單片機分布式安全檢測系統設計

　　隨著自動控制技術和現場總線技術的不斷發展和深化，網絡化、集成化和互操作已成為現代控制系統的重要發展方向。在眾多的現場總線標準中，德國Bosch公司提出的CAN總線(Controller Area Network)是從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制于測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議[1]。

　　本文介紹了利用紅外傳感器無接觸檢測，結合單片機技術、CAN總線技術，將現場存在的傳感器、電子控制單元、執行機構連接起來組成分布式控制網絡，實現了分布式安全保護檢測控制。有效地保證了工作人員人身安全和生產的正常進行。該系統可用于危險場所、區域安全防護，機械加工、紡織、食品加工等安全保護以及家庭等防盜報警，有較廣泛的應用前景。

　　2、系統組成及原理

　　由于紅外線通過云霧等充滿懸浮粒子的物體時不易發生散射、有較強的穿透能力和抗干擾能力，且紅外線遙控不易引起串干擾，因而被廣泛應用于遙控裝置。本系統信號檢測部分使用紅外傳感主動式發射/接收設計實現。紅外檢測裝置安裝在檢測控制區，當無人進入檢測區時，接收管無信號輸出。反之，接收管輸出信號，通過解調、放大、比較處理后產生TTL高電平信號送入單片機，利用單片機編程技術控制實現語音警示或控制現場執行設備動作。CAN總線由于其較強的抗干擾能力、通訊中沒有地址的概念以及節點數不受限制等優點，已經被廣泛應用于汽車、數控機床、儀器儀表、現場總線控制等領域[2]。本系統通過單片機控制CAN總線控制器構成CAN總線進行數據傳輸。這樣，多個檢測裝置構成了總線通信系統，方便實現多區域檢測控制狀態顯示。降低了系統在材料、安裝、維護等費用上的損耗，減小了布線復雜度。

　　分布式安全檢測系統主要由直流電源、信號檢測電路、信號處理電路、單片機控制器、接口電路、看門狗、CAN總線控制器、CAN總線收發器、狀態指示面板等電路組成。系統組成框圖如圖1所示?！　?/p>

　　圖1 系統硬件結構框圖

　　3、系統設計

　　3.1 信號產生電路

　　系統信號產生電路采用CD4069外接電阻電容構成充放電通路產生方波脈沖信號。電路振蕩通過電容C充放電利用正反饋原理來完成，電路中R2是補償電阻，用于改善電源電壓變化而引起的震蕩頻率不穩，由于CD4069為六反相器，為避免干擾將其余各部分輸入端接地。電路原理如圖2所示。

　　圖2 信號發生電路

　　R2阻值不僅可影響振蕩頻率，而且能改變輸出波形占空比，因為此時消除了VT的波動，能夠輸出占空比1/2方波，通常R1>>R2，一般取R1=10R2。

　　3.2 發射電路

　　系統信號發射電路由三極管V5、V6組成信號功率放大電路。得到較小占空比方波信號驅動紅外發射管工作。紅外發射管采用電流驅動，高電平時工作，低電平時截止。這樣使紅外發射管工作于脈沖狀態，延長了其使用壽命。電路原理如圖3所示。

　　圖3 發射電路

　　為了防止塵埃、飛蟲等遮斷紅外光束觸發報警，該電路中采用雙光束警戒線，當兩光束同時被遮斷時才觸發報警，只遮斷一條光束時不報警。兩光束間隔可調，安裝時根據實際情況調整合適的間距。另外，根據檢測檢區域大小可以安裝多組探測頭形成紅外屏障，這樣只有人等通過時才會至少遮斷兩條光束，防止誤報警。

　　3.3 接收電路

　　當檢測區中無遮擋物的情況下，紅外發射管發出的脈沖光無遮擋的被接收管接收，在電容C3產生負極性光敏電壓，無信號經過電容C2;當有遮擋物進入檢測區中時，信號經過電容C2向信號處理單元輸出。接收管輸出的電信號很微弱，因而經過電容C2的電信號非常小，需經放大后向后級傳送。電路原理如圖4所示。

　　圖4 紅外接收電路

　　為了滿足裝置工作要求，在接收管前端安裝紅外濾光片去除可見光，使紅外接收管構成最大受光區以提高系統精度。

　　3.4 處理電路

　　系統采用低功耗、高增益、內部有頻率補償的四運放集成芯片LM324。當無遮擋物進入檢測區時，電路中只有直流信號，無法通過電容C8;當有遮擋物進入檢測區時，接收電路的輸出突變的電信號，通過電容C8向后繼電路傳送，經三極管Q6初級放大，再送到由LM324組成的放大電路進行二次放大。

　　由于解調方波與紅外發射管的工作在時間上保持同步，且電子開關僅在紅外發射管工作時接通，所以僅有來自紅外發射管的光信號被接收，雜散光則被擋除。通過電子開關的方波信號由電阻電容網絡濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號被還原出來即是遮擋物的擋光面積大，留下的直流分量也大;遮擋物的擋光面積小，留下的直流分量也小，處理后的電信號送入單片機控制器。電路原理如圖5所示，

　　圖5 信號處理電路

　　3.5 CAN總線節點電路

　　總線通信接口選取Philips公司生產的CAN總線控制器SJA1000以及總線收發器82C250，主要是考慮到SJA1000同時支持CAN2.0A和CAN2.0B協議，通信速率可達1Mbps。單片機控制器既負責總線控制器SJA1000初始化，亦通過控制實現數據的接收和發送等通信任務。電路原理如圖6所示。

　　圖6 CAN總線節點電路

　　另外，82C250與CAN總線接口部分采用了一定安全和抗干擾措施。為增強CAN總線節點的抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000的TX0和RX0不直接與CAN收發器82C250的TXD和RXD相連，而是通過加接6N137高速光電隔離器，實現了總線上各節點間的電氣隔離[3]。82C250的CANH和CANL引腳各自通過電阻與CAN總線相連，保護82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯了兩電容，起到濾除總線高頻干擾和防電磁輻射的作用。

　　3.6 檢測系統設計

　　圖7 CAN總線檢測系統原理圖

　　由于CAN總線傳輸距離遠，傳輸速率快，有較強的抗電磁干擾能力，已成為國際上應用最廣泛的現場總線之一，成為一種國際標準(ISO-11898)[4]。本設計將各檢測控制裝置、控制節點等通過總線連接組成CAN總線通信系統方便實現智能分布式實時檢測控制等。在控制系統領域具有非常廣闊的應用前景。本系統組成原理如圖7所示。另外，可通過上位機、上位節點聯接實現對所有檢測控制裝置集中管理，同時向控制器下傳工作模式控制信息，利用PC機方便控制區域內檢測控制裝置工作，根據實際情況修改程序，擴展系統功能。

　　4、結束語

　　分布式安全檢測控制系統設計簡單、安裝方便、性能穩定、工作可靠、實用性強，系統通過不同裝置之間互聯，擴大了區域控制范圍。本系統可用于機械、紡織、食品等加工領域，在生產現場有效地保障了人員誤闖入或誤動作，從而有效地保證了生產的正常進行和產品質量的提高。通過系統功能擴展，可實現其他工業控制，有廣泛的應用前景。

　　參考文獻：

　　[1]張金宏，沈天健等.基于CAN總線的分布式火災報警控制系統[J].微計算機信息.2000年第16卷第6期,26-27.

　　[2]胡光永.CAN 總線節點電路的設計與實現[J].微計算機信息.2002年第22卷第1-2期,1-2.

　　[3]計小軍，王東興.基于CAN 總線的智能饋線終端的研究[J].微計算機信息.2003年第22卷第2-2期,112-113.

　　[4]饒運濤,鄒繼軍,鄭勇蕓著.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.11-85.