Два устройства управления освещением

Автоматические включатели освещения на базе датчиков при­сутствия человека весьма полезны в плане экономии электро­энергии. В статье представлены результаты работы автора над собственными конструкциями таких приборов.

Основная идея разработки заключа­лась в применении в автоматиче­ских включателях освещения единого модуля микроконтроллера с возмож­ностью подключения к нему различных датчиков присутствия. Замена датчика и программного обеспечения даёт воз­можность работать в режимах, наибо­лее подходящих для конкретного при­менения, сам модуль микроконтролле­ра при этом не изменяется. При разработке не всегда удаётся сразу достичь поставленной цели, приходится кое-что изменять и дорабатывать. Именно по этой причине датчики присутствия и микроконтроллер размещены на раз­ных платах.

В первом варианте включателя при­менён пассивный инфракрасный пиро­электрический датчик движения фирмы Murata. Сигнал датчика обрабатывается по типовой схеме, взятой из фирменно­го описания. Из неё исключены только узел ограничения длительности непре­рывной работы освещения и исполни­тельное устройство. Схема модуля датчика с этими изменениями изображена на рис. 1.

Он собран по этой схеме на печатной плате, изображённой на рис. 2. Применены компоненты для поверхностного монтажа: резисторы типоразмера 1206, керамические кон­денсаторы типоразмеров 0805 и 1206 и оксидные серии KVE. Пироэлектри­ческий датчик IRA-E710T1 смонтирован на противоположной установке других элементов стороне платы. Длинная сторона его чувствительного окна должна быть расположена параллельно гори­зонтальной плоскости.

После монтажа всех деталей прове­ряют работоспособность модуля датчи­ка, подав сигнал с его выхода на ос­циллограф. После включения питания модулю требуется около 1 мин для ус­тановления рабочего режима. Если при движении человека перед окном датчи­ка на экране осциллографа появляются импульсы, значит, всё в порядке и устройство работает нормально.

Дальность действия пироэлектри­ческого датчика без модуляционной решётки — около 1,3 м. Модуляцион­ную решётку делают из полосок чёр­ной бумаги или другого непрозрачного для ИК-лучей материала шириной 1,5 мм, наклеенных вертикально с зазором 1,5 мм на окно размерами 12×12 мм, вырезанное в передней панели прибора напротив окна пиро­электрического датчика. С решёткой дальность действия увеличится до 3 м. Ещё большую дальность обеспечит установленная перед окном датчика линза Френеля PPGI0601. Подробно о пироэлектрических датчиках и приме­нении линзы Френеля можно прочи­тать в [1, 2].

Схема модуля микроконтроллера автоматического включателя освеще­ния показана на рис. 3. Те детали, что имеют позиционные обозначения, по­меченные апострофом, необходимы только для работы с описанным выше модулем пассивного датчика и нахо­дятся вне печатных плат. Модуль выполнен на микроконтроллере ATtiny13A-SU (DD1) и решает следующие задачи: контролиру­ет естественную освещённость помещения, при обнаружении присутствия человека и недоста­точной внешней освещённости включает лампы освещения, вы­ключает эти лампы через задан­ное время.

Датчиком освещённости слу­жит фоторезистор R1 ’ СФЗ-1, сигнал с которого поступает на вход встроенного аналогового компаратора микроконтроллера (вывод РВ1). Порог включения искусственного освещения уста­навливают переменным резисто­ром R2’.

Таймер ТО микроконтроллера обеспечивают необходимую за­держку выключения ламп освещения, включённых при срабатывании датчика. Задают эту задержку пере­менным резистором R3′. Она пропор­циональна напряжению, подаваемому с движка переменного резистора на вывод РВ0 (вход первого канала АЦП) и регулируется от 6 с до 10 мин. Ввиду отсутствия цифровой индикации дли­тельности задержки переменный рези­стор снабжён шкалой, проградуиро­ванной в минутах. Изменив положение движка переменного резистора R3′, необходимо нажать на кнопку SB1′. Новое значение задержки начнёт дейст­вовать только после этого.

Узел коммутации цепи освещения собран на транзисторе VT1 и электро­магнитном реле К1. Питающее прибор переменное напряжение 9 В подают на контакты 1 и 2 колодки ХТЗ от сетевого понижающего трансформатора габа­ритной мощностью не менее 7 В А. Это напряжение выпрямляет диодный мост VD1, затем выпрямленное напряжение уменьшает до 5 В интегральный стаби­лизатор DA1.

Печатная плата микроконтроллер- ного модуля изображена на рис. 4. Резисторы на ней — типоразмера 1206 для поверхностного монтажа, за ис­ключением обычных выводных R1 и R2. Оксидные конденсаторы С1 и СЗ — се­рии TREC, а С2 — серии KVE. Конден­сатор С4 — керамический типоразме­ра 1206.

Устанавливаемые вне платы пере­менные резисторы R2′ и R3′ могут иметь номинальное сопротивление от 2 до 10кОм. При использовании пере­менного резистора R2′ с номиналом, отличающимся от указанного на схеме, нужно заменить и резистор R2 на печат­ной плате микроконтроллерного моду ля. Новое сопротивление этого резис­тора вычисляют по формуле R2=3,4R2′. Например, если R2’=10 кОм, то R2=3,4-10=34 кОм (ближайший стан­дартный номинал — 33 кОм).

Вместо фоторезистора СФЗ-1 мож­но установить фотодиод ФД-256, под­ключив его катодом к цепи +5 В, а ано­дом к контакту 2 колодки ХТ2. Сопро­тивление резистора R1 в этом случае нужно увеличить до 3…5 МОм. Возмож­но использование и самодельного фо­тотранзистора, сделанного из бипо­лярного транзистора в металлическом корпусе, например, П307 с любым бук­венным индексом, П308 или КТ801А. У транзистора спиливают крышку корпу­са, а получившееся окно заклеивают прозрачной липкой лентой. Транзистор структуры n-p-n подключают коллекто­ром к цепи +5 В, а эмиттером к контак­ту 2 колодки ХТ2. Вывод базы оставля­ют свободным. Сопротивление резис­тора R1 и в этом случае следует уве­личить до 3…5 МОм. Фотодиод или самодельный фототранзистор необхо­димо зашунтировать конденсатором ёмкостью 0,1…0,22 мкФ.

В модуле использовано электромаг­нитное реле 801Н-1С-С с обмоткой на 12 В (сопротивление обмотки 400 Ом). Его можно заменить другим с обмоткой на такое же напряжение и контактами, способными коммутировать перемен­ный ток до 10 А при напряжении 230 В.

Если устройство используется в помещениях без естественного осве­щения или в качестве охранного, то фо­торезистор R1′ и резисторы R1 и R2′ можно исключить, а контакт 2 колодки ХТ2 соединить с контактами 4—6 колод­ки ХТ1 (общим проводом).

Для работы с пассивным ИК-датчиком в память микроконтроллера должна быть загружена приложенная к статье программа HUM_DETECT. Сведения о необходимой конфигурации микро­контроллера имеются в тексте этой программы на языке ассемблера.

После инициализации порта и уст­ройств микроконтроллера программа читает установленное значение за­держки выключения ос­вещения и записывает его в ОЗУ. Далее начина­ется опрос состояния выхода датчика при­сутствия, если оно об­наружено, выполняется переход к опросу со­стояния выхода аналого­вого компаратора. Если на выходе компаратора 0, то происходит возврат к опросу датчика. Если на выходе компаратора 1 и уровень внешней ос­вещённости ниже поро­га, установленного пере­менным резистором R2’, то включается реле и начинается отсчёт за­держки его выключения. По завершении отсчёта задержки реле выключа­ется и программа воз­вращается к опросу со­стояния датчика.

Второй вариант включателя освещения использует активный ИК-датчик присутствия. Он излучает мо­дулированный ИК-сигнал. Приняв этот сигнал, отражённый от объекта, прибор включает освещение. В этом варианте применяется рассмотренный выше мо­дуль микроконтроллера с изменённым программным обеспечением (програм­ма HUM DETECT A также приложена к статье, сведения о конфигурации мик­роконтроллера имеются в тексте этой программы на языке ассемблера).

Схема модуля активного датчика при­сутствия и его подключения к модулю микроконтроллера показана на рис. 5. Позиционные обозначения деталей, находящихся вне плат, помечены на рис. 5 и далее в тексте двойным апо­строфом. Детали, помеченные апо­строфом на рис. 3, в данном случае устанавливать не требуется.

Сформированные микроконтролле­ром и усиленные транзистором VT1 импульсы тока излучающий диод VD1″ превращает в ИК-импульсы. Светодиод видимого цвета свечения HL1″ служит для визуальной оценки мощности излу­чаемого ИК-сигнала. Модуль фотоприёмника В1 преобразует отражённый от объекта ИК-сигнал в электрический, ко­торый поступает для обработки в микро­контроллер. Напряжение со служащего датчиком внешней освещённости фото­резистора R1″ с помощью компаратора на ОУ DA1.1 сравнивается с порогом, заданным переменным резистором R2″.

После инициализации порта и уст­ройств микроконтроллера программа проверяет состояние датчика освещён­ности. При недостаточной освещённос­ти запускается режим «Быстрая ШИМ» таймера ТО и начинается излучение ИК-сигнала установленной мощности. При достаточной внешней освещённос­ти ШИМ отключена, ИК-сигнал не излу­чается.

Широтно-импульсный модулятор микроконтроллера работает на частоте 37500 Гц. Характеристики импульсов на его выходе следующие: частота сле­дования — 148 Гц, коэффициент за­полнения — 0,055. Принятый отражён­ный сигнал программа проверяет на совпадение с излучённым и при поло­жительном результате проверки с по­мощью реле включает освещение. Одновременно запускается таймер от­счёта времени задержки выключения ламп. Он подсчитывает прерывания по срабатыванию сторожевого таймера. Дискретность счёта — 4 с. Длитель­ность задержки задают в программе значением константы SetTime. Напри­мер, если она равна 10, то лампы будут гореть 4×10=40 с. После отсчёта за­держки программа выключает освеще­ние и возвращается к проверке состоя­ния датчика освещённости.

Средняя мощность ИК-излучения за­висит от коэффициента заполнения импульсов, управляющих излучающим диодом VD1″. Минимальное значение этого коэффициента и, соответственно, мощности задают константой Lmin, максимальное значение — константой Lmax, а шаг изменения этих парамет­ров — константой StepLum.

При нажатии на кнопку SB1 мощ­ность излучения увеличивается, а по достижении максимального значения она скачком уменьшается до мини­мальной и снова нарастает. После от­пускания кнопки установленное зна­чение сохраняется в EEPROM микро­контроллера.

Печатная плата модуля активного датчика показана на рис. 6. Фотопри­ёмник В1 извлечён из видеоплейера. Обычно это небольшая печатная плата с фотодиодом, микросхемой и тремя выводами, помещённая в металличе­ский экран с окном для фотодиода. Возможная замена — интегральный модуль фотоприёмника TSOP1736 или TSOP1737. Излучающий диод АЛ119А можно заменить на TSAL5100 или на излучающий диод от неисправного ПДУ бытовой аппаратуры. Вместо светодио­да WP1513IT подойдёт любой красного или зелёного цвета свечения. Замена фоторезистора СФЗ-1 была описана выше.

Цепь питания излучающего диода VD1″ необходимо выполнить отдель­ными проводами большого сечения во избежание наводок на фотоприёмник по цепям питания. Пиковое значение тока через излучающий диод задают подборкой резистора R3, его наименьшее до­пустимое сопротивле­ние — 3,3 Ом.

Работа устройства ус­пешно проверена при за­мене биполярного тран­зистора КТ972А полевым транзистором IRLR2905, исток которого был под­ключён как эмиттер би­полярного, затвор — как база, а сток — как кол­лектор. Номинал резис­тора R7 уменьшен до 100 Ом. Такая замена мо­жет потребоваться для увеличения тока через излучающий диод, по­зволяющего увеличить мощность излучения и дальность действия при­бора.

Излучающий диод VD1″ и фотоприёмник В1 устанавливают на передней панели корпу­са прибора так, чтобы они «смотрели» в сторо­ну ожидаемого появле­ния человека. Во избе­жание прямого попада­ния в фотоприёмник ИК- излучения диода VD1″ на этот диод надевают ци­линдр из непрозрачного материала диаметром 8 и длиной 15 мм. Окна приёмника и излучателя

закрывают прозрачной плёнкой для защиты от пыли.

Автоматический включатель осве­щения с пассивным пироэлектриче­ским датчиком реагирует именно на движение людей или домашних живот­ных, неподвижные объекты он «не заме­чает». Что касается активного датчика, он реагирует лишь на наличие в зоне действия отражающего ИК-излучение объекта, даже неподвижного. При со­противлении резистора R3 5,1 Ом и установленной минимальной средней мощности излучения дальность его действия — около 1 м. Применение такого датчика в малогабаритной квар­тире ограничено отражением ИК-сигналов от мебели и стен. Поэтому требу­ется регулировка мощности излучения в зависимости от места установки при­бора. Однако этот прибор обладает хорошей помехозащищённостью, не реагирует на посторонние засветки, в том числе на ИК-сигналы ПДУ бытовой аппаратуры.

Скачать программы микроконтроллера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сергеев А. Пироэлектрические датчи­ки ИК-излучения. — Радио, 2004, № 7, с. 49, 50.
2. Infrared Sensors. — URL: murata.com/en-eu/р ro ducts/sensor/infrared (20.03.15).

Автор: Н. САЛИМОВ, г. Ревда Свердловской области