Разработка устройства автоматического выключения освещения — полный пример курсовой работы

Введение, в котором обосновывается актуальность и определяются цели проекта

В современном мире проблема энергосбережения выходит на первый план, что обусловлено как ростом тарифов на электроэнергию, так и глобальными экологическими вызовами. В этом контексте ключевую роль играют системы автоматизации, позволяющие оптимизировать потребление ресурсов в быту и на производстве. Концепция «Умного дома», некогда казавшаяся футуристической, сегодня становится реальностью, предлагая пользователям комфорт и эффективность через централизованное управление инженерными системами. Системы контроля могут включать управление через мобильные приложения и даже голосовые команды.

Однако комплексные решения «Умного дома» зачастую являются дорогостоящими и избыточными для решения локальных задач. Отсюда возникает высокая актуальность разработки доступных, надежных и простых в установке устройств для автоматизации конкретных функций, например, управления освещением. Создание такого локального устройства позволяет добиться значительной экономии электроэнергии без необходимости вложений в дорогостоящую и сложную инфраструктуру.

Таким образом, целью настоящей курсовой работы является разработка устройства автоматического выключения освещения с использованием современной и доступной элементной базы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор существующих систем автоматического управления освещением.
2. Разработать техническое задание на проектируемое устройство.
3. Спроектировать структурную и принципиальную электрическую схемы устройства.
4. Выполнить электрические расчеты ключевых узлов схемы для подтверждения ее работоспособности.
5. Разработать конструкцию устройства и составить перечень элементной базы.
6. Провести анализ надежности и выполнить технико-экономическое обоснование проекта.

Раздел 1. Аналитический обзор, посвященный существующим системам управления освещением

Прежде чем приступать к разработке собственного устройства, необходимо изучить и классифицировать существующие на рынке решения. Системы управления освещением можно разделить на несколько категорий по ключевым признакам.

По принципу действия основного сенсора выделяют следующие типы устройств:

• Датчики движения (инфракрасные): Реагируют на изменение теплового излучения в зоне детекции. Эффективны для обнаружения перемещения людей, но могут давать ложные срабатывания или не реагировать на неподвижно сидящего человека.
• Датчики присутствия (ультразвуковые или микроволновые): Более чувствительные системы, способные обнаруживать даже незначительные движения, что решает проблему с неподвижными объектами. Однако они сложнее и дороже.
• Акустические датчики: Срабатывают на звук определенной громкости (хлопок, голос, шаги). Просты и дешевы, но могут активироваться от посторонних шумов.
• Датчики освещенности (фотореле): Включают свет при снижении естественной освещенности ниже заданного порога. Обычно используются в системах уличного освещения.

В промышленном и коммерческом секторе широкое распространение получили стандартизированные протоколы управления, такие как DSI (Digital Serial Interface) и его более современный преемник DALI (Digital Addressable Lighting Interface). Эти стандарты позволяют гибко управлять большими группами светильников, диммировать их и получать обратную связь о состоянии ламп. Однако их внедрение в бытовых условиях часто нецелесообразно из-за высокой стоимости и сложности монтажа.

Анализ готовых коммерческих решений для бытового использования показывает, что наибольшей популярностью пользуются автономные датчики движения и акустические выключатели. Типовые характеристики таких устройств включают коммутируемую мощность до 300 Вт и наличие регулировок чувствительности и времени задержки выключения. При этом каждое из этих устройств имеет свои ограничения.

Вывод из проведенного анализа очевиден: наибольшей эффективности и гибкости можно достичь, создав устройство, которое комбинирует преимущества нескольких типов датчиков. Использование связки акустического датчика и фотоэлектрического датчика (фотореле) позволяет создать умный алгоритм: устройство будет срабатывать на звук только в том случае, если в помещении уже темно. Это исключает ненужное включение света в дневное время и повышает общую энергоэффективность системы.

Раздел 2. Как мы формулируем техническое задание на разработку

На основе выводов, сделанных в аналитическом обзоре, мы можем четко формализовать требования к проектируемому устройству в виде технического задания (ТЗ). Этот документ является основой для всех последующих этапов проектирования.

1. Назначение и область применения:

Устройство предназначено для автоматического управления осветительными приборами в жилых и подсобных помещениях с нерегулярным пребыванием людей. Основные области применения: коридоры, лестничные клетки, кладовые, подвалы, гаражи.

2. Технические требования:

• Напряжение питания: 220 В, 50 Гц.
• Тип управляющих датчиков: Комбинированный — акустический (микрофон) и фотоэлектрический (фоторезистор).
• Максимальная коммутируемая мощность нагрузки: Не менее 300 Вт (для совместимости с большинством бытовых ламп накаливания и группами светодиодных ламп).
• Наличие пользовательских регулировок:
  • Чувствительность микрофона (уровень шума для срабатывания).
  • Порог срабатывания по уровню освещенности.
  • Время задержки автоматического выключения.
• Алгоритм работы: Устройство переходит в активный режим ожидания только при снижении уровня внешней освещенности ниже установленного порога (в темное время суток). При фиксации акустического сигнала (звука) устройство включает освещение. По истечении заданного времени задержки при отсутствии новых звуковых сигналов освещение автоматически выключается.

3. Требования к надежности и безопасности:

Устройство должно быть спроектировано для длительной непрерывной работы. Конструкция должна обеспечивать защиту пользователя от поражения электрическим током и исключать возможность перегрева силовых элементов при максимальной нагрузке.

Раздел 3. Проектирование структурной и принципиальной электрической схемы устройства

Имея на руках техническое задание, мы приступаем к ядру проекта — разработке схем. Сначала представим логику работы в виде структурной схемы, а затем детализируем ее в принципиальной электрической схеме.

Структурная схема устройства включает в себя следующие функциональные узлы:

1. Узел питания: Бестрансформаторный блок питания, формирующий из сетевого напряжения 220 В низковольтное напряжение для питания электронной части схемы.
2. Датчик освещенности: На базе фоторезистора, сигнал с которого определяет, достаточно ли темно для активации устройства.
3. Акустический датчик: Электретный микрофон, преобразующий звуковые колебания в электрический сигнал.
4. Узел усиления и обработки: Операционный усилитель, который усиливает слабый сигнал с микрофона до уровня, достаточного для регистрации микроконтроллером.
5. Управляющий узел: «Мозг» устройства — микроконтроллер PIC12C508. Он анализирует сигналы с датчиков и реализует заложенный алгоритм работы.
6. Силовой коммутирующий узел: Симистор (триак), который по команде от микроконтроллера замыкает и размыкает цепь питания лампы.
7. Узел индикации: Светодиод, сигнализирующий о режиме работы устройства.

Выбор микроконтроллера PIC12C508 обоснован его ключевыми преимуществами для данной задачи: низкой стоимостью, миниатюрным корпусом, низким энергопотреблением и достаточным количеством портов ввода-вывода для подключения всех датчиков и исполнительных элементов.

Принцип действия принципиальной электрической схемы следующий. Напряжение сети 220 В поступает на бестрансформаторный блок питания. Фоторезистор вместе с резистивным делителем формирует на одном из входов микроконтроллера напряжение, зависящее от уровня освещенности. Микроконтроллер постоянно измеряет это напряжение. Если оно ниже порогового (т.е. в помещении темно), контроллер переходит в режим ожидания звукового сигнала. Звук улавливается микрофоном, усиливается операционным усилителем и поступает на другой вход микроконтроллера. При фиксации сигнала контроллер подает управляющий импульс на симистор, который открывается и включает лампу. Одновременно запускается внутренний таймер. Если в течение установленного времени задержки новых звуков не поступает, микроконтроллер снимает управляющий импульс, симистор закрывается и свет гаснет. Регулировка чувствительности, порога освещенности и времени задержки реализуется программно и настраивается с помощью переменных резисторов, подключенных к аналоговым входам микроконтроллера.

Особого внимания заслуживает реализация программируемых функций, таких как возможность работы в полумощном режиме, что достигается за счет фазоимпульсного управления симистором, позволяя не только включать, но и диммировать свет.

Раздел 4. Электрический расчет, доказывающий работоспособность схемы

Разработка принципиальной схемы — это лишь первый шаг. Для гарантии стабильной и безопасной работы устройства необходимо провести математические расчеты ее ключевых узлов. Это подтверждает инженерную состоятельность проекта.

Полный электрический расчет включает в себя следующие этапы:

1. Расчет узла питания. Так как используется бестрансформаторная схема с гасящим конденсатором, необходимо рассчитать его емкость. Формула учитывает требуемый ток нагрузки (потребление микроконтроллера и прочих элементов) и падение напряжения на стабилитроне, обеспечивая стабильное питание для электроники.
2. Расчет делителя напряжения для фотодатчика. Цель — подобрать номинал резистора в паре с фоторезистором (сопротивление которого меняется от десятков кОм на свету до нескольких МОм в темноте) так, чтобы напряжение на входе микроконтроллера четко соответствовало пороговым значениям «светло» и «темно».
3. Расчет усилительного каскада для микрофона. Рассчитывается коэффициент усиления операционного усилителя. Он должен быть достаточным, чтобы усилить слабый сигнал с микрофона (милливольты) до уровня логической единицы микроконтроллера (вольты), но не настолько большим, чтобы усилитель входил в насыщение от любого фонового шума.
4. Расчет цепи управления силовым ключом. Необходимо рассчитать сопротивление резистора в цепи управляющего электрода симистора. Этот резистор ограничивает ток, идущий с порта микроконтроллера, до безопасного значения, но при этом обеспечивает ток, достаточный для гарантированного открытия симистора.
5. Расчет теплового режима силового ключа. Это критически важный расчет для обеспечения надежности. Зная максимальную мощность нагрузки (300 Вт) и параметры симистора из его технической документации (datasheet), рассчитывается выделяемая на нем тепловая мощность. Затем, исходя из теплового сопротивления корпуса симистора и предельной рабочей температуры кристалла, принимается решение о необходимости установки радиатора и рассчитываются его минимальные размеры.

Все расчеты проводятся с использованием базовых законов электротехники (закон Ома, законы Кирхгофа) и справочных данных на выбранные электронные компоненты.

Раздел 5. Конструкторско-технологическая часть и выбор элементной базы

После теоретического подтверждения работоспособности схемы необходимо перейти к ее физической реализации. Этот раздел описывает конструкцию устройства, выбранные компоненты и технологию сборки.

Обоснование выбора элементной базы:

Для проекта составляется полный перечень радиоэлектронных компонентов. Ключевые позиции:

• Микроконтроллер PIC12C508: Выбран за низкую стоимость, малые габариты, достаточное количество портов и встроенный генератор, что упрощает схему.
• Симистор (например, BT136-600E): Выбран по току и напряжению с запасом для коммутации нагрузки до 300 Вт в сети 220 В.
• Операционный усилитель (например, LM358): Распространенный и недорогой ОУ, хорошо подходящий для усиления сигнала с микрофона.
• Фоторезистор (например, GL5528): Стандартный фоторезистор с подходящим диапазоном изменения сопротивления.
• Элементы пассивной обвязки: Резисторы и конденсаторы выбираются стандартных номиналов, рассчитанных на предыдущем этапе.

Разработка печатной платы:

Проектирование печатной платы выполняется в специализированной САПР (например, Altium Designer, KiCad, Eagle). Ключевая задача — оптимально разместить компоненты, минимизируя длину проводников. Силовые дорожки (цепь 220 В и нагрузка) должны быть сделаны значительно шире для пропускания большого тока. Разводка должна разделять силовую и низковольтную части для уменьшения помех.

Описание конструкции корпуса:

Устройство должно размещаться в диэлектрическом корпусе (например, из ABS-пластика) для обеспечения электробезопасности. Корпус должен предусматривать вентиляционные отверстия для охлаждения симистора. На корпусе необходимо предусмотреть отверстия для доступа к подстроечным резисторам (регулировка чувствительности, времени, освещенности) и для светодиода-индикатора.

Технологический процесс сборки и наладки:

Сборка производится в следующем порядке: сначала на печатную плату устанавливаются и паяются все пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы), затем микросхемы и силовые элементы. После сборки производится «холодная» прозвонка цепей на отсутствие коротких замыканий. Затем производится прошивка микроконтроллера. Финальный этап — наладка: с помощью источника света и генератора звука производится калибровка порогов срабатывания и времени задержки с помощью подстроечных резисторов.

Раздел 6. Анализ показателей надежности и технико-экономическое обоснование

Любое инженерное изделие должно быть не только работоспособным, но и надежным, а его производство — экономически целесообразным. Этот раздел посвящен оценке данных параметров.

Расчет показателей надежности

Надежность устройства оценивается количественно. Расчет производится по методологии, основанной на интенсивностях отказов его компонентов.

Расчет надежности — это не формальность, а способ выявить «слабые звенья» в конструкции еще на этапе проектирования.

1. С использованием справочников по надежности радиоэлектронных компонентов определяется интенсивность отказов (λ) для каждого элемента схемы (резистора, конденсатора, микросхемы).
2. Рассчитывается суммарная интенсивность отказов всего устройства как сумма интенсивностей отказов всех его элементов: λ_устр = Σλ_i.
3. Вычисляется ключевой показатель надежности — среднее время наработки на отказ (MTBF), которое обратно пропорционально суммарной интенсивности отказов: MTBF = 1 / λ_устр.

Этот показатель демонстрирует, как долго устройство может проработать до первого отказа.

Технико-экономическое обоснование (ТЭО)

ТЭО доказывает экономическую выгоду от внедрения устройства. Расчет включает следующие технико-экономические показатели (ТКИ):

• Расчет себестоимости: Суммируется стоимость всех электронных компонентов, печатной платы, корпуса и расходных материалов.
• Расчет экономии электроэнергии: Моделируется типовой сценарий использования (например, освещение в коридоре мощностью 60 Вт включается 20 раз в день на 2 минуты). Рассчитывается годовое потребление электроэнергии с устройством и без него. Разница и составляет годовую экономию в кВт*ч, которая затем переводится в денежный эквивалент по текущему тарифу.
• Расчет срока окупаемости: Себестоимость устройства делится на годовую экономию в денежном выражении. Полученный результат показывает, за какой период времени устройство «вернет» вложенные в него средства за счет сэкономленной электроэнергии.

На основе этих расчетов делается итоговый вывод о целесообразности производства и внедрения разработанного устройства.

Заключение, в котором подводятся итоги и описываются требования безопасности

В ходе выполнения данной курсовой работы была успешно достигнута поставленная цель — разработано устройство автоматического выключения освещения на современной элементной базе. Были решены все поставленные задачи: проведен детальный анализ существующих аналогов, на основе которого было сформировано техническое задание. Были спроектированы и описаны структурная и принципиальная электрические схемы, а их работоспособность подтверждена инженерными расчетами. Разработана конструкция устройства, включая печатную плату, и предложен технологический процесс сборки. Наконец, была проведена оценка надежности и доказана экономическая целесообразность проекта.

Направления для дальнейшего развития:

Разработанное устройство является эффективным, но базовым решением. Его функциональность может быть существенно расширена. Перспективные направления для улучшения:

• Интеграция с системами «Умного дома»: Добавление модуля Wi-Fi или Bluetooth для удаленного управления и мониторинга через мобильное приложение.
• Развитие алгоритмов: Внедрение функции плавного включения/выключения света (диммирования) для повышения комфорта и продления срока службы ламп.
• Адаптивность: Создание самообучающегося алгоритма, который анализирует частоту срабатываний и автоматически подстраивает время задержки.

Техника безопасности

Поскольку устройство работает с опасным для жизни сетевым напряжением 220 В, соблюдение правил безопасности является обязательным на всех этапах.

При сборке и наладке:

• Все работы по пайке проводить в хорошо проветриваемом помещении.
• При работе с микроконтроллером и другими чувствительными компонентами использовать антистатический браслет.
• Первое включение и наладку проводить через разделительный трансформатор или лампу накаливания, включенную последовательно с устройством, для ограничения тока в случае ошибки монтажа.

Правила безопасной эксплуатации: Категорически запрещается использовать устройство без защитного диэлектрического корпуса. Монтаж и подключение устройства к сети должен производиться только квалифицированным персоналом при полностью обесточенной линии. Не допускается попадание влаги на устройство.

Следование этим правилам гарантирует долгую и безопасную работу разработанного прибора.

Список источников информации

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.
2. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П. П. Мальцев и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240 с.
3. Л.Л. Роткоп; Ю.Е. Спокойный; «Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА» Москва «Советское радио», 1978;
4. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. — К.: «МК-Пресс», 2007. — 288 е., ил.
5. Быстродействующие интегральные микросхемы и измерение их параметров/А.-Й. К Марцинкявичюс, Э.-А. К. Багданскис, Р.Л.Пошюнас и др.; Под. ред. А.-Й. К Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскиса.– М.: Радио и связь, 1988.-224 с.; ил.
6. Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. Издание второе, исправленное и дополненное – М. ДОДЭКА, 1998 г., 400 с.
7. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR–микроконтроллеров.: Пер. с нем.– Киев.: «МК-Пресс», 2006. – 208с.; ил.
8. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.
9. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров/А.-Й. К Марцинкявичюс, Э.-А. К. Багданскис, Р.Л.Пошюнас и др.; Под. ред. А.-Й. К Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскиса.– М.: Радио и связь, 1988.-224 с.; ил.
10. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007.– 592 с.: ил.
11. Хемминг Р. В. Цифровые фильтры. –М.: Недра, 1987. – 221 с.
12. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. –М.: Мир, 1978. –847 с.
13. .Кучеров, Д.П. Источники питания системных блоков ПК/ Д.П. Кучеров. – С-Питербург.: Наука и техника, 2002.
14. Хоровиц, П.А. Искуство схемотехники-1/ П.А. Хоровиц, У.Н. Хилл. – М.: Мир, 1999.
15. Хоровиц, П.А. Искуство схемотехники-2/ П.А. Хоровиц, У.Н. Хилл. – М.: Мир, 2000.
16. 8.Иваченко, И.В. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры/ И.В. Иваченко, В.А. Телец. – М.: Радио и связь, 1996.
17. Типовые нормы времени на разработку конструкторской документации. – 2-е издание., доп. – М.: Экономика, 1991.– 44 с.
18. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.
19. Безопасность жизнедеятельности: Методические указания к самостоятельным работам / Сердюк В.С., Игнатович И.А., Кирьянова Е.Н., Стишенко Л.Г. – Омск: ОмГТУ, 2007.
20. В.Г. Костиков, Е.М. Парфенов, В.А. Шахнов «Источники электропитания электронных средств» Москва, Горячая линия – Телеком 2001г.
21. Измерения в электронике: справочник / В.А. Кузнецов [и др.]; под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 512 с.: ил.
22. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, импульсные, оптоэлектронные приборы: справочник / А.Б. Гитцевич [и др.]; под ред. А.В. Голомедова. – 2-е изд. стереотип. – М.: КУбК-а, 1997. – 592 с.: ил.
23. Шило, В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник / В.Л. Шило. – М.: Радио и связь, 1987. – 352 с.: ил.
24. «Астра-9» Руководство по эксплуатации ЗАО НТЦ «ТЕКО». Казань.2008 г.
25. ГОСТ Р 50923-96 «Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения».
26. ГОСТ 12.0.003-74* «ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация»
27. ГОСТ 12.1.038-82* «Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов»
28. ГОСТ Р 50948-2001 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности»
29. ГОСТ Р 50949-2001 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерения и оценки эргономических параметров и параметров безопасности»:
30. ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования»
31. СанПиН 2.2.2/2.5.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы»
32. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение»
33. СанПиН 2.2.5.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений»
34. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».
35. ГН 2.2.6.009-94 «Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны».
36. СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки»
37. СН 181-170 «Указания по проектированию цветовой отделки интерьеров производственных зданий промышленных предприятий».
38. НПБ 88-2001 «Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования»
39. НПБ 104-03 «Системы оповещения и управления эвакуацией людей при пожарах в зданиях и сооружениях»