Реалізація системи регулятора яскравості ламп та контролера вентилятора: підхід PSoC
1 Мадхура Мохан Ароле , 2 доктор Генґадже С. Р.
1, 2 Департамент електроніки, Технологічний інститут Уолчанда , Солапур, Індія, 413006. madhura5555@gmail.com 1 , gosachin22 @ gmail.com 2
Анотація - Сьогодні людей більше турбує автоматизація будинків, яка є житловим продовженням "автоматизації будівель". Система управління побутовою технікою інтегрує управління багатьма електричними приладами в будинку за допомогою одного керуючого модуля. З винаходом мікроконтролера вартість електронного управління може бути швидко знижена. Можуть бути застосовані технології дистанційного та інтелектуального управління, оскільки вони пропонують кінцевому користувачеві легкодоступний та/або більший контроль над побутовою технікою. Мета цього проєкту - побудувати систему управління побутовою технікою, таку як регулювання яскравості ламп та швидкості вентиляторів за найнижчими цінами з використанням набору від "Cypress Semiconductors". Набір для розробки PSoC CY8C32KIT - це справжнє рішення на системному рівні, що забезпечує мікроконтролер (MCU), пам’ять, аналогові та цифрові периферійні функції в одному чіпі. Запропонована система включає дротове управління освітленням з різним ступенем інтелекту та автоматизації, що також забезпечує більший ступінь комфорту, простоти та енергоефективності.
Індекс: управління освітленням, регулювання фазового кута, регулювання потужності, ланцюг живлення, регулювання частоти обертання двигуна змінного струму, прошивка димера - управління TRIAC, лінійне управління інтенсивністю світла лампи
1. ВСТУП
У епоху комунікацій та інформаційних технологій величезний вплив на глобалізацію впливає на наше життя. Безперечно, електроенергія зіграла важливу роль у розширенні можливостей нашого життя в напрямку кращого майбутнього та процвітання. Близько 99 відсотків індійців використовують електроенергію у своєму повсякденному житті. Наприклад, ми використовуємо електроенергію для багатьох побутових приладів.
Освітлення є основною вимогою для існування та розвитку людського життя. Димери - це пристрої, що використовуються для зниження яскравості світла. Змінюючи форму сигналу напруги, що подається на лампу, можна зменшити інтенсивність світлового потоку. Хоча пристрої зі змінною напругою використовуються для різних цілей, термін димер , як правило, зарезервований для тих , які призначені для управління світловим потоком від різних ламп розжарювання, галогенних, і віднедавна флуоресцентних і світлодіодних ламп. Для затемнення флуоресцентного, парів ртуті, твердого тіла та іншого дугового освітлення потрібне більш спеціалізоване обладнання [2].
Ранні димери безпосередньо контролювалися за допомогою ручного маніпулювання великими димерними панелями. Це вимагало, щоб вся потужність надходила через місце управління освітленням, що може бути незручним та потенційно небезпечним для великих або потужних систем. Димери з прямим ручним управлінням мали обмеження на швидкість, з якою вони могли б змінювати освітлення, але ця проблема була в основному усунена за допомогою сучасних цифрових блоків. Регулятори напруги змінного струму мають постійну вхідну напругу змінного струму і включають напівпровідникові перемикачі, які змінюють середньоквадратичну напругу, що спрацьовує на зміні струму .
Ці регулятори відносяться до категорії перетворювачів, що мають природну комутацію, оскільки їх тиристорні вимикачі комутуються зміною живлення. У перші дні типові регулятори напруги змінного струму використовувались для варіювання швидкості стельового вентилятора [4]. За сучасними технологіями, поряд з дротовим управлінням за допомогою TRIAC, ми також можемо дистанційно керувати швидкістю роботи вентилятора змінного струму. На ринку доступні різні мікроконтролери, які можна використовувати для управління яскравістю флуоресцентних ламп, а також швидкістю роботи вентилятора змінного струму, а також для його ввімкнення та вимкнення [10].
Димери - це пристрої, що використовуються для зниження яскравості світла. Змінюючи форму сигналу напруги, що подається на лампу, можна зменшити інтенсивність світлового потоку . Хоча пристрої зі змінною напругою використовуються для різних цілей, термін димер, як правило, зарезервований для тих, які призначені для контролю світлового потоку від резистивних ламп розжарювання, галогенних ламп тощо. TRIAC використовуються замість тиристорів SCR у дешевих конструкціях, але не має можливості витримувати перенавантаження як у SCR, що підключені «спина-до-спини» і підходить лише для менших навантажень, приблизно 20 ампер. Вимикачі генерують трохи тепла під час перемикання та можуть спричинити завади. Великі індуктори використовуються як частина схеми для придушення цих завад [2].
Як одним натисканням кнопки або ковзанням пальця змінити яскравість лампи? Рішенням є вбудована система, яка поєднує будь-яку мову комп’ютерного програмування із сумісним обладнанням. З винаходом мікроконтролера, вартість електронного керування може бути зменшена швидко. Можуть бути застосовані технології дистанційного та інтелектуального управління, оскільки вони пропонують кінцевому споживачеві легкодоступний та/або розширений контроль над побутовою технікою. Електронне та електричне обладнання в домашніх або комерційних будівлях в основному було незалежною системою - управління освітленням, вентиляторами, а також різними приладами здійснювалося за допомогою механізмів управління. Управління освітленням в домашніх системах управління може використовуватись для управління побутовими електричними лампочками. Ці вимикачі вмикають/вимикають лампу, забезпечуючи додаткові сервісні функції, такі як регулювання яскравості, поступове вмикання/вимикання лампи для кращих візуальних ефектів та продовження терміну служби лампи розжарювання , або дистанційне управління лампою [6]. Приклади включають: увімкнення та вимкнення світла за допомогою дротового або віддаленого бездротового пристрою, управління яскравістю світла відповідно до рівня наявного навколишнього світла або інших критеріїв та змінення правильності зовнішнього освітлення кімнати за допомогою ламп ( контроль настрою). Вентилятор в системі управління побутовою технікою може використовуватися для управління побутовими електричними вентиляторами. Приклади включають: вимкнення всіх вентиляторів будинку, увімкнення або вимкнення вентилятора за допомогою дротового або дистанційного бездротового пристрою та регулювання швидкості вентилятора. За допомогою мікроконтролера ця технологія також допомагає контролювати яскравість лампи та швидкість вентилятора.
Тим не менш, за допомогою мікроконтролерів , таких як програмована система на кристалі (PSoC), центральний контроль для всіх побутових приладів може бути забезпечений. Застосування ємнісного датчика PSoC як інтерфейсної технології у великих обсягах програм із високою видимістю створює попит у більш звичній побутовій електроніці. Цей попит призвів до значних інновацій в системах управління побутовою технікою.
Метою цього проєкту є розробка та впровадження системи управління побутовою технікою для управління освітленням та вентиляторами за допомогою PSoC-3. Ця система забезпечить плавне управління системою порівняно зі звичайною системою.
Набір для розробки PSoC CY8C32KIT - це справжнє рішення на системному рівні, що забезпечує мікроконтролер (MCU), пам’ять, аналогові та цифрові периферійні функції в одному чіпі. CY8C38KIT пропонує сучасний спосіб отримання сигналу, обробки сигналів і управління з високою точністю, високою пропускною здатністю і високою гнучкістю. Він може обробляти десятки каналів збору даних та аналогових входів на кожному виводі (GPIO) загального призначення. Він також високопродуктивною конфігурованою цифровою системою з частинами в тому числі інтерфейсами, такими як USB, I2C. На додаток до комунікаційних інтерфейсів, він має простий у налаштуванні масив логічних елементів, гнучку маршрутизацію до всіх виводів та високопродуктивне однопроцесове мікропроцесорне ядро 8051. Потрібно лише кілька зовнішніх компонентів [ 3 ].
2. Контроль освітлення
Структурна схема димера. Димер складається з наступних блоків: детектор перетину нуля змінного струму, ядро центрального процесора PSoC для загального управління, джерело живлення, повзунок CapSense для контролю потужності навантаження [1].
Рис. 1. Структурна схема регулятора яскравості лампи
3. УПРАВЛІННЯ РЕГУЛЮВАННЯМ ФАЗИ-КУТА
Методи управління монофазними двигунами або будь-яким навантаженням змінного струму засновані на регулюванні фази-кута. Принцип роботи фазового контролю полягає у контролі включення фази симістора протягом періоду живлення змінного струму. Цей принцип показаний на рисунку 2. Різниця затримки між перетином сигналом нуля та часом включення симістора використовується для контролю величини потужності, що подається на лампу.
TRIAC вмикається за допомогою керуючого сигналу, що надходить від мікроконтролера з деякою затримкою після перетину нуля, і автоматично вимикається, коли його струм досягає нульового значення. Ця поведінка однакова для додатньої та від’ємної напруги.
Рис. 2. Схема взаємозв'язку симістра і лампи
4. СХЕМА ЖИВЛЕННЯ
Живлення реалізовано за допомогою регулятора змінного та постійного струму LM315 від Power Integrations [1]. Використання CapSense вимагає стабільного джерела живлення PSoC [2]. Ось чому лінійний регулятор був використаний для формування джерела живлення 5 В.
Самовідновлюваний запобіжник F1 виконує дві функції: захищає від можливих перенапруг, а його опір обмежує пусковий струм при включенні. Універсальність плати дозволяє розробити EMI фільтр як з'єднання CLC для зменшення шуму, що надходить від плати до мережі [5].
5. РЕГУЛЮВАННЯ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ ДВИГУНА ЗМІННОГО СТРУМУ
5.1. Дротове управління
Контроль швидкості двигуна змінного струму необхідний у промисловості, а також у побутовому використанні. У промисловості необхідний контроль руху досягається регулюванням швидкості великих і важких двигунів змінного струму. Вони використовують частотно-регульовані приводи (VFD) для регулювання швидкості. У деяких інших приладах, таких як вентилятори, обігрівачі та ін використовується інший спосіб управління швидкістю - контроль фази-кута. Змінюючи фазовий кут, силу струму, що подається на двигун, можна змінювати. І за допомогою зміни поданого струму швидкість двигуна може змінюватися. [4]
У побутових приладах використовується метод регулювання фазового кута. Найкращий приклад - це регулятор вентилятора. У побутовому регуляторі вентилятора TRIAC використовується для зміни фазового кута двигуна вентилятора. Це найпростіший спосіб змінити швидкість двигуна змінного струму.
Також той самий принцип може застосовуватися до будь-якого нагрівального елементу, такого як обігрівач. Змінюючи фазовий кут хвилі змінного струму, що подається на нагрівач, поданий струм можна змінити. Регулювання швидкості та регулювання увімкнення/вимкнення двигуна також можна здійснити за допомогою пульта дистанційного керування.
5.2. Бездротове управління
Той самий принцип зміни швидкості будь-якого 1-фазного двигуна змінного струму, змінюючи фазовий кут застосованої форми сигналу змінного струму. Фазовий кут змінюється лише за допомогою TRIAC, але TRIAC можна тригерити за допомогою PSoC. Цей пристрій можна використовувати для дистанційного керування частотою вентилятора змінного струму та для його ввімкнення або вимкнення. Пульт дистанційного керування - це дешевий пульт дистанційного керування формату NEC, який зазвичай постачається з невеликими програвачами DVD.
Рис. 3. Радіочастотний пульт дистанційного керування швидкістю двигуна
П'ять кнопок використовуються для керування схемою. Клавіша UP збільшує швидкість обертання вентилятора, тоді як клавіша DOWN зменшує її. Клавіша PRESET використовується для ввімкнення або вимкнення вентилятора. Клавіші LEFT та RIGHT використовуються для вибору пристрою або лампи, або вентилятора. Блок забезпечує 5 швидкостей. Поточна швидкість відображається на LCD дисплеї комплекту PSoC .
6. Керування симістором
Димери працюють, змінюючи "робочий цикл" (час увімкнення/вимкнення) повної змінної напруги, яка подається на лампу . Наприклад, якщо напруга подається лише на половину кожного циклу змінного струму, лампочка виявляється набагато менш яскравою, ніж коли вона отримує повну напругу, оскільки вона отримує менше потужності для нагрівання нитки розжарення. Димери за допомогою регулятора яскравості визначають, в якій точці кожного циклу напруги вмикати та вимикати світло. Зазвичай використовуються два типи управління:
Контроль увімкнення-вимкнення - перемикачі TRIAC підключають навантаження до джерела змінного струму на кілька циклів, а потім відключають його протягом декількох циклів напруги джерела.
У фазовому регулюванні - перемикачі TRIAC підключають навантаження до джерела змінного струму на мить у кожному циклі. [5]
Тут використовується метод управління увімкнення-вимкнення. Точний час, коли симістор запускається щодо перетинів нуля сигналом напруги, використовується для визначення рівня потужності. Коли спрацьовує симістор , він продовжує проводити, поки струм, що проходить, перетинає нуль. Шляхом зміни фази, на якій симістор спрацьовує, змінить робочий цикл і, отже, яскравість світла.
Кілька портів PSOC 3 мають потужність струму до 41 мА, що в деяких випадках є достатнім, щоб керувати TRIAC безпосередньо лише одним портом. Симістор приводиться в дію короткими імпульсами для оптимізації споживання енергії. Ці імпульси генеруються з допомогою PSoC і розрізняються по мережі CR. Симістор включається серією з 3 імпульсів. При повній яскравості час включення симістора трохи затримується від події перетину нуля, щоб гарантувати досягнення мінімальної напруги включення симістора. Ця схема забезпечує стабільну роботу, якщо сигнал мережі змінного струму має завади.
7. ПРОШИВКА ДИМЕРУ – КОНТРОЛЬ TRIAC
Контрольована затримка між сигналом перетину нуля та включенням симістора використовується для управління яскравістю флуоресцентної лампи. Затримка генерується 16-бітовим користувацьким модулем таймера з фіксованою функцією для роботи з низьким рівнем джиттера. Переривання спрацьовує по зростаючому фронту системного таймера. Обробник переривань перезапускає таймер із відповідним значенням періоду, залежно від необхідної затримки.
Спочатку ШІМ генерує перший імпульс із затримкою, заданою очікуваним рівнем яскравості. Після закінчення інтервалу затримки, регістри ШІМ перезавантажуються для генерації серії імпульсів тривалістю 340 мкс і 170 мкс інтервалами між ними для включення симістора. Після генерації 3 імпульсів ШІМ відключає себе і вмикається повторно після переривання від перетину нуля.
VII. Контроль фази потужності симістора для регулятора яскравості лампи змінного струму та вентилятора
Димер використовує принцип керування фазою потужності, який є простим у реалізації. Принцип роботи фазового контролю полягає у контролі включення фази симістора протягом періоду живлення змінного струму.
Різниця затримки між перетином сигналом нуля та часом включення симістора використовується для контролю величини потужності, що подається на лампу.
TRIAC приводиться в дію короткими імпульсами для оптимізації споживання енергії. Ці імпульси генеруються PSoC [1]. При повній яскравості час включення симістора трохи затримується від події перетину нуля, щоб гарантувати досягнення мінімальної напруги включення симістора. Ця схема забезпечує стабільну роботу, якщо сигнал мережі змінного струму має завади.
Для регулювання яскравості лампи використовується контрольована затримка між сигналом перетину нуля та включенням симістора. Затримка генерується користувацьким модулем PWM8 для роботи з низьким рівнем джиттера.
Обидва фронти сигналу перетину нуля використовуються для спрацьовування переривання. Обробник переривань перезапускає ШІМ із відповідним значенням періоду, залежно від необхідної затримки.
8. АПАРАТНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
CY8C32KIT Cypress PsoCEval Board містить кілька унікальних компонентів - CapSense датчиків, LCD - модуль, а також порт USB для ICE Cube. Для цього проекту перевагою технології CapSense є створення пристрою, який контролює інтенсивність лампи.
Нижче наведено фотографію, на якій показано блок керування одним пристроєм.
Рис. 4. Фотографія, на якій зображено блок управління одним пристроєм.
CapSense датчики виявляють дотики в різних місцях, в результаті чого світлодіоди змінюють яскравість. Нарешті, LCD модуль відображає місце, де стався дотик. Принципова схема регулятора яскравості та регулятора вентилятора наведена нижче.
Рис. 5. Принципова схема регулятора яскравості та регулятора вентилятора
9. ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ І БЛОК-СХЕМА АЛГОРИТМУ
Блок-схема для запропонованої системи наведена нижче.
Рис. 6. Блок-схема системи димеру
TopDesign.cysch буде виглядати наступним чином :
Рис. 7. Знімок TopDesign.cysch
Ми написали код за допомогою PSoC Creator 1.0. Ми запрограмували наше програмне забезпечення на наш пристрій за допомогою програми PSoC Programmer 3.12.5. Ця програма була розроблена Cypress Microsystems і спирається на код програмування на мові C, а також на компілятор ImageCraft . PSoC Programmer 3.12.5 - не ідеальна програма - вона містить кілька помилок, таких як непослідовний відлагоджувач, але адекватно допомогла реалізувати необхідний код для створення готового робочого продукту.
10. ВИСНОВОК
Хоча існує багато способів приглушити будь-яке світло, існує один із найбільш ефективних методів: широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) може ефективно контролювати ширину імпульсу та робочий цикл, змушуючи світло лампи змінювати свою інтенсивність. Цей прийом працює, вимикаючи лампу на певний період. Для підвищення ефекту затемнення лампа залишається вимкненою ще довше.
Спочатку димер був розроблений для керування лампами світильника. Без будь-яких модифікацій пристрій може використовуватися для регулювання швидкості універсальних двигунів в різних приладах. Це хороший шанс замінити потенціометри capsense контролем.