Датчик шума

Полезная модель относится к технической области измерений физических величин, в частности к измерительным приборам уровня шума, и может быть использована в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Известен датчик шума, который содержит микрофон, усилитель, модуль дискретизации (АЦП), цифровой сигнальный процессор и однокристальный микрокомпьютер, последовательно соединенные друг с другом, а также модуль беспроводной передачи данных, причем модуль беспроводной передачи данных соединен с портом вывода сигнала процессора цифровых сигналов (патент CN №202420666 U, опубл. 05.09.2012).
Упомянутый датчик вполне функционален и прост в обслуживании, однако обладает существенным недостатком - ограниченной областью применения, поскольку не может быть интегрирован в цифровые системы экологического мониторинга с использованием протокола DALI ввиду отсутствия соответствующего выходного интерфейса.
Известен датчик шума, который содержит последовательно соединенные звукопроводящее устройство, усилитель, модуль аналого-цифрового преобразователя (далее - АЦП) и микропроцессор, при этом звукопроводящее устройство служит для сбора звуковых сигналов и преобразования звуковых сигналов в моделируемое напряжение, усилитель используется для уменьшения импеданса сигналов напряжения для получения сигналов напряжения с низким импедансом, модуль дискретизации AD используется для преобразования сигналов напряжения с низким импедансом в цифровые сигналы, микропроцессор используется для получения расчетных параметров, необходимых для вычисления уровня звукового давления и отправки данных в вышестоящий процессор, который используется для анализа уровня звукового давления (патент CN №201637481 U, опубл. 17.11.2010).
Упомянутый датчик вполне функционален и прост в обслуживании, однако обладает существенным недостатком - ограниченной областью применения, поскольку не может быть интегрирован в цифровые системы экологического мониторинга с использованием протокола DALI ввиду отсутствия соответствующего выходного интерфейса.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является датчик шума на базе операционной системы Linux, который включает в себя микрофон, операционный усилитель, микроконтроллер с интегрированным аналого-цифровым преобразователем и интерфейс SPI, микрофон соединен с операционным усилителем, операционный усилитель соединен с АЦП микроконтроллера, а микроконтроллер через интерфейс SPI соединен с материнской платой Linux (патент CN №214502661 U, опубл. 26.10.2021).
Упомянутый прототип вполне функционален и прост в изготовлении и обслуживании, однако обладает существенным недостатком - ограниченной областью применения, поскольку не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы экологического мониторинга на базе объектов наружного освещения с использованием профильного для них протокола DALI ввиду отсутствия соответствующего интерфейса. Информационно: такая распределенная цифровая система экологического мониторинга реализована в рамках программы КУЛОН ООО «Сандракс» (www.kulon.su [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.kulon.su/catalog/products-QULON/, свободный - (22.02.2022). К преимуществам использования системы управления освещением в целях экологического мониторинга следует отнести собственно ее наличие практически повсеместно (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 шума 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 шума, включающий микрофон, соединенный через операционный усилитель с микроконтроллером с встроенным аналого-цифровым преобразователем и интерфейсными входом и выходом, и блок питания микроконтроллера, снабжен интерфейсной шиной, включающей положительный провод DALI+ и отрицательный провод DALI-, объединенный со схемной землей (цепь Общий), а микроконтроллер снабжен передающим и приемным транзисторными ключами, из которых приемный 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 передающий 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 поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема заявленного датчика шума.
Цифровые позиции на чертеже означают следующее:
1 - интерфейсный провод DALI+;
2 - интерфейсный провод DALI-, объединенный со схемной землей GND;
3 - схемная земля (GND);
4 - шина интерфейса;
5 - микрофон;
6 - операционный усилитель;
7 - интегрирующая цепь выхода усилителя;
8 - микроконтроллер;
9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
10 - встроенный подтягивающий резистор (PULL-UP) входа микроконтроллера;
11 - блок питания;
12 - отводы питания компонентов датчика шума;
13 - приемный транзисторный ключ;
14 - биполярный n-р-n транзистор;
15 - резистор, шунтирующий эмиттерный переход биполярного n-р-n транзистора;
16 - токоограничивающий резистор;
17 - стабилитрон;
18 - передающий транзисторный ключ;
19 - полевой транзистор n-типа;
20 - резистор фиксации нулевого уровня.
В соответствии с заявленной полезной моделью, датчик шума содержит микрофон 5, соединенный через операционный усилитель 6 с микроконтроллером 8 с встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 9 и интерфейсными входом и выходом, и блок питания 11 микроконтроллера 8. Как это представлено на чертеже, целесообразно, чтобы выход операционного усилителя 6 был подключен к первому входу напрямую, а через интегрирующую цепь 7 - ко второму входу АЦП 9.
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 со схемной землей GND 3. Блок питания 11 микроконтроллера 8 имеет положительный и GND (минус/схемная земля/корпус) выходы, которые питают микроконтроллер 8 и усилитель 5, кроме того, блок питания 11 может предусматривать отводы питания 12 отдельных компонентов датчика шума. Микроконтроллер 8 снабжен интерфейсными входом и выходом и взаимодействующими с ними передающим 18 и приемным 13 транзисторными ключами. Приемный ключ 13 выполнен на биполярном n-р-n транзисторе 14, эмиттер (здесь и далее называемые элементы транзисторов соответствуют их стандартным символам на обозначениях, использованных на представленном чертеже) которого соединен со вторым 2 проводом шины 4, коллектор соединен с интерфейсным входом микроконтроллера 8 с включенным встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 10, а эмиттер соединен со вторым проводом 2 упомянутой шины 4, при этом эмиттерный переход транзистора 14 шунтирован резистором 15, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор 16 и стабилитрон 17 (информационно: последовательность установки резистора 16 и стабилитрона 17 друг за другом не существенна) с первым проводом 1 упомянутой шины 4. Передающий ключ 18 выполнен на полевом транзисторе n-типа 19, сток которого соединен с первым 1 проводом шины 4, исток соединен со вторым 2 проводом шины 4, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера 11.
Заявленный датчик шума работает следующим образом.
Опрос и сбор данных датчика шума (множества датчиков шума) 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 компьютером и микроконтроллером 8 датчика шума двунаправленно передаются битовые потоки данных. Микрофон 5 принимает звук, преобразуя его в переменное напряжение, усиливаемое операционным усилителем 6. Сигнал далее поступает на вход АЦП 9 микроконтроллера 8. Кроме того, сглаженное интегрирующей цепью 7 до постоянного уровня, указанное напряжение поступает на второй вход АЦП 9. Этот сигнал показывает уровень постоянного смещения нулевого сигнала. Микроконтроллер 8 в свою очередь производит обработку полученных отсчетов напряжения, вычисляя на их основе уровень шума, а сам при этом работает под управлением вышестоящего контроллера, общаясь с ним посредством передающего 18 и приемного 13 транзисторных ключей через интерфейс DALI, реализованный в шине 4. В предающий ключ 18 входит полевой транзистор 19 n-типа. При поступлении на затвор транзистора 19 передающего ключа 18 от микроконтроллера 8 высокого уровня, ключ 18 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 18, также нормирован по величине. При поступлении на затвор ключа 18 от микроконтроллера 8 низкого уровня, ключ 18 закрывается и размыкает провода DALI+ и GND, на шине 4 формируется высокий уровень. Соответственно, последовательность высоких и низких уровней (битов) образует последовательный двоичный код. Сам битовый поток формируется микроконтроллером 8.
В приемный ключ 13 входит биполярный n-р-n транзистор 14. При низком уровне на проводе DALI+ напряжение на базе транзистора 14 ключа 13 также низкое, ключ 13 закрыт и на интерфейсном входе микроконтроллера 8, имеющего включенную подтяжку к высокому уровню (включенный встроенный подтягивающий резистор PULL UP 10), наличествует высокий уровень. При высоком уровне на проводе DALI+, превышающем сумму напряжения стабилизации стабилитрона 17 и падения напряжения на эмиттерном переходе ключа 13, через входную цепь ключа 13 течет базовый ток, ключ 13 открыт, и на интерфейсном входе микроконтроллера 8 формируется низкий уровень. Обработка принимаемого битового потока так же осуществляется микроконтроллером 8.
Таким образом, сформированный в датчике шума двунаправленный цифровой интерфейс позволяет использовать датчик (множество датчиков) в распределенных цифровых системах экологического мониторинга, базирующихся на системах управления освещением (наружным, дорожным, городским, сельским и т.п.) с использованием протокола DALI.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - обеспечении возможности использования датчика шума в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI - достигнут.