Проектирование и внедрение автоматической системы управления уличным освещением с использованием светозависимого резистора

Аннотация

Gouthami. C., Santosh. C., A. Pavan Kumar, Karthik. A., Ramya. K. R. Проектирование и внедрение автоматической системы управления уличным освещением с использованием светозависимого резистора. В современном мире уличные фонари очень необходимы в населенных районах. Из-за насыщенного образа жизни людей переключение на уличные фонари не проводится вовремя, и огромное количество электричества тратится впустую. В современной системе наблюдается, что уличные фонари не выключаются даже при наличии достаточного количества света после восхода солнца и включаются еще до заката солнца. Даже в таймерных системах управления уличным освещением время включения и выключения заметно меняется в солнечные и дождливые дни. Чтобы преодолеть эти проблемы, должен быть разработан автоматический контроллер уличного освещения. Целью проекта является устранение ручных операций и проектирование энергоэффективного автоматического контроллера уличного освещения с использованием светочувствительного резистора и микроконтроллера. Микроконтроллер ATmega8 используется как мозг для управления системой уличного освещения. Язык программирования, используемый для разработки кодов для микроконтроллера – это Clanguage. Эта автоматическая система управления уличным освещением требует меньшего обслуживания и очень надежна. ЖК-дисплей отображает реальное время и изменение напряжения на схеме LDR из-за изменений в освещении солнечного света. Настройка времени включения и выключения выполняется с помощью клавиатуры и ЖК-дисплея. Изменение напряжения на схеме LDR и настройках времени включения и выключения анализируется микроконтроллером и включает автоматическое переключение при выполнении условий переключения. Система очень экономична и надежна и требует очень небольшого обслуживания.

1 Введение

Уличные фонари являются основным требованием в сегодняшней жизни в целях безопасности и предотвращения несчастных случаев в ночное время. Обеспечение уличного освещения является одной из самых важных и дорогостоящих обязанностей города. Освещение может составлять 10-38% от общего счета за электроэнергию в типичных городах по всему миру. Уличное освещение является особенно важной проблемой для государственных органов в развивающихся странах, поскольку оно имеет стратегическое значение для экономической и социальной стабильности. Светильники уличных фонарей косвенно помогли общественности и правительству снизить уровень преступности и несчастные случаи в этом районе. Они также улучшают социальную интеграцию, обеспечивая среду, в которой люди чувствуют, что могут безопасно ходить в темноте. Несмотря на то, что в сегодняшнем занятом образе жизни никто не беспокоится о том, чтобы включить/выключить его, когда это не требуется. Неэффективное освещение ежегодно тратит значительные финансовые ресурсы, а плохое освещение создает небезопасные условия. Энергоэффективные технологии могут резко сократить расходы на уличное освещение.

Основными соображениями в данной области является автоматизация, энергопотребление и экономичность. Автоматизация предназначена для снижения участия человека с помощью интеллектуальных систем. Энергосбережению всегда уделяется основное внимание, поскольку источники энергии уменьшаются по разным причинам. Проектирование экономически эффективной системы очень важно, так как требование большие. Для решения этой проблемы введены автоматические методы контроля уличного освещения. Основная цель нашего проекта – обеспечить лучшее решение для минимизации электрических потерь при работе уличных фонарей, в эту эпоху автоматизации люди не могут регулировать ручные операции в любой области, быстрое продвижение во встроенных системах проложили путь для проектирования и разработки микроконтроллеров на основе систем автоматического управления. Наш проект представляет собой автоматический контроллер уличного освещения с использованием светочувствительного резистора (LDR).

При использовании этой системы ручные работы удаляются. Уличные фонари автоматически включаются, когда солнечный свет падает ниже видимой области наших глаз. Он автоматически отключает уличные фонари под освещением солнечным светом.

Это простая и мощная концепция – автоматическое включение/выключение системы уличного освещения. Он автоматически включает уличный свет, когда солнечный свет опускается ниже видимой области наших глаз, и выключает уличный свет, когда имеется достаточное количество солнечного света. Компонент, используемый для измерения света, является светозависимым резистором. Используя LDR, мы можем автоматически управлять уличным освещением, когда доступно достаточное количество света, уличный фонарь будет находиться в выключенном состоянии, а когда он будет темным, свет будет в включенном состоянии, это описывает международный журнал инженерных тенденций и технологий (IJETT ) – Том 35 № 10 – май 2016 г. ISSN: 2231-5381. Сопротивление LDR обратно пропорционально падению света на нем. Когда свет падает на LDR, он посылает команды на схему управления, что он должен находиться в выключенном состоянии, и уличный фонарь выключается. В этом проекте используется работа транзистора в области насыщения и области отсечения для включения и выключения света в соответствующее время с помощью переключателя с электромагнитным управлением.

Эта система работает в соответствии с изменяющимся солнечным светом, когда на LDR падает достаточное количество света, она обладает высоким сопротивлением и действует как изолятор, а во тьме LDR ведет себя как путь низкого сопротивления и позволяет течь электричеству. Коммутационная работа уличного фонаря осуществляется микроконтроллером ATmega8 вместе с цепью релейного драйвера. Для всей схемы управления требуется 5 В постоянного тока для её работы. Понижающий трансформатор используется для понижения напряжения 230 В переменного тока от сети до 12 В переменного тока, эти 12 В переменного тока преобразуются в 5 В постоянного тока с помощью мостового выпрямителя, а управляемый выход регулятора напряжения передается в схему управления.

Светочувствительные резисторы LDR или светозависимые резисторы очень полезны, особенно в цепях датчика света/темноты. Обычно сопротивление LDR очень велико, иногда достигает 1000000 Ом, но когда они освещены светом, сопротивлением резко падает. Фотодатчики – это устройства, которые изменяют свои электрические характеристики в присутствии видимого или невидимого света. Наиболее известными устройствами такого типа являются резистор, зависящий от света, фотодиод и фототранзисторы. Светоизлучающий резистор, как следует из названия, зависит от света для изменения сопротивления.

LDR изготавливают путем осаждения пленки сульфида кадмия или селенида кадмия на подложку из керамики, содержащую несколько свободных электронов, когда они не освещены. Чем длиннее полоса, тем больше значение сопротивления.

Когда свет падает на полосу, сопротивление уменьшается. В отсутствие света сопротивление может составлять от 10 кОм до 15 кОм и называется темным сопротивлением. В зависимости от воздействия света сопротивление может упасть до значения 500 Ом. Светоизлучающие резисторы доступны в виде дисков от 0,5 см до 2,5 см. Сопротивление возрастает до нескольких мегаом в темных условиях. На рисунке 1 показано, что когда фонарик включен, сопротивление LDR уменьшается и ток проходит через него.

LDR изготовлены из полупроводника с высоким сопротивлением, когда свет падает на такой полупроводник, связанные электроны получают световую энергию от падающих фотонов. Благодаря этой дополнительной энергии эти электроны становятся свободными и переходят в зону проводимости. Генерируются электронные дырочные пары. Из-за этого заряда удельная проводимость LDR увеличивается, увеличивая его удельное сопротивление.

Конструкция и обозначения для LDR показаны на рисунке 2 и рисунке 3 соответственно. Устройство состоит из пары контактов металлической пленки, разделенных змеевидной дорожкой из сульфидной пленки кадмия, предназначенной для обеспечения максимально возможной площади контакта с двумя металлическими пленками. Конструкция размещена в прозрачном пластиковом или полимерном корпусе, чтобы обеспечить свободный доступ к внешнему свету.

Практические LDR – это резисторы, зависящие от света, доступные на рынке, которые используются в различных электронных схемах. LDR доступны в различных размерах и стилях упаковки, самый популярный размер имеет диаметр примерно 10 мм. LDR показан на рисунке 4.

Особенности LDR заключаются в следующем:

1. Высокая надежность.

2. Легкий вес.

3. Широкий спектральный отклик.

4. Широкий диапазон температур окружающей среды.

Регулируемый источник питания

Основными компонентами регулируемого источника питания постоянного тока являются:

• Переходный трансформатор
• Выпрямительный фильтр постоянного тока
• Регулятор
• Понижающий трансформатор

Понижающий трансформатор напряжения преобразует вход сигнал переменного тока 230 В, 50 Гц – 5 В. Переменное напряжение от вторичной клеммы трансформатора подключено к мостовому выпрямителю. Мостовой выпрямитель преобразует переменное напряжение в однонаправленное напряжение с переключающим действием диодов. Это напряжение, наконец, подается в 5V-регулятор через электролитический конденсатор 470uF, что устраняет пульсации и делает выход стабильным. После регулировки мы получаем напряжение 5 В постоянного тока на выходе 7805 IC.

Микроконтроллер ATmega8

ATmega8 предоставляет следующие возможности: 8 Кбайт встроенной программируемой памяти с возможностями чтения-записи, 512 байт EEPROM, 1 Кбайт SRAM, 23 режима ввода-вывода общего назначения, внутренние и внешние прерывания, последовательный программируемый USART , ориентированный по байтам двухпроводный последовательный интерфейс, 6-канальный АЦП с 10-разрядной точностью, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI и пять программных режимов энергосбережения. Режим ожидания останавливает CPU, позволяя продолжить работу SRAM, таймер/счетчики, порт SPI и прерывание. Режим Power down сохраняет содержимое регистра, но замораживает генератор, отключая все остальные функции чипа до следующего прерывания.

Устройство изготовлено с использованием технологии энергонезависимой памяти с высокой плотностью. Память программ Flash может быть перепрограммирована в системе через последовательный интерфейс SPI или программу загрузки микросхем, запущенную на ядре. ATmega8 поддерживается полным набором инструментов для разработки программ и систем, включая компиляторы C, макросборщики, программные симуляторы и оценочные комплекты.

Преимущества использования микроконтроллера Atmega8

• Оба изменения уровня ввода могут генерировать прерывание.
• Существует дополнительный EEPROM для хранения данных в течение времени отключения питания.
• Внутренний генератор и внутренняя мощность при сбросе дают возможность AVR работать без каких-либо других компонентов.
• Atmega8 имеет встроенный ADC, 8051 нуждается в внешней ADC IC. AVR прост в программировании, 8051 является старым и нужно создавать библиотеки для каждой функции.
• AVR прост в программировании (IDE), 8051 является старым и имеет нормальные IDE уровня, необходимо создавать библиотеки для каждой функции.
• AVR имеет специальные контакты функций и легко настраивается, 8051 имеет меньше (нет) специальных функциональных контактов.
• Добавлен сторожевой таймер для управления зависающими состояниями программного обеспечения. Это невозможно использовать для электрического воздействия, так как оно должно быть активировано после сброса и может быть отключено.
• Время обучения во много раз быстрее, чем 8051.
• Они построены с использованием двух разных архитектур. 8051 использует наборы команд CISC.
• Atmega8 использует наборы инструкций RISC.

Блок-схема полной сборки

Полная блок-схема автоматического управления уличным освещением показана на рисунке 7. Время включения и выключения устанавливается с помощью клавиатуры и ЖК-дисплея. В микроконтроллере задается время допуска в течение одного часа или около того. Зависимый от света резистор воспринимает солнечный свет и отправляет аналоговые сигналы в коммутационную схему, которая включает в себя микроконтроллер, действующий как головной мозг схемы и реле, работающее как переключатель. Аналоговые сигналы LDR и времени включения/выключения, когда в пределах заданного значения допуска срабатывает реле, выключатель и уличные фонари управляются автоматически.

2 Литературный обзор

Освещение может составлять 10-38% от общего счета за электроэнергию в типичных городах мира [1]. Уличное освещение является особенно важной проблемой для государственных органов в развивающихся странах, поскольку оно имеет стратегическое значение для экономической и социальной стабильности. Неэффективное освещение ежегодно тратит значительные финансовые ресурсы, а плохое освещение создает небезопасные условия. Энергоэффективные технологии могут резко сократить расходы на уличное освещение (часто на 25-60%). Основными соображениями в данной области являются автоматизация, энергопотребление и экономичность. Автоматизация предназначена для снижения участия человека с помощью интеллектуальных систем. Энергосбережению всегда уделяется основное внимание, поскольку источники энергии уменьшаются по разным причинам. Занятый образ жизни людей привел к несвоевременному переключению уличных фонарей. В результате большая часть энергии теряется. Продвинутая разработка встроенной системы создала платформу для разработки энергоэффективных систем. Электрические потери мощности могут быть уменьшены с помощью двух резисторов, зависящих от света, в качестве светочувствительных устройств или световых датчиков для обозначения дневного или ночного времени. Фотоэлектрический датчик используется для обнаружения движения людей и транспортных средств на улицах [2].

Однако в это время в встраиваемых системах автоматическое управление уличным освещением может быть достигнуто с помощью микроконтроллеров и светозависимых резисторов [3-4]. Подача на блок управления и освещение осуществляется за счет внедрения солнечных батарей. Опять же, LDR используются чтобы различать дневное и ночное освещение. Дискретные аналоговые сигналы, воспринимаемые LDR из-за изменения его сопротивления, преобразуются в цифровые сигналы. Микроконтроллер запрограммирован таким образом, что утром и вечером по мере изменения интенсивности, согласно которой интенсивность уличного света запрограммирована с пятью уровнями интенсивности. Эта система в основном контролирует интенсивность уличного света, а также контроль переключения. Гораздо больше энергии сохраняется, поскольку использование энергии зависит от света на улицах.

Поскольку интенсивность света падает ниже 10 люкс в ночное время [5], напряжение разомкнутой цепи достигает определенного значения, и контроллер измеряет значение напряжения и выполняется операция переключения после чего загорается фонарь.

3 Цели и методология

Обзор литературы ясно указывает на разрыв в литературе традиционного метода контроля уличного света. Это мотивировало предлагаемое исследование, в котором необходимо обеспечить экономичный и энергоэффективный метод автоматического контроля уличного освещения.

Цель: Разработать и внедрить автоматическую систему управления уличным освещением с использованием светочувствительного резистора.

Цели:

1) Изучить существующие системы управления уличным освещением.

2) Разработать энергоэффективную систему управления уличным освещением.

3) Разработать аппаратное обеспечение блока управления.

4) Тестирование разработанной системы.

Методология:

Методология для цели 1:

• Для понимания существующих систем управления уличным освещением и их ограничений будет проведен обзор литературы.

Методология для цели 2:

• Блок управления будет сконструирован в соответствии со спецификациями.
• Конструированная схема управления будет смоделирована с использованием MULTISIM, и ее характеристики будут соблюдены.
• Дизайн будет уточнен для получения желаемых характеристик и повторного тестирования с использованием MULTISIM.

Методология для цели 3:

• Окончательный дизайн схемы управления будет изготовлен после выбора соответствующих компонентов.

Методология для цели 4:

• Функционирование изготовленной схемы управления будет наблюдаться и регистрироваться.
• Преимущества новой конструкции схемы управления будут проверены на соответствие существующим системам.
• Выводы будут сделаны на основе исследований.

4 Экспериментальная работа

Этот проект в основном подчеркивает необходимость разработки экономичной и высоконадежной автоматической системы контроля уличного освещения. Основным недостатком существующей традиционной системы коммутации и таймера является потеря мощности. Здесь главной задачей является разработка и изготовление высоконадежного автоматического контроллера уличного освещения.

Микроконтроллер ATmega8 является мозгом всей цепи управления. Цепь управления требует 5 В постоянного тока для работы, которая получается из схемы выпрямителя, которая также включает понижающий трансформатор и регулятор напряжения. Светоизлучающий резистор, используемый в качестве светочувствительного устройства, измеряет интенсивность света и отправляет аналоговые сигналы на микроконтроллер. Концепция таймера используется вместе со светочувствительным резистором. Настройка времени включения и выключения выполняется с помощью клавиатуры и ЖК-дисплея.

Чтобы включить/выключить уличный фонарь, необходимо выполнить два условия. Одним из условий является измерение интенсивности света, а другое – таймеры в микроконтроллере. Как только оба этих условия выполнены, микроконтроллер генерирует управляющие сигналы для включения и выключения реле уличного освещения, чтобы он включался и выключался.

Аналоговые сигналы от LDR обрабатываются в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) микроконтроллера ATmega8. Установлено реальное время и время включения/выключения, предварительно задан допуск в один час с использованием кодов, написанных на языке C, и программа сбрасывается в микроконтроллер. Работа реле управляется микроконтроллером ATmega8.

Проект направлен на разработку высоконадежной автоматической системы уличного освещения, так как в настоящей системе уличного освещения возникают проблемы с потерей мощности из-за неправильной работы переключения. Конструированная схема управления включает в себя микроконтроллер, используемый в качестве основного управляющего компонента в цепи управления вместе со светозависимым резистором. Разработанная система показывает эффективное автоматическое управление коммутацией.

Построенная схема автоматического управления уличным освещением. Разработанная система в проекте включает коды, написанные во встроенном C, который сбрасывается в микроконтроллер ATMEGA8. Микроконтроллер анализирует аналоговые сигналы, отправленные LDR, и настройки времени включения/выключения, выполненные с использованием жидкокристаллического дисплея и клавиатуры. Светодиод включается и выключается, только когда оба условия выполнены.

Работа автоматического уличного освещения проиллюстрирована на рисунке 9, лампа светится, когда LDR ощущает падение интенсивности света и когда время включения установлено, поэтому оба вышеуказанных условия выполнены.

5 Вывод

Автоматическое управление с использованием LDR помогает экономить большое количество электроэнергии, которая теряется в обычной системе уличного освещения. Обнаружено, что операция автоматического переключения, наблюдаемая с использованием разработанной схемы управления, очень эффективна, а стоимость обслуживания очень мала. Контур контролирует включение или выключение уличного освещения. Уличные фонари успешно контролируются микроконтроллером. С помощью команд контроллера световые индикаторы будут включены, когда будет темно. Кроме того, был преодолен недостаток системы уличного освещения, просто используя контроллер таймера, когда система зависит как от таймера, так и от датчика LDR.

Список использованной литературы

[1] Ahmed sharique Anees, Anupriya, Ayushy Chowdhary, Shalini Dubey, Shweta Verma Solar Powered Led Streetlight With Automatic Intensity Control, International Journal Of Innovative Research In Electrical, Electronics, Instrumentation And Control Engineering, vol. 3, no. 6, pp. 32-36, June 2013.

[2] Mustafa Saad, Abdalhalim Farij, Ahamed Salah Automatic Street Light Control using Microcontroller, International Journal of Engineeing Research and Applications, vol. 3, no. 2, pp. 92-96, 2013.

[3] SharathPatil G.S, Rudresh S. M, Kallendrachari.K. Vani. H.V, Design and Implementation of Automatic Street Light Control Using Sensors and Solar Panel, International Journal of Engineeing Research and Applications, vol. 5, no. 6, pp. 97-100, June 2015.

[4] Abdul Latif Saleem, Raj Sagar. R, Sachin Datta N. S, Usha MS., Street Light Monitoring and Control System, International Journal of Engineering and Control System, vol. 1, no. 2, pp. 68-71, April 2015.

[5] K.Y.Rajput, G. Khatav. M. Pujari. P. Yadav Intelligent Street Lighting Sytem using GSM, International Journal of Enginnering Science Invention, vol. 2, no. 3, pp. 60-69, March 2013.

[6] S. Srivastava, Automatic Street Lights, Advance in Electronic and Electric Engineering, vol. 3, no. 5, pp. 539-342, 2013.

[7] Priyanka S, Dr. K. Baskar, Control of Solar LED Street Lighting System based On Climatic Conditions And Object Movements, Journal Of Information, Knowledge and Research in Electrical Engineering, vol. 3, no. 2, pp. 480-486, 2014.

[8] Donald A. Cleland, Street Light Monitoring and Control. United States of America Patent US 8,290,710 B2, 16 october 2012.

[9] Chaitanya Amin , AshutoshNerkar , Paridhi Holani , Rahul Kaul. GSM Based Autonomous Street Illumination System for Efficient Power Management. International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT). V4(1):54-60 Jan 2013. ISSN:2231-5381

[10] A.Somasekhar, B.Umakanth, An Intelligent Lightening System for Power Saving Applications, International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT). Volume 13 Number 1 – Jul 2014. ISSN: 2231-5381.