Разработка прибора присутствия

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра информационных систем и измерительных технологий

на тему: Разработка прибора «присутствия»

Москва

2008

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

2.1. Разработка схем источника питания

2.2. Разработка прибора «присутствия»

3. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Блок питания

4. РАЗРАБОТКА И МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

5. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день всё большее распространение получает термин «интеллектуальное здание» - то здание, оснащенное средствами автоматического контроля над всеми системами жизнеобеспечения. Комплекс жизнеобеспечения интеллектуального здания образуют следующие системы:

- защиты от проникновения с подсистемами: защиты периметра, контроля доступа в здание или отдельные помещения (кодовые замки, домофоны) и обнаружения незаконного проникновения внутрь и перемещения по зданию (различного рода сенсоры);

- внешнего и внутреннего видеонаблюдения (видеокамеры, видеосерверы);

- противопожарная (пожарные датчики, автоматические разбрызгиватели);

- контроля за расходом воды и электроэнергии (управляемые счетчики, предназначенные не только для визуального контроля, но и для передачи измеренных параметров на вышестоящий уровень АСУ;

- информационная (обеспечивает доступ к сетевым ресурсам);

- управления силовым оборудованием и освещением (освещение внутри здания, внешняя подсветка, лифты);

- климатического контроля и вентиляции;

- телефонная, с выходом в городскую телефонную сеть

и прочее специфическое оборудование, не влияющее на безопасность и функционирование здания.

Контроль над работой систем может быть распределенным или централизованным. Так, вахтер или местная охрана могут управлять системами видеонаблюдения, контроля доступа и защиты от проникновения; ответственный за пожарную безопасность - противопожарной системой, а администратор локальной сети - доступом пользователей сети здания к внешним и внутренним информационным ресурсам, например Интернету.

«Интеллектуальное» здание от автоматизированного отличается, главным образом, возможностью программировать управляющие системы таким образом, чтобы реакция на события внутри периметра здания происходила по заранее определенному сценарию. Любая из подсистем такого здания либо функционирует полностью автономно, фиксируя свои действия в журнале событий, либо оперативно взаимодействует с оператором, запрашивая у него подтверждение действий. [5]

Все системы жизнеобеспечения могут охватываться единой кабельной структурой, либо каждая из них будет построена на своих кабелях. Общей средой передачи информации может служить, например, коммутируемая сеть Ethernet. Однако надежность системы в целом в этом случае будет ниже, так как при повреждении кабельной проводки нарушается функционирование всех систем, подключенных к данному сегменту кабеля. Как правило, создается шесть независимых кабельных структур (информационная сеть здания - обычно Ethernet; замкнутая петля пожарной системы 2x2 провода; замкнутая петля системы защиты от проникновения; замкнутая петля сервисных служб - контроль освещения, расхода электроэнергии, воды; сеть передачи информации от системы видеонаблюдения; телефонная сеть здания.

В некоторых случаях на небольших или имеющих универсальный пожарно-охранный контроллер объектах может использоваться одна и та же кабельная проводка для противопожарной и охранной систем.

Система видеонаблюдения может быть совмещена с информационной сетью здания. В этом случае для ограничения доступа к видеоданным коммутаторы локальной сети здания (центральный и этажные коммутаторы, если таковые имеются) должны иметь функцию виртуальных локальных сетей (VLAN). Однако отдельные видеокамеры могут предоставляться для совместной эксплуатации.

В связи с бурным развитием IP-телефонии и новыми интеграционными возможностями телефонная сеть здания также иногда, особенно в офисах, объединяется с информационной сетью. Ведущие производители телекоммуникационного оборудования уже выпустили в продажу устройства, подобные телефонам, но подключающиеся к локальной сети.

Системы управления домовой автоматикой (СУДА), к которым можно отнести пожарную систему, охранную систему и сервисные службы, функционируют на всех уровнях модели открытых систем по единым принципам.

На физическом и канальном уровне СУДА представляет собой один или несколько сегментов, разделенных функционально и физически (территориально).

Важно отметить, что идеология построения «интеллектуальных» зданий может быть использована при проектировании систем управления жизнеобеспечением различных строений: жилых, офисных или промышленных.

Описанная структура представляет собой наиболее общий случай системы управления зданием. Конкретная реализация идеологии «интеллектуального здания» в значительной мере зависит от требований заказчика.

Однако подобного рода разработки требуют не только больших временных затрат, но и финансовых вливаний. Разрабатываемый прибор «присутствия» в какой-то степени позволяет не допускать бесконтрольного посещения какого-либо объекта или же приводит в действие исполнительное устройство при перемещении.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Требуется разработать прибор «присутствия» предназначенное для автоматического открывания дверей, а также в качестве сигнализатора, предупреждающего об опасности. Прибор должен питаться от стабилизированного источника постоянного тока напряжением 15...18 В.

Проект должен содержать:

1. Схему электрическую принципиальную

2. Блок питания

3. Сборочный чертеж

3.1.Корпус

3.2. Крышка

3.3 Донышко

4. Схема расположения элементов

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

Прибор «присутствия» способен зафиксировать проникновение человека в помещение и привести в действие исполнительное охранное устройство. Его можно использовать для охраны помещений и отдельных предметов, для автоматического открывания дверей, а также в качестве сигнализатора, предупреждающего об опасности и так далее. Прибор питается от стабилизированного источника постоянного тока напряжением 15...18 В.

Основные технические характеристики прибора «присутствия»:

Напряжение питания, В.......................................................................................16

Ток потребления при покое, не более, мА.........................................................10

Ток потребления при срабатывании, не более, мА...........................................45

Максимальная чувствительность при площади антенн 0,2 м, не менее, мм.......................................................................................................................1000

Дрейф контрольного напряжения в диапазоне температур 20...45°С, мВ/град.....................................................................................................................3

Габариты (без антенн), мм......................................................................135x95x40

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

2.1. Разработка источника питания

Для большинства цифровых устройств необходим источник питания. При большом потреблении мощности использование как источника гальванических батарей неэкономично. В этом случае постоянное напряжение получают путём трансформирования и выпрямления напряжения сети. Для этой цели в данной приборе используем (см. приложение ФИРЭ.ИИТ.КП604992/с.002) двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора.

К достоинствам можно отнести - используются обе половины переменного напряжения. При этом вырабатывается пульсирующее колебание, в котором отсутствующие в однополупериодной схеме полуволны инвертируются и появляются между положительными полуволнами. Коэффициент пульсации составляет 0,67, для сравнения коэффициент пульсации однополупериодного выпрямителя 1,57.

Чтобы уменьшить пульсации, на выходе выпрямителя, в схему включаем сглаживающий Г - образный RC - фильтр.

Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

,

где ,,,- коэффициенты пульсаций и амплитудные значения напряжения на входе и выходе фильтра.

Схемы стабилизации используются во многих, но не во всех источниках питания. Для обеспечения устойчивости выходного напряжения постоянного тока в условиях изменяющейся нагрузки, колебаниях напряжения в сети используем стабилизатор в виде интегральной микросхемы.

Включим в схему резистор R1 являющимся датчиком тока в схеме защиты от перегрузок.

На выходе схемы установим конденсатор С2, служащий для снижения уровня пульсаций выходного напряжения, а так же повышения устойчивости стабилизатора.

С помощью переменного резистора R5 можно производить более точную регулировку выходного напряжения.

2.2. Разработка прибора «присутствия»

Схема прибора «присутствия» (см. ФИРЭ.ИИТ.КП604992/с) - состоит из генератора сигналов ультразвуковой частоты, индуктивно-ёмкостного моста с двумя антеннами, усилителя ультразвуковой частоты, порогового устройства и исполнительного реле.

Генератор выполнен на транзисторе VT1 по схеме с общим коллектором. В качестве индуктивности LC-контура используется первичная обмотка трансформатора ТV1. Две его вторичные обмотки и конденсаторы С1...СЗ образуют симметричный LC-мост, который, благодаря индуктивной связи первичной и вторичных обмоток ТV1, питается переменным напряжением частотой 60...70 кГц. Выходное напряжение LC-моста снимается с переменного резистора R1. Настраивают мост элементами С2, R2. К обмоткам II и III подсоединены антенны WA1 и WA2 - рабочая и компенсационная.

Сигнал с выхода моста поступает на трёхкаскадный усилитель переменного тока, выполненный на транзисторах VT2...VT4, с коэффициентом усиления 2000...2590. Выходной каскад усилителя нагружен на мостовой выпрямитель VD1 ..VD4. Выпрямленное напряжение сглаживается RC-фильтром С13, R14, С14 и поступает на пороговое устройство, представляющее собой триггер Шмитта. В триггере для уменьшения гистерезиса сигнала управления до 0,05 В в эмиттерные цепи VT5, VT6 включены стабилитроны VD7...VD9 Цепочка R15, VD5, VD6 в базовой цепи VT5 обеспечивает температурную стабильность порога срабатывания. Чтобы ослабить влияние нагрузочных цепей на работу триггера, исполнительное реле К1 включено в цепь коллектора дополнительного транзистора VT7, выполняющего одновременно функцию инвертора.

Прибор «присутствия» работает следующим образом. В исходном состоянии LC-мост сбалансирован или близок к балансу, напряжение на входе VT2 составляет 1...1.5 мВ, а на выходе выпрямителя (в контрольных гнездах ХТ1, ХТ2) - не более 2,5...3 В. Этого напряжения недостаточно для срабатывания триггера Шмитта, и реле К1 остается обесточенным. При приближении человека к одной из антенн изменяется емкость соответствующего плеча LC-моста относительно общего провода, и напряжение в выходной диагонали моста (на R1) увеличивается. Соответственно возрастает постоянное напряжение на входе порогового устройства. Когда напряжение между точками А и Б превысит значение 4 В, триггер Шмитта срабатывает и контактная система реле включает исполнительный механизм (пускатель, электромагнит, звонок, лампу и т.д.). После удаления человека от антенны на достаточное расстояние (зависит от чувствительности устройства) напряжение UAB
снижается до уровня менее 4 В, триггер Шмитта отпускает и К1 обесточивается.

В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ мощностью 0,25 Вт, переменные резисторы СПЗ-13, терморезистор ММТ-4 или ММТ-1. Конденсаторы: постоянные КТ, КМ, КД (Cl, C3 с ТКЕ группы МЗЗ или М47), оксидные — типа К50-6, К50-12, подстроечный - типа КПК-М. Транзистор VT1 может быть заменен транзистором КТ602 или КТ803 с любым буквенным индексом.

В качестве VT2, VT3, VT5…VT7 можно использовать любые кремниевые транзисторы малой мощности с допустимым напряжением «коллектор-эмиттер» и «коллектор-база» не менее напряжения источника питания, при этом допустимый ток коллектора транзистора VT7 должен быть выше тока срабатывания реле К1. Допустимое напряжение «коллектор-эмиттер» транзистора VT4 должно не менее чем в два раза превышать напряжение источника питания. В устройстве применено реле РЭС-9 (паспорт РС4.524.201 или РС4.524.200). Диоды ДЗИ можно заменить на диоды Д2, Д9. Трансформатор Т1 изготавливается на ферритовом броневом сердечнике Б22, марка феррита 1500НМЗ (1500НМ2).

Обмотки II и III содержат по 100 витков провода ПЭВ 0,15 и наматываются первыми одновременно в два провода. Первичная обмотка содержит 20...30 витков провода ПЭШО 0,2 и наматывается поверх вторичных обмоток. При монтаже трансформатор Т1 следует установить на высоте 10 мм от поверхности платы при помощи распорной втулки (капроновая пробка).

В качестве трансформатора Т2 используется согласующий трансформатор от транзисторного приемника, выполненный на магнитопроводе из пермаллоя. Отношение витков первичной и вторичной обмоток должно быть в пределах 0,4...0,6. Электромагнитное реле К1 можно заменить на любое другое, рассчитанное на напряжение 12...14 В, при этом ток срабатывания не должен превышать допустимого тока коллектора транзистора VT7.

Антенны WA1 и WA2 выполняются из алюминиевого или медного провода 00,2...3 мм и длиной 0,7...4 м, в виде прямого отрезка или рамки. Более эффективными являются плоские антенны из тонкого листового алюминия или фольгированного гетинакса площадью ОД...0,3 м2
. Размеры и форма антенн в каждом конкретном случае определяются назначением реле и местом установки. Важно, чтобы по форме и размерам антенны были одинаковы. Антенны и соединительные провода необходимо жестко закрепить. В пространстве антенны располагают так, чтобы при приближении к ним человека емкость между ним и рабочей антенной возрастала существенно быстрее, чем между человеком и компенсирующей антенной. Иными словами, по отношению к человеку антенны должны располагаться асимметрично.

Налаживание прибора производят при отключенных антеннах. Монтажную плату устанавливают на временных жестких стойках из изоляционного материала длиной 40...50 мм, чтобы устранить влияние на LC-MOCT диэлектрических свойств столешницы рабочего стола. Затем поворачивают движок переменного резистора R1 влево по схеме до упора, подключают устройство к источнику питания и измеряют ток покоя в его цепи. Он не должен превышать величину 9... 11 мА. Затем медленно поворачивают движок R1 вправо.

В какой-то момент должно включиться исполнительное реле К1, что будет заметно по резкому возрастанию тока питания до 38...45 мА, в зависимости от типа К1. Затем балансируют LC-мост переменными резистором R2 и конденсатором С2. Момент наступления баланса определяют по минимуму напряжения в контрольных гнездах ХТ1, ХТ2. Движок R1 постепенно переводят в противоположное положение, при этом напряжение UAb
должно составлять 1,5...2 В; при большом разбалансе оно достигает уровня 8...9 В. Срабатывание реле К1 должно происходить при напряжении в контрольных гнездах 4...4,2 В.

Правильность работы устройства проверяется следующим образом:

- медленным и плавным вращением С2 устанавливают контрольное напряжение, близкое к состоянию баланса (3 В);

- при поднесении пальца руки к одному из гнезд XI или Х2 контрольное напряжение должно возрастать, при поднесении к другому гнезду - снижаться.

Если при балансировке минимальное контрольное напряжение достигается при емкости С2 «максимум», следует к С2 параллельно подпаять конденсатор емкостью 1,5...7,5 пФ типа КТ с ТКЕ группы МЗЗ, М47 и вновь повторить балансировку. Если С2 при балансировке окажется в положении «минимум» - дополнительный конденсатор следует припаять параллельно СЗ.

Настройка реле с подключенными антеннами выполняется аналогично, при этом положение тела оператора и его рук в пространстве должно быть таким, чтобы оказывать наименьшее влияние на антенны. При окончательной настройке реле переменным резистором R1 подбирают желаемую чувствительность устройства. Под чувствительностью следует понимать максимальное расстояние между человеком и рабочей антенной в миллиметрах, при котором происходит срабатывание автомата.

3. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Блок питания

Определим значение тока через вторичную обмотку трансформатора по формуле:

, где

Iн
– максимальный ток нагрузки, 0,5 А.

Необходимо определить номинальную мощность: