Design of Intelligent Distributed Lights Monitor and Control System Based on Infrared Technology
Abstract:By using the photo-voltage characteristics of the pyroelectric infrared sensor. Detection signal was processed with the core of AT89C51.The microchip controls the CAN BUS controller SJA1000 to structure CAN BUS communication system to transmit the datas.The designator of intelligent distributed lights monitor and control system was carried out. Its construction and methods of hardware and software design were introduced in detail. The system can be put into practice in automatic lighting and warning monitor on park or building etc. Compared with the conventional system.It has function of reliable performance,wide supervising scope,high precision and good expansibility etc.It improves management level and work efficiency and reduces energy-wasting and equipment loss.
Key words: infrared technique；monitor and control system；single-chip microcontroller；CAN BUS

摘要：利用红外热释电传感器光电转换特性，以AT89C51单片机作为核心控制单元对检测信号进行处理，同时控制CAN总线控制器SJA1000构成CAN总线通信系统进行数据传输，完成了智能分布式照明监控系统设计。详细介绍了系统构成、软硬件设计方法。系统可应用于楼宇建筑、停车场等自动照明、报警监控。与传统系统相比，该系统具有工作可靠，监控范围广，精度高，可扩展性强等功能。提高了管理水平和工作效率，降低了能源浪费和设备损耗。
关键词：红外技术；监控系统；单片机；CAN总线

0 引言
随着自动控制技术、现场总线技术的不断深化和发展，网络化、集成化已成为现代控制系统的重要发展方向。CAN总线是现场总线的一种[1]，由于其高性能、高可靠性及独立设计方式而被广泛应用于现场控制系统中。利用红外热释电传感实现无接触检测，结合单片机技术、CAN总线技术[2]，将现场存在的传感器、电子控制单元、执行机构、PC机等连接起来组成智能分布式监控系统。本文主要介绍利用红外热释电传感器设计分布式监控系统完成智能照明监控。改变了传统照明设施集散控制、持续照明方式等带来的人力、能源上的不必要浪费。大大降低了该类系统材料、安装、维护等费用，减小了布线复杂度，延长了照明设备使用寿命。
1 系统工作原理
智能分布式照明监控系统主要由信号检测电路、信号处理电路、单片机控制器、外存储器、CAN总线控制器、CAN总线收发器、看门狗电路、PC机等组成。信号采集部分使用红外热释电传感器加装菲涅尔透镜构成，通过调节检测放大电路灵敏度，检测探头可对不同现场实现智能监控。检测探头通常安装于检测现场（如：楼宇建筑、停车场等）入口或人、车行进道路方向上方适当高度位置，当检测到人或车辆经过时，传感器产生微弱正负电信号，经信号处理电路放大、整形、比较后向单片机发送信号；由检测装置、单片机组成的基本节点接收到此传感器信号后搜索本节点的传感器与照明灯的互联关系，判断本节点上是否有与之关联的灯，有则点亮此灯并保持照明一段时间，同时该基本节点也通过CAN总线向其它基本节点发送该传感器的消息；当其它的基本节点收到此消息时，根据外存储器存储的关系表判断本节点是否有与此传感器相关联的照明灯设备，如果有也打开相应的照明灯并通过单片机定时程序保持照明一段时间后自动关灭。这样所有节点就会按照使用者制定的方案打开预期的照明回路，从而实现照明控制的智能化。控制节点随时监听CAN总线上发送的消息，当某照明回路的状态发生改变时，控制节点将其回路的状态改变反映到状态指示灯上。因此，由多个基本节点构成了总线通信系统。利用PC机实现多区域、全方位检测控制。单个基本节点组成CAN总线通信系统原理图，如图1所示。

2系统硬件设计
2.1 信号检测处理电路
检测装置安装在需进行监控的区域，当有人、车等通过时，传感器输出微弱信号送至检测处理电路，经整形、比较放大后输出标准的TTL高电平信号送至单片机控制器。信号检测处理电路如图2所示。
 

检测探头使用高灵敏度红外热释电传感器P2288加装菲涅尔透镜CE-024。检测距离大大增强，探测角度可达84°。IC1选用LM324通用四集成运算放大器。当传感器检测到人车经过时S输出微弱模拟量信号。经IC1A、IC1B两级放大后，从IC1B的7脚输出增强信号。
由于P2288感生的模拟信号电压可正可负，故IC1B7脚输出的电压亦可正可负（对中心电压3V而言）。为保证输入单片机TTL高电平信号，利用D1、D2、R5、R6、R12、R13及IC1C组成双门限比较器，当其输出的电压达到4.1V以上时，通过D1施加于IC1C 10脚的电压高于9脚的3.3V电压，使IC1C 8脚输出高电平；而当IC1B 7脚输出的电位低于２Ｖ时，IC1C 9脚的电压将通过D2下降至2.7V以下，其8脚同样输出高电平。
2.2 CAN总线控制、收发电路
CAN总线通信系统硬件接口电路主要由单片机控制器AT89C51、CAN控制器和CAN接口构成。在总线通信接口中选取PHILIPS公司的SJA1000[1]CAN总线控制器以及82C250总线收发器，如图3所示为利用ProtelDXP设计总线系统节点硬件电路图。其中，AT89C51负责SJA1000的初始化，通过控制82C250 TXD、RXD实现数据的接收和发送等通信任务。
 

AT89C51通过MAX232与PC机实现串行通信，设置SJA1000工作在Intel模式，由PC机发送数据写入AT89C51，再通过控制信号由AT89C51将数据写入SJA1000并通过CAN收发器82C250发送。接收数据通过中断进行，CAN BUS的数据经82C250接收并写入SJA1000。然后通过中断提请CPU读取数据上传PC机[4]。
为增强CAN总线节点的抗干扰能力，在CAN控制器SJA1000的TX0和RX0不直接与CAN收发器82C250的TXD和RXD相连，而是通过接入6N137高速光电隔离器，实现了总线上各节点间的电气隔离。这些部分虽然使节点复杂，但确提高了节点的稳定性和安全性[5]。
82C250与CAN总线接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过5Ω电阻R6、R7与CAN总线相连，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了C4、C5两30PF电容，起到滤除总线高频干扰和防电磁辐射的作用。在总线接入端与地之间分别反接了保护二极管，当总线有较高的负电压时，通过二极管短路起到保护82C250瞬间高压情况下受损的危险，82C250的8脚与地之间的电阻RS称为斜率电阻，它的取值决定了系统处于高速工作方式还是斜率控制方式[6]。电阻的大小可根据总线速率适当调整，其值在16Ω~140kΩ之间选用。本系统采用斜率控制方式，RS阻值选择47KΩ[7]。
另外，需要注意总线的两端接有两个120Ω的R9、R10电阻[4]，用于匹配总线阻抗的作用。忽略接入会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法实现数据通信。
2.3 智能分布式检测控制系统设计
由于CAN总线传输距离远，传输速率快，有较强的抗电磁干扰能力，已成为国际上应用最广泛的现场总线之一，成为一种国际标准（ISO-11898）[9]。上位机采用普通的PC机，通过该系统上位管理软件完成控制方案的编辑、修改、下载和上传。PC机通过上位节点串行接口转换器MAX232与系统进行连接并下载控制方案，控制方案下载后系统可脱离PC机独立运行。本设计将基本节点、上位节点、PC机组成CAN总线通信系统方便实现智能分布式实时监控、高速数据采集等。组成原理如图4所示。