Автомат управления освещением

Республиканская олимпиада юных изобретателей

«Кулибины XXI века» 2011года

Автомат управления освещением

Автор: Бурцев Артем Валерианович воспитанник МУ ДОД «Центр внешкольной работы», ученик 10 а класса МОУ СОШ села Манзарас Кукморского муниципального района РТ

Руководитель: педагог дополнительного образования ЦВР, учитель физики МОУ СОШ села Манзарас Кукморскогомуниципального района РТ

учебный год

Цели и задачи

1.Создать простое, надежное и дешевое устройство, которое управляет освещением

2.Расширение научной базы по данной проблеме.

3.Ознакомление с основами электротехники и радиотехники.

4.Изучить основы цифровой электротехники.

Актуальность

Обучаясь в школе, я заметил, что во многих кабинетах свет горит полный рабочий день, а иногда наоборот, учителя забывают включить свет, когда уже стемнеет или набежит туча. Мы решили попробовать автоматизировать систему освещения, используя наши знания, ведь недостаток освещения плохо влияет на здоровье людей, особенно зи­мой. Так же в условиях рыночной экономики наше внедрение помогло бы сэкономить деньги для школы.

Материалы и методики

Для проведения данной работы мы изучили литературу по этой тематике, анализировали слабые стороны промышленных конструкций, моделировали различные ситуации возможные при работе такого рода устройств, изучили особенности их эксплуатации, работали со справочной литературой по электронике.

В моей схеме используются микросхема К561ЛЕ5. Из справочной литературы мы выяснили, технические параметры этой микросхемы. Четыре логических элемента ИЛИ-НЕ, входящих в цифровую микросхему К561ЛЕ5 функционируют следующим образом. При подаче на оба входа элемента ИЛИ-НЕ напряжения, близкого к нулю (лог. 0) на выходе элемента напряжение близко к напряжению источника питания (лог. 1). Если на один из входов, например вход 1, подать лог. 1, на выходе элемента появится лог. 0. Такой же результат будет при подаче лог. 1 на вход 2 или при подаче лог. 1 на оба входа одновременно. Таким образом, элемент выполняет функцию ИЛИ-НЕ на два входа. Таких элементов в микросхеме 4. Это D1.1- выводы 1,2,3; D1.2- выводы 5,6,4; D1.3- выводы 8,9,10; D1.4- выводы 12,13,11, на 7-й вывод подается минус, а на 14-й вывод плюс питания.

Практическая часть

Автоматизация системы освещения

Мы предлагаем автоматизировать систему освещения в кабинете школы при помощи ав­томатического устройства, основной частью которого является фотореле. В данном устройстве датчиком освещенности является фоторезистор.

Фоторезистор изготовлен следующим образом. Нижний электрод представляет собой металлическую пластинку, на него наносится тонкий слой полупроводника, после чего на наружную поверхность наносится верхний полупрозрачный слой металла. Сам фотоэлемент изготавливают из хорошо проходящего полупроводника, например, кремния или германия.

Фототок резистора очень мал, поэтому его подключают к схеме фотореле, который управляет электромагнитным реле. Фотореле через магнитный пускатель соединяется с системой освещения. Фоторезистор устанавливают на уровне стола на стене, противоположной окнам так, чтобы на него не попадали прямые солнечные лучи.

Система управления, которая состоит из фотореле устанавливается в недоступном для детей месте и через соединительные провода подключается к системе освещения.

При нормальной освещенности, которая для учебных кабинетов составляет более 300 люкс, система разомкнута. Если внезапно скрылось солнце или учитель забыл включить свет, срабатывает электромагнитное реле, которое замыкает электрическую цепь, автоматически включает систему освещения и наоборот, как только освещенность достигнет нормы, фотореле отключит автоматическое освещение. Таким образом, в кабинете во время всего учебного процесса будет поддерживаться нормированная освещенность.

Принцип работы устройства

Принципиальная схема устройства показана
на рисунке 1. Пока фоторезистор R0 освещен на входе элемента D1.1 присутствует уровень логического нуля. Конденсатор С2 заряжен, и на выходе элемента D1.4 логический ноль. Транзистор VT1 закрыт, реле Р1 обесточено, и лампы выключены.

При затемнении фоторезистора, логический уровень на входе D1.1 меняется на единичный, открывается диод VD1и конденсатор С2 довольно быстро разряжается через VD1 и R2. На выходе элемента D1.4 устанавливается единица, реле Р1 включает своими контактами лампы освещения. При дальнейшем освещении фоторезистора на выходе D1.1 снова единица, и конденсатор С2 начинает очень медленно заряжаться через резистор R3. При указанных на схеме номиналах R3 и С2 на это уходит около 1 минуты. В течение этого времени лампы включены и помещение освещается. Как только С2 зарядится до единицы, лампы выключаются.

Настройка заключается в подборе номинала R1 и R01, чтобы устройство четко реагировало на изменение уровня освещенности. Подбором номиналов R3 и С2 нужно установить нужную продолжительность работы ламп освещения. Можно сделать резистор R3 регулируемым ступенчато или плавно, тогда возможна регулировка продолжительности работы ламп освещения.

Экономическое обоснование внедрения

1. Количество ламп в кабинете физики

N=12∙2 = 24 шт.

2. Потребляемая мощность

P = N ∙ P1,

Где P1 - мощность одной лампы

P1 = 80 Вт = 0,08 кВт

Роб = 24 ∙ 0,08 = 1,92 кВт

3. Количество рабочего времени

с t = 7 ч 15мин - время включения утром

до t = 18 ч 45 мин - время выключения вечером

Δt = t2 - t1 = 18 ч 45 мин - 7 ч 15 мин = 11 ч 30 мин

4. Стоимость затраченной электроэнергии за 1 день

С = Т ∙ А,

где Т - тариф, Т = 2,03 руб/кВ ч,

А - работа тока.

A = P ∙ t,

С = Т ∙ А = Р ∙ t = 2,03 ∙ 1,92 ∙ 11,5 = 42,83 руб

5. Стоимость затраченной электроэнергии за 1 месяц

См = С1 ∙ n,

где n = 26 число учебных дней.

См =42,83∙26= 1165,38 руб

6. Стоимость электроэнергии по кабинету физики за учебный год.

Если учебный процесс длится 9 месяцев, то

Сr = См ∙ N,

где N = число месяцев.

Сr= 1165,38∙9 =10488,44 руб

7. Если фотореле будет отключать систему освещения в среднем с 11 ч до 16 ч, то экономия составит:

7.1 За один день

C = T ∙ AI = T ∙ P ∙ t,

где t - время отключения.

T == 5ч

С =2,03 ∙ 1,92 ∙ 5 = 19,49 руб

7.2 За один месяц

С = T ∙ Aм = 2,03 ∙ P ∙ t

где t = t1 ∙ n = 5 ∙ 26

С = 2,03 ∙ 1,92 ∙ 5 ∙ 26 = 506,69 руб

7.3 За учебный год

Сr = Cм ∙ N

где N - число месяцев N = 9 .

Cr′ - T ∙ A = T ∙ P ∙ t ∙ N,

С r′ = 2,03 ∙ 1,92 ∙ 5 ∙ 26 ∙ 9 = 4560,2 руб

8.Таким образом, если из общей стоимости затрат за электроэнергию вычесть сэкономленную электроэнергию, то чистая прибыль, даже по самым грубым подсчетам составит:

С = Сr - Cr′ = 10488,,2 = 5928,24 руб

Выводы

Наш автомат управления освещением является конкурентоспособным среди таких устройств, он простой, дешевый и надежный. Сборку такого устройства может сделать радиолюбитель средней квалификации, школьники в кружках при минимальных затратах. Это устройство позволяет экономить электроэнергию.

Рекомендации

Данное устройство можно использовать как для управления освещением в помещениях, так и для управления уличным освещением. Управление уличным освещением даст еще больший экономический эффект.

Приложения

РИС 1

Обозначение в схеме	Тип детали	Технические данные детали
С1	МБМ, КД	0,1 мкф-160 в
R0	ФСК	47К
R01	СП-1	68 К
R1	МЛТ-0,125	360* К
R2	МЛТ-0,125	12 К
R3	МЛТ-0,125	1,8* М
R3	МЛТ-0,125	12 К
С2	К 50-3	220* мкф-25 в
С3	К 50-6	2200 мкф-25 в
VD1, VD2	КД 522,Д 220,Д 223
VT1	КТ 817, КТ 815, КТ 819
Р1	КУЦ-1(от цветного тв) возможна замена на любое реле на 12 вольт (автомобиль)	основной критерий, ток контактной группы

Возможные схемы источника питания

Рис 2.
Тр 1 можно использовать трансформатор от телевизоров ТВК-110к,

ТВК-70л2. VD1- диодный мостик (можно заменить на 4 диода Д 226Б),

Технические параметры микросхемы К561ле5

Выходное напряжение высокого уровня	8.2
Функциональность	ИЛИ-НЕ
Входной ток высокого уровня	0.02
Выходное напряжение низкого уровня	0.98
Входной ток низкого уровня	0.01
Номинальное напряжение питания	3...15
Диапазон рабочих температур, гр. С	-45...70
Корпус	201.14-1
Производитель	Россия

Роль освещенности в жизнедеятельности человека

Искусственное освещение является одним из важнейших элементов участвующих в создании не­обходимой для человека световой среды помещения. Около 90% всей информации, получаемой человеком, поступает через зрительный канал. Общий тонус человека, его работоспособность ак­тивность, внимание, утомление и даже настроение в значительной степени зависят от освещения. Поэтому, освещение играет важную роль.

Здесь важно создать освещение, которое обеспечивало бы хорошую видимость объектов разли­чения и малую утомляемость работающих. Это позволит поддерживать на должном уровне общую и зрительную работоспособность человека, без чего невозможно увеличение производительности труда и качества обучения. Большое значение в этих условиях приобретает местное освещение, применение которого значительно улучшит видимость за счёт существенного повышения осве­щённости на рабочем месте. Поэтому в кабинетах над учебной доской используются лампы дневного света.

Освещение

Освещение – это использование световой энергии солнца и искусственных источников света для обеспечения зрительного восприятия окружающего мира. Свет является естественным условием жизни человека, необходимой для здоровья и высокой производительности труда, основанной на работе зрительного анализатора самого тонкого и универсального органа чувств. Обеспечивая не­посредственную связь организма с окружающим миром, свет является сигнальным раздражителем для органа зрения и организма в целом; достаточное освещение действует тонизирующе, улучша­ет протекание основных процессов в нашей нервной деятельности, стимулирует обменные и им­мунобиологические процессы, оказывает влияние на формирование суточного ритма физиологиче­ских функций человека. Основная информация об окружающем мире - около 90% - поступает че­рез зрительное восприятие, именно поэтому гигиенически рациональное производственное осве­щение имеет огромное положительное значение.

Полупроводниковые фоторезисторы

Принцип действия фоторезисторов основан на эффекте фотопроводимости полупроводниковых материалов. Максимальное сопротивление (RT) они имеют в темноте, а при засветке уменьшают свою величину в 20раз. У таких элементов в корпусе есть прозрачное для доступа света окно и два вывода. Полярность напряжения на выводах для работы значения не имеет. Большинство фоторезисторов предназначены для работы в диапазоне видимого света (300...750 нм), но их спектр чувствительности перекрывает и инфракрасный диапазон волн, а у некоторых заходит даже на ультрафиолетовый участок.

Фоторезистор представляет собой слой полупроводника, нанесенный на пластмассовое основа­ние, металлические контакты. Сопротивление фоторезистора зависит от освещённости полупроводникового слоя. Фоторезисторы используются при световых изменениях и в различных автоматических устройст­вах.

К полупроводникам относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между хорошо проводящими электрический ток проводниками и прак­тически не проводящими ток изоляторам (диэлектриками).

Р - n — переход

Для создания Р - n - перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью - область с электронной проводимостью.

Такая область создаётся введением примеси в процессе выращивания кристалла или введением атомов примесей в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с разными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок. Р - полупроводник приводит к появлению в электронном проводнике положительных некомпен­сированных ионов донорной примеси, в дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к появлению некомпенсированных зарядов отрицательных ионов акцепторной примеси.

Список использованной литературы

1.  Сворень шаг за шагом. - М., 199с.

2.  Богатырев , автоматика и элементы ЭВМ. – М., 199с.

3.  Резников физика. – М., 19с.

4.  и др. Практическая радиоэлектроника. – М., 200с.

5.  Касаткин , алгоритмы, ЭВМ. – М., 19с.

6.  И Первые шаги в радиоэлектронике. – София, Болгария. 19с.

7.  А, Веневцев конструкции сельского радиолюбителя. – М., 1980. – 120с.

8.  Фролов радиосхем. – М., - 1989. – 128с.