Датчик пыли

Полезная модель относится к технической области измерительных приборов, в частности к датчикам измерения концентрации пыли в воздухе и может быть использована в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Для измерении концентрации пыли в воздухе наибольшее распространение получили оптические датчики пыли, состоящие из бокса с оптической системой, инфракрасными излучателем и фотоприемником, установленными под углом друг к другу и сфокусированными в зоне, куда из вне поступает пыль, концентрация которой измеряется путем подсвечивания пылинок и регистрации отраженного от них света.
Известен датчик пыли, который содержит инфракрасный излучатель с оптическими приемниками отраженного и ослабленного излучения, оптические приемники расположены в одной плоскости с излучателем, при этом датчик помещен в корпус и имеет встроенное вычислительное устройство, выдающее показания на индикатор, расположенный в стационарном или переносном приборе (патент РФ №186970 U1, опубл. 12.02.2019).
Упомянутый датчик вполне функционален и прост в обслуживании, однако обладает существенным недостатком - ограниченной областью применения, поскольку не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы экологического мониторинга ввиду отсутствия соответствующего внешнего интерфейса.
Известен датчик пыли, включающий установленные под углом друг к другу и сфокусированные в зоне измерения концентрации пыли инфракрасный излучатель и фотоприемник, трансимпедансный усилитель сигналов с фотоприемника с активным фильтром, аналоговый вход которого соединен с аналоговым выходом фотоприемника, и интерфейс с аналоговыми входами и выходами (www.ti.com [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ti.com/lit/ug/tidub65c/tidub65c.pdf?ts=1640085582188&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.ru%252F, свободный - (22.02.2022).
Упомянутый аналог вполне функционален и прост в обслуживании, однако обладает существенным недостатком - ограниченной областью применения, поскольку не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы экологического мониторинга с использованием, например, протокола DALI, поскольку обладает аналоговым интерфейсом.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является датчик пыли, включающий сфокусированные в зоне измерения концентрации пыли инфракрасный излучатель с драйвером и фотоприемник, соединенные соответственно через усилитель сигналов и транзисторный ключ с микроконтроллером с встроенным аналогово-цифровым преобразователем, блок питания постоянного тока и интерфейс, формируемый соответствующими входами и выходами микропроцессора, выдающего показания на индикатор и принимающего команды с пульта, расположенных в стационарном или переносном приборе (www.ti.com [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://global.sharp/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp2y1010au_appl_e.pdf, свободный - (22.02.2022).
Упомянутый прототип вполне функционален и прост в изготовлении и обслуживании, однако обладает существенным недостатком - он не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы экологического мониторинга на базе объектов освещения (дорожного, городского, сельского и т.п.) с использованием профильного для них протокола DALI ввиду отсутствия у него соответствующего интерфейса. Информационно: такая распределенная цифровая система мониторинга реализована в рамках программы КУЛОН ООО «Сандракс» (www.kulon.su [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.kulon.su/catalog/products-QULON/, свободный - (10.03.2022). К преимуществам использования системы управления освещением в целях экологического мониторинга следует отнести собственно ее наличие (нет необходимости создавать сеть заново), весьма широкую и плотную разветвленность, удобство размещения соответствующих датчиков на опорах, кронштейнах, панелях и т.п. освещения, ее надежность и помехозащищенность.
Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков известных технических решений.
Технический результат заключается в обеспечении возможности использования датчика пыли в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что датчик пыли, содержащий сфокусированные в зоне измерения концентрации пыли инфракрасный излучатель с драйвером и фотоприемник, соединенные соответственно через транзисторный ключ и усилитель сигналов с микроконтроллером с встроенным аналогово-цифровым преобразователем и интерфейсными входом и выходом, и блок питания микроконтроллера, снабжен интерфейсной шиной, включающей положительный провод DALI+ и отрицательный провод DALI-, объединенный с схемной землей, а микроконтроллер снабжен входным и выходным транзисторными ключами, из которых входной ключ выполнен на биполярном n-р-n транзисторе, коллектор которого соединен с интерфейсным входом микроконтроллера с включенным встроенным подтягивающим резистором, эмиттер соединен с проводом DALI-интерфейсной шины, при этом эмиттерный переход транзистора шунтирован резистором, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор и стабилитрон с проводом DALI+ интерфейсной шины, а выходной ключ выполнен на полевом транзисторе n-типа, сток которого соединен с проводом DALI+ интерфейсной шины, исток соединен с проводом DALI- интерфейсной шины, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная схема заявленного датчика пыли.
Цифровые позиции на чертеже означают следующее:
1 - интерфейсный провод DALI+;
2 - интерфейсный провод DALI-, объединенный с схемной землей GND;
3 - схемная земля (GND);
4 - шина интерфейса;
5 - инфракрасный излучатель;
6 - фотоприемник;
7 - усилитель сигналов с фотоприемника;
8 - драйвер инфракрасного излучателя;
9 - транзисторный ключ;
10 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
11 - микроконтроллер;
12 - зона измерения концентрации пыли;
13 - встроенный подтягивающий резистор (PULL-UP) входа микроконтроллера;
14 - входной транзисторный ключ;
15 - выходной транзисторный ключ;
16 - полевой транзистор n-типа;
17 - биполярный n-р-n транзистор;
18 - резистор, шунтирующий эмиттерный переход биполярного n-р-n транзистора;
19 - токоограничивающий резистор;
20 - стабилитрон;
21 - резистор фиксации нулевого уровня;
22 - блок питания;
23 - отводы питания компонентов датчика пыли.
В соответствии с заявленной полезной моделью, датчик пыли содержит сфокусированные в зоне измерения концентрации пыли 12 (как и в прототипе, область поступления пыли представляет собой проницаемый для пылевоздушной смеси бокс) инфракрасный излучатель 5 с драйвером 8 и фотоприемник 6 (на чертеже взаимная ориентация условно показана стрелками). Инфракрасный излучатель 5 через драйвер 8 и фотоприемник 6 через усилитель сигналов 7 и транзисторный ключ 9 соединены с микроконтроллером 11, оснащенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 10. В этой части заявленное техническое решение полностью совпадает с прототипом. В отличие от прототипа, в качестве интерфейса использован интерфейс DALI с шиной 4, включающей первый 1 интерфейсный провод DALI+ и второй 2 интерфейсный провод DALI-, объединенный с схемной землей GND. Блок питания 22 микроконтроллера 11 имеет положительный и GND (минус/схемная земля/корпус) выходы, которые питают микроконтроллер 11, кроме того, блок питания 22 может предусматривать отводы питания 23 отдельных компонентов датчика пыли. Микроконтроллер 11 снабжен интерфейсными входом и выходом и взаимодействующими с ними выходным 15 и входным 14 транзисторными ключами. Входной ключ 14 выполнен на биполярном n-p-n транзисторе 17, эмиттер (здесь и далее называемые элементы транзисторов соответствуют их стандартным символам на обозначениях, использованных на представленном чертеже) которого соединен с вторым 2 проводом шины 4, коллектор соединен с интерфейсным входом микроконтроллера 11 с включенным встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 13, а эмиттер соединен с вторым проводом 2 упомянутой шины 4, при этом эмиттерный переход транзистора 17 шунтирован резистором 18, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор 19 и стабилитрон 20 (информационно: последовательность установки резистора 19 и стабилитрона 20 друг за другом не существенна) с первым проводом 1 упомянутой шины 4. Выходной ключ 15 выполнен на полевом транзисторе n-типа 16, сток которого соединен с первым 1 проводом шины 4, исток соединен с вторым 2 проводом шины 4, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера 11.
Заявленный датчик пыли работает следующим образом.
Опрос и сбор данных датчика пыли (множества датчиков пыли) осуществляется через интерфейс DALI с вышестоящего контроллера (не показан). Напомним, что интерфейс DALI представляет собой двунаправленный двухпроводный цифровой интерфейс, ориентированный для преимущественного использования в осветительной технике. DALI провода (DALI+ и DALI-) запитываются извне специальным источником питания 12 - 22 В с функцией ограничения тока, нормированного по величине в пределах, оговоренных в стандарте (0,25 А). По DALI проводам 1 и 2 между вышестоящим контроллером и микроконтроллером 11 датчика пыли двунаправлено передаются битовые потоки данных. По команде микроконтроллера 11, полученной от вышестоящего контроллера через интерфейс DALI, реализованный в шине 4, и переданной (посредством транзисторного ключа 9 и драйвера инфракрасного излучателя 8) на инфракрасный излучатель 5, последний излучает импульсный свет в область поступления пыли 12, а фотоприемник 6 принимает свет, отраженный от пыли. Фотоприемник 6 генерирует импульс тока, пропорциональный количеству обнаруженного света/пыли, и выдает аналоговый выходной сигнал напряжения на аналого-цифровой преобразователь 10 микроконтроллера 11, синхронизированный с импульсным сигналом инфракрасного излучателя 5 после того, как усилитель сигналов с фотоприемника 7 усиливает сигнал. Измеренное таким образом значение обрабатывается микроконтроллером 11 и передается в цифровом виде вышестоящему контроллеру через интерфейс DALI, реализованный в шине 4. В выходной ключ 15 входит полевой транзистор 16 n-типа. При поступлении на затвор транзистора 16 выходного ключа 15 от микроконтроллера 11 высокого уровня, ключ 15 открывается и замыкает провод DALI+ на GND, формируя низкий уровень на шине 4. Поскольку источник питания шины 4, как указывалось выше, имеет нормированное ограничение по току, то ток, протекающий через ключ 15, также нормирован по величине. При поступлении на затвор ключа 15 от микроконтроллера 11 низкого уровня, ключ закрывается и размыкает провода DALI+ и GND, на шине 4 формируется высокий уровень. Соответственно, последовательность высоких и низких уровней (битов) воспринимается, как двоичный код. Сам битовый поток формируется микроконтроллером 11.
В входной ключ 14 входит биполярный n-p-n транзистор 17. При низком уровне на проводе DALI+ напряжение на базе транзистора 17 ключа 14 также низкое, ключ 14 закрыт и на интерфейсном входе микроконтроллера 11, имеющего включенную подтяжку к высокому уровню (включенный встроенный подтягивающий резистор PULL UP 13), наличествует высокий уровень. При высоком уровне на проводе DALI+, превышающем сумму напряжения стабилизации стабилитрона 20 и падения напряжения на эмиттерном переходе ключа 14, через входную цепь ключа 14 течет базовый ток, ключ 14 открыт, и на интерфейсном входе микроконтроллера 11 формируется низкий уровень. Обработка принимаемого битового потока так же осуществляется микроконтроллером 11.
Проведенные натурные эксперименты и результаты компьютерного моделирования показали, что сформированный заявленным образом в датчике пыли двунаправленный цифровой интерфейс позволяет использовать датчик (множество датчиков) в распределенных цифровых системах мониторинга на базе объектов дорожного освещения с использованием профильного для них протокола DALI, обеспечивая требуемое качество измерений.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - обеспечение возможности использования датчика пыли в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI - достигнут.