CN110672483A - 一种低功耗激光粉尘传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低功耗激光粉尘传感器，包括主板、粉尘检测元件，所述主板与所述粉尘检测元件相连接；所述主板包括电源模块、电压采集模块、显示模块、指示灯模块、红外遥控模块、CAN通信模块、MCU控制模块、按键电路、电流输出模块、蜂鸣器模块、复位电路，所述MCU控制模块的输出端分别与所述显示模块的输入端、所述指示灯模块的输入端、所述电流输出模块的输入端、所述蜂鸣器模块的输入端相连接，所述MCU控制模块的输入端分别与所述红外遥控模块的输出端、所述按键电路的输出端、所述复位电路的输出端相连接，所述MCU控制模块的输入输出端分别与所述CAN通信模块的输入输出端、所述电压采集模块的输入输出端相连接。本发明可用于粉尘浓度高的矿井。
Description
技术领域
本发明涉及一种低功耗激光粉尘传感器，属于传感器设计技术领域。
背景技术
目前煤矿粉尘传感器主要采用：(1)采用计重法原理的滤膜式粉尘采样器；(2)采用光学散射原理的粉尘测量仪；(3)采用静电感应原理的粉尘测量仪。重量法原理主要通过吸气式粉尘采样器，把空气中的粉尘过滤到滤膜上，然后配合精密天平称量清洁滤膜和含尘滤膜的重量差，该重量差即为吸入的计量体积空气中的粉尘含量，通过计算可得出环境中的质量浓度，该方法操作麻烦，无法连续在线监测。光散射法:当光照射在空气中悬浮颗粒物上时，会产生散射光，散射光的强度与其质量浓度成正比；通过测量散射光强度，应用质量浓度转换系数，得出颗粒物浓度值。
由于传统的粉尘传感器防护等级低，不易清洗，功耗较大且通信方式大多采用模拟通信或者485通信，通信距离近，通信稳定性差；本发明通过采用低功耗器件以及采用光散射原理的低功耗粉尘检测元件，即保证设备实时监控粉尘浓度，连续采集；又能实现设备的低功耗实现远距离供电及通信，目前主要用于矿井工作面粉尘浓度高的地方，由于环境较差，解决作业场所远距离供电及通信问题。
发明内容
要实现在作业场所的粉尘防治，必须要有可靠稳定的检测设备，要适应井下各种应用环境，需要实现远距离供电及通信；要实现远距离供电，粉尘传感器需要保证设备功耗必须低，且远距离供电之后由于线缆产生压降需要设备适应低电压工作，本发明使用宽电压的DCDC模块来保证设备在低电压环境下正常工作，同时设备采用超低功耗光散射原理的激光探头，保证设备功耗最低可以在井下任何环境进行远距离工作实时监测粉尘浓度。
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种低功耗激光粉尘传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，包括主板、粉尘检测元件，所述主板通过6pin端子与所述粉尘检测元件相连接；所述主板包括电源模块、电压采集模块、显示模块、指示灯模块、红外遥控模块、CAN通信模块、MCU控制模块、按键电路、电流输出模块、蜂鸣器模块、复位电路，所述MCU控制模块的输出端分别与所述显示模块的输入端、所述指示灯模块的输入端、所述电流输出模块的输入端、所述蜂鸣器模块的输入端相连接，所述MCU控制模块的输入端分别与所述红外遥控模块的输出端、所述按键电路的输出端、所述复位电路的输出端相连接，所述MCU控制模块的输入输出端分别与所述CAN通信模块的输入输出端、所述电压采集模块的输入输出端相连接，所述电源模块用于给所述主板供电。
作为一种较佳的实施例，电源模块包括电源本质安全型电路、DCDC模块，电源本质安全型电路的输出端电联接DCDC模块的输入端，DCDC模块的输出端电联接主板；电源本质安全型电路包括抗浪涌的压敏电阻R9、保险丝F1、TVS管D4，压敏电阻R9的一端通过串联保险丝F1并与TVS管D4的一端相连接，压敏电阻R9的另一端与TVS管D4的另一端相连接；DCDC模块的型号为PD0308模块，PD0308模块的1号引脚、2号引脚分别接述TVS管D4的两端，PD0308模块的5号引脚、7号引脚分别输出3.3V电压、8V电压。。
作为一种较佳的实施例，MCU控制模块采用32位处理芯片STM32F103CBT6。
作为一种较佳的实施例，电压采集模块包括电阻R26、电阻R21、电源VIN、保护电容C20、TVS管D8，电源VIN依次串联电阻R21、电阻R26然后接GND端，保护电容C20、TVS管D8分别并联在电阻R26的两端，电压采集模块的VIN_SIG端分别接MCU控制模块的PA6管脚、保护电容C20的一端、TVS管D8的一端。
作为一种较佳的实施例，电流输出模块采用LM358运放芯片，LM358运放芯片的3号引脚与MCU控制模块的PB9管脚连接。
作为一种较佳的实施例，CAN通信模块的型号为TD321DCAN型CAN通信隔离模块；TD321DCAN型CAN通信隔离模块的3号引脚、4号引脚分别连接MCU控制模块的PA12管脚、PA11管脚，TD321DCAN型CAN通信隔离模块的1号引脚、2号引脚分别连接至3.3V电源和GND端；TD321DCAN型CAN通信隔离模块8号引脚、9号引脚、10号引脚分别连接至输出端子的CANH端、CANL端、CANG端。
作为一种较佳的实施例，粉尘检测元件采用激光探头，激光探头通过6pin端子与MCU控制模块的PB10管脚、PB11管脚相连接。
作为一种较佳的实施例，显示模块包括相连接的4位高亮数码管、SN74HC164DR型通信芯片，SN74HC164DR型通信芯片的1号引脚、2号引脚与MCU控制模块的PB15管脚连接，SN74HC164DR型通信芯片的8号引脚与MCU控制模块的PB14管脚连接。
作为一种较佳的实施例，指示灯模块包括D19指示灯、D20指示灯、D21指示灯、J2指示灯、J3指示灯，D19指示灯与MCU控制模块的PB8管脚连接；D20指示灯与MCU控制模块的PC13管脚连接；D21指示灯与MCU控制模块的PC7管脚连接；J2指示灯、J3指示灯通过三极管Q4与MCU控制模块的PA7管脚连接，当PA7管脚输出高电平，三极管Q4导通，J2和J3指示灯亮，当PA7管脚输出低电平，三极管Q4不导通，J2和J3指示灯不亮。
作为一种较佳的实施例，蜂鸣器模块通过三极管Q5与MCU控制模块的PB12管脚连接，当PB12管脚输出高电平，三极管Q5导通，蜂鸣器响，当PB12管脚输出低电平，三极管Q5不导通，蜂鸣器不响；红外遥控模块采用HS0038B微型接收器，HS0038B微型接收器的1号引脚与MCU控制模块的PA15管脚连接；MCU控制模块的NRST管脚连接复位电路；MCU控制模块的PA3管脚连接按键电路。
本发明所达到的有益效果：第一，本发明针对现有技术存在的目前粉尘传感器大多采用模拟通信或者485通信，通信速率低，稳定性差，通信距离近的技术缺陷，本发明采用超低功耗的CAN通信隔离模块，保证了通信的稳定性，解决速率低的问题，同时CAN通信距离更远，更易适应复杂的井下环境；第二，本发明使用高性能MCU，通过程序将MCU降频以达到低功耗的作用，同时采用了软启动电源模块，使粉尘传感器的启动电流及工作电流达到最低，保证了现场远距离供电的需求，解决了井下复杂环境中不易取电的问题；第三，本发明防护等级IP65，防护等级更好，不易损坏，且体积小，同时清洗方式简单，大大降低了维护成本，清洗方式可采用水冲洗检测元件即可。
附图说明
图1是本发明的优选实施例的整体拓扑示意图。
图2是本发明的电源模块的电路连接图。
图3是本发明的MCU控制模块的电路连接图。
图4是本发明的电压采集模块的电路连接图。
图5是本发明的电流输出模块的电路连接图。
图6是本发明的CAN通信模块的电路连接图。
图7是本发明的粉尘检测元件的电路连接图。
图8是本发明的显示模块的电路连接图。
图9是本发明的指示灯模块的第一电路连接图。
图10是本发明的指示灯模块的第二电路连接图。
图11是本发明的蜂鸣器模块的电路连接图。
图12是本发明的红外遥控模块的电路连接图。
图13是本发明的复位电路的电路连接图。
图14是本发明的按键电路的电路连接图。
图中标记的含义：1-电源模块，2-电压采集模块，3-显示模块，4-指示灯模块，5-红外遥控模块，6-CAN通信模块，7-MCU控制模块，8-粉尘检测元件，9-按键电路，10-电流输出模块，11-蜂鸣器模块，12-复位电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种低功耗激光粉尘传感器，包括主板、粉尘检测元件8，主板通过粉尘检测元件8自带的6pin端子与粉尘检测元件8相连接；主板包括电源模块1、电压采集模块2、显示模块3、指示灯模块4、红外遥控模块5、CAN通信模块6、MCU控制模块7、按键电路9、电流输出模块10、蜂鸣器模块11、复位电路12，MCU控制模块7的输出端分别与显示模块3的输入端、指示灯模块4的输入端、电流输出模块10的输入端、蜂鸣器模块11的输入端相连接，MCU控制模块7的输入端分别与红外遥控模块5的输出端、按键电路9的输出端、复位电路12的输出端相连接，MCU控制模块7的输入输出端分别与CAN通信模块6的输入输出端、电压采集模块2的输入输出端相连接，电源模块1用于给主板供电；MCU控制模块7将采集到的粉尘浓度数据经本地处理后通过显示模块3进行本地显示，或者通过CAN通信模块6将数据上传上级设备进行通信和数据交换。
如图2所示，作为一种较佳的实施例，电源模块1包括电源本质安全型电路、DCDC模块，电源本质安全型电路的输出端电联接DCDC模块的输入端，DCDC模块的输出端电联接主板，9-24V电源通过电源本质安全型电路处理后由DCDC模块稳压后给主板各单元供电；电源本质安全型电路包括抗浪涌的压敏电阻R9、保险丝F1、TVS管D4，压敏电阻R9的一端通过串联保险丝F1并与TVS管D4的一端相连接，压敏电阻R9的另一端与TVS管D4的另一端相连接；DCDC模块采用高效率宽电压输入的PD0308模块，PD0308模块的1号引脚、2号引脚分别接述TVS管D4的两端，PD0308模块的5号引脚、7号引脚分别输出3.3V电压、8V电压。。
如图3所示，作为一种较佳的实施例，MCU控制模块7采用32位高性能处理芯片STM32F103CBT6。
如图4所示，作为一种较佳的实施例，电压采集模块2包括电阻R26、电阻R21、电源VIN、保护电容C20、TVS管D8，电源VIN依次串联电阻R21、电阻R26然后接GND端，保护电容C20、TVS管D8分别并联在电阻R26的两端，电压采集模块2的VIN_SIG端分别接MCU控制模块7的PA6管脚、保护电容C20的一端、TVS管D8的一端；电压采集模块2将采集到的电压输送管MCU控制模块7进行本地处理，来实时监测传感器供电状态。
如图5所示，作为一种较佳的实施例，电流输出模块10采用LM358运放芯片，LM358运放芯片采用PWM方式与MCU控制模块7进行通信，LM358运放芯片的3号引脚与MCU控制模块7的PB9管脚连接，实现控制功能，将采集到的数据转换为电流信号进行传输。
如图6所示，作为一种较佳的实施例，CAN通信模块6的型号为超低功耗的TD321DCAN型CAN通信隔离模块，TD321DCAN型CAN通信隔离模块采用CAN总线方式与MCU控制模块7进行通信和数据传输；TD321DCAN型CAN通信隔离模块的3号引脚、4号引脚分别连接MCU控制模块7的PA12管脚、PA11管脚，实现和MCU控制模块7进行实时通信，TD321DCAN型CAN通信隔离模块的1号引脚、2号引脚分别连接至3.3V和GND，给CAN通信模块7提供电源；TD321DCAN型CAN通信隔离模块8号引脚、9号引脚、10号引脚分别连接至输出端子的CANH端、CANL端、CANG端实现与上级设备的数据通信交互功能。
如图7所示，作为一种较佳的实施例，粉尘检测元件8采用光散射原理的激光探头，通过串口通信与MCU控制模块进行通信和数据交互，激光探头通过6pin端子与MCU控制模块7的PB10管脚、PB11管脚相连接。
如图8所示，作为一种较佳的实施例，显示模块3包括相连接的4位高亮数码管、SN74HC164DR型通信芯片，SN74HC164DR型通信芯片的1号引脚、2号引脚与MCU控制模块7的PB15管脚连接，SN74HC164DR型通信芯片的8号引脚与MCU控制模块7的PB14管脚连接，实现实时数据显示及控制功能。
如图9和图10所示，作为一种较佳的实施例，指示灯模块4包括D19指示灯、D20指示灯、D21指示灯、J2指示灯、J3指示灯，D19指示灯与MCU控制模块7的PB8管脚连接，通过本地处理显示故障状态；D20指示灯与MCU控制模块7的PC13管脚连接，通过本地处理显示串口通信状态；D21指示灯与MCU控制模块7的PC7管脚连接，通过本地处理显示设备与上级设备通信状态；J2指示灯、J3指示灯通过三极管Q4与MCU控制模块7的PA7管脚连接，当PA7管脚输出高电平，三极管Q4导通，J2和J3指示灯亮，当PA7管脚输出低电平，三极管Q4不导通，J2和J3指示灯不亮，通过本地处理指示灯及本地传感器的告警状态。
如图11、图12、图13和图14所示，作为一种较佳的实施例，蜂鸣器模块11通过三极管Q5与MCU控制模块7的PB12管脚连接，当PB12管脚输出高电平，三极管Q5导通，蜂鸣器响，当PB12管脚输出低电平，三极管Q5不导通，蜂鸣器不响，通过本地处理提示本地传感器声音告警状态；红外遥控模块采用HS0038B微型接收器，HS0038B微型接收器的1号引脚与MCU控制模块7的PA15管脚连接，用于接收遥控器数据，HS0038B采用曼彻斯特编码方式与MCU控制模块进行通信，实现通过遥控器进行本地数据查看及设置；MCU控制模块7的NRST管脚连接复位电路12；MCU控制模块7的PA3管脚连接按键电路9。
本发明的优点在于：采用低功耗的光散射原理的粉尘检测元件，稳定性好；采用32位高性能MCU芯片STM32F103RCT6，集成了采集，本地显示告警及传输通信功能；传感器采用超低功耗的CAN通信隔离模块，CAN通信速率高稳定性高利于井下远距离传输通信；维护成本低，易清洗；采用软启动宽电压电源模块，保证了传感器远距离供电。
需要说明的是：MCU控制模块可被替换为其它低功耗MCU；电源模块可被替换为其它具备软启动功能的DCDC模块；CAN通信模块及通信速率可被替换，本发明采用6K速率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，包括主板、粉尘检测元件（8），所述主板通过6pin端子与所述粉尘检测元件（8）相连接；所述主板包括电源模块（1）、电压采集模块（2）、显示模块（3）、指示灯模块（4）、红外遥控模块（5）、CAN通信模块（6）、MCU控制模块（7）、按键电路（9）、电流输出模块（10）、蜂鸣器模块（11）、复位电路（12），所述MCU控制模块（7）的输出端分别与所述显示模块（3）的输入端、所述指示灯模块（4）的输入端、所述电流输出模块（10）的输入端、所述蜂鸣器模块（11）的输入端相连接，所述MCU控制模块（7）的输入端分别与所述红外遥控模块（5）的输出端、所述按键电路（9）的输出端、所述复位电路（12）的输出端相连接，所述MCU控制模块（7）的输入输出端分别与所述CAN通信模块（6）的输入输出端、所述电压采集模块（2）的输入输出端相连接，所述电源模块（1）用于给所述主板供电。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述电源模块（1）包括电源本质安全型电路、DCDC模块，所述电源本质安全型电路的输出端电联接所述DCDC模块的输入端，所述DCDC模块的输出端电联接所述主板；所述电源本质安全型电路包括抗浪涌的压敏电阻R9、保险丝F1、TVS管D4，所述压敏电阻R9的一端通过串联所述保险丝F1并与所述TVS管D4的一端相连接，所述压敏电阻R9的另一端与所述TVS管D4的另一端相连接；所述DCDC模块的型号为PD0308模块，所述PD0308模块的1号引脚、2号引脚分别接所述述TVS管D4的两端，所述PD0308模块的5号引脚、7号引脚分别输出3.3V电压、8V电压。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述MCU控制模块（7）采用32位处理芯片STM32F103CBT6。
4.根据权利要求3所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述电压采集模块（2）包括电阻R26、电阻R21、电源VIN、保护电容C20、TVS管D8，所述电源VIN依次串联所述电阻R21、所述电阻R26然后接GND端，所述保护电容C20、所述TVS管D8分别并联在所述电阻R26的两端，所述电压采集模块（2）的VIN_SIG端分别接所述MCU控制模块（7）的PA6管脚、所述保护电容C20的一端、所述TVS管D8的一端。
5.根据权利要求3所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述电流输出模块（10）采用LM358运放芯片，所述LM358运放芯片的3号引脚与所述MCU控制模块（7）的PB9管脚连接。
6.根据权利要求3所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述CAN通信模块（6）的型号为TD321DCAN型CAN通信隔离模块；所述TD321DCAN型CAN通信隔离模块的3号引脚、4号引脚分别连接所述MCU控制模块（7）的PA12管脚、PA11管脚，所述TD321DCAN型CAN通信隔离模块的1号引脚、2号引脚分别连接至3.3V电源和GND端；所述TD321DCAN型CAN通信隔离模块8号引脚、9号引脚、10号引脚分别连接至输出端子的CANH端、CANL端、CANG端。
7.根据权利要求3所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述粉尘检测元件（8）采用激光探头，所述激光探头通过6pin端子与所述MCU控制模块（7）的PB10管脚、PB11管脚相连接。
8.根据权利要求3所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述显示模块（3）包括相连接的4位高亮数码管、SN74HC164DR型通信芯片，所述SN74HC164DR型通信芯片的1号引脚、2号引脚与所述MCU控制模块（7）的PB15管脚连接，所述SN74HC164DR型通信芯片的8号引脚与所述MCU控制模块（7）的PB14管脚连接。
9.根据权利要求3所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述指示灯模块（4）包括D19指示灯、D20指示灯、D21指示灯、J2指示灯、J3指示灯，所述D19指示灯与所述MCU控制模块（7）的PB8管脚连接；所述D20指示灯与所述MCU控制模块（7）的PC13管脚连接；所述D21指示灯与所述MCU控制模块（7）的PC7管脚连接；所述J2指示灯、所述J3指示灯通过三极管Q4与所述MCU控制模块（7）的PA7管脚连接，当PA7管脚输出高电平，三极管Q4导通，J2和J3指示灯亮，当PA7管脚输出低电平，三极管Q4不导通，J2和J3指示灯不亮。
10.根据权利要求9所述的一种低功耗激光粉尘传感器，其特征在于，所述蜂鸣器模块（11）通过三极管Q5与所述MCU控制模块（7）的PB12管脚连接，当PB12管脚输出高电平，三极管Q5导通，蜂鸣器响，当PB12管脚输出低电平，三极管Q5不导通，蜂鸣器不响；所述红外遥控模块采用HS0038B微型接收器，所述HS0038B微型接收器的1号引脚与所述MCU控制模块（7）的PA15管脚连接；所述MCU控制模块（7）的NRST管脚连接所述复位电路（12）；所述MCU控制模块（7）的PA3管脚连接所述按键电路（9）。
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| CN201911039826.8A Active CN110672483B (zh) | 2019-10-29 | 2019-10-29 | 一种低功耗激光粉尘传感器 |
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| CN (1) | CN110672483B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111711467A (zh) * | 2020-08-19 | 2020-09-25 | 南京北路自动化系统有限责任公司 | 一种基于蓝牙和lora的工作面标识装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN101369157A (zh) * | 2008-09-25 | 2009-02-18 | 山东科技大学 | 矿井粉尘浓度控制装置 |
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-
2019
- 2019-10-29 CN CN201911039826.8A patent/CN110672483B/zh active Active
Patent Citations (8)
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|---|---|
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