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
- Сергеев А. Пироэлектрические датчики ИК-излучения. — Радио, 2004, № 7, с. 49, 50.
- Infrared Sensors. — URL: murata.com/en-eu/р ro ducts/sensor/infrared (20.03.15).
Автор: Н. САЛИМОВ, г. Ревда Свердловской области