RU211317U1

RU211317U1 - Датчик температуры дорожного покрытия

Info

Publication number: RU211317U1
Application number: RU2022108440U
Authority: RU
Inventors: Владимир Ефимович Подтуркин; Джамиля Викторовна Чайкина; Вячеслав Анатольевич Иванов; Даниил Сергеевич Десятов; Филипп Михайлович Мыскин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Сандракс"
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2022-05-31

Abstract

Полезная модель относится к устройствам, измеряющим температуру дорожного покрытия, в частности к датчикам температуры дорожного покрытия с инфракрасным (ИК) сенсором, и может быть использована в распределенных цифровых системах мониторинга с использованием протокола DALI. Датчик температуры дорожного покрытия содержит инфракрасный сенсор MLX90614 5 и микроконтроллер 11, соединенные системной шиной управления I²C 10 и снабженные общим источником питания 21, при этом микроконтроллер 11 использован типа STM32, в качестве интерфейса использован интерфейс DALI, реализованный в шине 4, включающей первый 1 интерфейсный провод DALI+ и второй 2 интерфейсный провод DALI-, объединенный со схемной землей GND 3, микроконтроллер 11, имеющий интерфейсные вход и выход, снабжен взаимодействующими с ними входным 13 и выходным 18 транзисторными ключами, из которых входной ключ 13 выполнен на биполярном n-р-n транзисторе 14, эмиттер которого соединен со вторым 2 проводом шины 4, коллектор соединен с интерфейсным входом микроконтроллера 11 с включенным встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 12, 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 с первым проводом 1 упомянутой шины 4, а выходной 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. Технический результат - обеспечение возможности использования датчика температуры дорожного покрытия в распределенных цифровых системах мониторинга на базе объектов дорожного освещения с использованием профильного для них протокола DALI. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к технической области измерений физических величин, в частности к датчикам температуры дорожного покрытия с инфракрасным (ИК) сенсором, и может быть использована в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.

Известен датчик температуры широкого применения, в том числе пригодный для измерения температуры дорожного покрытия, содержащий подложку и колпачок, охватывающий полость, пиксель датчика в полости, содержащий первый поглотитель для приема ИК излучения, первый нагреватель, первое средство измерения температуры для измерения первой температуры; эталонный пиксель в той же полости, содержащий второй поглотитель, защищенный от ИК излучения, второй нагреватель и второе средство измерения температуры для измерения второй температуры, схему управления для подачи первой/второй мощности на первый/второй нагреватель, организованную таким образом, чтобы первая температура равнялась второй температуре, и выходную схему для формирования выходного сигнала, указывающего на ИК излучение, на основе разницы между первой и второй мощностью (заявка US №2016169738 А1, опубл. 16.06.2016).

Известный датчик в достаточной степени прост и надежен. К его недостаткам следует отнести невозможность его интегрирования в распределенные цифровые системы мониторинга на базе объектов дорожного освещения с использованием профильного для них протокола DALI.

Известен датчик температуры, пригодный для измерения температуры дорожного покрытия, с инфракрасным (ИК) сенсором, передатчиком и интерфейсом; ИК сенсор содержит воспринимающую ИК излучение термобатарею, резистивный детектор температуры RTD, компенсирующий температуру окружающей среды, и проводники, предназначенные соответственно для снятия первого и второго напряжений, и соответственно первый и второй проводники тока возбуждения; передатчик содержит контур возбуждения, сигнальный процессор, цифровой процессор и коммуникационный интерфейс; интерфейс осуществляет коммуникацию в различных форматах, включая аналоговый (токовый) выход с током в интервале 4-20 мА, коммуникационный протокол HART®, в котором цифровая информация промодулирована током 4-20 мА, коммуникационный протокол для цифровой шины, например для полевой шины (IEC 61158), или беспроводную коммуникацию в беспроводной сети, использующую беспроводной протокол, такой, например, как WirelessHART® (IEC 62951) (патент РФ №2670251 С2, опубл. 19.10.2018).

Известный датчик обладает достаточно высокой точностью измерения. Однако он также не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы мониторинга на базе объектов дорожного освещения с использованием профильного для них протокола DALI ввиду отсутствия соответствующего интерфейса.

Наиболее близким к заявленному прототипом является датчик температуры, базирующийся на инфракрасном сенсоре MLX90614 производства компании Melexis, в том числе пригодный для измерения температуры дорожного покрытия (Melexis INSPIRED ENGINEERING [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.melexis.com/en/documents/documentation/datasheets/datasheet-mlx90614, файл для скачивания, page 42, figure 37, вход свободный - (10.03.2022)). Он представляет собой инфракрасный сенсор MLX90614 и микроконтроллер, соединенные системной шиной управления I²C и снабженные общим источником питания.

Упомянутый прототип вполне функционален и прост в изготовлении и обслуживании, однако обладает существенным недостатком - он не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы мониторинга на базе объектов дорожного освещения 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 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 температуры дорожного покрытия в распределенных цифровых системах мониторинга на базе объектов дорожного освещения с использованием профильного для них протокола DALI.

Проблема решается, а технический результат достигается тем, что датчик температуры дорожного покрытия, содержащий инфракрасный сенсор MLX90614 и микроконтроллер, соединенные системной шиной управления I²C и снабженные общим источником питания, снабжен интерфейсной шиной, включающей положительный провод DALI+ и отрицательный провод DALI-, а микроконтроллер использован типа STM32 с интерфейсными входом с включенным встроенным подтягивающим резистором и выходом, и снабженный входным и выходным транзисторными ключами, из которых входной ключ выполнен на биполярном n-p-n транзисторе, коллектор которого соединен с интерфейсным входом микроконтроллера, 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 поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема заявленного датчика температуры дорожного покрытия.

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 - инфракрасный сенсор MLX90614;

6 - последовательный тактовый вход (SCL/Vz);

7 - земля/корпус (VSS);

8 - внешнее напряжение питания (VDD);

9 - цифровой ввод/вывод (SDA/PWM);

10 - системная шина управления I²C;

11 - микроконтроллер типа STM32;

12 - встроенный подтягивающий резистор (PULL-UP) входа микроконтроллера;

13 - входной транзисторный ключ;

14 - биполярный транзистор;

15 - резистор, шунтирующий эмиттерный переход биполярного транзистора;

16 - токоограничивающий резистор;

17 - стабилитрон;

18 - выходной транзисторный ключ;

19 - полевой транзистор;

20 - резистор фиксации нулевого уровня;

21 - источник питания.

В соответствии с заявленной полезной моделью, датчик температуры дорожного покрытия содержит инфракрасный сенсор MLX90614 5 и микроконтроллер 11, соединенные системной шиной управления I²C 10 и снабженные общим источником питания 21. Микроконтроллер 11 использован типа STM32 - он совместим с инфракрасным сенсором MLX90614 5 и может быть адаптирован для взаимодействия с вышестоящим контроллером по протоколу DALI описанным ниже образом. Соответственно, в качестве интерфейса использован интерфейс DALI, реализованный в шине 4, включающей первый 1 интерфейсный провод DALI+ и второй 2 интерфейсный провод DALI-, объединенный со схемной землей GND 3. Блок питания 21 имеет положительный и GND (минус/схемная земля/корпус) выходы, которые питают микроконтроллер 11 и инфракрасный сенсор 5. Микроконтроллер 11 типа STM32, имеющий интерфейсные вход и выход, снабжен взаимодействующими с ними входным 13 и выходным 18 транзисторными ключами. Входной 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 11 с включенным встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 12, 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. Выходной 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 температуры дорожного покрытия работает следующим образом.

Датчик температуры дорожного покрытия (множество датчиков температуры дорожного покрытия) устанавливается на элементах дорожной инфраструктуры, преимущественно опорах дорожного освещения. Опрос и сбор данных датчика температуры дорожного покрытия (множества датчиков температуры дорожного покрытия) осуществляется через интерфейс DALI с вышестоящего контроллера (не показан), осуществляющего одновременно и функцию управления дорожным освещением. Напомним, что интерфейс DALI представляет собой двунаправленный двухпроводный цифровой интерфейс, ориентированный для преимущественного использования в осветительной технике. DALI провода (DALI+ и DALI-) запихиваются 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 температуры дорожного покрытия двунаправленно передаются битовые потоки данных. В свою очередь сенсор MLX90614 5 принимает инфракрасное излучение, поступающее от дорожного покрытия, и измеряет его уровень. Микроконтроллер 11 периодически опрашивает сенсор 5 по системной шине управления I²C 10, а сам при этом работает под управлением вышестоящего контроллера (не показан), общаясь с ним по шине 4 DALI посредством входного транзисторного ключа 13 и передавая ему измеренные значения температуры дорожного покрытия посредством выходного транзисторного ключа 18. Как указывалось выше, в выходной транзисторный ключ 18 входит полевой транзистор 19 n-типа. При поступлении на затвор транзистора 19 ключа 18 от микроконтроллера 11 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 11. Во входной ключ 13 входит биполярный n-p-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 11, имеющем включенную подтяжку к высокому уровню (включенный встроенный подтягивающий резистор PULL UP 12), 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 11 формируется низкий уровень. Обработка принимаемого битового потока так же осуществляется микроконтроллером 11.

Проведенные эксперименты показали, что сформированный заявленным образом в датчике температуры дорожного покрытия 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 температуры дорожного покрытия в распределенных цифровых системах мониторинга на базе объектов дорожного освещения с использованием профильного для них протокола DALI - достигнут.

Claims

Датчик температуры дорожного покрытия, содержащий инфракрасный сенсор MLX90614 и микроконтроллер, соединенные системной шиной управления I²C и снабженные общим источником питания, отличающийся тем, что он снабжен интерфейсной шиной, включающей положительный провод DALI+ и отрицательный провод DALI-, а микроконтроллер использован типа STM32 с интерфейсными входом с включенным встроенным подтягивающим резистором и выходом, и снабженный входным и выходным транзисторными ключами, из которых входной ключ выполнен на биполярном n-p-n транзисторе, коллектор которого соединен с интерфейсным входом микроконтроллера, 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.