基于总线网络的大流量消防炮控制系统设计

摘要

随着建筑规模的不断扩大，火灾形式变得多样化，使消防扑救工作难度变大、危险性变高，尤其是在石油、化工等高危场合，需要同时布置多台流量大、射程远的消防炮进行喷水灭火，才能快速有效地扑灭火灾，减少人民生命财产损失。针对现有消防炮流量较小、射程有限、控制单一的不足，设计了基于总线网络的大流量消防炮控制系统，实现通过CAN总线和ZigBee无线网络与控制室监控主机进行组网和通信，控制安装在各个位置的消防炮进行火源对准和喷水灭火。系统由主控制模块、驱动和检测保护模块、ZigBee无线网络和CAN总线模块以及电源模块组成。本文研究的主要内容如下：
　　（1）由于大流量消防炮喷水口出水流量大，转动对准火源需要较大的驱动转矩，所以采用大功率直流电机作为消防炮水平回转和垂直俯仰运动的动力源。采用基于Cortex-M3内核的32位微控制器STM32F103VET6设计了系统的主控制模块，并扩展了其常用的外围接口电路，如USART串行接口、TFT显示接口和USB通信接口等。
　　（2）采用主控制器STM32内部自带的PWM定时器，结合智能电机驱动芯片BTN7970B设计了消防炮的驱动模块，实现了消防炮水平回转和垂直俯仰方向上大功率直流电机的驱动，并利用霍尔开关JK8002D设计了消防炮水平和垂直方向上的转动极限位置检测电路。利用芯片BTN7970B内部自带的电流检测功能设计了消防炮的检测保护模块，实现了消防炮大功率直流电机当前工作电流的实时检测，研究了直流电机的启停控制和发生过载等工作异常的保护方法、消防炮的转动控制流程和软件设计等内容，完成了消防炮大功率直流电机的驱动、正反转控制以及电流实时检测的实物调试。
　　（3）研究了ZigBee无线通信技术的网络体系结构、网络拓扑结构以及ZigBee协议栈的工作流程和软件设计等内容，采用无线射频收发器CC2430设计了各节点消防炮的ZigBee无线网络模块，并与监控主机建立了一个ZigBee星形网络拓扑结构，实现了各节点消防炮（终端设备RFD）与监控主机（网络协调器FFD）的无线网络通信。
　　（4）研究了主控制器STM32内部自带的CAN2.0B控制器bxCAN的工作原理、工作流程以及软件设计等内容，采用高速CAN总线收发器CTM1050设计了各节点消防炮的CAN总线网络模块，实现了各节点消防炮与监控主机的CAN总线主从通信。
　　（5）采用DC24V开关电源作为消防炮控制系统的输入电源，通过MC34063电源芯片和带隔离的DC/DC电源模块ZY2405WRBD-2W实现主控制模块、ZigBee无线网络和CAN总线模块与驱动及检测保护模块之间的电气隔离，增强了系统的可靠性。

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1 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外现状和发展趋势

1.3 主要研究内容

2 系统总体方案设计

3 系统硬件设计

3.1 系统主控制模块硬件设计

3.2 系统驱动及检测保护模块硬件设计

3.3 系统 ZigBee 无线网络模块硬件设计

3.4 系统 CAN 总线网络模块硬件设计

4 系统软件设计

4.1 系统 ZigBee 无线网络模块软件设计

4.2 系统 CAN 总线网络模块软件设计

4.3 系统驱动及检测保护模块软件设计

5 系统总体功能调试

6 总结与展望

参考文献

附录 A 主控制板电路原理图

附录 B 电机驱动板电路原理图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢