По материалам

Скачать книгу
Автомат ночного освещения
Во многих многоэтажных домах на лестничной клетке круглосу-точнЬ горит освещение, попусту тратя драгоценную электроэнергию. Кроме того, ресурс лампочки ограничен (автор регулярно их меняет раз в два месяца). Эту ситуацию можно исправить, установив автомат ноч­ного освещения. Такой автомат можно использовать как автономно для одной нагрузки, так и для нескольких (например, в пригородном доме для освещения периметра дома или крыльца в ночное время). Питание автомата осуществляется от той же сети, в которой находится нагрузка.
Автор рассмотрел три вида конструкций:
• для светильника лестничной клетки (рис. 11.1);
• для светильников приусадебного хозяйства (рис. 11.2);
• для светильника на крыльце или пороге дома (рис. 11.3).
Каждый из вариантов построен на базе одной схемы, но имеет раз­личные программы управления, которые точно выполняют поставлен­ные задачи. Например, на лестничной клетке необходимо наибольшее
время освещения и более грубая чувствительность к дневному свету. В приусадебном хозяйстве по периметру участка необходимо наимень­шее время освещения и повышенная чувствительность к свету. На крыльце дома жестких требований нет, поэтому чувствительность должна регулироваться в широком диапазоне коэффициента усиления.
Автомат (рис. 11.4) имеет ручную регулировку уровня срабатыва­ния освещения, отслеживает уровень напряжения сети для защиты на­грузки. В основе схемы применен микроконтроллер Атапу15 от компа­нии А1те1 [3], оснащенный Р1а5Ь-памятью на 1 Кбайт, памятью ЕЕРЯОМ на 64 байт, шестью линиями ввода-вывода, встроенным НС-генератором, а также АЦП, аналоговым компаратором и двумя тайме­рами/счетчиками.
Структурная схема автомата представлена на рис. 11.5. Главная идея заложена в аналого-цифровом преобразовании. Если аналогичные схемы [22] используют в качестве компаратора операционный усили­тель, то в рассматриваемом автомате эту функцию выполняет микро­контроллер.
Внешнее управление позволяет изменять уровень срабатывания в широких пределах. Систему можно настроить на различные варианты применения. Также не исключается ручное регулирование уровня сра­батывания и, как дополнительная функция, — защита от перенапряже­ния сети.
В питающей сети очень часто наблюдаются значительные броски. На осциллограмме, представленной на рис. 11.6, видны всплески негар­монического напряжения в сети, которые достигают значительных уровней напряжения.
При этом в нагрузку (лампочку) подается большая мощность, и, со­ответственно, нить накаливания еще более раскаляется и сгорает. Авто­мат реализует режим мониторинга напряжения сети и отключает на­грузку в случае сбоя. Кроме того, включение и выключение лампы про­изводится при переходе через ноль переменного напряжения сети 220 В. Такой процесс исключает резкий рост тока нити накаливания, который выводит из строя лампу во время включения.
Для разработки и понимания работы схемы, согласно теории, ис­пользуются некоторые свойства дневного света.
Физика света
Солнечное излучение на некоторых длинах волн полностью дохо­дит до земли, в то время как на других длинах волн почти целиком по­глощается [25]. Диапазон видимого света одновременно соответствует и максимальному уровню солнечного излучения, и максимальной про­зрачности атмосферы. По-видимому, на Земле живые организмы, обла­дающие зрением, ориентированы на эти два максимума.
Для практического применения автор поставил следующий экспе­римент. Фоторезистор СФ2-6, помещенный на балконе восьмого этажа, был подключен через усилитель к цепи питания. На нагрузке (напряже­ние измеряется на выводе 1 микросхемы 1С2А — см. рис. 11.8) наблю­дались изменения тока с 19:14 до 20:47 (месяц август в момент наи­большего изменения освещенности дневного света) (табл. 11.1). По субъективному мнению автора, сумерки, при которых человеческое зрение плохо различает объекты, наступают:
Схема автомата ночного освещения
Схема автомата ночного освещения представлена на рис. 11.8. Пи­тание схемы управления осуществляется от сети к которой подключена нагрузка.
Для достижения падения напряжения с 220 В до 9 В установлено реактивное сопротивление. Поскольку ток потребления схемы не пре­вышает 80 мА, мощности гасящих резисторов Я1 и Я18 достаточно для питания схемы.
Стабилитрон D1 выполняет роль стабилизатора напряжения и со­вместно с конденсатором СЗ выравнивает пульсации по питанию. Ми­нимальный ток стабилизации — 25 мА при питании 9 В. Если нагрузка потребляет ток более 80 мА, то напряжение стабилизации 9 В падает до 6 В, и D1 отключается от потребления тока. Если наоборот, растет на­пряжение сети, то стабилитрон D1 потребляет больше тока, который рассеивает в тепло.
Роль стабилизатора работы микроконтроллера выполняет микро­схема IC3. Поскольку микроконтроллер потребляет ток не более 30 мА, то IC3 выбрана в миникорпусе Т092.
Отдельно для измерения сети выделена цепь делителя напряжения R2, R3. Измерения пульсации и детектор нуля реализованы при считы­вании уровня напряжения на R3. В случае перенапряжения сети растет уровень импульса на конденсаторе С4, и микроконтроллер отключает нагрузку на 5 с. Максимальное напряжение на R3 не превышает 3 В.
Для исключения импульсных помех, создаваемых открытием семи-стора, микроконтроллер считывает данные напряжения сети и выделяет переход через ноль. В этот момент микроконтроллер открывает оптопа-ру ОК2, и семистор во время роста тока сети открывается. Аналогич­ным образом происходит закрывание семистора.
Для настройки автомата, предусмотрена кнопка "Сброс", таким об­разом, сброс микроконтроллера происходит при выключении питания или принудительно с помощью кнопки.
Функцию изменения режима эксплуатации устройства выполняет переключатель "Двор/Лестница". Микроконтроллер, считывая уровень в порту РВО, переключает режим программы.
Данные об освещенности местности поступают от фоторезистора R7. Для исключения самовозбуждения схемы, параллельно фоторези­стору установлен резистор R20, который ухудшает чувствительность, однако самовозбуждение входного операционного усилителя прерыва­ется, а схема входного каскада усиления получает простую ц надежную структуру. Операционный усилитель IC2B усиливает уровень освещен­ности, и подает его на IC2A. IC2A имеет регулировку усиления R8, для настройки уровня освещенности вручную.
Операционный усилитель используется при усилении порога чувст­вительности. При полном освещении (дневной свет) ОУ выходит в ре­жим насыщения, при этом функции усиления не нужны.
АЦП микроконтроллера (вход РВ4) считывает данные по уровню напряжения и, согласно режиму программы, включает или отключает семистор. Как только лампа включена, освещенность местности изменя­ется, на что реагирует фотодатчик. В этом случае существуют два спо­соба управления:
• отключение лампы на короткое время и считывание уровня осве­щенности;
• считывание уровня освещенности во время свечения лампы и сни­жение уровня срабатывания путем коррекции данных.
В программе реализован первый из двух методов, который хорош для лестничной клетки, но неприемлем для улицы, поскольку лампы могут быть галогенные или наполненные газом. Включение/вык­лючение отрицательно влияет на работу таких ламп. К тому же, они требуют длительного разогрева.
Программа
Блок схема алгоритма представлена на рис. 11.9. Программа (ас­семблерный код — в листинге 11.1, шестнадцатеричный — в листин­ге 11.2) начинается с настройки таймера и портов ввода-вывода. АЦП микроконтроллера содержит встроенный мультиплексор, который ком­мутирует измеряемые каналы.
Вначале проверяется АЦП1. Считываются данные по перенапряже­нию сети. АЦП выполняет четыре выборки и получает их среднее арифметическое. Если в сети не более % 240 В, то состояние порта В не изменяется, в противном случае порт В обнуляется.
Отсчитывается пауза в пять минут и проверяется переход через ноль сети. Лампа отключается, проверяется фотодатчик. Опорное на­пряжение для АЦП получают с вывода питания микроконтроллера. В процессе аналого-цифрового преобразования двоичное число Z вы­числяется по уравнению Z = 1024*UBx/UREF.
Для режима "Лестница" UBx = 4,5 В; Uref = VCc- Для микрокон­троллера Tiny 15 Z = 376i6.
Для режима "Улица" UBx = 2,8 В; UREF = VCc. Для микроконтролле­ра Tiny 15 Z = 22#716.
Программа при проверке уровня фотодатчика использует метод вы­читания. Поскольку АЦП при считывании уровня выдает двухбайтное число, необходима операция сравнения двух двухбайтных чисел. Мик­роконтроллер АТНпу 15 имеет ограниченный ресурс памяти и длины ко­манд, поэтому автор применил метод вычитания (т.е. из полученных с АЦП данных вычитается заданная константа и определяется поле до­пуска чисел). Для каждого из режимов работы константа имеет свое зна­чение и записана в конце программы.
Для данной программы поле допуска — 10 единиц АЦП (А^). Если результат вычитания — в поле допуска, то необходимый уровень дос­тигнут. Если результат вычитания больше поля допуска и имеет поло­жительное значение, то уровень выше заданного. Если результат вычи­тания больше поля допуска и имеет отрицательное значение, то уровень ниже заданного. Таким образом, имитируется работа аналогового ком­паратора. При этом программа микроконтроллера написана простыми математическими функциями, не требующими значительных ресурсов.
Если уровень света выше установленного режима, то лампа не включается, если же ниже — активизируется порт В, и лампа включает­ся. Включение производится по переходу через ноль сети. Дальше цикл повторяется.
Переход через ноль допускается на уровне ±10 В. Такой уровень напряжения не влияет на нагрев нити накаливания лампы, создает усло­вие включения семистора и не создает импульсных помех при коммута­ции нагрузки. В каждом цикле проверяется режим программы, и изме­няется уровень срабатывания согласно выбранному режиму. В случае сбоя микроконтроллер по нажатию кнопки "Сброс" переводится в нача­ло программы.
Плата изготовляется из двухстороннего металлизированного тек­столита и устанавливается на пластмассовые ножки для изоляции от корпуса. Микросхемы 1С 1 и 1С2 установлены на панельки для поэтап­ной настройки платы. На плате присутствуют разъемы РТЯ-500 (разной конфигурации и цвета, чтобы не перепутать провода) для подсоедине­ния питания сети, нагрузки и фотодатчика.
Автор собрал автомат навесным монтажом на макетной плате. Ее компоненты:
• фотодатчик — фоторезистор СФ2-6;
• операционный усилитель — ТЬ062 (два усилителя в одном корпусе) или любой с низковольтным питанием и низким дрейфом нуля;
• стабилитрон D\ — Д815Г в металлическом корпусе на напряжение стабилизации 9 В (при настройке можно установить на радиатор 50 мм2);
• резисторы мощностью 0,125 Вт;
• переменные резисторы — миниатюрные, маломощные на 10 кОм;
• резисторы II1 и Ш8 — по 200 Ом на 2 Вт (при настройке возможно увеличение мощности рассеивания);
• конденсатор ХС1 — составной: два параллельно включенных кон­денсатора с номиналом 0,68 мкФ х 350 В;
• конденсатор С2 — на 0,1 мкФ х 350 В;
• остальные конденсаторы — любые на напряжение 9 В
• светодиоды — любые на ток 5 мА;
• стабилизатор 5 В — микросхема 78Ь05 в миниатюрном корпусе;
• кнопка "Сброс" и переключатель режимов — обязательно с пласти­ковой ручкой;
• предохранительная колодка Р1 имеет пластиковый корпус для ис­ключения касания с элементами предохранителя;
• предохранитель для лампы 60 Вт — на 1 А;
• выпрямительный мост В2 — КВР08, но можно применить любой отечественный мост на ток до 500 мА и обратное напряжение 220 В;
• оптосемистор МОС3063;
• семистор ВТ136, без радиатора для лампы 60 Вт.
Настройка
Настройка автомата состоит из трех этапов.
1. Вначале настраивается канал измерения. Для питания схемы под­ключается нестабилизированное постоянное напряжение 9 В к точ­ке А в соответствии с полярностью схемы. Проверяется на нагрев стабилитрон D2. Проверяется напряжение после IC3: 5 В.
2. Проводится тест "прошивки" микроконтроллера. Записывается тес­товая программа, представленная в листинге 11.3 (ассемблерный код) и листинге 11.4 (шестнадцатеричный код), и включается мик­роконтроллер. На оптопару в течении двух минут подается сигнал управления, потом — пауза на две минуты, отключение оптопары и еще одна пауза на две минуты. Цикл повторяется бесконечно. При проверке устраняются дефекты схемы. Далее записывается рабочая программа (см. листинги 11.1 и 11.2) и ранним утром или вечером настраивается уровень срабатывания автомата. Вручную регулиру­ется значение R8. Если необходимо изменить уровень в больших пределах, подбирается R10. Для лучшей чувствительности фотодат­чик выносится на освещенное место, а к его ножкам припаивается экранированный провод, который затем подводится к автомату. Улучшения чувствительности можно добиться, если подсоединить два фотодатчика параллельно.
3. Настройка схемы питания. В зависимости от уровня сети подбира­ется ХС1, после чего автомат без микроконтроллера включается в сеть 220 В и проверяется напряжение на ЯЗ. Если напряжение бо­лее 3 В, то параллельно 113 необходимо установить стабилитрон на 3,3 В. Автомат выключается из сети и проверяются на нагрев эле­менты Э2, Ш и Ш8. При необходимости мощность рассеивания ре­зисторов увеличивается, а стабилитрон устанавливается на радиа­тор.
Эксплуатация
Размещение и зона действия прибора зависит от необходимого уровня освещенности. Для каждого из вариантов (лестничная клетка, приусадебное хозяйство или крыльцо) фотодатчик следует размещать в зоне максимальной освещенности. Также необходимо следить за тем, чтобы светодиоды платы не засвечивали оптоэлементы. Можно отка­заться от применения светоднодов, но при быстрой диагностике схемы невозможно оценить работоспособность устройства. В рабочем состоя­нии светодиоды можно накрыть колпачком.
Плату управления автоматом для различных вариантов устанавли­вают рядом с нагрузкой в освещенном месте. В процессе эксплуатации, возможно, потребуется оперативная регулировка уровня срабатывания. Поскольку днем может быть темно (например тучи перед ливнем), то потенциометром Я8 можно изменить уровень срабатывания (в целях техники безопасности эта операция выполняется отверткой с изолиро­ванной ручкой). Для увеличения мощности включаемых ламп необхо­димо семистор ОК2 установить на радиатор и, соответственно, увели­чить предохранитель Р1. В случае использования нескольких мощных ламп необходимо установить несколько опторазвязок и семисторов на каждую нагрузку. Кроме того, питание силовых цепей можно включить через автоматический выключатель с током срабатывания, равным сум­ме токов нагрузки.
Экономия
Экономия от использования автомата представлена в табли­це Расчет экономии от автомата ночного освещения.х1э,кото­рую можно найти на прилагаемом к книге компакт-диске в папке Рас­четы. При этом автор исходил из оплаты электроэнергии в г. Киеве за февраль 2007 г. и стоимости радиодеталей в свободной продаже на рын­ке в этот период. Себестоимость устройства, приблизительно равная $16, окупается экономией электроэнергии в течении года при эксплуа­тации одной лампочки на 60 Вт. Если же задействовать лампочку мощ­ностью 100 Вт, то устройство окупится в течении восьми месяцев.
Hosted by uCoz