总线的范畴，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。

较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：

1.网络各节点之间的数据通信实时性强

首先，CAN控制器工作于多种方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据[3]，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。

而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差；

2.缩短了开发周期

CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。

这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。

而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。

而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN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，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

3.已形成国际标准的现场总线

另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。

这些也是目前CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。

4.最有前途的现场总线之一

CAN即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。

与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。

它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLLS-ROYCE（劳斯莱斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。

同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。

CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

其典型的应用协议有：

SAEJ1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA2000等。

第3章CAN智能节点的电路设计

本论文采用的CAN通信主要由微控制芯片AT89C52、CAN控制器SJAl040、CAN总线驱动器82C200、光电耦合器6N17组成。

其原理是CAN数据通过82C200传输到SJAl040经AT89S52处理后再传送出去。

CAN电源采用高性能的AC/DC变换器，能起到稳定电压和隔离防干扰的作用。

下面我们来介绍上述各元器件在本论文中的应用。

本文主节点的CAN通信结构框图及其流程图如下图2.1所示。

图2.1CAN通信结构框图

由上图我们可以看出，主节点的CAN总线电路由由单片机AT89C52、CAN控制器SJA1040、CAN总线驱动器82C200、光电耦合器6N137组成（屏蔽电路中的高频信号），CAN数据通过82C200传输到SJA1040，经单片机89C52处理之后再传送出去。

下面我们来详细介绍主节点的用到的每一个芯片的用法。

3.1AT89C52微控制器电路

本论文的主节点采用AT89C52芯片作为微控制器，主要是应为AT89C52内部附有ISP模块。

ISP（In-SystemProgramming）是指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件。

已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或者再编程。

主节点所用的微控制器的最小系统电路图如下图2.3所示。

AT89C52所用“晶振”频率在4MHz到24MHz之间，本论文在此的晶振频率由CAN总线提供，在它的两旁可用30±10pF的电容。

又由于AT89S52单片机的复位为高电平复位，故让其工作状态下RST脚与地电位相等为低电平，让其复位不能起到作用，而当按下S2按键时，电容C3放电，使RST脚为高电平，从而让AT89S52单片机复位，松开时，电源给C3充电，从而让RST脚渐渐地变成低电平，从而让其脱离复位状态。

图2.3微控制器最小系统

如图2.3所示为最小系统图，下面简绍各个引脚的元器件的链接：

P1.1用于控制发光二极管，用来做灯光报警用。

P1.2接温度传感器DS18B20的数据脚，用于读入温度。

P1.3接红外辐射的检测口，用来检测现场的是否有烟雾跟火源产生的强红外线。

P1.4接烟雾传感器的检测口，用来检测现场的烟雾浓度。

P1.5作为声光报警器的控制口，用来提醒该楼宇的工作管理人员或者现场活动的居民。

20脚接地，40脚接电源。

18、19脚接CAN总线主节点的输出总线，用来进行主从节点之间的通讯。

31脚接电源端。

3.2CAN总控制器

本系统CAN总线收发器采用PHILIPS公司生产的TJA1040芯片。

TJA1040是控制器局域网CAN协议控制器和物理总线之间的接口，它主要应用在客车的高速应用速度可达1Mb/S。

TJA1040为总线提供差动的发送功能为CAN控制器提供差动的接收功能完全符合ISO11898标准，它还有优秀的EMC性能，在不上电状态下有理想的无源性能。

SJAl040主要负责把并行的数据转换成CAN的格式进行发送与接收。

它本身自带发送与接收缓冲装置，而且它还具有较强的错误报警和双重滤波处理功能。

SJAl040的硬件框图如图2.4所示。

图2.4SJA1040的硬件框图

可以看出，SJAl040的管理主要是由IML的逻辑接口、消息缓冲区位流处理器BSP、位时序处理逻辑BTL、接收过滤器ASP、内部振荡器及复位电路、错误管理逻辑EML等组成。

CPU的命令由IML来接收，控制寄存器被定向到主可以提供警报和其所处的状态信息。

IML在其CPU的控制下，将数据写入到发送消息缓冲区，发送缓冲区和位时序处理逻辑输出到CAN总线，经CAN总线处理的数据由位流处理器跟位时序处理逻辑器始终监视CAN总线，如果检测到一个有效的头时，“平安隐性控制级别”的转换过程开始收到的第一个处理器比特流处理ASPBSPP滤波器刀接收信息。

只有当收到的信息识别码匹配ASP测试时，收到的消息才被写入RXFIFO或者RXB。

RXFIFO中高达64字节的数据可以被缓存，数据可以被CPU读取，调制器的错误管制可被EML调制，并接收BSP错误报告，促使BSP和IML错误统计。

3.3CAN通讯收发器

本系统采用PHILIPS公司生产的PCA82C200独立控制器，它具有完成高性能通信协议所要求的全部必要特性，通过简单连接即可完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的所有功能。

并且它与ISOll898的标准完美的兼容，其速率高达可达1Mbps，并且它能够采用斜率控制大大的降低了射频的干扰，最主要的是其在未上电节点时不会干扰总线，从而增大通信距离，并且很大程度的增强了系统瞬间的抗干扰性能，从而增加其抗干扰的能力并增强了对总线的保护。

PCA82C200芯片是一种I/O设备基于内存编址的微控制器。

该芯片的独立操作系统就如同是RAM一样的片内寄存器修正而实现的。

但其也有缺点，那就是它仅仅支持标准的信息帧格式。

PCA82C200的地址区包含信息缓冲区控制段控制段。

在其初始化载入的时候可以被编程用来配置系统的通信参数。

同时这个段也能用来通过微控制器来控制系统上的CAN总线上的通信。

图2.6主节点硬件电路全图

图2.7主节点主图分解图1

图2.8主节点主图分解图2

3.4温度传感器模块

DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的单线数字温度传感器。

其温度分辨率可达0.0625℃，被测温度的数值采用16位数字符号的扩展串行输出。

它正常运行时可以采用外置电源也可以应用寄生电源，电压范围为3.0V～5.5V。

它的CPU仅需要有一个端口线就能够与诸多DS18B20进行控制，所以它占用微处理器的端口极少，很方便电路的设计与实物的安装调试，简化了分布式温度传感应用，更重要的是它大大提高了系统的抗干扰性。

由于上述的优点，所以它能在现场环境相当恶劣的情况下进行精确的测量。

因此，它广泛的应用在对环境的温度控制、设备使用过程中的温度控制、以及各类测量温度的电子产品中。

本论文设计采用了数据总线来对其进行供电，电压为5V。

又应为DS18B20温度传感器的测量范围很广，可以测试-55℃到+125℃之间的温度，其中它在-10℃到+85℃的精度可以控制在±0.5℃之内。

DSl8B20可编程的分辨率为9～12位，温度转换为12位，最大值为750毫秒。

应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计以及任何热敏感系统。

DSl8820温度传感器的电路设计如图3.1所示。

本系统设置在温度大于或等于80℃时为异常（单片机P1.2口检到异常），接线如图3.1所示。

图3.1DS18B20电路设计图

3.5烟雾，红外检测模块

图3.2烟雾，红外检测模块接线图

如图3.2所示，当没有检测到火光时，光电传感器1脚（检测口）电压约为0.5V；当光电传感器检测到火光时，1脚（检测口）电压约为4.2V。

烟雾传感器没有检测到烟雾时，YW脚（检测口）电压约为0.2V，当检测到烟雾时，YW脚（检测口）电压约为3V。

烟雾传感器供电电压为9V，因此烟雾检测模块要单独供电。

而系统其它模块的供电电压为5V，因此要把烟雾传感器的电源负极与系统的地相连接，这样才达到了设计要求。

系统通电瞬间，单片机P1口不管有无外接电路都为高电平。

为防止单片机误判断，设计单片机检测到低电平时为异常。

利用光电和烟雾传感器的电压变化特性，再根据单限比较器的电压传输特性，就能有效的达到单片机检测目的并构成一个简单的电路。

根据光电传感器和烟雾传感器的电压变化特性，为了让单片机检测到低电平是为异常，因此规定LM339的5脚（同相输入端）和7脚（同相输入端）接入参考电压。

根据烟雾、光电传感器的电压变化特性可分别确定它们参考电压为2V和3V。

由上述可知，LM339的5脚和7脚电压分别为固定值2V和3V，从而计算出该模块相应电阻阻值如图3.2所示。

LM339的4脚（反相输入端）和6脚（反相输入端）分别接烟雾传感器检测口和光电传感器检测口，根据单限比较器电压传输特性可知，当烟雾传感器没有检测到烟雾时（4脚电压为0.2V小于5脚参考电压）根据LM339引脚图可知，2脚输出高电平；反之，当烟雾传感器检测到烟雾时（4脚电压为3V大于5脚参考电压）LM339的2脚输出为低电平。

当光电传感器没有检测到火光时（6脚电压为0.5V小于7脚参考电压）根据LM339引脚图可知，1脚输出高电平；反之，当光电传感器检测到烟雾时（6脚电压为4.2V大于7脚参考电压）根据LM339引脚图可知，引脚1输出为低电平。

如图3.2所示，LM339的1脚和2脚分别接单片机的P1.3口和P1.4口。

LM339的1脚和2脚高低电平变化可由单片机来判断，确认单片机检测到低电时为异常。

又由LM339的原理我们可以知道，在使用时输出端到正电源之间必须要接一只上拉电阻，其选择范围为选3-15K，为满足本设计的要求选择了3.9K阻值作为其上拉电阻，如图3.2所示。

3.7烟雾传感器

烟雾探测器就是一种测量现场烟雾的浓度是否超过阀值而判断是否发生火灾的检测装置，也可以说他就是一种将现场的烟雾浓度转换为具有一定对应关系的输出信号装置，它内部结构采用离子式烟雾传感器，它具有技术先进，工作稳定可靠的特点，因此被大量的运用到在各式各样的消防报警系统中，跟传统的运用气敏式电阻来测量的火灾报警器相比，无论是性能、精确度还是使用寿命都有了较强的提升。

离子式烟雾探测器的工作原理是：

等效于利用两个电离室串联，构成等效于电阻串联的偏置电路；其中一个是基本不与外界相通的内电离室，另一个是跟外界连在一起的检测电离室，两个电离室中都放有一片为镅24l（AM241）的放射源，它们之间不断放出α粒子，使两室之间的气体被部分电离。

一旦遇到有烟雾进入外电离室时，由于烟雾颗粒吸附一部分离子，使外室的α离子放射出来的电流减小，其效果相当于它的内部电阻阻值变大，分压电阻的电位增高。

一旦烟雾的浓度超过限定的检测的值时，电位就会增高到能触发开关电路而启动报警。

该离子式烟雾探测器型号SS-168，供电电压为9V，输出触发报警电路的高电平大约为3V，因此将该触发信号接至比较器LM339的4脚作为比较器反相输入端，LM339的同相输入端5脚接参考电压为2V，当无触发信号时比较器LM339输出端2脚输出高平（5V），当有触发报警信号时，比较器2脚的输出低电平（0V），从而与单片机AT89S51的管脚电压相匹配，LM339输出端2脚低电平视为异常，SS-168与单片机接法如图3.2所示。

3.8声光报警模块

图3.5声光报警模块

因为本系统是应用在办公室、机房等小单位的防火场所，所以采用发光二极管电路极蜂鸣电路作为报警电路。

如图3-4蜂鸣器驱动电路，图中为Q1为低频小功率PNP型三极管9012，用驱动压电式交流蜂鸣器（2K）U3。

三极管基