Improved automatic street lighting management

Описанное автором этой статьи в [Л] устройство определяет моменты включения и выключения освещения по таймеру с учё­том изменяющегося в течение года времени восхода и захода солнца. Предлагаемый ниже вариант дополнен датчиком осве­щённости, который позволяет учесть и различие погодных усло­вий. Предусмотрен контроль температуры датчика, что позво­ляет скомпенсировать её влияние.

Разница между потребными при ясной и пасмурной погоде момента­ми включения или выключения освеще­ния по наблюдениям автора достигает 7…10 мин. Простой расчёт показывает, что при установленной мощности осве­тительных приборов 25 кВт (что типич­но для небольшой городской улицы) десять лишних минут работы освеще­ния утром и столько же вечером приво­дят к бесполезному расходу 1500 кВт ч электроэнергии в год, если считать, что число ясных и пасмурных дней в году одинаково.

Классическое устройство, управля­ющее уличным освещением, исходя из естественной освещённости, состоит из её датчика (обычно фоторезистора) и порогового устройства с релейным вы­ходом. Однако в реальных условиях та­кое устройство, будучи чувствительным аналоговым прибором, имеет сущест­венную зависимость моментов сраба­тывания от ряда мешающих факторов. К ним относятся существенная зависи­мость характеристик фоточувствительных приборов от температуры окружа­ющей среды, температурный дрейф по­рога, наводки электромагнитных помех на вход порогового устройства.

Воздействия этих факторов приво­дят к изменениям момента срабатыва­ния устройства, исчисляемым десятка­ми минут и более, что сводит на нет кажущуюся оптимальность управления освещением. Правда, с этим воздейст­вием можно в той или иной степени бороться, но это требует усложнения устройства.

Нельзя не упомянуть и другие внеш­ние факторы, влияние которых во мно­гом случайно, но может недопустимо исказить работу устройства. Например, принесённый ветром и налипший на окно датчика освещённости лист дере­ва способен привести к включению уличного освещения днём, а разразив­шаяся ночью гроза — к его выключению в самый неподходящий момент.

Автор поставил перед собой задачу создать устройство управления улич­ным освещением в зависимости от освещённости, которое бы было макси­мально свободно от влияния перечис­ленных неблагоприятных факторов. В предлагаемом устройстве использова­ны технические решения, повышающие точность и надёжность его работы. Предельно упрощён аналоговый тракт. Сигнал с выхода датчика освещённости сразу же оцифровывается и далее обра­батывается цифровыми методами. Это позволяет уменьшить влияние помех и исключить из прибора чувствительное аналоговое пороговое устройство, устранив этим проблемы, связанные с дрейфом порога его срабатывания.

Датчик освещённости снабжён циф­ровым термометром, что позволяет скомпенсировать зависимость сопро­тивления фоторезистора датчика от температуры.

Для устранения кратковременных флюктуаций сигнала датчика освещён­ности, вызванных как внутренними (на­пример, бросками напряжения пита­ния), так и внешними (например, вспышками молнии) причинами, предусмот­рена программная селекция этого сиг­нала по длительности. Кратковремен­ные (менее 10 с) изменения показаний игнорируются.

Программа формирует утренний и вечерний интервалы времени, в кото­рых разрешено изменение состояния уличного освещения. За пределами этих интервалов автоматическое вклю­чение и выключение освещения невоз­можно. Такой механизм позволяет рез­ко минимизировать негативное воздей­ствие непрогнозируемых факторов. На­пример, налипший днём на окно датчи­ка лист уже не вызовет ненужного вклю­чения освещения. Однако вызванное им снижение освещённости датчика бу­дет воспринято как признак аварии, по­этому ближайшим вечером освещение будет включено в расчётный момент без учёта фактической освещённости.

Код освещённости с выхода АЦП микроконтроллера обрабатывает под­программа, которая на основании по­казаний датчика температуры устраня­ет температурную составляющую па­дения напряжения на фоторезисторе. На Figure. 1 приведены экспериментально снятые зависимости кода N на выхо­де АЦП от температуры датчика при по­стоянной освещённости, близкой к по­роговой, до корректировки (красная линия) и после неё (синяя линия).

Откорректированный код освещён­ности программа сравнивает с задан­ным порогом. Если он превышен на вре­мя более 10 с, признак “Светло/Темно” принимает логическое значе­ние 1 (“Светло”), в противном случае — 0 (“Темно”). Анало­гично обрабатываются пере­сечения порога в обратную сторону. Как уже отмечалось, селекция по длительности поз­воляет исключить ложные сра­батывания устройства от крат­ковременных внешних воз­действий.

Сигнал управления освеще­нием формирует подпрограм­ма логической обработки на основании признака “Светло/ Темно”. При этом она учитывает признак “День/Ночь”, сфор­мированный подпрограммой астротаймера, аналогичной применённой в [Л]. Там этот признак непосредственно использовался для управления освещением. Рассматри­ваемая программа с его помощью фор­мирует разрешённые интервалы пере­ключения освещения. Логику её работы поясняют графики на Figure. 2. Полуши­рину интервала (At) задаёт пользова­тель через сервисное меню.

Анализируя положение моментов из­менения признака “Светло/Темно” от­носительно разрешённых интервалов, подпрограмма логической обработки принимает решение о включении или выключении освещения по данным дат­чика освещённости либо о признании работы этого датчика некорректной, выработке признака “Авария” и переходе в аварийный режим работы. В по­следнем случае управление освещени­ем в течение текущих суток происходит по астротаймеру в полном соответствии с логикой работы устройства, описан­ного в [Л]. С началом следующих суток признак “Авария” отменяется.

On Fig. 3 показана нормальная ра­бота устройства. Здесь признак “Светло/Темно” принимает нулевое значение в пределах разрешённого интервала. По его перепаду происходит включение уличного освещения.

On Figure. 4 признак “Светло/Темно” принимает нулевое значение в светлое время суток. По перепаду этого призна­ка формируется признак “Авария”. Ос­вещение включается лишь при переходе в нулевое состояние признака “День/Ночь”. На Figure. 5 по­казана обратная ситуация. Здесь признак “Светло/Темно” принимает нулевое значение слишком поздно. В этом слу­чае признак “Авария” форми­руется по окончании разрешён­ного интервала, и в тот же мо­мент включается освещение, так как признак “День/Ночь” уже имеет нулевое значение.

Схема устройства изобра­жена на Figure. 6. Она мало от­личается от описанной в [Л]. Сигнал с фоторезистора R1 (GL5516) поступает на вход канала ADC3 АЦП микроконт­роллера. Для подавления возможных помех от внешних электромаг­нитных полей параллельно резистору R2 (нагрузке фоторезистора R1) уста­новлен блокировочный конденсатор С4. Цифровой датчик температуры фоторе­зистора ВК1 (DS18B20) связан с микро­контроллером по интерфейсу 1-Wire. Его информационная линия соединена с выводом РС2 микроконтроллера. В остальном назначение и работа эле­ментов устройства аналогичны описан­ным в [Л].

Печатная плата устройства изобра­жена на рис. 7. Она изготовлена из фольгированного с одной стороны стек­лотекстолита. Применены конденсато­ры и постоянные резисторы типоразме­ра 1206 для поверхностного монтажа. Подстроенный резистор R9 — с прово­лочными выводами. Для микроконтрол­лера предусмотрена панель, куда его следует вставлять уже запрограммиро­ванным, а для литиевого элемента CR2035 (G1) — держатель СН224-2032.

Провода от выводов индикатора HG1 припаивают к предназначенным для них контактным площадкам платы, имею­щим те же номера, что и выводы. При желании здесь можно установить разъ­ём с расположением контактов в один ряде шагом 2,54 мм.

Датчик освещённости устанавли­вают в любом удобном месте, которого не достигают прямые солнечные лучи. Его подключают к плате через разъём Х1 четырёхпроводным гибким кабелем, один из проводов которого экраниро­ван. Такие кабели используются в системах видеонаблюдения.

После установки в панель на плате запрограммированного микроконтрол­лера (его конфигурация аналогична описанной в [Л]) подайте на устройство напряжение питания.

Прим. ред. Значение разряда конфигу­рации микроконтроллера CKDIV8=0 в [Л] указано ошибочно. В микроконтроллерах как старого, так и нового вариантов уст­ройства управления освещением разряд должен быть оставлен незапрограммированным (CKDIV8-!).

Наличие подсветки индикатора уже свидетельствует об отсутствии замыка­ний в цепи питания, однако целесооб­разно измерить потребляемый ток, ко­торый должен находиться в пределах 40…60 мА. Далее подстроечным резис­тором R9 установите оптимальную конт­растность изображения на индикаторе. Если экран пуст или на него выведен хао­тический набор символов, следует ис­кать ошибки в монтаже либо неисправ­ные элементы.

Ввод необходимых параметров ра­боты устройства и отображение их на экране индикатора не отличаются от описанных в [Л], за исключением того, что в меню добавлен пункт установки порога срабатывания по сигналу датчика освещённости.

При выборе этого пункта в верхней строке индикатора после его названия будет выведено значение кода осве­щённости с выхода АЦП, откорректиро­ванное программой термокомпенса­ции. При нажатии на кнопку SB2 это значение будет записано в EEPROM микроконтроллера в качестве порого­вого.

В случае, если программа сформи­ровала признак “Авария” и управление освещением ведётся только по данным астротаймера, значение текущего вре­мени на экране индикатора каждые 6 с на 3 с сменяется надписью “!СВ!.

После размещения оптического дат­чика на выбранном для него месте тре­буется грамотно установить смещение перепада сигнала “День/Ночь” относи­тельно моментов, вычисленных подпро­граммой астротаймера, полуширину разрешённых интервалов включения и выключения освещения, порог срабаты­вания канала освещённости. Это реко­мендуется делать в следующем порядке:

1. Опытным путём подобрать и ввести в программу смещение исходя из осо­бенностей естественного освещения в месте установки устройства. После этого перевести устройство в рабочий режим и записать или запомнить выведенные в нижней строке индикатора времена, соответствующие серединам утреннего и вечернего разрешённых интервалов.
2. Визуально определив требуемый момент выключения (утром) или вклю­чения (вечером) освещения, перевести устройство в режим ввода параметров, выбрать пункт установки порога и нажать на кнопку SB Порог будет установлен равным текущему значению освещённос­ти, измеренному датчиком. Устройство перейдёт в рабочий режим. Следует вы­числить разность (в минутах) между мо­ментом нажатия кнопки и записанным ра­нее временем середины соответству­ющего разрешенного интервала. Если эта разность по абсолютному значению боль­ше 25…30 мин, значит, смещение выбра­но неправильно и все операции следует повторить. Если меньше, то увеличив её на 25…40 %, получим требуемую полуши­рину разрешённого интервала. Програм­ма не разрешает установить полуширину менее 15 и более 30 мин. Меньшие значе­ния влекут увеличение вероятности при­нять правильное срабатывание канала освещённости за ложное, а большие — ложное за правильное. Если расчётная полуширина получилась меньше 15 мин, следует увеличить её до этого значения.
3. Перевести устройство в режим ввода параметров, выбрать пункт уста­новки полуширины, ввести её расчётное значение и перевести устройство в рабо­чий режим. Теперь оно готово к примене­нию.

Archives of the project

LITERATURE

Савченко A. Автомат управления уличным освещением с астротаймером. — Радио, 2015, №7, с. 40-43.

Author: A. SAVCHENKO, village of Zelenograd, Moscow region.
Source: Радио №1, 2016