江苏科技大学电气工程及其自动化专业本科毕业设计(论文)

江苏科技大学

本 科 毕 业 设 计（论文）

学 院 电气与信息工程学院

专 业 电气工程及其自动化

学生姓名

班级学号

指导教师

二零一三年六月

I

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

江苏科技大学本科生毕业论文

基于CAN总线的火灾报警系统设计

The fire alarm system design bad on the CAN bus

江苏科技大学

毕业论文（设计）任务书

学院名称： 专 业：

电气信息工程学院 电气工程及其自动化

学生姓名：学 号：

指导教师： 职 称:

讲 师

2013年 3 月 1 日

I

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

毕业设计（论文）题目：

基于CAN总线的火灾报警系统设计

一、

毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到

的指标和应做的实验等）

1.设计内容：

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.设计要求：

(1)选择合适的温度及烟雾传感器；

(2)主从节点通过CAN总线通信；

(3)可进行数据处理、显示、存储等；

(4)根据测量值可驱动灭火装置。

除以上要求的功能外，设计者可增加其他功能。

II

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）

1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；

2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）；

3. 软件流程图；

三、完成日期及进度

2013年3月25日至2012年6月12日。

进度安排：

1.3.25～4.5：系统调研，收集资料，方案论证；

2.4.8～5.10：软硬件系统设计；

3.5.13～5.24：综合测试；

4.5.27～6.12：毕业论文撰写，答辩。

四、同组设计者（若无则留空）：

III

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:

1.张毅刚，新编MCS-51单片机应用设计，哈尔滨工业大学出版社，2006

2.王振红，综合电子设计与实践，清华大学出版社，2008

3.张培仁，基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用，清华大学出版社，2002

4.沈红卫，单片机应用系统设计实例与分析，北京航空航天大学出版社，2003

系(教研室)主任： （签章） 年 月 日

学院主管领导： （签章） 年 月 日

IV

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

摘 要

伴随着人们防火意识的不断增强，人们也对火灾报警系统技术给予了更多的重

视。传统意义上的火灾报警系统，很多情况下采用RS-485总线作为系统的通信方式，

并且采取单一的温度传感器监控现场环境，在执行灭火的装置中使用玻璃球洒水喷

头。

本文主要研究的是基于CAN总线的火灾报警系统设计的方案以及实现的方法，用

CAN总线取代传统的RS-485总线，以解决抗干扰能力较差、对火灾报警响应较慢以及

传输速率较低等一系列的缺点。

本文分为五个章节，第一章节是绪论部分，主要介绍本课题研究的背景，国内外

发展现状，以及研究的意义；第二章节是灾报警系统的总体设计部分，主要介绍了本

系统的总体设计的方案；第三章节是火灾报警系统的硬件设计部分，主要介绍了本系

统在主节点的硬件设计和从节点的硬件设计；第四章是火灾报警系统的软件设计，主

要介绍了系统的整体软件设计，主节点软件设计，CAN模块通信电路软件设计以及从

节点的软件设计；第五章是火灾报警系统的调试，主要介绍了系统的调试过程中遇到

的问题以及问题的处理方案等等。

关键词：

CAN总线；单片机；火灾报警器

V

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

Abstract

With people's growing awareness of fire prevention, fire alarm system, people also pay

more attention. The traditional n of the fire alarm system, in many cas by using

RS-485 bus as the communication system, and take the temperature nsor to monitor the

environment is a single, the u of glass ball sprinkler in the device to carry out the.

This paper mainly studies the method of CAN bus fire alarm system design scheme and

Realization Bad on, to replace the traditional RS-485 bus with CAN bus, in order to

solve the problem of poor anti-interference ability, alarm of slow respon and low

transmission rate of a ries of shortcomings on the fire.

This paper is divided into five chapters, the first chapter is the introduction part, mainly

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

目 录

第一章 绪论

.................................................................................................................................. 1

1.1本课题研究背景 .................................................. 1

1.2 火灾报警系统的国内外发展现状 ................................... 2

1.3 本文的研究意义 ................................................. 3

第二章 灾报警系统的总体设计 ............................. 4

2.1系统设计内容 .................................................... 4

2.2 系统设计要求 ................................................... 4

2.3 系统总体方案设计 ............................................... 4

第三章 火灾报警系统的硬件设计 .......................... 8

3.1主节点硬件设计 .................................................. 8

3.1.1 LCD1602显示器电路设计 .................................... 9

3.1.2 时钟电路设计 .............................................. 9

3.1.3 CAN模块通信电路设计 ..................................... 10

3.2 从节点硬件设计 ................................................ 11

3.2.1温度传感器电路设计 ....................................... 11

3.2.2 可燃气体及烟雾传感器电路设计 ............................. 13

3.2.3灭火装置电路 ............................................. 15

第四章 火灾报警系统的软件设计 ......................... 17

4.1系统整体软件设计 .............................................. 17

4.2 主节点软件设计 ................................................ 17

4.2.1 LCD1602显示屏的软件设计 ................................. 18

4.2.2 时钟电路软件设计 ......................................... 19

4.3 CAN模块通信电路软件设计 ....................................... 19

4.3.1 CAN控制器的初始化 ....................................... 19

VI

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

4.3.2信号发送模块程序设计 ..................................... 20

4.3.3 信号接收模块程序设计 ..................................... 21

4.4 从节点软件设计 ................................................ 22

4.4.1 温度传感器电路的软件设计 ................................. 23

4.4.2 可燃气体及烟雾传感器电路的软件设计 ....................... 24

4.4.3 灭火装置的软件设计 ....................................... 25

第五章 火灾报警系统的调试 .............................. 27

5.1 主节点模块功能的测试 .......................................... 27

5.1.1 LCD1602显示屏功能的测试 ................................. 27

5.1.2 时钟电路模块功能的测试 ................................... 28

5.2 从节点模块功能的测试 .......................................... 28

5.2.1 温度传感器电路功能的测试 ................................. 28

5.2.2可燃气体及烟雾传感器电路功能的测试 ....................... 29

5.2.3 报警电路功能的测试 ....................................... 30

5.2.4 灭火装置功能的测试 ....................................... 30

5.3 CAN模块通信功能的测试 ......................................... 31

5.4 火灾报警系统的综合测试 ........................................ 33

结 语 .................................................. 35

致 谢 .................................................. 36

参考文献 ............................................. 37

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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

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

1.2 火灾报警系统的国内外发展现状

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。比如美国、日本、加拿大、澳大利亚以及英国

[2]

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范，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，国内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

2

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

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

祖国大地，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大地提升，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。

3

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第二章 灾报警系统的总体设计

2.1系统设计内容

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模块进行通信。

4

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

（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：

主节点

CAN总线

从节点1

从节点2

。。。。。。

从节点N

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。

5

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主节点以及从节点功能框图如下：

报警电路

时钟电路

LCD1602显示屏

MCU

CAN通信电路

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通信电路组成的。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通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

可燃气体及烟

雾传感器电路

MCU

CAN通信电路

温度传感器电路

图从节点功能框图2-3 从节点功能框图

如上图所示，从节点是由单片机，CAN通信电路，灭火装置电路，

可燃气体及烟雾

6

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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内，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。

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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通信传输到主节点上，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。

[4]

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

8

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

3.1.1 LCD1602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

的比带背光的薄，是否带背光在应用中并没有什么差别。

[5]

1602A与单片机的以总线方式连接，其硬件连接图如图所示：

图3-4 LCD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-Time Clock）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。

9

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

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。

[6]

DS1302时钟电路，主节点时钟芯片工作原理图如图

图3-5 主节点时钟芯片电路图

3.1.3 CAN模块通信电路设计

CAN通信协议主要是通过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：

0 1

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

图3-6 CAN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

DSl8B20是美国DALLAS公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。

DSl8B20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／O线，

在一根线上挂接多个DSl8B20。

（2）测温范围为-55℃到+125℃，在-10℃到85℃范围内误差为±0．5℃。

（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，电源范围从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。

1 1

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

（7）DSl8B20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）DSl8B20的分辨率可由用户通过EPROM设置为9～12位。

2[11]

DSl8820的内部结构主要包括：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Tl

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。

[7]

DSl8B20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）

+125℃ 0000B 07D0H

+85℃ 0000B 0550H

+25.0625℃ 0001B 0191H

+10.125℃ 0010B 00A2H

+0.5℃ 1000B 0008H

0℃ 0000B 0000H

-0.5℃ 11000B FFF8H

-10.125℃ 11110B FF5EH

-25.0625℃ 01111B FE6FH

-55℃ 111111B FC90H

在下图中，DSl8B20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。

2 1

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

图3-7 DS18B20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范围，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。

[8]

MQ-2可燃气体及烟雾传感器模块原理图如下：

3 1

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图3-8 MQ-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

B. 环境条件

C. 灵敏度特性

4 1

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3.2.3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，

图3-9 28BYJ48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

5 1

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

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]

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P0、P1、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范围 Vs：＋5V～＋35V ；

如果需要板内取电，则供电范围Vs：+7V～+35V，驱动部分峰值电流 Io：2A；逻辑

部分端子供电范围 Vss：＋5V～＋7V（可板内取电＋5V）；逻辑部分工作电流范围:0～

36mA；控制信号输入电压范围：低电平：－0.3V≤Vin≤1.5V，高电平：2.3V≤Vin

≤Vss；使能信号输入电压范围：低电平：－0.3≤Vin≤1.5V（控制信号无效），高电

平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信号有效）；最大功耗：20W（温度 T＝75℃时）；存储温

度：－25℃～＋130℃；驱动板尺寸: 48mm*43mm*33mm(带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、逻辑部分板内取电接口。

[10]

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

6 1

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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CAN通信的软件程序。

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模块通信的软件设计、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

设计主节点的整体软件流程如下图所示:

开始

接收从节点信息

在LCD显示相关信息

发生异常

是

显示并保存相关信息

7 1

否

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图4-1 主节点整体软件流程图

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。

4.2.1 LCD1602显示屏的软件设计

液晶模块需要显示的内容有：从节点采集到的环境温度、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：

开始

显示烟雾气体浓度

LCD初始化

设第二行显示位置

延时

显示温度

设第一行显示位置

结束

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，显示的内容是烟雾气体的浓度，之后对第二

行显示位置进行设置，并显示的内容是温度，最后结束，这就是液晶显示屏一个整体

的工作流程。

8 1

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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。

询。 .

开始

DS1302初始化

记录火灾发生时间

显示时间

图4-3 DS1302时钟电路流程图

4.3 CAN模块通信电路软件设计

火灾报警器系统中CAN 总线通信软件设计的任务是：实现主节点和从节点之间

可靠的通信。

CAN 应用节点的程序设计主要分为 3 部分: SJA1000初始化程序、信号发送程

序、信号接收程序。

4.3.1 CAN控制器的初始化

初始化设计在CAN总线系统设计中十分重要，特别是对CAN控制器的初始化尤为

重要。在系统正常工作之前，微控制器要对SJAl000进行初始化，以保证系统的各部

分之间能进行正确的数据交换。微控制器和 SJA1000 间的状态、命令和控制信号的

交换都是在控制段内进行完成的。初始化加载以后, 寄存器的接收屏蔽、接收代码和

9 1

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总线定时寄存器 0和1 以及输出控制就不能改变了。

[12]

SJA1000 共有 2 种工作模式: 工作模式和复位模式。当硬件复位或控制器掉电的

时候，就会自动进入复位模式，SJA1000 只有在复位模式下才能被初始化。初始化主

要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接受屏蔽寄存器（AMR）和接收代

码寄存器（ACR）的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器（IER）的设置等。在

初始化完成以后, CAN总线就可以开始进行数据的接收与发送工作, 其初始化流程

图：

开始

进入CAN控制器复位模式

初始化流程图 CAN

TXDC脚（P1.1）配置

N

是否使用CAN中断？

Y

与CAN有关的中端配置

CAN位定时的配置

验收滤波器的配置

选择操作模式，推出CAN控制器

复位模式

结束

图4-4 CAN初始化流程图

4.3.2信号发送模块程序设计

发送信号报文是通过信号发送模块实现的。节点报文的发送主要是通过发送子程

序执行的，在发送的时候，只需要把待发送的数据按照特定的格式组成一帧报文，把

它传输到SJAl000的发送缓冲区当中之后，再启动SJAl000，进行发送就可以了。发

0 2

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送程序分发送远程帧和数据帧两种.

[11]

图4-5 SJAl000发送程序流程图

发送数据

结束

发送TX识别码

是

发送TX帧信息

发送完毕

否

开始

位置发送请求位

4.3.3 信号接收模块程序设计

采用中断方式接收数据的流程下图所示。SJA1000已接收一组报文, 而且报文已

通过验收滤波并放在接收 FIFO 缓冲器中, 那么将会产生一个接收中断。这个时候，

AT89C51可以很快的起到作用, 将自己收到的报文传输到自身报文存储器之中。随

后，通过置位命令寄存器的相应标志位 RRB, 发送一个释放接收缓冲器的命令。在释

放了接收缓冲器之后,SJA1000 开启所有中断, 等待接收下一组的报文。

[14]

采用中断方式接受数据的流程图如下：

1 2

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开始

关闭所有中断

接收中断

取出缓冲数据

置位RRB位

开所有中断

返回中断

图4-6 中断方式接受数据的流程图

4.4 从节点软件设计

从节点主要负责信息的采集，即通过从节点上的温度传感器、气体和烟雾浓度传感

器进行数据的采集，将采集到的信息传输给主节点。现在根据从节点具体实现的功能

进行从节点整体软件流程的设计，流程图如下：

2 2

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开始

向主节点发送相关信息

判断采集的信息

超过阀值

是

报警并开启执行装置

图4-7 从节点整体软件流程图

否

如上图所示，首先采集到的信息向主节点发送相关信息，然后对判断采集到的信

息是否超过了阀值，如果没有继续向住接待您发送相关信息；如果采集到的信息超过

了阀值，那么在向主节点发送信息的同时，报警并开启执行装置。

4.4.1 温度传感器电路的软件设计

由于DSl8820是采用一根I／O总线读写数据，因此，DSl8820对读写数据佗有

严格的时序要求。DSl8820遵循相应的通信协议从而保证数据传输的正确性和完整

性。该通信协议定义了多种信号时序，包括初始化时序、写时序以及读时序。这几种

时序都是将单片机作为主机，DSl8820作为从机。每一次不管是命令还是数据的传输，

全部都是从主机启动写时序才开始的，如果要求从机问送数据，在写命令后。主机须

要启动读时序进行数据的接收。所有的读、写时序至少需要60us，且每两个独立的

时序之间至少需要1us的恢复时间。数据和命令的传输都是低位优先。

[15]

温度传感器电路的软件设计流程图如下：

3 2

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开始

端口初始化

启动温度转换

读取温度数据

温度数据传送程序

结束

图4-8 温度传感器软件设计流程图

如上图所示，一开始对端口进行初始化，然后开启为年度转换，读取温度数据，最

后对温度数据的传送。

4.4.2 可燃气体及烟雾传感器电路的软件设计

本系统采用3 MQ-2可燃气体及烟雾传感器模块探测火灾现场烟雾浓度以及气体

浓度。由于传感器探头采集到的烟雾浓度信号和气体浓度为模拟量，因此要将其转化

数字信号。A／D转换工作流程图如下所示：

如下图所示，模拟信号输入A/D转换口，然后开启A/D转换，等待转换完成，

然后读取A/D转换数据。

4 2

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开始

模拟信号输入A/D口

开启A/D转换

等待转换完成

读取A/D转换数据

结束

图4-9 A/D转换工作流程图

4.4.3 灭

火装置的软件设计

本系统采用步进电机作为灭火的执行装置。当从节点传输回来的现场环境数据超

过阈值的时候，系统发出火灾的报警信号，从节点的步进电机开始运转，即模拟开启

喷头喷水。为了达到以上工作需要，设计步进电机工作流程图如图所示：

图4-10 灭火装置工作流程图

5 2

开始

采集现场各种信号

电机不转动

（即不喷水）

检测各信号

量超过阀值

否

是

电机转动

（即喷水）

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从上图可以看出，首先采集到现场环境的各种信息，其次对这些信息进行分析判

断，如果检测各信号量超过阀值的话，则电机转动，灭火装置进行工作；如果检测各

信号量没有超过阀值，则返回继续采集现场相关数据进行分析判断。

6 2

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第五章 火灾报警系统的调试

本章主要工作是对火灾报警系统的调试，一个系统设计出来，只有在实际的现场

环境中，才能得到真正的检验。本章节，主要分为四大部分测试：首先，是主节点模

块功能的测试，其中包括LCD1602显示屏功能的测试和时钟电路模块功能的测试；其

次，是从节点模块功能的测试，其中包括温度传感器电路功能的测试和可燃气体及烟

雾传感器电路功能的测试，以及报警电路功能模块和灭火装置功能的测试；然后，是

CAN模块通信功能的测试；最后，是火灾报警系统的综合测试。具体的调试如下一一

详细介绍。

5.1 主节点模块功能的测试

主节点，主要负责对从节点传输回来的数据进行分析判断是否发出警报指令，

将相应的数据信息通过显示屏进行显示，并且存储相关的数据以备查询。主节点主要

测试时钟电路模板功能的测试。

5.1.1 LCD1602显示屏功能的测试

将测试程序烧进其所在的单片机进行测试，实现LCD1602的动态演示，由此来测

试LCD1602显示屏功能是否正常，主要程序如下：

此时观察显示屏出现动态的英文：Welcome to huaqinmcu，表明LCD1602显示屏

功能正常，本模块到此测试成功。

以下是测试的图5-1 LCD1602的动态演示图片：

图5-1 LCD1602的动态演示图

7 2

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5.1.2 时钟电路模块功能的测试

时钟电路模板主要负责火灾发生时间的存储，以备时候进行查询。首先现将准备

好的温度报警程序烧进其所在的单片机开发板，主要程序如下：

Write1302 (WRITE_PROTECT,0X00); //禁止写保护

Write1302 (WRITE_SECOND,0x56); //秒位初始化

Write1302 (WRITE_MINUTE,0x34); //分钟初始化

Write1302 (WRITE_HOUR,0x12); //小时初始化

Write1302 (WRITE_PROTECT,0x80); //允许写保护

此时观察显示屏，温度达到阀值所发出的报警时间，以备查询。由此表明时钟电

路模块功能正常，本模块到此测试成功。

5.2 从节点模块功能的测试

从节点，主要负责现场环境相关信息数据的采集，包括温度，可燃性气体以及烟

雾浓度等数据，从节点的测试也很重要。下面对不同的信息采集传感器进行功能的测

试。

5.2.1 温度传感器电路功能的测试

将测试温度程序烧进单片机，主要程序如下：

void get_temperature() //温度转换、获得温度子程序

{

t_ds18b20(); //初始化DS18B20

write_ds18b20(0xcc); //发跳过ROM匹配命令

write_ds18b20(0x44); //发温度转换命令

disp_temp(); //显示温度，等待AD转换

t_ds18b20();

write_ds18b20(0xcc); //发跳过ROM匹配命令

write_ds18b20(0xbe); //发出读温度命令

read_ds18b20(); //将读出的温度数据保存

此时观测液晶显示屏上显示的温度为28℃左右变化，当手指靠近，并且触摸温

8 2

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度传感器的时候显示屏上的温度在不断地变化，表明温度传感器模块的功能正常，本

模块到此测试成功。

图5-2 温度传感器电路信息采集演示图

5.2.2可燃气体及烟雾传感器电路功能的测试

将可燃气体及烟雾传感器在单片机上连接好，并将程序下载在其中，此时观测到

数值是02，程序中设置的阀值是15，即空气中可燃气体浓度和烟雾的浓度超过此值，

系统开始报警。将香烟点燃，放在传感器周围，或是将打火机对着传感器释放气体，

屏幕上的数值会发生很大变化，由此，判断电路功能工作正常。

可燃气体及烟雾传感器电路功能的测试演示图如下：

9 2

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图5-3可燃气体及烟雾传感器电路功能的测试演示图

5.2.3 报警电路功能的测试

将测试报警电路功能的相应程序烧进其所在的单片机上，主要程序如下：

if((tempint>30)&(tempint<85)) //温度报警设置

{ fm=0;

delay(5);

fm=1;

}

此时观察电路，当温度超过30度的时候，蜂鸣器开始工作，发出报警声，表明报警

电路功能正常，本模块到此测试成功。

5.2.4 灭火装置功能的测试

灭火装置功能的测试，主要是测试当火灾发出警报的时候，灭火装置是否可以顺

利而又及时的执行，即步进电机是否及时工作。现将步进电机所需要的程序烧进其所

在的单片机开发模板上，然后进行测试，主要程序如下：

while(Flag==0)

{

0 3

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P0=0x71;//显示 F 标示正转

for(i=0;i<4;i++) //4相

{

P1=F_Rotation[i]; //输出对应的相 可以自行换成反转表格

Delay(500); //改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大

}

}

此时观察，当报警器开始工作的时候，步进电机开始工作，表明灭火执行装置工

作正常，本模块到此测试成功。

下图是灭火装置，包括L298N电机驱动模块，步进电机，51单片机的测试连接

图，

图5-4 灭火装置功能的测试

5.3 CAN模块通信功能的测试

CAN模块通信在整个系统中起到了关键性的作用，它是主节点和从节点之间信息

传递的桥梁。首先将“发”程序烧到单片机A，再将“收”程序烧到单片机B，实现

两个单片机之间信息的传输，下面进行温度实时传输测试。

以下是“发”的主要程序：

if((canstatus&0x0c)==0x0c)//判断是否可以发送

{

1 3

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// Write_SJA1000(REG_CAN_CMR,0x10);//使能发送请求，发送数据。自收发

Write_SJA1000(REG_CAN_CMR,0x01);//使能发送请求，发送数据 对发

while((canstatus&0x08) ==0)

{canstatus = Read_SJA1000(REG_CAN_SR);}

}

以下是“收”的主要程序：

IO_Init();

SJA100HardWareRest();

SJA1000_Config_Normal(); //SJA1000进入正常模式配置

Write_SJA1000(REG_CAN_IER,0x01); //使能SJA1000接收中断位

WriteSJARegBlock(16,Send_CAN_Info_ID,5); //扩展帧，向发送缓冲区写入5个

数据

WriteSJARegBlock(21,Send_CAN_Data,8);//扩展帧，向发送缓冲区写入8个数

据

UartSendByte(1);

此时观察单片机，A和B单片机上的LCD同步显示温度，由此可见，CAN模块通信

正常，本模块到此此时成功。

图5-5温度实时传输测试图

2 3

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5.4 火灾报警系统的综合测试

通过以上主节点上的各模板功能、从节点的各模板功能、CAN模块通信功能都进

行了成功的测试之后，接下来就对此设计的基于CAN总线的火灾报警系统的一个综合

的测试，以下就进行火灾现场的模拟。

模拟所需要的材料：香烟一根，打火机一只，笔记本电脑一台等一些相关材料。

模拟火灾现场的具体步骤以及模拟过程中的现象如下：

第一步：将已经调试好的收、发程序分别烧进主、从节点的单片机内，并保持通

电状态。此时观察到，主节点单片机开发板上的液晶显示屏第一行显示：Yanwu（烟

雾以及气体浓度的综合数值），数值为02；第二行显示temp（温度）25.36℃。

第二步：用打火机将香烟点燃，将其放在从节点MQ-2传感器的下方，香烟飘出

的烟，接触到传感器，传感器将收集到的相关模拟信号转化为数字信号，通过CAN

模块传输给主节点，主节点通过显示屏显示出来。此时观察到，显示屏第一行的数值

有了明显的变化，当超过数值15（事先设置好的阀值）的时候，蜂鸣器开始发出报

警的声音。与此同时，从节点上的步进电机开始工作。

第三步：将打火机对着从节点MQ-2传感器，然后释放打火机内部的可燃性气体

（丁烷），此时观察到的现象与第二步观察到的现象一样。

第四步：将温度传感器放在，笔记本电脑的散热口处。此时观察到，主节点上的

显示屏显示温度在慢慢的上升，当超过30℃的时候，发出报警现象与第二步所描述

的现象一样。

第五步：将第二步、第三步、第四步的模拟的烟雾，可燃性气体，温度同时进行

测试。此时观察到，与第二步所描述的现象一样。

3 3

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

图5-6火灾报警系统的整体测试图

图5-7火灾报警器整体测试屏幕显示的烟雾浓度和温度图片

综上所述，通过系统的各个功能模块以及系统整体的测试，表明本次设计的系统达到了毕业

设计的要求，即主从节点通过CAN总线通信，可进行数据处理、显示、存储等，根据测量值可

驱动灭火装置等功能。

4 3

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

结 语

毕业设计是我们作为学生在学习阶段的最后一个环节，是对所学基础知识和专业

知识的一种综合应用，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程对学生的学习

能力和独立思考及工作能力也是一个培养。

本文首先介绍了国内外火灾报警系统的特征、技术、发展水平、研究现状进行分

析，说明火灾报警系统设计的背景和研究意义；然后给出了火灾报警系统内部CAN 通

信系统的组成结构。介绍了CAN 通信工作原理，阐述了选择CAN 总线作为火灾报警系

统主节点和从节点之间，各个工作模块之间的数据的通信与 RS485总线的性能比较。

在设计的过程中，遇到了一些坎坷和挫折，由于刚接触火灾报警系统、CAN总线

的相关知识，对于有些知识点还不能完全理解。对于如何利用CAN总线完成各个控制

部件之间的通信理解还不十分透彻。通过进一步查询资料，熟悉火灾报警系统结构与

各模块的功能，分析CAN总线在火灾报警系统中的应用，再进行设计。火灾报警系统

是一个复杂的系统，构建一个完善、可靠、高效的智能自动控制系统是一个复杂的系

统工程，受到各个方面因素的影响。

经过三个多月的努力，基本完成了设计任务，调研收集分析有关火灾报警系统的

资料，总结CAN模块工作原理及其特点；分析CAN现场总线基本通讯原理及CAN总线

协议具体技术细节；采用51单片机作为主节点和从节点的微处理器，进行火灾报警

系统的各个模块硬件设计，分析各个模块功能和特点；进行火灾报警系统软件系统设

计，包括温度传感器电路程序设计，可燃气体及烟雾传感器电路程序设计，灭火装置

电路程序、LCD显示程序等，并进行CAN总线通讯设计。

5 3

江苏科技大学本科毕业设计（论文）

致 谢

在这篇论文结束的时候，我要深深地感谢指导教师 老师。本设计的完成是

在张老师的耐心指导下完成的。在设计过程中遇到问题时，张老师给予了我很大的帮

助才使得我的毕业设计能够顺利的进行。这过程中花费了张老师很多时间和精力，在

此向张老师表示衷心地感谢。她严谨的治学精神、高尚的品格值得我永远学习，她的

谆谆教诲将使我受益终生。

感谢所有帮助和鼓励过我的同学和朋友！这四年的相处中，我深深地体会到了友

情的珍贵，在我迷茫的时候他们真诚的鼓励是我前进的动力。

向电气与信息工程学院的所有老师表示衷心的感谢！

向大学学习期间所有任课老师表示衷心的感谢！

最后，祝愿我们母校的明天更美好！

2013年6月 于江苏科技大学

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

参考文献

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