CN201673575U

CN201673575U - 一种火灾探测信号的传输系统

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Publication number: CN201673575U
Application number: CN2010202091214U
Authority: CN
Inventors: 刘小宁
Original assignee: Xian All Safe Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Xian All Safe Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2020-05-31

Abstract

本实用新型涉及一种传输系统，具体涉及一种火灾探测信号的传输系统。在现有的火灾报警系统中，无论采用集中智能或分布智能，控制器与探测器之间的信息传输是最重要的环节之一，要能准确、及时的将现场信息反映到控制器，设计一个优质的信息传输方式尤为重要。一种火灾探测信号的传输系统，包括采用通讯连接的控制器和探测器，其特征在于：控制器包括单片机，单片机与发码及电流接收电路连接，电流接收电路与回码判断电路连接，回码判断电路与判断比较电路连接；探测器包括单片机，单片机与解码电路连接，解码电路与拉电流回路连接。本实用新型控制器与探测器之间的传输信息反映准确及时。

Description

一种火灾探测信号的传输系统

一、技术领域

本实用新型涉及一种传输系统，具体涉及一种火灾探测信号的传输系统。

二、背景技术

在现有的火灾报警系统中，无论采用集中智能或分布智能，控制器与探测器之间的信息传输是最重要的环节之一，要能准确、及时的将现场信息反映到控制器，设计一个优质的信息传输方式尤为重要。

参见图1，图1为火灾报警的系统图，该系统要求控制器能在多点位、长距离情况下获知现场信息，目前大多数厂家使用RS485总线方式来进行控制器与探测器之间的信息传输。

RS485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和通讯协议。RS485标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向(半双工)通讯链路，是一种较为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通讯平台。

参见图2，图2为由MAX487构成的RS485节点电路图，在应用中，所有节点的A、B线分别连接，构成RS485总线方式，图中的TVS管为瞬态电压抑制二极管，起电气保护作用。该系统中，可实现主从方式进行通讯，控制器方设为主，探测器等现场设备设为从，通过按地址查询方式，一问一答来获得需要得知位置的具体情况。

在设计或实际应用中，如果通讯协议制定合理、数据帧简练、节点数有限、施工布线符合规范，该总线能实现相应的技术要求。但是，无论是从电气设计还是从规范施工角度来讲，RS485总线应用在象火灾报警这种多点位、长距离的系统中会有一些不足或不便之处：

1)通讯距离：根据RS485总线结构理论，在理想环境的前提下，RS485总线传输距离可达到1200米，但如果负载设备多、线材阻抗不合乎标准、线径过细、设备防雷保护及波特率提高等因素都会大大降低实际通讯距离。

2)设备数量：RS485总线所能带的负载数是要根据485设备芯片的型号来判断，智能按照指标较低的芯片来确定其负载能力。一般485芯片负载能力有3个级别：32、128和256台，但是理论上的标称往往实际上是达不到的，通讯距离越长、波特率越高、线材质量越差等都会降低真实负载数量。

3)施工布线：RS485总线的通讯质量需要根据施工经验进行调试和测试才可以得到保证。RS485总线虽然简单，但必须严格按照安装施工规范进行布线。首先，485的A、B线一定要互为双绞。这是因为RS485通讯采用差模通讯原理，采用双绞线有助于减少和消除485A、B线之间差生的分布电容以及来自通讯线周围产生的共模干扰；其次，RS485总线一定要用于手牵手的总线结构，坚决避免星型连接和分叉连接。这是因为星型结构会产生反射信号，从而影响到485通讯。

4)通讯干扰：RS485是通过两根通讯线之间的电压差的方式来传递信号，称之为差分电压传输，差模干扰在两根信号线之间传输，属于对称性干扰，消除差模干扰的方法是增加偏置电阻并采用双绞线，但增加偏置电阻会降低RS485总线的负载能力；另外，共模干扰时在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰，消除共模干扰的最简单方法是使用屏蔽线并接地，这会大大增加施工成本。

RS485总线应用在火灾报警控制器与探测器之间的数据传输，如果设计或施工未按规范进行，都会带来通讯不稳定甚至造成通讯芯片损坏，造成误报警或误动作，会误导值班人员产生错误指令而造成一些不必要的损失。

三、发明内容

本实用新型的目的是避免上述缺点，提供一种能够很好的解决与避免RS485总线在火灾报警控制器与探测器数据传输方面的不足与隐患，能保证系统的可靠运行的火灾探测信号的传输系统。

本实用新型的技术方案：一种火灾探测信号的传输系统，包括采用通讯连接的控制器和探测器，其特征在于：控制器包括单片机，单片机与发码及电流接收电路连接，电流接收电路与回码判断电路连接，回码判断电路与判断比较电路连接；探测器包括单片机，单片机与解码电路连接，解码电路与拉电流回路连接。

所述的控制器中的单片机为STC89C54RD+，探测器中的单片机为PIC16F676。

所述的发码及电流接收电路包括供电电压电路，供电电压电路与5V电路连接，5V电路与拖地电路连接。

所述的供电电压电路包括三极管3T3，三极管3T3与电阻3R6连接，保护三极管3T2与电阻3R6连接，三极管3T3上连有稳压管3ZD1，5V电路包括二极管3ZD2，二极管3ZD2与三极管3T1连接，三极管3T1为达林顿管，三极管3T4构成拖地电路，三极管3T4一端与二极管3ZD2连接，另一端与三极管3T1连接，三极管3T4为达林顿管。

所述的拉电流回路包括二极管V1，二极管V1与三极管V3连接，三极管 V3并与PIC16F676单片机和电阻R23连接。

本实用新型的优点：1)通讯距离：如果按照每百米线阻4欧来算，按标称24V，1200米后最末端的电压计算。I＝U/R＝24V/48欧＝0.5毫安，则U＝24V-I*I/R＝12V，该电压足以保证最末端设备能正确接收并解析编码信息，实际应用距离会大于1500米，而此距离并不受负载多少的太大影响。

2)设备数量：该协议中地址使用8位表示，即可以连接到256个设备，而该设备数量不受通讯距离及波特率提高的影响。

3)施工布线及抗干扰：该方式由于是电压电流编码方式，不用考虑差模干扰造成的影响，可适当有分支，并不需要一定确定终端设备是具体哪个。施工中可考虑双绞，不需要采用屏蔽线。

由此可见，此通讯方式能够很好的解决与避免RS485总线在火灾报警控制器与探测器数据传输方面的不足与隐患，能保证系统的可靠运行。

四、附图说明

图1为火灾报警的系统图；

图2为由MAX487构成的RS485节点电路图；

图3为电压传输电流接收通讯方式编码发送的波形图；

图4为回码波形图；

图5为控制器端发码及拉电流接收电路；

图6为判断回码中需要用到的几个基准电压图。

图7为判断比较电路图；

图8为电流接收电路与单片机的连接图；

图9为控制器的软件流程图；

图10为探测器的电路图；

图11为探测器的软件流程图；

附图标号说明：

五、具体实施方式

一种火灾探测信号的传输系统，包括采用通讯连接的控制器和探测器，其特征在于：控制器包括单片机，单片机与发码及电流接收电路1连接，发码及电流接收电路包括供电电压电路，供电电压电路与5V电路连接，5V电路与拖地电路6连接。供电电压电路电路包括三极管3T3，三极管3T3与电阻3R6连接，保护三极管3T2与电阻3R6连接，三极管3T3上连有稳压管3ZD1，5V电路包括二极管3ZD2，二极管3ZD2与三极管3T1连接，三极管3T1为达林顿管，三极管3T4构成拖地电路，三极管3T4一端与二极管3ZD2连接，另一端与三极管3T1连接，三极管3T4为达林顿管。电流接收电路与回码判断电路2连接，回码判断电路2与判断比较电路3连接；探测器包括单片机，单片机为PIC16F676单片机，单片机与解码电路4连接，解码电路4与拉电流回路5连接，拉电流回路包括二极管V1，二极管V1与三极管V3连接，三极管V3并与PIC16F676单片机和电阻R23连接。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

参见图3，图3为电压传输电流接收通讯方式编码发送的波形图，该波形由控制器发送给探测器，由3种电压方式组成：24V、5V、0V，其中24V用于充电及位结束，5V和0V分别为逻辑1和0。

编码部分由12位数据构成：

1)D0-D7为8位地址位，D0-D3为低四位，D4-D7为高四位，可对应探测器地址从1-255，控制器按设定的编程按地址进行外部探测器的查询，对应地址复合正确的依次接收剩余数据并准备回码。

2)D8-D10为控制位，用于控制器对探测器或现场模块的如LED、继电器、设备类型回复等操作，具体描述如表1所示：

控制位 D8D9D10	LED控制	设备类型传输	远程测试功能	继电器控制	状态复位
						000	亮	是	打开	不动作	否
001	亮	是	打开	不动作	否
						010	亮	是	关闭	不动作	否
011	亮	否	关闭	不动作	否
						100	闪亮	否	关闭	不动作	否

101	灭	否	关闭	动作	否
						110	灭	是	关闭	动作	是
111	闪亮	是	关闭	动作	是

表1

该控制位由控制器根据需要获得现场设备的内容以及需要控制的部分来决定发送的控制字内容，探测器解析后会根据要求进行相应的数据回传及处理。表1的定义只是在火灾报警系统中使用的一些定义，如果应用在其他场合，可根据需要来调整控制字内容定义或适当增减相应的控制位。

3)D11为校验位，可任意选择奇校验或偶校验。用于确保数据的正确性。

在发码中，每位的宽度可自己设定，一般选择在200us到500us之间，宽度越窄则通讯速度越快，越宽则可靠性越高，建议选择300us，通过实际测试，这样的选择既可保证巡检速度，又能大大的保证通讯质量。

控制器通过发送不同的地址位和控制位来对不同的设备进行查询、控制或测试，而探测器或模块接收到这些码后，通过解析，来确定要准备应答的数据，在控制器进行回码查询的时候通过拉电流方式来实现。

回码部分由D12-D16五位组成。在发码完成后，按位周期，控制器将总线电压控制在5V，让探测器进行拉电流回码，并通过采集拉电流的时间长短来确定回码的内容。参见图4，图4为回码波形图，其上部是通讯总线上的波形，下部为拉电流反映在控制器的采集端的波形，必须转换成控制器的CPU可以判断和识别的方式。

下面分别来说明各个回码的定义：

PW1：该位被定义为参考位，如果发码宽度为300us，该位可定义为300us。无论是探测器还是模块，只要解析出是控制器在巡检自己，则在回码的第一位必须回送该数值。这主要是用作PW2-PW5的数字滤波，另外，可根据该位直接判断探测器是否离线。

PW2：在正常巡检时该位为300us，如果发码的控制字为继电器动作，则该位变为600us，即表示收到并已经执行该指令，用于确认动作等重要指令的正确传输。

PW3：该位对探测器而言为300us，对于模块，不同的数值代表该设备不同的状态：300us＝正常状态、600us＝开路故障、900us＝短路故障，控制器可以根据此数值判断设备的具体状态。

PW4：该位是状态响应位，对探测器而言，PW4表示的是当前探测位置的烟雾浓度或温度。干净的空气环境中该位大约为800us，探测的报警值为2000us，即按照空气烟雾浓度来讲，2000us的时候已经达到报警的浓度极限，按照百分数来取值，定义为100％，正常探测的800-2000us线性的定义为浓度值，该位的数值是控制器进行火警判断运算的最关键数据。

PW5：该位为类型定义位，用于控制器判断设备类型是否连接正确。该位定义为对探测器而言300us＝感温探测器、600us＝离子探测器、900us＝光电探测器；对模块而言300us＝监视模块、600us＝控制模块。控制器在收完PW5后发送一个逻辑0位，表示此帧数据通讯完毕。

在正常通讯中，完成一帧需要大约20ms，可完成智能数据采集，既满足了实时性，又能可靠的获知数据，有损坏的设备不会影响到其余设备，可适用于长距离、多负载以及适当分支的火灾报警系统。

参见图5，图5为控制器端发码及拉电流接收电路图。对总线的供电由L1+和L1-提供。其中3T3(TIP122)与3R6(2/2W)构成主要对外提供电压的电路(该电路中所有三极管都处于饱和导通或截止状态)，3T2(2N5551)为保护三极管，将3R6钳制在一个PN结压降0.7V，由此可以算出该电路能提供的最大输出为I(MAX)＝0.7V/2＝350毫安，一个探测器或模块的工作电流也就600微安，按255个地址来连接的话，带负载能力完全可以保证。3ZD1为保护稳压管，用于钳制ST3基极电压不大于27V，保证在输入电压过高时损坏电路本身以及所连接的外围设备。

3ZD2(W4.3V)以及3T1(ZTX651)构成发码电路中的5V电路。ZTX651为达林顿管，可提供一定的I(CE)在饱和导通下可达到最大2A，其基极控制端L1-A可由CPU得I/O管脚直接控制，当3T1导通时，L1+总线输出逻辑1即5V电平。

3T4(ZTX651)构成发码电路中的拖地电路，当饱和导通时，L1+总线被拉到一个PN结压降，相当于接地，总线输出体现逻辑0即0V状态。

根据L1-A及L1-B的不同控制，在总线输出电平如表2所示：

L1-A	L1-B	总线输出
			0	0	24V
0	1	0V
			1	0	5V
1	1	该状态禁止

表2

由表中可以知道，通过L1-A和L1-B的控制端组合，可得到在发码中需要的三种电平：24V、5V以及0V，在编码发送这些状态时，可通过软件控制定时器或计数器的长短来决定一帧或一位的宽度，在总线处就可以看到如图3所示的编码波形。需要说明的是，L1-A和L1-B控制端同时为1的情况不允许出现，在软件中需要避免，从电气特性来说，该状态输出的状态为0V。

3R9(120欧)、3T5(2N5551)等构成回码判断电路，L1C为监测点，通过对该点位电平的判断，可决定探测器或模块的应答状态。

参见图6，图6为判断回码中需要用到的几个基准电压图。这里确定了从24V下降2.5V、下降5V以及下降8.2V作为基准，分别用于应答、重码以及短路等的判断。

参见图7，图7为判断比较电路图，通过比较器，进入CPU的I/O口或AD口，进行确定回码。在判断回码的过程中，总线给出5V，探测器进行拉电流，则L1C点电平会发生转换，在LM339处比较器动作的最低电流为：

I(min)＝2.5/120＝21毫安

探测器的拉电流一般会在30毫安以上，而电流的损耗及干扰可以忽略不计，所以，该电路保证能有效检测到回码。当同一总线上有多个地址相同并一起应答时，电流会叠加，此时，图7中的LOVER1会发生反转，CPU通过软件可判断是否有重码存在。

电路的其他部分主要起电气保护作用，3TVS1、3TVS2以及3TVS3为瞬态电压抑制二极管1.5KE33CA，主要在抗电瞬变脉冲群、静电放电以及浪涌等破坏性干扰时起吸收电压等保护作用。3FU6、3FU2以及3FU3均为自恢复保险，用于总线的短路保护以及与24V电源线的交叉短路保护。

参见图8，图8为电流接收电路与单片机的连接图。

参见图9，图9为控制器实现的软件流程图，控制器上电或复位，首先进行系统初始化，包括CPU初始化、I/O初始化以及外部RAM初始化等操作，进入正常运行后读出设定的配置，根据设置从地址1开始进行巡检，如果该单元有效，则按协议首先发送8位地址位，发送每位时首先要判断该位的高低，如果为1则发送5V，如果为0则发送0V，依次发送完地址位后需要发送3位控制位，根据所连接设备的状态以及对该设备的要求，选择适当的控制位进行发送，每位的发送方式同上，然后进行读回码状态，发送相应的读回码电平，通过检测探测器的拉电流的情况对该单元进行状态分析，然后决定相应的操作。对某一个地址单元进行以上操作后，程序依次对接下来的单元进行判断与分析。

参见图10，图10为探测器的电路图，下面来具体分析。

探测器的CPU选择PIC16F676，该芯片体积小，功能可满足要求。ZX+及ZX-对应控制器端的L1+及L1-。总线上的Z1(1.5KE33CA)与控制器上的一样起保护作用。VDD为芯片工作电压，V10(3.9V)、V11(2N5551)等构成给CPU供电的电源，其计算如下：

VDD＝3.9V-Vpn＝3.9V-0.7V＝3.2V

C2、C3能保证总线在低电压时能保证VDD的稳定。

RA0与RA2为编码输入的判断端，CPU根据这两位的状态进行解码，以正确解读控制器发送的数据并做相应反应。

V5(BC547)的基极电压在总线不同状态时的计算为：

Vb＝Vzx*(R4/(R3+R4))＝Vzx*(220/(1000+220))＝0.18Vzx

则对应总线Vzx的电压为24V、5V、0V时如下：

1)Vzx＝24V时：V5基极电压＝0.18*24V＝4.32V，V5导通，RA0端为低电平。

2)Vzx＝5V时：V5基极电压＝0.18*5V＝0.9V，V5导通，RA0端为低电平。

3)Vzx＝0V时：V5基极电压＝0.18*5V＝0V，V5关断，RA0端为高电平。

V9(BC547)的基极电压在总线不同状态时的计算为：

Vb＝(Vzx-9.3)*(R7/(R6+R7))＝(Vzx-9.3)*0.28

则对应总线Vzx的电压为24V、5V、0V时如下：

1)Vzx＝24V时：V9基极电压＝(24-9.3)*0.28＝4.116V，V9导通，RA2端为低电平。

2)Vzx＝5V时：V9基极电压＝0V，V9关断，RA2端为高电平。

3)Vzx＝0V时：V9基极电压＝0V，V9关断，RA2端为高电平。

RA0(逻辑)	RA2(逻辑)	判断结果
			0	0	24V
0	1	5V
			1	0	无效
1	1	0V

表3

表3为探测器进行解码时的判断表，软件中通过RA0与RA2的逻辑组合可正确确定当前总线状态。

V1(1N4004)、V3(2N5551)、R23(12)等构成探测器的拉电流回路。当探测器正确解码后需要回码时，通过I/O口RC3进行拉电流控制，平时RC3为低，V3截止，无电流下拉。RC3输出为高时，V3饱和导通，通过V1、V3以及限流电阻R23构成拉电流回路，对总线进行下拉固定电流。该电流理论值计算如下：

I＝(Vzx-Vv1pn-Vv3ce)/R23＝30毫安

可调节限流电阻的大小来调整下拉电流值。

参见图11，图11为探测器实现的软件流程图。探测器根据控制器发送的查询或动作指令并结合当前状态以及动作执行情况，通过软件来控制RC3拉电流时间来传送控制器能识别的信息及状态，达到与控制器的正确的信息解析与传输，第一步，开始，第二步，程序初始化，再确认当前空气状态，接着接收8位地址，看是否与自己的地址一致，不一致返回从新确认当前空气状态，一致继续下一步接三位收控制位，接下来巡检，是的话发送当前空气状态，否的话判断是否继续控制，是的话执行动作指令，否的话从新确定当前空气状态。

该新型火灾报警信息传递方式从理论和实践上都可以看出完全能解决好之前通讯方式中的多点位、长距离、现场施工布线要求严格等问题。经过适当的修改通讯协议，可应用在更多工业控制领域。

Claims

1.一种火灾探测信号的传输系统，包括采用通讯连接的控制器和探测器，其特征在于：控制器包括单片机，单片机与发码及电流接收电路(1)连接，电流接收电路与回码判断电路(2)连接，回码判断电路(2)与判断比较电路(3)连接；探测器包括单片机，单片机与解码电路(4)连接，解码电路(4)与拉电流回路(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种火灾探测信号的传输系统，其特征在于：所述的控制器中的单片机为STC89C54RD+，探测器中的单片机为PIC16F676。

3.根据权利要求1或2所述的一种火灾探测信号的传输系统，其特征在于：所述的发码及电流接收电路包括供电电压电路，供电电压电路与5V电路连接，5V电路与拖地电路(6)连接。

4.根据权利要求3所述的一种火灾探测信号的传输系统，其特征在于：所述的供电电压电路包括三极管3T3，三极管3T3与电阻3R6连接，保护三极管3T2与电阻3R6连接，三极管3T3上连有稳压管3ZD1，5V电路包括二极管3ZD2，二极管3ZD2与三极管3T1连接，三极管3T1为达林顿管，三极管3T4构成拖地电路，三极管3T4一端与二极管3ZD2连接，另一端与三极管3T1连接，三极管3T4为达林顿管。

5.根据权利要求3所述的一种火灾探测信号的传输系统，其特征在于：所述的拉电流回路(5)包括二极管V1，二极管V1与三极管V3连接，三极管V3并与PIC16F676单片机和电阻R23连接。