Рис. 11.5. Структурная схема автомата ночного освещения

Внешнее управление позволяет изменять уровень срабатывания в широких пределах. Систему можно настроить на различные варианты применения. Также не исключается ручное регулирование уровня срабатывания и, как дополнительная функция, — защита от перенапряжения сети.

В питающей сети очень часто наблюдаются значительные броски. На осциллограмме, представленной на рис. 11.6, видны всплески негармонического напряжения в сети, которые достигают значительных уровней напряжения.

При этом в нагрузку (лампочку) подается большая мощность, и, соответственно, нить накаливания еще более раскаляется и сгорает. Автомат реализует режим мониторинга напряжения сети и отключает нагрузку в случае сбоя. Кроме того, включение и выключение лампы производится при переходе через ноль переменного напряжения сети 220 В. Такой процесс исключает резкий рост тока нити накаливания, который выводит из строя лампу во время включения.

Для разработки и понимания работы схемы, согласно теории, используются некоторые свойства дневного света.

Физика света

Солнечное излучение на некоторых длинах волн полностью доходит до земли, в то время как на других длинах волн почти целиком поглощается [25]. Диапазон видимого света одновременно соответствует и максимальному уровню солнечного излучения, и максимальной прозрачности атмосферы. По-видимому, на Земле живые организмы, обладающие зрением, ориентированы на эти два максимума.

Для приема светового потока применен фототранзистор, чувствительный именно к дневному свету. К сожалению, выбор фотодатчиков невелик (рис. 11.7). Автор смог найти в продаже фоторезисторы СФ2-2, СФ2-6, ФР-7640581 и фотодиод импортного производства.

Характеристики одиночных фотоэлементов недостаточно хороши для практического использования, однако применение спаренных и даже включенных параллельно датчиков дает хороший результат по требуемым показателям чувствительности [22].

Для практического применения автор поставил следующий эксперимент. Фоторезистор СФ2-6, помещенный на балконе восьмого этажа, был подключен через усилитель к цепи питания. На нагрузке (напряжение измеряется на выводе 1 микросхемы IC2A — см. рис. 11.8) наблюдались изменения тока с 19:14 до 20:47 (месяц август в момент наибольшего изменения освещенности дневного света) (табл. 11.1). По субъективному мнению автора, сумерки, при которых человеческое зрение плохо различает объекты, наступают:

• на лестничной клетке — при 4,5 В фотодатчика;

• на улице — при 2,86 В;

• полная темнота — при 2,2 В.

Таблица 11.1. Результаты измерений изменений тока через фоторезистор СФ2-6

Исходя из табл. 11.1, фотодатчик фиксирует свет до уровня 1,4 В (напряжение измеряется на выводе 1 микросхемы IC2A). Это говорит о наличии инфракрасных лучей, невидимых человеческому зрению, но зафиксированных фотодатчиком.

Можно было бы ориентироваться на эти данные, однако разрядность АЦП микроконтроллера составляет 10 разрядов, что не позволит получить дискретность для точности измерений. Микроконтроллер не сможет различить уровень 0,088 и 0,064 В, поэтому данные от фотодатчика были пропущены через усилитель сигнала уровня.

Схема автомата ночного освещения

Схема автомата ночного освещения представлена на рис. 11.8. Питание схемы управления осуществляется от сети к которой подключена нагрузка.

Для достижения падения напряжения с 220 В до 9 В установлено реактивное сопротивление. Поскольку ток потребления схемы не превышает 80 мА, мощности гасящих резисторов R1 и R18 достаточно для питания схемы.

Стабилитрон D1 выполняет роль стабилизатора напряжения и совместно с конденсатором СЗ выравнивает пульсации по питанию. Минимальный ток стабилизации — 25 мА при питании 9 В. Если нагрузка потребляет ток более 80 мА, то напряжение стабилизации 9 В падает до 6 В, и D1 отключается от потребления тока. Если наоборот, растет напряжение сети, то стабилитрон D1 потребляет больше тока, который рассеивает в тепло.

Роль стабилизатора работы микроконтроллера выполняет микросхема IC3. Поскольку микроконтроллер потребляет ток не более 30 мА, то IC3 выбрана в миникорпусе Т092.

Отдельно для измерения сети выделена цепь делителя напряжения R2, R3. Измерения пульсации и детектор нуля реализованы при считывании уровня напряжения на R3. В случае перенапряжения сети растет уровень импульса на конденсаторе С4, и микроконтроллер отключает нагрузку на 5 с. Максимальное напряжение на R3 не превышает 3 В.

Для исключения импульсных помех, создаваемых открытием семи-стора, микроконтроллер считывает данные напряжения сети и выделяет переход через ноль. В этот момент микроконтроллер открывает оптопа-ру ОК2, и семистор во время роста тока сети открывается. Аналогичным образом происходит закрывание семистора.

Для настройки автомата, предусмотрена кнопка "Сброс", таким образом, сброс микроконтроллера происходит при выключении питания или принудительно с помощью кнопки.

Функцию изменения режима эксплуатации устройства выполняет переключатель "Двор/Лестница". Микроконтроллер, считывая уровень в порту РВО, переключает режим программы.

Данные об освещенности местности поступают от фоторезистора R7. Для исключения самовозбуждения схемы, параллельно фоторезистору установлен резистор R20, который ухудшает чувствительность, однако самовозбуждение входного операционного усилителя прерывается, а схема входного каскада усиления получает простую ц надежную структуру. Операционный усилитель IC2B усиливает уровень освещенности, и подает его на IC2A. IC2A имеет регулировку усиления R8, для настройки уровня освещенности вручную.

Операционный усилитель используется при усилении порога чувствительности. При полном освещении (дневной свет) ОУ выходит в режим насыщения, при этом функции усиления не нужны.

АЦП микроконтроллера (вход РВ4) считывает данные по уровню напряжения и, согласно режиму программы, включает или отключает семистор. Как только лампа включена, освещенность местности изменяется, на что реагирует фотодатчик. В этом случае существуют два способа управления:

• отключение лампы на короткое время и считывание уровня освещенности;

• считывание уровня освещенности во время свечения лампы и снижение уровня срабатывания путем коррекции данных.

В программе реализован первый из двух методов, который хорош для лестничной клетки, но неприемлем для улицы, поскольку лампы могут быть галогенные или наполненные газом. Включение/выключение отрицательно влияет на работу таких ламп. К тому же, они требуют длительного разогрева.

Программа

Блок схема алгоритма представлена на рис. 11.9. Программа (ассемблерный код — в листинге 11.1, шестнадцатеричный — в листинге 11.2) начинается с настройки таймера и портов ввода-вывода. АЦП микроконтроллера содержит встроенный мультиплексор, который коммутирует измеряемые каналы.

Вначале проверяется АЦП1. Считываются данные по перенапряжению сети. АЦП выполняет четыре выборки и получает их среднее арифметическое. Если в сети не более ^ 240 В, то состояние порта В не изменяется, в противном случае порт В обнуляется.

Отсчитывается пауза в пять минут и проверяется переход через ноль сети. Лампа отключается, проверяется фотодатчик. Опорное напряжение для АЦП получают с вывода питания микроконтроллера. В процессе аналого-цифрового преобразования двоичное число Z вычисляется по уравнению Z = 1024*UBx/UREF.

Для режима "Лестница" UBx = 4,5 В; Uref = VCc- Для микроконтроллера Tiny 15 Z = 376i6.

Для режима "Улица" UBx = 2,8 В; UREF = VCc. Для микроконтроллера Tiny 15 Z = 22#716.

Программа при проверке уровня фотодатчика использует метод вычитания. Поскольку АЦП при считывании уровня выдает двухбайтное число, необходима операция сравнения двух двухбайтных чисел. Микроконтроллер ATtiny 15 имеет ограниченный ресурс памяти и длины команд, поэтому автор применил метод вычитания (т.е. из полученных с АЦП данных вычитается заданная константа и определяется поле допуска чисел). Для каждого из режимов работы константа имеет свое значение и записана в конце программы.

Для данной программы поле допуска — 10 единиц АЦП (Ai6). Если результат вычитания — в поле допуска, то необходимый уровень достигнут. Если результат вычитания больше поля допуска и имеет положительное значение, то уровень выше заданного. Если результат вычитания больше поля допуска и имеет отрицательное значение, то уровень ниже заданного. Таким образом, имитируется работа аналогового компаратора. При этом программа микроконтроллера написана простыми математическими функциями, не требующими значительных ресурсов.

Если уровень света выше установленного режима, то лампа не включается, если же ниже — активизируется порт В, и лампа включается. Включение производится по переходу через ноль сети. Дальше цикл повторяется.

Переход через ноль допускается на уровне ±10 В. Такой уровень напряжения не влияет на нагрев нити накаливания лампы, создает условие включения семистора и не создает импульсных помех при коммутации нагрузки. В каждом цикле проверяется режим программы, и изменяется уровень срабатывания согласно выбранному режиму. В случае сбоя микроконтроллер по нажатию кнопки "Сброс" переводится в начало программы.

Плата

Монтажная схема платы представлена на рис. 11.10, а схема разводки проводников с двух сторон — на рис. 11.11.

Рис. 11.10. Монтажная схема платы управления автоматом ночного освещения

Плата изготовляется из двухстороннего металлизированного текстолита и устанавливается на пластмассовые ножки для изоляции от корпуса. Микросхемы IC1 и IC2 установлены на панельки для поэтапной настройки платы. На плате присутствуют разъемы PTR-500 (разной конфигурации и цвета, чтобы не перепутать провода) для подсоединения питания сети, нагрузки и фотодатчика.

Автор собрал автомат навесным монтажом на макетной плате. Ее компоненты:

• фотодатчик — фоторезистор СФ2-6;

• операционный усилитель — TL062 (два усилителя в одном корпусе) или любой с низковольтным питанием и низким дрейфом нуля;

• стабилитрон D1 — Д815Г в металлическом корпусе на напряжение стабилизации 9 В (при настройке можно установить на радиатор 50 мм2);

• резисторы мощностью 0,125 Вт;

• переменные резисторы — миниатюрные, маломощные на 10 кОм;

• резисторы R1 и R18 — по 200 Ом на 2 Вт (при настройке возможно увеличение мощности рассеивания);

• конденсатор ХС1 — составной: два параллельно включенных конденсатора с номиналом 0,68 мкФ х 350 В;

• конденсатор С2 — на 0,1 мкФ х 350 В;

• остальные конденсаторы — любые на напряжение 9 В

• светодиоды — любые на ток 5 мА;

• стабилизатор 5 В — микросхема 78L05 в миниатюрном корпусе;

• кнопка "Сброс" и переключатель режимов — обязательно с пластиковой ручкой;

• предохранительная колодка F1 имеет пластиковый корпус для исключения касания с элементами предохранителя;

• предохранитель для лампы 60 Вт — на 1 А;

• выпрямительный мост В2 — КВР08, но можно применить любой отечественный мост на ток до 500 мА и обратное напряжение 220 В;

• оптосемистор МОС3063;

• семистор ВТ136, без радиатора для лампы 60 Вт.

Настройка

Настройка автомата состоит из трех этапов.

1. Вначале настраивается канал измерения. Для питания схемы подключается нестабилизированное постоянное напряжение 9 В к точке А в соответствии с полярностью схемы. Проверяется на нагрев стабилитрон D2. Проверяется напряжение после IC3: 5 В.

2. Проводится тест "прошивки" микроконтроллера. Записывается тестовая программа, представленная в листинге 11.3 (ассемблерный код) и листинге 11.4 (шестнадцатеричный код), и включается микроконтроллер. На оптопару в течении двух минут подается сигнал управления, потом — пауза на две минуты, отключение оптопары и еще одна пауза на две минуты. Цикл повторяется бесконечно. При проверке устраняются дефекты схемы. Далее записывается рабочая программа (см. листинги 11.1 и 11.2) и ранним утром или вечером настраивается уровень срабатывания автомата. Вручную регулируется значение R8. Если необходимо изменить уровень в больших пределах, подбирается R10. Для лучшей чувствительности фотодатчик выносится на освещенное место, а к его ножкам припаивается экранированный провод, который затем подводится к автомату. Улучшения чувствительности можно добиться, если подсоединить два фотодатчика параллельно.

3. Настройка схемы питания. В зависимости от уровня сети подбирается ХС1, после чего автомат без микроконтроллера включается в сеть 220 В и проверяется напряжение на R3. Если напряжение более 3 В, то параллельно R3 необходимо установить стабилитрон на 3,3 В. Автомат выключается из сети и проверяются на нагрев элементы D2, R1 и R18. При необходимости мощность рассеивания резисторов увеличивается, а стабилитрон устанавливается на радиатор.

Внимание!

Схема не имеет гальванической развязки! Настройка и проверка во время включения в сеть 220 В должна выполняться по всем правилам техники безопасности. Нельзя прикасаться к любым элементам схемы незащищенной поверхностью рук и тела! Измерительные приборы и инструмент должны иметь изоляцию. Если при проверке используется осциллограф, необходима гальваническая развязка по общему проводу. Если всплески напряжения происходят часто, подбирается R1, R18.

Эксплуатация

Размещение и зона действия прибора зависит от необходимого уровня освещенности. Для каждого из вариантов (лестничная клетка, приусадебное хозяйство или крыльцо) фотодатчик следует размещать в зоне максимальной освещенности. Также необходимо следить за тем, чтобы светодиоды платы не засвечивали оптоэлементы. Можно отказаться от применения светоднодов, но при быстрой диагностике схемы невозможно оценить работоспособность устройства. В рабочем состоянии светодиоды можно накрыть колпачком.

Плату управления автоматом для различных вариантов устанавливают рядом с нагрузкой в освещенном месте. В процессе эксплуатации, возможно, потребуется оперативная регулировка уровня срабатывания. Поскольку днем может быть темно (например тучи перед ливнем), то потенциометром R8 можно изменить уровень срабатывания (в целях техники безопасности эта операция выполняется отверткой с изолированной ручкой). Для увеличения мощности включаемых ламп необходимо семистор ОК2 установить на радиатор и, соответственно, увеличить предохранитель F1. В случае использования нескольких мощных ламп необходимо установить несколько опторазвязок и семисторов на каждую нагрузку. Кроме того, питание силовых цепей можно включить через автоматический выключатель с током срабатывания, равным сумме токов нагрузки.

Экономия

Экономия от использования автомата представлена в таблице "Расчет экономии от автомата ночного освещения.xls" ,которую можно найти  в АРХИВЕ В папке Расчеты . При этом автор исходил из оплаты электроэнергии в г. Киеве за февраль 2007 г. и стоимости радиодеталей в свободной продаже на рынке в этот период. Себестоимость устройства, приблизительно равная $16, окупается экономией электроэнергии в течении года при эксплуатации одной лампочки на 60 Вт. Если же задействовать лампочку мощностью 100 Вт, то устройство окупится в течении восьми месяцев.