Контроллер управления освещением холлов и подъездов с функцией экономии электроэнергии

• 1. Техническое задание
• 2. Разработка проекта
• Исследование аналогов
• 3. Выбор архитектуры и обоснование проекта
• Выбор электронных элементов
• Выбор типа силовых ключей
• Выбор микроконтроллера
• Описание работы программы управления контроллером
• Выводы
• Приложение

1. Техническое задание

Поставлена задача провести разработку специализированного контроллера позволяющего управлять освещением подъездов и холлов:

1. Контроллер должен выполнять контроль, за перемещением людей по холлу или подъезду.

2. Контроль, за освещенностью управляемой зоны, для обеспечения автоматического включения при снижении освещенности.

3. Для обеспечения взаимодействия нескольких контроллеров предусмотреть использование линии связи между ними.

4. Управление светильниками может вестись по нескольким алгоритмам.

5. Также желательно предусмотреть плавное зажигание и гашение светильников.

Для контроля, за перемещением, контроллер может использовать любые датчики на усмотрение разработчика, при этом требуется обеспечить четкость определения позиции проходящих людей, и выполнение соответствующей реакции, управляя источниками света.

2. Разработка проекта

Исследование аналогов

В соответствии с поставленной задачей мне пришлось проанализировать и изучить имеющиеся аналоги, для этого я использовал как периодическую литературу, так и документы найденные в интернете.

По найденным аналогам можно сделать следующие выводы:

1. Большинство систем подобного типа, в качестве датчиков использую оптические датчики на пересечение луча (для простых систем), в более сложных системах инфракрасные датчики присутствия (что приводит к существенному удорожанию комплекса управления в целом).

2. Системы управления в большинстве своем рассчитаны на 2−3 источника света (для простых построенных на логике) или 20−30 для сложных микропроцессорных систем управления.

3. Большинство рассмотренных систем используют не оптимальные алгоритмы управления рассчитанные на фешенебельные гостиницы или богатые дома, т. е. системы для потребителей не стремящихся к экономии электроэнергии.

3. Выбор архитектуры и обоснование проекта

Исходя из всего вышеперечисленного, было решено произвести разработку системы управления, ориентированную, на мало заполненную нишу, котроллеров средней ценовой категории. К этой категории можно отнести следующие объекты: предприятия, жилые дома учреждения и т. п. Для этого был выбран тип системы с недорогим микропроцессорным контроллером на основе 51 серии микроэвм. В качестве датчиков был выбран емкостной датчик присутствия на основе градиентного реле, найденный в журнале «Радиохобби» № 10 за 2000 г. Данный датчик позволяет обнаруживать изменения электрического поля и емкости на расстоянии до трех метров (при соответствующей конструкции чувствительной антенны), что является в большинстве случаев достаточным условием. Также антенна может монтироваться скрыто в подвесных потолках, в штукатурке стен или даже в декоративных панелях.

Единственным недостатком данного датчика является возможность ложных срабатываний, но так как при этом не наносится никакого вреда (как например звонок сработавший от включения холодильника будит спящих людей посреди ночи), этот момент является допустимым. Так как, зоны контроля для каждого датчика могут перекрываться, программа управления может быть существенно упрошена.

Для связи с соседними контроллерами при их последовательном объединении можно использовать простую двухпроводную линию связи и обеспечивать необходимое удаление между ними.

Для управления источниками света использована стандартная схема взятая также из журнала «Радиохобби» № 2 за 2002 г при этом данная схема коммутируется положительным напряжением +5 В и обеспечивает плавность зажигания и гашения источников света.

Для обеспечения работы в различных режимах я предусмотрел переключатель, но пока ограничился только двумя режимами управления.

Причем данная схема может управлять любыми лампами, в том числе дневного света, но при этом из стандартной схемы управления следует исключить конденсатор создающий плавное нарастание и гашение обычных ламп накаливания и галогеновых светильников.

Структурная схема.

Лампы

Выбор электронных элементов

Датчиков движения.

Как указывалось выше, в качестве датчиков движения использованы датчики электростатического типа, которые обеспечивают необходимый радиус зоны обнаружения и требуемую реакцию. Принцип данных датчиков основан на контроле состояния электрического поля и при его изменении происходит срабатывание датчика. При этом порог чувствительности датчика может изменяться в небольших пределах при изменении значений входных резисторов. Данные датчики очень четко реагируют на изменения поля вносимые человеческим телом, что было установлено практическим путем на макете подобного устройства. Но как указывалось ранее могут реагировать на изменения, происходящие при включении мощных электрических приборов, таких как холодильник или утюг, но такие ложные срабатывания редки и не приносят вреда, а в данной системе приведут к кратковременным включениям и незначительному расходу энергии.

Выбор типа силовых ключей

Как указывалось ранее, схемы силовых ключей могут существенно отличатся, от того какой источник света используется, соответственно отличается и алгоритм включения источника, поэтому в целях упрощения программы, я решили плавное включение ламп перенести на уровень силового ключа.

При этом для обеспечения плавности нарастания сигнала используется задержка с помощью конденсатора включенного в управляющий электрод тиристора, при этом, чем больше емкость конденсатора — тем более плавное включение лампы мы наблюдаем. Такой режим также благоприятен не только для глаз, но и для ламп (особенно галогенного типа), при этом у них существенно возрастает срок службы.

Но при коммутации электронных или простых ламп дневного света конденсатор следует исключить, так как требуется резкое нарастание питающего напряжения для обеспечения включения ламп.

Выбор микроконтроллера

Для использования в данном устройстве был выбран микропроцессор АТ89С51−20PI. Рассмотрим его технические характеристики:

небольшая цена 3 у.е. (90 руб.)

встроенная Flash память программ 4КB

встроенное ОЗУ данных 128 байт,

32 двунаправленные индивидуально адресуемые линии ввода/вывода

два встроенных 16-разрядные таймеров/счетчиков.

последовательный порт UART

несколько источников прерываний с несколькими уровнями приоритета

встроенный тактовый генератор

возможность расширения внешнего ОЗУ и ПЗУ до 64 Кбайт

Напряжение питания: 3.0−5.0В;

Максимальная тактовая частота: 20МГц;

Корпус PDIP20.

Как видно из выше представленных характеристик данный контроллер полностью удовлетворяет нас по скорости и объему памяти. Поэтому в целях снижения потребления и повышения надежности системы управления мы используем кварцевый резонатор на частоту 12МГц. Такая частота, очень удобна для последующих пересчетов по таймеру, так как каждый тик, приращение таймера происходит с частотой 1МГц (1мкс).

Описание работы программы управления контроллером

При снижении уровня освещенности ниже заданного порога происходит активация котроллера управления. (с наступлением темноты или сумерек). С этого момента котроллер начинает реагировать на датчики присутствия и выполнять включение источников света по заданной программе.

По аналогии с изученными готовыми системами я предусмотрел два режима управления, устанавливаемые нажатием на управляющую клавишу:

1. режим слежения за объектом перемещения. Контроллер реагируя на перемещения человека в наблюдаемом пространстве зажигает три источника света (над человеком, перед ним и следом за ним) остальные источники датчики соответствующие которым не сработали, выключаются. При интенсивном движении в наблюдаемом пространстве горит все освещение. При этом также учитывается возможность наличия дверей по периметру. Если человек вошел в дверь, он исчезает из зоны наблюдения, в таком случае при отсутствии движения, через три минуты, все осветительные приборы отключаются и существенно экономиться электроэнергия.

2. Другой режим — световая дорожка. Он наиболее оптимален для редко посещаемых коридоров например на предприятиях (когда охрана делает обход). В данном режиме контроллер определяет направление движения и выполняет включение всех источников света до конца коридора или холла. А по мере продвижения человека в заданном направлении гасит за ним источники света.

Для обеспечения взаимодействия между котроллерами программой котроллера предусмотрен анализ состояния линий связи. Если на них присутствует 0 потенциал при отключенных собственных источниках, то это означает, что соседний котроллер включил крайний источник освещения и скоро произойдет переход человека в зону текущего контроллера. В такой ситуации котроллер должен включить источник освещения и сопроводить светом перемещения человека. Связывая так контроллеры, мы можем получать нужную длину зоны наблюдения и управления.

Выводы

Данная работа является не только возможностью научится проектировать микропроцессорные системы контроля и управления, но и носит чисто практическую ценность при дальнейшей реализации. Данный прибор позволит обеспечить не только комфортные условия освещения на различных объектах, но и существенную экономию электроэнергии, что в масштабах особенно государственных учреждений и предприятий очень существенно. При невысокой стоимости данной системы она будет окупать себя буквально за месяц или два, даже с учетом расходов на монтаж.

Приложение

Листинг

osvech: do; /**********программа управления электроосвещением *********/

$include (reg51. dcl)

declare

perT0 word, /*число переполнений таймера*/

(I, J, K, FlT0) byte,

napr byte,

pred byte,

sek byte;

declare SA1 literally 'P0.5', Pred literally 'P0.0', Sled literally `P0.1',

Osv literally `P0.2'; /*переименование входов */

T0: procedure interrupt 1; /*обработчик прерывания таймера0*/

Th0=3Ch; Tl0=0AFh; /* установка предделителя для задержки 5мс*/

if perT0<7200 then/*проверка числа переполнений таймера*/

do;

perT0=perT0+1;

end;

else do; /*6ти минутная задержка выдержана выключаем все источники*/

FlT0 =1;

perT0=0; /*сбрасываем счетчик переполнеий*/

P2=0; /*Гасим все источники*/

napr=3; /*направление неопределенное*/

end;

end T0;

/ *Основная программа*/

tf0=0; /*сбрасываем флаг переполнения таймера*/

ea=1; /*разрешаем обработку всех прерываний*/

et0=1; /*разрешаем обработку прерывания таймера*/

Th0=3Ch; Tl0=0AFh; /*пределитель на 50 милисекунд*/

tmod=01b; /*устанавливаем для таймера 0 первый режим 16разрТ0*/

tr0=1; /* запускаем таймер*/

perT0=0; FlT0=0;

do while 1;

if Osv=0 then do; /*освещенность помещения ниже установл вкл. контроль*/

if SA1=1 then do; /*первый режим ведение объекта*/

if pred=1 then p2.0=1; /*проверка связи с соседним котнтроллером */

if p1.0=0 then

do; P2.0=1; P2.1=1; perT0=0; P0.3=1; end;

if p1.1=0 then

do; P2.0=1; P2.1=1; P2.2=1;

if p2.4=0 then P2.3=0; /*гашение не нужн источникa*/

perT0=0; /* сброс выдержки времени*/

END;

if P1.2=0 then

do; P2.1=1; P2.2=1; P2.3=1;

if p2.5=0 then P2.4=0; if pred=0 then P2.0=0;

PERT0=0;

END;

If P1.3=0 then

do; P2.2=1; P2.3=1; P2.4=1;

If p2.6=0 then P2.5=0; if p2.0 then P2.1=0;

PERT0=0;

END;

If P1.4=0 then

do; P2.3=1; P2.4=1; P2.5=1;

If p2.7=0 then P2.6=0; if p2.1=0 then P2.2=0;

PERT0=0;

END;

If P1.5=0 then

do; P2.4=1; P2.5=1; P2.6=1;

if sled=0 then P2.7=0; if p2.2=0 then P2.3=0;

PERT0=0;

END;

If P1.6=0 then

do; P2.5=1; P2.6=1; P2.7=1;

if p2.3=0 then P2.4=0;

PERT0=0;

END;

If P1.7=0 then

do; P2.6=1; P2.7=1; P0.5=1;

if p2.5=0 then P2.4=0;

PERT0=0;

END;

If sled=1 then do; P2.7=1; /*вкл предшеств и следующ. */

if p2.6=0 then P2.5=0;

PERT0=0;

END;

end;

else do; /*переключатель в 1 выбран второй режим световая дорожка*/

if pred=0 then do; napr=1; P2=0ffh; end

if p1.0=0 then do; napr=1; P2=0ffh; end; /*устанавливем направление вкл. все*/

if p1.1=0 then do; pred=1; if napr=1 then P2.0=0; /*гасим следом*/

If napr=0 then P2.2=0;

If napr=3 then do; /*определяем направление движения*/

if pred=2 then do; napr=0; p2.0=1; p2.1=1; end;

else do; P2.1=1; P2.2=1; P2.0=1; end;

End; PERT0=0;

end;

if p1.2=0 then do; pred=2; if napr=1 then P2.1=0; /*гасим следом*/

If napr=0 then P2.3=0;

If napr=3 then do; /*определяем направление движения*/

if pred=1 then do; napr=1; p2=1 111 1100b; end;

else if pred=3 then do; napr=0; p2=111b; end;

else do; P2.1=1; P2.2=1; P2.3=1; end;

End; PERT0=0;

end;

if p1.3=0 then do; pred=3; if napr=1 then P2.2=0; /*гасим следом*/

If napr=0 then P2.4=0;

If napr=3 then do; /*определяем направление движения*/

if pred=2 then do; napr=1; p2=1 111 1000b; end;

else if pred=4 then do; napr=0; p2=1111b; end;

else do; P2.2=1; P2.3=1; P2.4=1; end;

End; PERT0=0;

end;

if p1.4=0 then do; pred=4; if napr=1 then P2.3=0; /*гасим следом*/

If napr=0 then P2.5=0;

If napr=3 then do; /*определяем направление движения*/

if pred=3 then do; napr=1; p2=1 111 0000b; end;

else if pred=5 then do; napr=0; p2=1 1111b; end;

else do; P2.3=1; P2.4=1; P2.5=1; end;

End; PERT0=0;

end;

if p1.5=0 then do; pred=5; if napr=1 then P2.4=0; /*гасим следом*/

If napr=0 then P2.6=0;

If napr=3 then do; /*определяем направление движения*/

if pred=4 then do; napr=1; p2=1 110 0000b; end;

else if pred=6 then do; napr=0; p2=11 1111b; end;

else do; P2.4=1; P2.4=1; P2.6=1; end;

End; PERT0=0; end;

if p1.6=0 then do; pred=6; if napr=1 then P2.5=0; /*гасим следом*/

If napr=0 then P2.5=0;

If napr=3 then do; /*определяем направление движения*/

if pred=5 then do; napr=1; p2=1 100 0000b; end;

else if pred=7 then do; napr=0; p2=111 1111b; end;

else do; P2.5=1; P2.5=1; P2.7=1; end;

End; PERT0=0; end;

if p1.7=0 then do; napr=0; P2=0ffh; P0.4=1; PERT0=0;

end; /*зажигаем все*/

if sled=0 then do; napr=0 then P2=0ffh; PERT0=0;

end; /*зажигаем все*/

end; end;

end osvech;

контроллер управление освещение программа

Схема устройства