Мехатронная система автоматического регулирования внутреннего освещения жилого помещения



Проблема экономии электроэнергии имеет большое народнохозяйственное значение. В системах освещения расходуется около 13 % всей генерируемой электрической энергии — почти 107,6 млрд. кВт∙ч. Количество осветительных приборов в стране превышает 1 млрд. штук, при этом, исследования показывают, что существует возможность практически вдвое снизить расход электроэнергии без ухудшения условий освещенности. Это достигается за счет совершенствования технических средств и способов освещения, модернизации действующих установок и организации их правильной эксплуатации [1].

Естественное и искусственное освещение играет важную роль в жизни человека. Восемьдесят процентов информации воспринимается человеком именно посредством органов зрения. Безопасность и здоровье, условия труда в значительной степени зависят от освещенности рабочих мест и помещений. Недостаток освещенности утомляет зрение и вызывает утомление организма и может стать причиной травматизма. Поэтому важна правильная организация управления и сбалансированность как искусственного, так и естественного освещения в помещении. Контроль освещения рассматривается как одна из важнейших функций систем управления. С помощью современных системы управления можно регулировать уровень освещенности в помещении в зависимости от сезона года, времени суток и присутствия человека, что позволяет существенно экономить электроэнергию, продлевать срок службы оборудования и значительно повысить уровень комфорта и самочувствия человека.

В вопросах энергосбережения в системах, связанных с освещением можно выделить два основных направления: экономия электроэнергии за счет использования более современных осветительных приборов; применение систем микропроцессорного управления, обеспечивающих баланс естественного и искусственного освещения с целью создания комфортные условия для жизни и работы.

Системы управления освещение обычно включают в себя ряд устройств, которые могут использоваться как самостоятельно так во взаимодействии друг с другом [2]. Примерами таких устройств являются — регуляторы света, сумеречные выключатели, датчики освещённости, датчики движения, таймеры, лестничные выключатели, с различными видами подключения (проводное или беспроводное) и управления (обычное кнопочное или по радиоканалу).

Система управления освещением не является полной без возможности контролировать моторизированные жалюзи и шторы. Они выполняют важную роль в формировании правильного освещения и помогают создать комфортные условия для жизни и работы. Наибольшее распространение получили системы на основе датчиков освещенности, поскольку позволяют работать не только в ключевом режиме (включить-выключить), но и регулировать уровень освещенности как помещения целиком, так и отдельных его участков.

Существенным недостатком предлагаемых на рынке решений по-прежнему остается достаточно высокая цена. В данной статье представлено описание проекта простой мехатронной системы автоматического регулирования внутреннего освещения жилого помещения. Структурная схема системы показана на рисунке 1.

Система включает в себя навесной модуль, прикрепляемый к карнизу жалюзи. Закрытие и открытие жалюзи осуществляется с помощью системы круглозубых звёздочек, протягивающих шариколенту, в автоматическом режиме закрытие и открытие производится с помощью провода с шаговым электродвигателем. Система управления включает два цифровых датчика освещенности, один из которых служит для измерения внешней освещенность (за окном помещения), другой для освещенности внутри помещения. В состав системы включен датчик движения (присутствия), регистрирующий наличие человека в контролируемом помещении.

Рис. 1. Структурная схема мехатронной системы автоматического регулирования внутреннего освещения жилого помещения.

На механизме открывания жалюзи установлен небольшой магнит, а на корпусе карниза установлены два магнитоуправляемых датчика положения под углом 90⁰ один относительно другого. Таким образом, один из датчиков срабатывает в положении жалюзи «открыто», а другой в положении «закрыто». Автоматическое открытие/закрытие жалюзи производится шаговым электродвигателем, по команде от управляющего микроконтроллера. Для отображения уровня освещенности внутри контролируемого помещения в системе установлен светодиодный индикатор.

На рисунке 2 представлена принципиальная электрическая схема системы автоматического регулирования внутреннего освещения жилого помещения.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема системы автоматического регулирования внутреннего освещения жилого помещения.

В системе управления автоматического регулирования внутреннего освещения используется AVR микроконтроллер ATmega2560 фирмы Atmel (DD1) [3–5]. Все микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру, которая предполагает разделение памяти программ и данных. Используемые при этом средства адресации позволяют создавать эффективные программы с высоким быстродействием. В состав схемы входит стабилизированный источник питания (DD2). К выводам микроконтроллера подключены разъемы датчиков наружной и внутренней освещенности, датчика движения, датчики положения жалюзи (открыто/закрыто) и разъем для подключения силовой схемы управления шаговым электродвигателем.

В качестве датчика присутствия в системе используется пиротехнических фотоприемников (ПФП) в основе работы которого положен пироэлектрический эффект кристаллов, сущность которого заключается в изменении поляризации пироактивного кристалла в процессе изменения температуры на его гранях [6]. Поляризация кристалла — это пространственное разделение зарядов, при котором на одной из граней кристалла возникает положительный заряд, а на второй — отрицательный. Она происходит спонтанно при отсутствии внешнего электрического поля при постоянной температуре. Однако при постоянстве температуры поверхностные заряды компенсируются объемной и поверхностной проводимостями кристалла и не могут быть обнаружены.

Поэтому пироэлектрический эффект проявляется только при изменении температуры кристалла во времени. Этот эффект наблюдается при приеме модулированного или импульсного излучения.

Пироэлектрический ток при изменении температуры пироактивного кристалла можно определить по формуле

(1)

где — коэффициент спонтанной поляризации; —температура; — пироэлектрический коэффициент.

Если облученный кристалл подключить к внешнему сопротивлению нагрузки и представить его как генератор тока, то можно вычислить интегральную чувствительность пирокристалла:

(2

где — площадь приемной площадки фоточувствительного элемента; — коэффициент поглощения; — эквивалентное сопротивление нагрузки; — суммарная емкость кристалла и нагрузки (входной емкости усилителя); — круговая частота модуляции потока; — тепловая постоянная времени (отношение теплоемкости кристалла к коэффициенту теплопотерь ); — электрическая постоянная времени.

Решающее влияние на основные параметры пироэлектрических приемников оказывает значение пироэлектрического коэффициента . Большинство типов фотоприемников, использующих внутренний фотоэффект, обладают избирательной чувствительностью. Тепловые же фотоприемники, использующие пироэффект, обладают практически равномерной чувствительностью во всем рабочем диапазоне длин волн.

Особенностью пироэлектрических приемников излучения является то, что они, будучи по существу емкостными элементами, имеют очень большое внутреннее сопротивление ( Ом) и низкие выходные токи ( А). Это создает значительные трудности при согласовании их с входными каскадами усилителей. К входным цепям усилительных устройств, работающим совместно с пироэлектрическими приемниками, предъявляется ряд специфических требований: высокое входное сопротивление, малая входная емкость, низкий уровень собственных шумов. Совокупности указанных требований удовлетворяют полевые транзисторы и усилители на их основе. Принципиальная электрическая схема устройства, содержащего пироэлектрический элемент (ПФП), подключенный к интегральному операционному усилителю с входным дифференциальным каскадом усиления на основе полевых транзисторов (ДА), приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема устройства с пирофотоприемником.

Если датчик построить всего на одном фотоэлементе, то он будет срабатывать не только от движущихся предметов, а также просто от внешней температуры, солнечных лучей, от радиаторов отопления и изменения температуры самого датчика, точнее его корпуса. Другими словами, помехозащищенность такого датчика слишком низкая. Чтобы ее повысить пироэлектрические датчики изготавливаются на базе двух фотоэлементов, включенных встречно, как показано на рисунке 4, что позволяет компенсировать только что упомянутые факторы.

Рис. 4. Пироэлектричкский датчик с двумя фотоэлементами.

Такой датчик реагирует только на изменение величины излучения, что позволяет использовать его в качестве детектора движения. Еще большую надежность в работе датчику обеспечивает светофильтр, настроенный на длину волны 5–14 мкм. Такое излучение наиболее характерно для человеческого тела.

Основные технические характеристики датчика: напряжение питания 4,5–20 В; угол обзора — 110⁰; дистанция обнаружения 7 м.

Для измерения освещенности в системе использован цифровой датчик BH1750FVI выполненный в виде микросхемы с цифровым выходом (интерфейс I²C). Датчик может использоваться в различных электронных и мехатронных устройствах, для получения данных о внешней освещенности (например, системы управления освещением зданий, для автоматической регулировки яркости экранов ЖК телевизоров и мобильных телефонов и т. д.). Датчик позволяет измерять интенсивность света в широком спектре с высоким разрешением от 1 до 65535 лк.

Краткие характеристики датчика: интерфейс I²C; спектральная чувствительность близка к чувствительности человеческого глаза; встроенный 16-и разрядный аналого-цифровой преобразователь; широкий диапазон измерений освещенности (1–65535 лк).

Датчик имеет несколько режимов измерения освещенности. Режим высокого разрешения (с разрешением 1 лк) позволяет фиксировать небольшой уровень освещенности (менее 10 лк). Режим с разрешением в 0,5 лк позволяет фиксировать излучение практически в полной темноте.

Заключение

Разработанная мехатронная система автоматического регулирования внутреннего освещения жилого помещения отличается простотой и может использоваться в больничных палатах с лежачими больными, в теплицах, и других местах, где необходимо обеспечить стабильное освещение без участия человека. Устройство легко устанавливать на карниз без каких-либо изменений конструкции стандартных бытовых жалюзи.

В системе управления автоматического регулирования использован современный микроконтроллер и высокочувствительные цифровые датчики освещенности и движения. Система позволяет обеспечить комфортный уровень освещенности за счет правильной организация управления и сбалансированности как искусственного, так и естественного освещения в помещении.

По предварительным оценкам внедрение такой автоматической системы позволило бы сэкономить приблизительно 15–20 % потребляемой электроэнергии за счёт более рационального использования внешних источников света.

Литература:

1. Энергосбережение в освещении. Под ред. Ю. Б. Айзенберга. М.: Знак, 1999, с. 264.
2. Вернер В. Интеллектуальная система управления внутренним освещением //Светотехника. 1993. № 4. С.15–19.
3. Хартов В. Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих. –М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007, -240 с.
4. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «Atmel» -М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004. -560 с.
5. Ревич Ю. В. Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера. –СПб.: БВХ-Петербург, 2008. -384 с.
6. Михеев В. П., Просандеев А. В. Датчики и детекторы: Учеб. Пособие. –М.: МИФИ, 2007. — 172 с.