Автомат включения освещения

Автомат включения  освещения. 

В настоящее время  существует несколько способов включения  ночного освещения. Первый – это  включение освещения «дедушкиным» способом, т.е. вручную. Более «продвинутый»  способ – это автоматическое включение  и выключение освещения в фиксированное  время. И последнее достижение техники  – это автоматическое включение  освещения по освещенности фотодатчика. У каждого из этих способов свои недостатки. Предлагаю еще один способ включения освещения, который лишен  недостатков перечисленных способов.

Предлагаемый автомат  может включать и выключать освещение  по времени суточного изменения  продолжительности дня в течение  года независимо от широты и долготы  места применения. Предусмотрена  также возможность выключения освещения  в фиксированное время. Это делает возможным применение автомата для  досвечивания до необходимого светового  дня в теплицах, птичниках, животноводческих фермах, аквариумах или на лестничной площадке.

В автомате используются данные изменения светового дня, взятые из перекидного календаря  на текущий год. Год от года эти  данные изменяются за счет прецессии  и нутации земной оси и влияния  сезонной неравномерности вращения Земли в небольших пределах и  укладываются в диапазон потребительской  точности. Моменты восхода и захода Солнца не могут являться временем включения-выключения освещения, так  как из-за рефракции атмосферы  естественное освещение предшествует этим моментам. Светлому и темному  времени суток предшествуют сумерки. Сумерки, при которых не видны  даже наиболее яркие звезды, называются гражданскими. Продолжительность гражданских  сумерек изменяется ежедневно и  зависит от положения Солнца на эклиптике (проекция годичной траектории Солнца на небесную сферу) или склонения  Солнца. Практически это выражается в ежедневном изменении высоты Солнца над горизонтом. Время продолжительности  гражданских сумерек взято из ежегодного школьного астрономического календаря с разбивкой по 15 дней и аппроксимировано на каждый день. В перекидном календаре даются ежедневные данные продолжительности дня для  Москвы. Но эти данные будут отличаться в любом другом пункте, имеющем свою широту и долготу, т.к. на этом месте будет действовать свое истинное местное время.

Тема времени самая  трудная и интересная в астрономии, поэтому во все ее тонкости вникать  нет смысла. Зная о поясном времени  с разбивкой по Земному шару через 15 градусов, необходимо упомянуть и  о декретном времени. Например, в  Татарии декретом от 18 года было установлено, что в республике будет действовать  московское время. Хотя фактически поясное  время там будет отличаться от московского на один час. О действии летнего времени все знают  и, поэтому нет смысла о нем  говорить. Итожа небольшую прогулку по времени, можно сказать, что в  каждом населенном пункте будет свое время начала и окончания ночи, а, следовательно, свое необходимое  время включения и выключения ночного освещения. Чтобы учесть все тонкости изменения местного истинного времени в автомате предусмотрено введение утренней и  вечерней поправки со своим знаком. Можно было бы вводить в программу  широту и долготу местности и  по ним вычислять время, но это  проще только для программы, а  для потребителя сложнее. Определить координаты местности, даже имея крупномасштабную карту, не всем по силам. А определить опытным путем необходимую поправку очень просто. Причем, однажды определив  утреннюю и вечернюю поправку, они  будет действовать постоянно.

В небольших населенных пунктах, с целью экономии электроэнергии, ночное освещение выключают в  определенное время (00 часов или  в 1 час). Для этого в автомате предусмотрено  фиксированное время выключения освещения.

Таким образом, применение этого автомата возможно в любом  пункте северного полушария Земли (кроме заполярья и экватора). Для южного полушария Земли необходима замена зимнего нулевого дня на летний и наоборот. На других широтах, возможно, потребуется изменение таблицы  поправок в программе автомата.

Расчет времени  включения и выключения освещения  производится в следующей последовательности. За нулевой день принят день зимнего  солнцестояния, т.е. 22 декабря. Поворотным нулевым днем является день летнего  солнцестояния – 22 июня. Для симметричности принято в году 366 дней. Для этого  прибавлен день високосного года – 29 февраля. На каждую установленную  дату (число, месяц) рассчитывается, каким  по порядку днем (счетный день) является данный день, считая от нулевого дня. При достижении дня летнего солнцестояния, который принят за нулевой летний день, отсчет идет в обратной последовательности. Например, 26 июня будет четвертым счетным днем, и поправки будут суммироваться ко времени нулевого летнего дня. Это сделано из-за того, что по косвенной адресации в один восьмиразрядный регистр можно записать только 256 значений поправок, но никак не 366. Поэтому в регистр программ записано 183 значения поправки от зимнего до летнего нулевого дня. Кроме того, расчет поправки занимает довольно много времени (0,7 сек.), хотя он и производится один раз в сутки. Если производить расчет поправок от нулевого дня до 365-го, то это займет около 1,5 секунды, а, значит, будет пропущено прерывание на увеличение регистра секунд, и часы будут отставать. Но в этом нет необходимости, поскольку приращение поправок на каждый день от одного солнцестояния до другого примерно (с бытовой точностью) симметричны, но имеют разные знаки.

 По номеру счетного  дня вычисляются утренняя и  вечерняя поправки, суммированием  всех поправок, начиная от нулевого  дня. К полученным поправкам  прибавляются со своим знаком  установочные утренние и вечерние  поправки. Далее полученные поправки  прибавляются к времени включения-выключения  освещения нулевого дня, и получаем  время включения-выключения освещения  на текущую дату.

Укрупненный алгоритм работы программы показан на рисунке 1.

 После пуска  и инициализации регистров включается  предделитель и таймер TMR0, настроенные  на переполнение таймера через  одну секунду. В это время  программа выполняет индикацию,  если идет установка, и сравнение  вычисленного значения времени  с текущим временем, если нет  установки. При сравнении времени,  если есть совпадение, переключаются  выходы на включение, если вечернее  время, или на выключение, если  утреннее время. По переполнению  таймера происходит прерывание. Увеличиваются значения регистров  часов и, если есть изменение  даты (00 часов), выполняются расчеты  счетного числа, поправок и  времени включения-выключения. Если  нет изменения даты и нет  установки, то программа возвращается  из прерывания. Если идет установка,  то выполняется проверка нажатых  кнопок: «режим», «разряд», «установка».  Если во время установки были  изменения числа или месяца, производится  перерасчет времени включения-выключения. Если дата не изменялась, то  прерывание завершается. Цикл  завершается до следующего прерывания. 

На рисунке 2 показана принципиальная схема автомата включения  освещения.

 Выходы микроконтроллера DD1 RA0-RA3 коммутируют катоды светодиодов  HG1-HG3. Выход RA4 работает на вход  и на выход. На выход он  включает сегмент H, а в режиме  входа принимается состояние  кнопки SB4 – «Установка». Входа  RB0-RB6 двунаправленные. В режиме  индикации и работы на выход  они включают сегменты светодиодов.  При работе на вход к выводам  RB1, RB2 подключены кнопки SB1, SB2 «Режим»  и «Установка». В рабочем режиме  выводы RB3, RB4 работают на выход,  коммутируя реле К1 и К2. Вывод  RB7 работает постоянно на вход, управляя включением режима индикации.  Цепочка R1, C1 является схемой сброса  микроконтроллера при включении,  обеспечивая его нормальное функционирование. От типа часового кварца (плоский,  цилиндрический, миниатюрный) на  частоту 32768 Гц зависит номинал  конденсаторов С2, С3, который может  лежать в пределах 20-33 пикофарад.  Конденсаторы подбираются по  устойчивому запуску микроконтроллера  и при подстройке частоты генерации  кварца. В аварийном режиме резервное  питание осуществляется элементами GB1.

В обычном режиме питание осуществляется через стабилизатор напряжения КР142ЕН5А или аналогичный  импортный.

Автомат может использоваться в единичном экземпляре для частного использования или в многократном исполнении, например, в коммунальном хозяйстве. Имея много пунктов коммутации освещения, достаточно иметь один индикатор  для установки времени и поправок. Поэтому в схему введен разъем ХР1. Через разъем подсоединяется плата  со светодиодами и их резисторами, а  также с кнопками и их резисторами. В последнем случае кнопка с фиксацией SB3 и резистор R14 не нужны. Вместо них  на плате индикации устанавливается  перемычка между общим выводом GND и выводом UST. На схеме перемычка  показана пунктиром.

Транзисторы VT1, VT2 и  реле К1, К2 включают и выключают пусковое реле К3 (рис.3).

 Реле К1 нормально-разомкнутым  контактом К1.1 замыкает цепь питания  реле К3 при высоком уровне  на выходе RB3 микроконтроллера. Своим  контактом К3.1 реле К3 блокируется.  При появлении высокого уровня  на выводе RB4 микроконтроллера включится  реле К2 и, своим нормально-замкнутым  контактом К2.1, разомкнет цепь  питания реле К3. При срабатывании  реле К3 замкнутся контакты  К3.2-К3.4. Эти контакты (в зависимости  от положения переключателей SA1-SA3) подключат ту или иную линию  освещения EL1-EL3. Пусковые кнопки SB5, SB6, работающие в ручном режиме, остаются для работы в аварийном  режиме.

Печатная плата  для единичного изготовления автомата показана на рисунке 4,

 расположение  элементов на ней – на рисунке  5. Печатная плата для светодиодов  показана на рисунке 6. Печатная  плата разработана для реле  типа РЭС15 паспорт РС4.591.003. Без  переделки платы можно использовать  миниатюрные реле типа РЭС49 паспорт  РС4.569.426.

Назначение кнопок: 

SB1-«Режим», выбор  режима установки перемещением  запятой по разрядам индикатора;

SB2-«Разряд», выбор  мигающего разряда, в который  будет производиться установка;

SB3-«Индикация», кнопка  с фиксацией для включения  светодиодов и режима установки;

SB4-«Установка», плюс  единица в мигающий разряд. 

Описание режимов  работы автомата: 

00 00, - (запятая в  нулевом разряде) установка знака  и значения вечерней поправки;

00 0,0 – (запятая  в первом разряде) установка  значения фиксированного времени  выключения освещения;

00, 00 – (запятая  во втором разряде) установка  текущего числа и месяца;

0,0 00 – (запятая  в третьем разряде) установка  знака и значения утренней  поправки;

00 00 – (запятая  за пределами индикатора) установка  текущего времени (часы, минуты). 

Знаки поправок устанавливаются  в третьем разряде. Единица в  этом разряде соответствует знаку  минус, а ноль – знаку плюс. В  нулевом и первом разрядах устанавливается  значение поправок в минутах, а во втором разряде – значение поправок в часах. Число устанавливается  во втором и третьем разрядах индикатора. Месяц устанавливается в нулевом  и первом разрядах индикатора. Фиксированное  время выключения и текущее время  устанавливаются в часах и  минутах. При установке значений необходимо помнить, что программа не имеет «защиты от дурака» и требует корректных установок. Просто не хватило объема памяти. Установка фиксированного времени выключения равная 25 часам и 99 минут работать не будет. Это же произойдет: если фиксированное время выключения освещения придется на светлое время суток; если величина поправки будет очень большой и перехлестнет длительность ночи. Только установка текущего месяца автоматически переустанавливается в единичное значение, если она выполнена некорректно. Собственно, этим можно пользоваться при установке января. Поскольку при изменении даты происходит перерасчет значений времени включения и выключения освещения, после каждой установки в режиме даты индикация кратковременно гаснет (до 0,7 секунд). Устанавливая значение месяца, равное 24, после перерасчета высветится значение месяца, равное 04. Если установить значение месяца, равное 20, - то высветится значение, равное 01. Десятки месяца можно устанавливать, не переходя на первый разряд.

Если на индикаторе ни один разряд не мигает, кнопкой «Установка»  можно обнулить значения выбранного режима. При этом обнуляются значения всего индикатора. Для режима часов  обнуляются только значения минут и  секунд.

Переключение времени  выключения освещения происходит по состоянию флага, который устанавливается  при установке либо утренней поправки, либо фиксированного времени выключения. Из этого следует, что значение фиксированного времени (как и значение утренней поправки) может находиться на индикаторе, но не работать. Для того, чтобы включились эти режимы, необходима переустановка  любого значения на этом режиме. Например, установлены значения: 1,0 25 и 12 0,0. Вы не помните какой из этих режимов  устанавливался последним. Установите мигающим нулевой разряд в выбранном  режиме и установите 0 или 5 еще раз. После установки будет работать тот режим, в котором вы делали переустановку.

Для упрощения выполнения расчетов времени включения и  выключения освещения текущее время  устанавливается смещенным на 12 часов. В 12 часов дня (по часам) необходимо в автомате устанавливать 00 часов. И  в это время будет смена  даты. В 14 часов (по часам) необходимо устанавливать 02 часа и т.п. При смене даты происходит, как упоминалось выше, перерасчет времени включения-выключения. Число  необходимо устанавливать до обеда  (по часам) сегодняшнее, а после обеда – завтрашнее. Сообразуясь со здравым смыслом, естественно, что все установки необходимо производить, когда освещение выключено. Поскольку выходы, включающие реле К1 и К2, работают на индикацию, то возможно переключение реле от импульсов индикации (как правило, в состояние выключено). При включении индикации состояние выходов запоминается.  После выключения индикации состояние выходов возвращается в исходное. В зависимости от типа применяемого реле К1, К2 (различное время срабатывания) возможно, потребуется отключение базы транзистора VT1 на время установки. Особенно это может сказаться при установке даты. Если имеется рубильник для выключения освещения, то лучше его выключить на время установки. 

Определение поправок эмпирическим путем выполняется  следующим образом. Включается автомат  с нулевыми поправками на текущую  дату. Запоминается время включения  и выключения освещения. Если освещение  включается, когда еще светло, то вечерняя поправка устанавливается  со знаком плюс. Эта поправка будет  равна разности времени, на которое  необходимо позже включить освещение. Если необходимо раньше включить освещение, то поправка устанавливается со знаком минус.