Автомат управления уличным освещением с астротаймером

Предлагаемое устройство отличается от ранее опубликован­ных приборов того же назначения тем, что определяет моменты включения и выключения уличного освещения, рассчитывая положение Солнца относительно горизонта.

Для автоматического управления работой уличного освещения обыч­но используют два типа устройств. Одни из них включают и выключают ос­вещение в зависимости от уровня ес­тественной освещённости — это так на­зываемые сумеречные выключатели. Другие включают и выключают искус­ственный свет в определённое заранее заданное время — это так называемые программируемые таймеры.

Каждый тип устройств имеет свои достоинства и недостатки. Сумеречные выключатели в идеале обеспечивают оптимальное управление освещением, включая и выключая его именно тогда, когда это необходимо. Например, в ясную погоду оно будет включено вече­ром позже, чем в пасмурную. Этим обеспечивается оптимальная освещён­ность улицы независимо от погодных условий. Правда, разница между време­нем включения или выключения осве­щения при ясной и при пасмурной пого­де весьма невелика, по наблюдениям автора, она не превышает 7… 10 мин.

В реальных условиях сумеречные выключатели, будучи чувствительными к внешним воздействиям аналоговыми устройствами, имеют существенную зависимость моментов срабатывания от ряда мешающих факторов. К ним можно отнести сильную зависимость характеристик фоторезисторов, ис­пользуемых в качестве датчиков осве­щённости, от температуры окружаю­щей среды, наводки электромагнитных помех на цепи измерения освещённос­ти, загрязнение оптического окна дат­чика освещённости. Всё это сущест­венно увеличивает погрешность сраба­тывания выключателя и сводит «на нет» теоретическую оптимальность управле­ния освещением.

Современные программируемые таймеры, используемые для управле­ния уличным освещением, представ­ляют собой, по сути, электронные часы с двумя будильниками. По сигналу од­ного будильника таймер включает свет вечером, по сигналу другого — выклю­чает утром. Эти полностью цифровые устройства свободны от недостатков, присущих сумеречным выключателям. Они надёжны в работе и обеспечивают стабильность моментов срабатывания. Главный недостаток программируемого таймера состоит в том, что через каж­дые два-три дня он требует корректи­ровки моментов срабатывания ввиду того, что длительность светового дня естественным образом изменяется. Это не позволяет сделать такое устрой­ство необслуживаемым.

С развитием компактных вычисли­тельных средств программируемые таймеры стали уступать своё место в системах управления уличным освеще­нием новому типу устройств — астротаймерам, представляющим собой электронные часы, сопряжённые с мик­роконтроллером. В микроконтроллер заложена программа астрономических расчётов, по которой он по известным географическим координатам места установки вычисляет моменты нахожде­ния светила (в данном случае Солнца) в определённых точках небесной сферы (например, в точках восхода и захода) и формирует сигналы управления улич­ным освещением. Обслуживание такого устройства минимально и сводится к корректировке хода часов, требующей­ся очень редко, и замене раз в несколь­ко лет батареи резервного питания.

Погрешность работы астротаймера определяется степенью совершенства реализованного в программе микро­контроллера алгоритма астрономиче­ских расчётов. Для управления уличным освещением вполне достаточно, чтобы она не превышала ±5…7 мин.

Предлагаемое устройство автомати­ческого управления работой уличного освещения построено на базе астро­таймера.

Основные технические характеристики

• Допустимые географиче­ские координаты места установки, град.:

— Широта (северная)          0…69.9

— Долгота (восточная)        0…180

• Точность задания географи­ческих координат, град…….0,1
• Погрешность определения момента прохождения Солнцем заданной точки небесной сферы, мин, не хуже…..±3

• Напряжение питания, В 6,5…9
• Потребляемый ток, мА ..60
• Максимальное напряжение в цепи управления контак­тором, В…..36
• Максимальный ток срабаты­вания контактора, А ………3,6

Схема устройства приведена на рис. 1. Его основа — микроконтроллер ATmega168PA-PU (DD2). Счёт времени ведёт микросхема часов реального вре­мени DS1307N (DD1). Для отображения необходимой информации о работе устройства имеется ЖКИ HG1 (две строки по 16 символов). Подборкой ре­зистора R12 устанавливают необходи­мую яркость подсветки табло индикато­ра, а подстроечным резистором R8 ре­гулируют контрастность изображения.

Исходные данные вводят в микро­контроллер с помощью кнопок SB1 — SB4. Сигнал управления освещением микроконтроллер формирует на линии порта PD7 (высокий уровень — включено, низкий уровень — выключено). Ключ на транзисторе VT1 по этому сигналу уп­равляет контактором КМ1, включающим и выключающим уличное освещение.

Следует отметить, что область воз­можного применения описываемого устройства довольно обширна. Оно способно управлять работой освещения как на улицах городов и посёлков, так и на индивидуальных земельных участках, где суммарная мощность осветитель­ных приборов может варьироваться от сотен ватт до десятков киловатт. В связи с этим конкретный перечень контакто­ров, с помощью которых устройство может управлять освещением, в статье не рассматривается — он очень широк. Не исключено, что для сопряжения с мощным контактором может потребо­ваться замена транзистора VT1.

Для управления освещением инди­видуальных земельных участков, на которых установленная мощность улич­ных светильников не превышает, как правило, нескольких сотен ватт, можно рекомендовать применить вместо кон­тактора КМ1 бесконтактный симисторный коммутатор, схема которого изоб­ражена на рис. 2.

В этом случае транзистор R1 и резистор R11 в устройство не устанав­ливают, а вход коммутатора подклю­чают к подвижному контакту переключа­теля SА1. Такой коммутатор может уп­равлять лампами суммарной мощ­ностью до 1,5 кВт, при этом он надёжен, бесшумен и создаёт минимум помех в электросети. Другое достоинство тако­го решения — отпадает необходимость в дополнительном источнике питания для обмотки контактора.

При мощности нагрузки, не превы­шающей 200…250 Вт, симистор VS1 сможет работать без теплоотвода, что позволит разместить все элементы коммутатора непосредственно на пе­чатной плате устройства (разумеется, при условии её соответствующей дора­ботки).

Переключателем SА1, переведя его в нижнее по схеме положение, можно в любой момент времени принудительно включить освещение. Это может потре­боваться, например, при поиске и заме­не неисправных ламп в светильниках. Когда переключатель в верхнем поло­жении, управление работой освещения автоматическое по сигналам микро­контроллера.

Устройство питают от любого нестабилизированного источника постоянно­го напряжения 6,5…9 В. Ток потребле­ния в основном определяется током подсветки индикатора HG1 и в зависи­мости от сопротивления резистора R12 может находиться в пределах 35…60 мА.

Параметры источника питания об­мотки контактора зависят от типа при­менённого контактора, однако его на­пряжение не должно превышать 36 В (с учётом пульсаций), иначе транзистор VТ1 может быть повреждён.

Печатная плата устройства изобра­жена на рис. 3. Контактор КМ1 находится вне её. Плата рассчитана на установ­ку большинства элементов для поверх­ностного монтажа. Исключение — разъ­ёмы и кнопки, подстроечный резистор R8, а также микросхемы DD1 и DD2. Для микроконтроллера (DD2) на плате должна быть установлена панель, в которую его переносят из панели про­грамматора после программирования.

Постоянные резисторы (кроме R12) и все конденсаторы — типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Про­волочные выводы резистора R12 при­паивают непосредственно к контактным площадкам 2 и 15 индикатора HG1.

Кнопки SB1 —SB4 — тактовые TS-0617, переключатель SA1 — любого типа с одной контактной группой на пере­ключение. Источник резервного пита­ния часов G1 — литиевый элемент CR2035, устанавливаемый в держатель СН224-2032.

Разъём Х1 (однорядная угловая вил­ка PLS-10R и розетка BLS-10), через который к плате устройства подклю­чают индикатор, применять не обяза­тельно. Провода от индикатора можно припаять непосредственно к предна­значенным для разъёма контактным площадкам на плате устройства.

В качестве базового алгоритма для выполнения астрономических расчётов использован Sunrise/Sunset Algorithm Example. — URL: http://williams.best.vwh.net/sunrise_sunset_example.htm (08.04.15). Как заявляют его разработ­чики, расчёты по нему возможны до 2050 г. В исходном варианте он обес­печивает расчёт моментов восхода и захода Солнца в заданной широтой и долготой точке местности. Однако ис­пользовать эти моменты для управле­ния уличным освещением нелогично, так как в это время на улице достаточно светло. Поэтому разработанная на ос­нове базового алгоритма программа рассчитывает моменты, когда Солнце находится на 6 град, ниже горизонта. В астрономии это соответствует понятию «гражданские сумерки» (начало утрен­них и конец вечерних).

По наблюдениям автора, освещение следует включать за 15…25 мин до окончания вечерних сумерек, а выклю­чать с той же задержкой относительно начала утренних. Задержку подбирают экспериментально, исходя из особен­ностей естественного освещения в месте установки прибора.

Как известно, в высоких широтах наблюдаются явления полярного дня летом (Солнце в течение полных суток не опускается ниже линии горизонта) и полярной ночи зимой (Солнце посто­янно находится ниже этой линии). Про­грамма микроконтроллера эти явления учитывает, однако критерий их наступ­ления иной — постоянное нахождение Солнца выше (летом) или ниже (зимой) уровня, расположенного на 6 град, ни­же линии горизонта. Дополнительно к этому учитывается и задержка, зада­ваемая пользователем.

Ввиду того что рассматриваемое устройство предназначено для дли­тельной работы без обслуживания, в программе микроконтроллера преду­смотрена защита от возможного «зави­сания» вследствие случайного сбоя. Защита организована с помощью сто­рожевого таймера микроконтроллера, который срабатывает при превышении нормальной продолжительности вы­полнения основных программных цик­лов. В подобных случаях сторожевой таймер перезапускает микроконтрол­лер, что приводит к повторному старту программы.

Разряд	Сост.	Разряд	Сост.
BOOTSZ1	0	BODLEVELO	1
BOOTSZO	0	CKDIV8	0
BOOTRST	1	CKOUT	1
RSTDISBL	1	SUT1	1
DWEN	1	SUT0	0
SPIEN	0	CKSEL3	0
WDTON	1	CKSEL2	0
EESAVE	0	CKSEL1	1
BODLEVEL2	1	CKSEL0	0
BODLEVEL1	1

Правильно собранное из исправных деталей устройство практически не требует налаживания. Единственная необходимая операция — установка оптимальной контрастности отображе­ния информации на индикаторе с помо­щью подстроечного резистора R8.

После установки в панель на плате запрограммированного микроконтрол­лера (его конфигурацию устанавливают согласно таблице) на устройство пода­ют питание.

Наличие подсветки инди­катора уже свидетельствует об отсутст­вии замыканий в цепи питания, однако желательно всё-таки измерить ток по­требления, который должен лежать в указанных ранее пределах. Далее под­строечным резистором R8 устанавли­вают необходимую контрастность изоб­ражения. Если экран индикатора пуст или на него выведен хаотический набор символов, следует искать ошибки в монтаже либо неисправные элементы устройства.

При первом включении устройство автоматически переходит в режим вво­да параметров. Их вводят в следующем порядке:

• текущая дата (число, месяц, год);
• текущее время (часы, минуты);
• номер часового пояса;
• широта (град.);
• долгота (град.);
• задержка относительно начала гражданских сумерек (мин).

В этом режиме в верхней строке индикатора отображается название вводимого параметра, а в нижней — его текущее значение и мигающий курсор. Нажатиями на кнопку SB1 или SB2 можно установить нужное значение, а с помощью кнопки SB3 или SB4 — воз­вратиться к вводу предыдущего пара­метра либо перейти к следующему.

Значения широты и долготы, состоя­щие из целой и дробной частей, вводят в два этапа. На первом этапе курсор установлен на старшую цифру целой части параметра, а каждое нажатие на кнопку SB1 или SB2 изменяет его зна­чение на один градус в ту или другую сторону. Установив значение целой части, следует нажать на кнопку SB4, после чего курсор будет установлен на цифру десятых долей градуса, а нажа­тия на кнопку SB1 или SB2 станут изме­нять значение параметра на 0,1 град.

После ввода последнего параметра (задержки) и нажатия на кнопку SB4 ус­тановленные значения всех параметров будут записаны в память прибора. Дата и время — в регистры микросхемы DD1, остальные параметры — в EEPROM микроконтроллера. Затем устройство перейдёт в рабочий режим и начнёт управлять освещением.

Если в устройстве установлен микро­контроллер, ранее работавший в дру­гом приборе, то при первом включении оно может не перейти автоматически в режим ввода параметров в связи с тем, что в EEPROM сохранилась зане­сённая туда ранее информация, кото­рая воспринята программой как значения параметров. В этом случае устройство следует перевести в ре­жим ввода принудительно. Для этого следует одновременно нажать и удерживать около трёх секунд кнопки SВ1 и SВ4. Так же поступают, если требуется изменить значения пара­метров в ходе работы устройства.

В рабочем режиме в верхней строке индикатора отображены текущие дата (в формате ДД-ММ-ГГ) и время (в фор­мате ЧЧ:ММ). При этом разделитель­ное двоеточие мигает с частотой около 1 Гц, что служит признаком нормальной работы программы. В нижней строке выведены расчётные моменты выклю­чения освещения утром (слева) и вклю­чения его вечером (справа) в форматах ЧЧ:ММ. Пример показан на рис. 4, а. Символ «*» в центре второй строки(рис. 4, б) сигнализирует, что освеще­ние включено.

Во время полярного дня во второй строке вместо расчётного времени выключения и включения освещения будет выведено сообщение «Полярный день», а освещение включаться не бу­дет. Во время полярной ночи там будет выведено сообщение «Полярная ночь», а освещение будет включено круглосу­точно. Но символа включённого осве­щения на ЖКИ не будет.

Скачать архив к проекту

Автор: А. САВЧЕНКО, пос. Зеленоградский Московской обл.