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).
Figure. 1
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.
Fig. 2
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.
Fig. 3
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.
Fig. 4
Fig. 5
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].
Fig. 6
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.
Fig. 7
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:
- 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.
- 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.
- 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.
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