Вступ
Системи охоронної сигналізації є найбільш традиційними та поширеними засобами, що використовуються для охорони будинків, квартир, офісів. Основне призначення охоронної сигналізації - виявлення несанкціонованого проникнення у взяті під охорону приміщення, і як наслідок, забезпечення цілісності майна.
Охоронна сигналізація дозволяє контролювати і сповіщає про такі процеси що відбуваються в об'єкті, взятому під охорону:
– руйнування вікон, стін, перекриттів;
– відкриття дверей і вікон;
– пересування людей всередині приміщень.
Сьогодні на ринку охоронних сигналізацій представлено безліч різних варіантів, які відрізняються не тільки багатофункціональністю й зовнішнім виглядом, але й ціною.
Види систем охоронної сигналізації:
– охоронна система
, яка у випадку спрацьовування будь-якого датчика активує сирену або строб-спалах;
– система сигналізації з підключенням до телефонної лінії
. При появі сигналу тривоги по телефонній лінії передається заздалегідь записане голосове повідомлення на запрограмовані телефонні номери;
– система охоронної сигналізації з підмиканням до центру спостереження (пультова охорона
). Всі сигнали тривоги надходять на пульт централізованого спостереження. Оператор, отримавши інформацію від охоронної системи, вживає необхідних заходів.
– GSM сигналізація
. Охоронна сигналізація при спрацьовуванні датчика відправляє сигнал тривоги як SMS повідомлення на мобільний телефон.
Всім охоронним системам, за винятком останньої, притаманний ряд недоліків:
1) немає можливості оповіщення користувача про тривогу, якщо його немає біля охоронного об'єкта - дана система виконує лише «відлякувальну» функцію.
2) система сигналізації з відімкненням до телефонної лінії. Телефонну лінію можна обрізати. Можливі також і інші пошкодження телефонної лінії - дана система не автономна.
3) пультова охорона, як і попередня, з'єднується з пультом охорони за допомогою дротів; при пошкодженні дротів система перестає працювати.
Виходячи з цього, розробка засобів контролю за віддаленими об'єктами на основі технології GSM охорони є перспективним і актуальним завданням
.
Метою
даної роботи є розробка автономного недорогого універсального охоронного пристрою, виконаного на сучасній елементній базі, який призначений для цілодобової охорони об'єктів різного призначення: офісів, дач, квартир, гаражів, складів і т. п.
Завданнями даної роботи
є: проведення розрахунків, які підтверджують працездатність пристрою й подальшу його експлуатацію; розробка принципової схеми і друкованої плати; визначення економічних параметрів.
1. Порівняльний аналіз розроблювального пристрою з аналогами
З розвитком послуг стільникового зв'язку все більше розповсюдження отримують GSM сигналізації. Перевага GSM сигналу над звичайним радіосигналом у тому, що радіосигнал є обмеженим по дальності зв‘язку, станція випрацювання такого сигналу має великі розміри, а отже, енергоємна і залежить від електропостачання. Разом з тим, GSM джерело має розміри мобільного телефону і може працювати від акумулятора, а дальність поширення такого сигналу обмежується лише можливостями вашого мобільного оператора.
Суть такої охоронної системи полягає у використанні вже наявного GSM каналу будь-якого стільникового оператора для передачі сигналів тривоги у вигляді SMS або голосу на телефон абонента, а можливо і групи абонентів. Велика кількість подібних каналів сигналізації дозволяє довідатися про стан параметрів об'єкта охорони: від активності об'єктів до температури і атмосферного тиску на ділянці охорони.
Принцип роботи охоронної GSM сигналізації: на об'єкті, що охороняється встановлюється комплект охоронної сигналізації, який оснащується GSM модемом або мобільним телефоном. При виникненні ситуації тривоги контрольна панель активізує цей модем, і далі можливі три результати:
1. Передача SMS.
В процесі налаштовування системи в GSM модем заносять sms-повідомлення, які будуть передані на запрограмований номер телефону згідно з заздалегідь визначеними ситуаціями, наприклад, «Тривога», «Відсутність мережного живлення», «Пожежа», «Витік води» і ін.
Причому для кожної події можна запрограмувати своє повідомлення. Отримавши таке sms-повідомлення, власник буде точно знати, що сталося на об'єкті охорони: тривожна ситуація або, наприклад, витік води.
2. Дзвінок на мобільний телефон.
Це мабуть, «найбюджетніший» варіант використання системи. У випадку тривоги, наприклад, відкриття вхідних дверей під час перебування системи в режимі «ОХОРОНА», модем робить дзвінок на Ваш мобільний телефон. На екрані телефону відображається номер абонента, що викликається, яким є охоронна система. Вам відразу стає зрозуміло, що відбулася позаштатна ситуація, але без подальшої деталізації.
Оскільки сьогодні оператори стільникового зв'язка пропонують велику кількість тарифів без абонентської плати, то можна не піклуватися про стан рахунку. Адже немає необхідності піднімати трубку.
3. Голосовий виклик.
Якщо необхідно отримувати голосові повідомлення по спрацьовуванню охоронної системи, то додатково знадобиться голосовий модуль, у який заздалегідь надиктовуються повідомлення про тривогу. При реалізації такої схеми GSM модем буде виконувати функції емалювання дротової телефонної лінії.
GSM – модем працює разом з «класичною» системою охоронної сигналізації, тобто він є доповненням до системи, а це спричиняє додаткові витрати.
Оскільки купівля GSM-Модему вимагає витрат, то замість нього можна використовувати мобільний телефон, який виконує такі ж функції, має менші габарити і доступну ціну.
Система охоронної сигналізація включає:
· датчики;
· виконавчі пристрої.
Датчик
- чутливий елемент, що перетворює контрольований параметр в електричний сигнал.
Особливість датчиків для систем охоронної сигналізації та, що вони реєструють, в основному, неелектричні величини. Вимірювання неелектричних величин - досить складне завдання і при цьому датчики мусять забезпечувати високу надійність і вірогідність контролю.
Датчики об'єднуються в зони. Під зоною розуміють один або кілька датчиків, що охороняють певний об'єкт або ділянку об'єкта.
У системах типу «охоронна сигналізація» використовуються датчики наступних типів:
· пасивні інфрачервоні датчики руху;
· датчики розбивання скла;
· активні інфрачервоні датчики руху і присутності;
· фотоелектричні датчики;
· мікрохвильові датчики;
· ультразвукові датчики;
· вібродатчики;
· датчики температури;
· датчики наявності пару і газу;
· магнітні (герконові) датчики;
· шлейфи.
Пульт-Концентратор
- центральний пристрій системи типу «охоронна сигналізація». Він виконується на базі мікроконтролера. Всі функції системи обумовлюються програмою мікроконтролера. Параметри програми задає користувач, залежно від його повноважень, зі спеціального пульта.
Існують різні способи постановки / зняття охорони: дистанційно, радіо брелоками, електронними ключами Touch Memory, Proximity, магнітними картами, простими кнопками.
Електронні ідентифікатори Touch Memory
являють собою мікросхему, розміщену в міцному корпусі із нержавіючої сталі. Аутентифікація (розпізнання) користувача випрацьовується за унікальним і незмінним для кожної карти кодом завдовжки 48 біт.
Недоліки: незважаючи на наявність унікального 48-бітного коду, який
теоретично унеможливлює підробку Touch Memory, в той же час існують програми, що дозволяють у найкоротший строк здійснювати копіювання цього виду електронних ключів. Подібні програми (в поєднанні зі вмонтованою у корпус Touch Memory програмувальною мікросхемою) використовуються сьогодні численними пунктами, які пропонують «виготовити копію електронних ключів».
Магнітні карти
є пластиковими картками стандартних розмірів.
Недоліки: чутливі до забруднення, впливу магнітних полів, нагрівання, механічних ушкоджень. При багаторазових зчитуваннях відбувається поступове стирання магнітного шару. Досвід експлуатації виявив слабкість пристроїв для зчитування магнітних карт і карт зі штриховим кодом.
Незважаючи на сучасність і простоту, використання таких ідентифікаторів вимагає додаткових заходів обережності: зберігання має здійснюватися так, як і зберігання звичайного ключа від квартири (з якого можна зняти зліпок) або банківської карти (унікальний код якої можна зчитати).
На відміну від цих методів постановки / зняття охорони, використання звичайної кнопки керування (КК), що розміщується на території, яка охороняється, є досить простим і надійним.
Прокладку дротів від блоку керування до КК слід виконувати прихованою, бо обрив дроту порушує працездатність пристрою. Оскільки обірвати дріт можна тільки перебуваючи усередині охоронного приміщення, що вимагає відкриття дверей, чи вікон - моментально спрацює паралельна ланка охоронної сигналізації.
Розроблена охоронна сигналізація є універсальним, недорогим пристроєм і не поступається за своїми функціями й можливостями таким аналогам як: комплект GSM сигналізації «GSA-04 стандарт» і «GSA-04 економ», GSM сигналізація на базі МК PIC16F628A, Сталкер-5 (C60).
2. Розробка структурної схеми сигналізації
Охоронну сигналізацію з GSM-каналом можна розділити на такі структурні блоки, які й будуть складати структурну схему даного пристрою:
– кнопка керування;
– мікроконтролер AT89C 2051–24PI, ATTINY2313;
– датчики;
– перемикачі;
– сирена, зовнішній маяк;
– мобільний телефон з GSM-каналом.
Однократне натискання кнопки керування й утримання протягом 1…2 с запускає систему.
Даний пристрій містить два мікроконтролери, що дозволяє виконувати призначені функції кожним з них, незалежно один від одного.
Мікроконтролер AT89C 2051–24PI виконує основні функції по звіту часу на вхід Т1, на вихід Т2, тривалість звучання сирени Т3.
Ці параметри встановлюються за допомогою перемикача SA 1–4 на платі пристрою.
Два з‘єднувальні шлейфи і герконові датчики встановлені на вікнах і вхідних дверях приміщення, що охороняється. При порушенні цілісності одного або кількох шлейфів сигналізації (наприклад, розмикання герконового датчика) приводить до вмикання низькочастотного звукового сигналу і активує другий мікроконтролер, що виконує функцію розсилання sms-повідомлень або робить телефонні дзвінки на запрограмовані номери.
Сирена (звуковий оповісник) ПКІ-1 забезпечує тривалу подачу голосного звукового сигналу (100…105 дБ). Зовнішній світлодіод «Маяк» сигналізує про режими роботи охоронного пристрою (горить безперервно в режимі «Охорона» і перервно - у режимі «Тривога»).
2.1 Принцип роботи охоронної сигналізації
Охоронний пристрій забезпечує вмикання низькочастотного звукового сигналу стандартної п’єзокерамічної сирени ПКІ-1 при порушенні цілісності одного або кількох шлейфів сигналізації (розмиканні герконового датчика). Перед початком роботи слід встановити необхідні для користувача часові параметри (час на вхід Т1, час на вихід Т2, тривалість звучання сирени Т3). Ці параметри встановлюють за допомогою перемикача SA 1–4 на платі пристрою відповідно з таблицею 2.1.
Користувач, залишаючи охоронний об'єкт, вмикає систему однократним натискуванням і витримкою протягом 1…2 с кнопки керування КК1. При цьому лунає короткочасний (0,5с) звуковий сигнал, що підтверджує готовність пристрою до роботи (початок постановки в режим «Охорона»). Потім із затримкою на час Т2 (таблиця 2.1) пристрій автоматично переходить в режим «Охорона». Під час затримки пристрій не реагує на стан датчиків шлейфів сигналізації, тому користувач може безперешкодно покинути охоронний об'єкт. По витоку часу Т2 пристрій перевіряє стан шлейфів і, якщо вони перебувають у нормально-замкнутому стані, подає три сигнали сирени (включення режиму «Охорона»).
Якщо хоча б один зі шлейфів розімкнений, пристрій не переходить у режим «Охорона», подаючи поодинокі звукові сигнали. Якщо всі вікна й двері в приміщенні, що охороняється, зачинені - пристрій переходить в режим «Охорона», сигналізуючи про це трьома звуковими сигналами.
При розмиканні будь-якого датчика лунає звуковий сигнал протягом 0,5 с. Далі, із затримкою Т1 (таблиця 2.1), пристрій переходить у режим «Тривога» і видає потужний звуковий сигнал з рівнем 100…105 дБ. Під час зазначеної затримки або в режимі «Тривога», користувач може виключити сирену, натискаючи й утримуючи протягом 1…2 с кнопку керування КК1, розташовану в прихованому місці. У цьому випадку лунає двократний сигнал, який свідчить про те, що пристрій знято з режиму «Охорона». Разом із сиреною при спрацьовуванні датчика відбувається відправлення СМС і дзвінок на певний номер.
Таблиця 2.1. Установка режимів роботи
| Положення мікроперемикачів | Час Т1 на вхід, сек | Час Т2 на вихід, сек | Час звучання сирени Т3, хв | |||
| 1
|
2
|
3
|
4
|
|||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 10 | 40 | 3 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 90 | 3 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 30 | 40 | 3 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 30 | 90 | 3 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 60 | 40 | 3 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 60 | 90 | 3 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 90 | 40 | 3 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 90 | 90 | 3 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 120 | 40 | 3 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 120 | 90 | 3 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 40 | 5 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 90 | 5 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 30 | 60 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 90 | 40 | 5 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 90 | 90 | 5 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 120 | 60 | 1 |
Конфігурування телефону:
а) в першій комірці телефонної книги на sim-карті необхідно записати номер, з яким буде працювати охоронна система (відправляти на нього sms, телефонувати, вмикатися і вимикатися при скиданні виклику тільки із цього номера);
б) в комірках з 1-ї по 8-у на sim-карті необхідно записати sms-повідомлення, які будуть відправлятися при спрацьовуванні певного датчика (в першій комірці - SMS першого датчика, у другий - другого і т.д.).
Якщо спрацьовування датчиків відбулося з вини зловмисників, сигнал тривоги буде тривати встановлений час Т3 (таблиця 2.1).
Оскільки пристрій працює на базі двох МК, які забезпечують незалежну роботу сирени й відправлення sms-повідомлень або телефонних дзвінків, то за відсутності зовнішнього живлення пристрій може продовжувати свою роботу:
· живлення МК ATTINY2313 може здійснюватися від кожного із двох джерел: від акумулятора GSM-телефону або від зовнішнього живлення.
· При наявності зовнішнього живлення від нього живиться МК і заряджається акумулятор мобільного телефону, а при відсутності зовнішнього живлення МК живиться від акумулятора мобільного телефону. Тому, короткочасні перебої електроенергії (до 2 днів) на роботу GSM сигналізації не впливають. Чим більша ємність акумуляторної батареї, тим довше GSM сигналізація здатна зберігати свою працездатність за відсутності зовнішнього живлення;
· МК AT89C2051 що живиться від вбудованого пристрою з постійною напругою 9 В, забезпечує надійну цілодобову роботу пристрою протягом одного-двох місяців без заміни елементів живлення; рівень звукового тиску: 100…105 дБ при напрузі джерела живлення 9 В.
В режимі «Охорона» споживанням струму мале, тому необхідність заміни батарей виникає приблизно через 1…2 місяці експлуатації охоронного пристрою. Пристрій має два вбудованих світлодіоди, які працюють тільки при наявності зовнішнього живлення 12В: світлодіод «Мережа», що сигналізує наявність живлення, і світлодіод «Маяк», що сигналізує про режими роботи охоронного пристрою (горить безупинно в режимі «Охорона» і переривчасто - в режимі «Тривога»). Передбачені клеми для підмикання зовнішнього світлодіоду «Маяк».
2.2 Встановлення
охоронної сигналізації
Пристрій бажано розміщувати на висоті ~ 2,5 м, щоб зашкодити навмисне виведення його з ладу зловмисниками. При розміщенні звукового блоку зовні охоронного об'єкту, слід унеможливити прямий вплив на нього атмосферних опадів. Мобільний телефон не обов'язково розміщувати поруч із охоронним пристроєм, дроти, що йдуть до телефонного апарату, не слід робити довшими ніж 30 см. Телефон можна помістити в металевому боксі разом із сигналізацією так, щоб власник мав до нього доступ і міг при потребі поміняти або записати новий номер телефону.
Кнопку керування КК1 необхідно помістити в прихованому, але доступному місці. Прокладку дротів від блоку керування до кнопки КН1 необхідно також виконати прихованою, оскільки обрив дротів порушує працездатність пристрою.
Герконові датчики встановлюють на коробках дверей і на віконних рамах, а магніти - на дверях і вікнах так, щоб при зачинених дверях (вікнах) відстань між датчиком і магнітом не перевищувала 1…3 мм, а при відчинених - ця відстань була більш ніж 2 см. Всі охоронні датчики включаються послідовно.
При необхідності встановлення великої кількості датчиків можна використовувати кінцеві вимикачі, герконові датчики інших типів, тонкого дротового шлейфу, фольги, що працюють «на розрив. Для шлейфу застосовують дріт ПЭВ, ПЭЛ
діаметром 0, 05…0,3 мм.
2.3 Умови експлуатації охоронної сигналізації
– температурний діапазон - від – 40 до +40 о
С;
– вологість не більше 90% при температурі 25 о
С.
2.4 Технічні характеристики
· напруга живлення: 9 В (батарея типу «Крона»);
· споживаний струм у режимі «Охорона»: не більше 200 мкА;
· споживаний струм у режимі «Тривога»: не більше 30 мА;
· рівень звукового тиску: 100…105 дБ при напрузі джерела живлення 9 В;
· тип використовуваних датчиків: геркони;
· індикація живлення 12 В «Мережа», індикація режиму охорони й тривоги «Маяк» (тільки за наявності зовнішнього живлення;
· GSM-Канал.
3. Розробка принципової схеми сигналізації
3.1 Вибір мікроконтролера
Основним функціональним елементом пристрою є мікроконтролер.
Основні функції, здійснювані мікроконтролером:
- відлік часу (для даного пристрою час на вхід, на вихід і на звучання сирени);
- приймання команд, що надходять від перемикачів.
Проаналізувавши функції, виконувані мікроконтролером, до нього можна висунути такі вимоги:
- тактова частота мікроконтролера повинна бути достатньою для нормальної роботи всієї системи;
- вихідні струми й напруги на виводах мікроконтролера повинні бути достатніми для керування індикатором;
- загальна кількість виводів мікроконтролера повинна бути достатньою, для забезпечення керування всіма елементами, що входять до складу пристрою, робота яких керується мікроконтролером. [1]
Також мікроконтролер повинен відповідати низці другорядних вимог:
- мікроконтролер повинен мати мале енергоспоживання;
- об'єм пам'яті програм повинен вміщувати програмний код;
- обсяг оперативної пам'яті має бути достатнім для коректної і швидкої роботи пристрою;
Враховуючи всі перераховані вимоги, для використання в нашому пристрої можна розглянути три мікроконтролери - це PIC16F84A, AT89C51 і PIC16C505 [2].
Для остаточного вибору мікроконтролера скористаємося методом вибору з використанням матриці нормованих параметрів. Для цього слід обрати основні характеристики, за якими будемо здійснювати порівняння обраних мікроконтролерів. В нашому випадку для порівняння доцільно використовувати такі параметри:
- вихідна напруга рівня логічного нуля ;
- вхідні напруги рівня логічного нуля ;
- число ліній вводу / виводу мікроконтролера ;
- вартість.
Складемо таблицю, у якій будуть зазначені значення всіх потрібних параметрів для трьох обраних мікроконтролерів (таблиця 3.1).
Таблиця 3.1 – Основні параметри мікроконтролерів
| Серія | Обсяг пам'яті програми, Кб | , B | , В | Вартість, грн | |
| PIC16F84A | 2 | 0,6 | 0,8 | 13 | 10 |
| AT89C2051 | 2 | 0,5 | 0,9 | 15 | 8 |
| PIC16C505 | 1 | 0,6 | 0,8 | 12 | 8 |
| ATTINY2313 | 2 | 0,5 | 2,5 | 18 | 8 |
| Вага.коеф, bj
|
0,3 | 0,1 | 0,1 | 0,2 | 0,3 |
Залежно від значимості того чи іншого параметра, кожному з них присвоюється ваговий коефіцієнт bj
. Суми всіх вагових коефіцієнтів повинні дорівнювати одиниці.
Виходячи з таблиці, складемо Y-матрицю, в яку будуть входити ці ж параметри, але з урахуванням позитивного або негативного боку їхніх величин.
Розглянемо параметри і з‘ясуємо, до чого веде збільшення їх значень. Якщо збільшення параметра веде до погіршення роботи схеми, то його слід перерахувати в подальших обчисленнях (біля таких поставимо «–»). Якщо збільшення значення параметра несуттєве для роботи схеми, то його в подальших обчисленнях не перераховуємо (біля таких поставимо «+»). Отримаємо:
Таблиця 3.2 Вплив параметрів на роботу схеми
| Обсяг пам'яті програми, Кб
|
, B
|
, В
|
|
Вартість,
грн.
|
| + | - | + | + | - |
Y-матриця має такий вид:
На основі цієї матриці, запишемо матрицю нормованих параметрів, у якій кожний елемент обчислюється по формулі:
| (3.1) |
і отримаємо матрицю А:
Далі за формулою складемо оцінну функцію для кожного мікроконтролера:
| (3.2) |
де bj
– ваговий коефіцієнт відповідного параметра. Той мікроконтролер, оцінна функція якого виявиться найменшою, найкраще відповідає нашому пристрою.
Виходячи з розрахунків, вибираємо мікроконтролери AT89С51 і ATTINY2313 тому, що їхні оцінні функції виявилися найнижчими. Тому їх найдоцільніше використовувати в нашому пристрої.
Рис. 3.1. Цоколівка мікроконтролера АТ89С2051 [3]
Рис. 3.2 Цоколівка мікроконтролера АТTINY 2313 [4]
3.2 Вибір елементної бази
Принципова схема розробленого пристрою представлена на кресленні. Головними елементами є мікроконтролери АТ89С 2051–24PI (DD1) і АТTINY 2313 (DD2).
Максимальна робоча напруга МК АТ89С 2051–24PI становить 6,6 В, а пристрій отримує живлення від мережі з напругою живлення 12 В.
Для підтримки стабільної напруги живлення МК у пристрій введений інтегральний стабілізатор напруги 78L05 (DA1) [5].
Сучасні мікросхеми стабілізаторів напруги випускаються на широкий діапазон вихідних напруг і струмів, вони мають вбудований захист від перевантаження по струму й від перегріву - при нагріванні кристалу мікросхеми вище припустимої температури вона закривається й обмежує вихідний струм.
Типова схема включення стабілізаторів напруги наведена на рис. 3.3.
Рис. 3.3 – Схема ввімкнення стабілізаторів напруги
Вхід стабілізатора - «IN»; вихід - «OUT»; спільний - «GND» (Ground).
До входу (Input), а також до виходу (Output) стабілізатора (безпосередньо біля відповідного виводу або поблизу його), щоб уникнути самозбудження, слід ввімкнути конденсатори ємністю 100мкФ і 30пФ.
Якщо ємність конденсатора на виході стабілізатора надто велика, а струм навантаження малий, то між входом і виходом слід ввімкнути діод. Це гарантує, що напруга на виході буде дуже швидко зменшуватися до величини вхідної напруги.
Для надійної роботи стабілізатора напруга на вході вибирається не менш ніж на 3 В більшою, ніж вихідна напруга.
Таблиця 3.3 Характеристики стабілізатора напруги
| Тип | Вхідна напруга, B | Вихідна напруга, B | |
| min | max | ||
| 78L05 | 7,2 | 30 | 5 |
У розроблюваній схемі використовується штирьовий і смд монтаж елементів на плату. Відповідно до розробки вибираємо елементи з урахуванням вимог монтажу.
Використовуємо резистори R 1-R19 типу R 0805–0,125 Вт, конденсатори з малим струмом витоку C1, С3 - ECR і керамічні конденсатори C0603 - С2, С 4…С12 (служать для зменшення завад у схемі) [6].
До виходів XTAL1 і XTAL2 МК АТTINY2313 підімкнений кварц частотою 1,8432 МГц; дана частота забезпечує безперебійну роботу послідовного порту МК (UART). До роз’єму PLS-6 підмикається послідовний програматор для програмування мікроконтролера. До роз’єму PLS-8 підмикається мобільний телефон. Лінії RXD і TXD телефону підмикаються до відповідних виводів TXD і RXD послідовного порту МК, а виводи CTS, RTS, DTR мобільного телефону до таких же виводів МК.
До виводів PB 0-PB7 МК АТTINY2313 підмикаються датчики. Для запобігання впливу ВЧ завад на шлейфи датчиків установлюються конденсатори C11, C12. Датчики спрацьовують на розрив, при від'єднанні від загального, тим самим можна запобігти можливості перерізати шлейфи датчиків. Діоди VD8, VD9 захищають МК від потрапляння підвищеної напруги зі шлейфів датчиків.
У схемі використовується перемикач SWD 1–4; у таблиці 3.4 наведені його характеристики [7]:
Таблиця 3.4 – Характеристики перемикача SWD 1–4
| Тип
: |
SWD 1–4
|
| Кількість контактних груп: | 4 |
| Матеріал контактів: | фосфориста бронза |
| Робоча напруга, В: | 24 |
| Робочий струм, мА: | 50 |
| Матеріал корпуса: | Термопластик |
| Робоча температура, З: | -40…70…70 |
| Електрична надійність (кількість перемикань при робочому навантаженні): | 10000 |
| Зусилля при перемиканні не більше, Гс | 400 |
| Опір контактів, Ом: | 0.1 |
| Крок, мм: | 2.54 |
Враховуючи розміри плати, вибираємо малогабаритну кнопку PS580N/L. Для індикації наявності живлення й режимів роботи охоронного пристрою в схемі використовуються світлодіоди підвищеної яскравості (діаметр 3 мм) GNL-3014 (таблиця 3.5):
Таблиця 3.5. Абсолютні максимальні параметри (при t=25 °C) [8]
| Максимальний постійний прямий струм | 20 mА |
| Постійна зворотна напруга | 5 V |
| Постійний зворотний струм (Vr-5V) | 10mА |
| Максимальний прямий струм, tw=1msec, Q=1/20 | 150mА |
| Діапазон робочих температур | -40…+80 °С |
| Умови пайки (5 сек, 1.6 мм від корпуса) | 300±5 °С |
Інші елементи обрані виходячи з доцільності їхнього застосування в даній розробці.
3.3 Вибір роз'їму
Клемник - один зі способів з'єднання проводів. Їх використовують, коли необхідно з'єднати скільки завгодно багато провідників. Клемник виконаний у вигляді мідної планки з отворами і гвинтовими затискувачами. Такий метод з'єднання зручний при прокладці жорстких провідників, але для кріплення м'яких провідників, їх наконечники необхідно опресовувати. Всі кріплення виконуються пайкою в спеціальній коробці. Залежно від типу проводки може використовуватися від двох до трьох штук [9].
Вибираємо клемник на 12 виходів - STB 1–12, до якого підмикаються зовнішні прилади: звуковий оповісник, кнопка керування, зовнішній маяк, шлейфи.
Виходячи з габаритів розроблювального пристрою і способу його кріплення (шляхом підвісу), вибираємо роз'єми:
– PLS-6 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x6, пряма;
– RLS-8 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x8, пряма;
– PLS-2 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x2, пряма.
4. Кваліфікаційна частина
4.1 Конструювання друкованої плати
4.1.1 Вибір типу друкованої плати
Для вибору типу друкованої плати (ДП), яка буде надалі використовуватися для проектування й побудови приладу, спочатку розглянемо типи використовуваних ДП [10].
За конструктивним виконанням розрізняють:
– однобічні ДП (ОДП);
– двобічні ДП (ДДП);
– багатошарові ДП (БДП);
– провідникові або комбіновані ДП (ПДП);
– гнучкі ДП (ГДП).
ОДП прості в конструюванні й економічні у виготовленні. Основними перевагами ОДП є:
– можливість забезпечувати підвищені вимоги до точності виконання провідникового рисунку;
– встановлення навісних елементів на поверхні плати з боку, протилежного паянню, без додаткової ізоляції;
– можливість використання перемичок із провідникового матеріалу. Монтажні й трасувальні можливості ДП без металізованих отворів, а також надійність і механічне кріплення низькі, тому для підвищення міцності кріплення елементів такі плати виготовляються з металізацією отворів. Звичайно ОДП застосовуються для монтажу в побутовий ЕОА, у силовій електроніці, у НЧ пристроях [10].
ДДП характеризуються:
– вищою щільністю монтажу порівняно з ОДП;
– хорошою міцністю;
– підвищеною міцністю з'єднання виводів навісних елементів з провідниковим рисунком плати;
ДДП хоча і мають складнішу технологію виготовлення і дорожчі ніж ОДП, та все ж ці показники набагато нижчі, ніж в інших типах ДП [10].
БДП складаються із шарів, що чергуються, ізоляційного матеріалу й провідних рисунків, з'єднаних клейовими прокладками в багатошарову структуру шляхом пресування. Переваги БДП:
– підвищена щільність монтажу;
– високі комутаційні властивості;
– стійкість до механічних і хімічних впливів.
Водночас вони складніші технологічно і конструктивно, а отже і більш високовартісні. Порівняно з ОДП і ДДП у них менша кількість зовнішніх виводів і менші розміри [10].
ПДП (комбіновані) являють собою діелектричну основу, на якій виконують друкований монтаж або його окремі елементи (контактні площинки, шини живлення, шини землі й інші). Необхідні електричні з'єднання здійснюють ізольованими провідниками (діаметром 0,1–0,2 мм). Тришарова провідникова плата еквівалентна за щільністю монтажу 8-шаровій БДП. Такий монтаж дозволяє отримати мінімальну довжину зв'язків, тобто мінімальні паразитні параметри. ПДП дозволяють вносити зміни в схему при незначній зміні монтажу [10].
ГДП
мають такі переваги:
– товщина 0,1–0,28 мм, що дозволяє зменшити масу ДП.
– висока ударостійкість.
ГДП складніші технологічно, мають вищу вартість, але вони незамінні при забезпеченні електричного зв‘язку між рухомими об'єктами.
Впровадження ДП в техніку електричного монтажу було першим кроком на шляху прогресивних інтегральних процесів і стало поштовхом для створення автоматизованого економічно ефективного масового виробництва. З економічних міркувань краще було б вибрати ОДП, але з огляду на складність виконання розводки схеми без перетинань і додаткових провідників, доцільно взяти ДДП, що дозволить простіше виконати трасування провідників плати [10].
Максимальний розмір ДП, як багатошарової так і одношарової, не повинен перевищувати 470 мм. Це обмеження визначається вимогами механічної міцності й щільності монтажу. Співвідношення сторін ДП, для спрощення компонування блоків і уніфікації розмірів, рекомендується вибирати 1:1; 2:1 (але не більше 4:1). З метою максимального використання фізичного об‘єму конструкції доцільно розробити ДП прямокутної форми, не перевищуючи встановлених розмірів для наступних типів:
| Вид ДП | Максимальний розмір ДП |
| особливо малогабаритні | 60×90 мм |
| малогабаритні | 120×180 мм |
| середньо габаритні | 200×240 мм |
| великогабаритні | 240×360 мм |
| багатошарові | 200×240 мм |
Розміри ДП вибираються, виходячи з двох типів вимог: функціональних і технологічних. Функціональні вимоги визначаються щільністю монтажу, кількістю ІС, формою корпусу. Технологічні вимоги визначаються обмеженнями типових розмірів з огляду на можливість технологічної реалізації, яка визначається роздільною здатністю фотолітографії і механічною міцністю матеріалу ДП. Виходячи з цього, вибираємо прямокутну ДП з розмірами 60x90 мм,тобто - особливо малогабаритну.
Вибираємо ДДП, оскільки застосування її дозволить значно полегшити трасування, зменшити габарити плати, зменшити витрату матеріалу (порівняно з ОДП) та забезпечити надійність з'єднань (порівняно з ПДП).
Як основу плати вибираємо фольгований склотекстоліт, використовуючи мідну фольгу, що нанесена на нього із двох сторін, як екран - екран з одного боку, екран з іншого боку добре захищає схему від електричних і магнітних завад, які могли б погіршити роботу схеми (наприклад, помилкові спрацьовування).
4.1.2 Вибір матеріалу друкованої плати
Як основу для виготовлення ДП, використовують шаруваті діелектрики, фольговані електролітичною міддю.
Вимоги до параметрів матеріалу основи ДП:
– висока термостійкість і мала вологопроникність;
– поверхневий опір при 40 °С має бути не меншим МОм;
– чистота міді 99,5%;
– шорсткість не гірше 0,4 мкм.
Таким параметрам відповідають гетинакс і склотекстоліт.
Гетинакс - шаруватий пластик на основі паперу й синтетичних смол. Сполучною речовиною найчастіше є феноло-формальдегідні смоли, рідше - меламіно-формальдегідні, епоксидно-феноло-аніліно-формальдегідні. Вміст смоли в гетинаксі складає 40–55%. Іноді гетинакс фольгують червоно-мідною електролітичною фольгою, облицьовують бавовняними, скляними або азбестовими тканинами, армують металевою сіткою. Залежно від призначення гетинакс випускають кількох марок.
Гетинакс має високу механічну міцність та хороші електроізоляційні властивості. Наведемо деякі його характеристики: щільність 1,25 г
./см3
; теплостійкість по Мартенсу 150…160 °С; міцність при розтягуванні 70…100 МН/м2
(700…1000 кг/см2
), міцність при статичним вигині (по основі) 80…140 Мн/м2
(800…1400 кг/см2
); питома ударна в'язкість 1,3…1,5 кг/м2
(13…15 кг/см2
); водопоглинання за 24 години
0,3–0,6 г/дм2
; питомий поверхневий електричний опір 1010
…1012
Ом
; тангенс кута діелектричних втрат при 103
кГц
0,07–0,10 [11].
Склотекстоліт – шаруватий пластик, що складається з шарів склотканини (наповнювач), просякнутих синтетичною смолою (зв’язувальна речовина). Склотканини, що використовуються для виготовлення склотекстоліту, можуть бути одношаровими й багатошаровими, різними за видом плетива (наприклад, кордне, полотняне, сатинове) і складом волокон.
При продукуванні склотекстоліту зазвичай використовують кілька шарів склотканин (головно одношарової).
Склотекстоліт застосовують як конструкційний матеріал для виготовлення листів і великогабаритних виробів складної конфігурації, а також як електроізоляційний матеріал в електро- і радіотехніці.
Недоліком цього матеріалу є його низька теплопровідність порівняно з металами, але він дешевий і виробництво ДП на його основі є економічно вигідним, тому зупиняємо вибір на ньому.
Вибираємо фольгований склотекстоліт марки СФ – 2–35–1,5 (С - склотекстоліт; Ф - фольгований; 2 - двобічний (для виготовлення двобічної ДП; 35 – товщина фольги в мікрометрах).
4.1.3 Вибір класу точності друкованої плати
За точністю виконання елементів конструкції ДП діляться на п'ять класів точності. Клас точності вказують на кресленні ДП. Номінальне значення основних параметрів елементів конструкції ДПдля зазначеного місця наведені в таблиці 4.1:
ДП 1-го й 2-го класів точності найпростіші у використанні, надійні в експлуатації і мають мінімальну вартість.
ДП 3-го, 4-го й 5-го класів точності вимагають використання високоякісних матеріалів, інструментів і обладнання, обмеження габаритних розмірів, а в окремих випадках і особливих умов виготовлення.
Виходячи зі сказаного і переглянувши таблицю, приходимо до висновку, що найкраще використовувати 3-й клас точності; він не так складний у виконанні як 4-й і 5-й і має значно кращі параметри, ніж 1-й і 2-й.
Таблиця 4.1 Параметри елементів конструкції ДП
| Клас Точності | Щільність монтажу | Мінімальна ширина провідника | Відстань між краями сусідніх елементів | Роздільна здатність | Граничні розміри ДП |
| 1 | мала | 0,75 | 0,75 | 0,6 | до 470 |
| 2 | середня | 0,45 | 0,45 | 1,2 | 240 |
| 3 | середня | 0,25 | 0,25 | 2 | 170÷240 |
| 4 | висока | 0,15 | 0,15 | 3 | 170 |
| 5 | висока | 0,1 | 0,1 | 5 | 100÷170 |
4.1.4 Вибір методу виготовлення друкованої плати
ДП має дві складові: це основа - ізоляційний матеріал (несуча частина) і власне друкований монтаж. Друкованим монтажем називають систему плоских провідників, нанесених на ізоляційну основу, які забезпечують необхідні електричні з'єднання всіх елементів схеми. Як основний матеріал для друкованих провідників використається мідь з вмістом домішок не більше 0,05%. Цей матеріал має високу електричну провідність, стійкий щодо корозії, хоча й вимагає захисного покриття. Механічні властивості друкованих провідників досить високі. Провідники ДП виготовляють із матеріалу, що має гарну адгезію до матеріалу основи ДП.
Виготовлення ДП складається з таких етапів:
- механічна обробка ДП (різання заготівки, штампування, фрезерування, свердлення);
- нанесення друкованих провідників (друковані провідники можна отримувати хімічним (субтрактивним), електрохімічним (аддитивним) і комбінованим методами);
- монтаж елементів (пайка);
- заключні операції (захисне покриття, лакування і т. п.).
Субтрактивний процес - отримання провідникових рисунків шляхом селективного травлення ділянок фольги.
Аддитивний процес - отримання провідникових рисунків шляхом селективного осаджування провідникового матеріалу на нефольгований матеріал основи.
Для ДДП на фольгованій основі найбільш технологічним є комбінований позитивний метод.
Цей метод полягає в отриманні провідників шляхом травлення фольгованого діелектрика і металізації отворів електрохімічним способом.
При позитивному процесі діелектрик перебуває в більш сприятливих умовах, тому що фольга оберігає його від дії електроліту. Одначе, в цьому випадку відбувається пассивація поверхні металу всередині отворів при травленні, що утрудняє пайку, оскільки метал не змочується припоєм. Комбінований спосіб доцільніше застосовувати при використанні як основи фольгованого склотекстоліту для отримання ДДП.
До переваг комбінованого методу можна віднести:
- поєднує в собі переваги хімічного (субтрактивного) і електрохімічного (аддитивного) методів;
- істотно підвищує надійність паяних з'єднань завдяки тому, що припой при відповідному виборі діаметра заповнює весь отвір; при цьому досягається електрична й механічна стабільність при малих діаметрах контактних площадок;
- міцність на розрив припаяних виводів перевищує міцність самих виводів [12].
4.2 Конструкторсько-технологічний розрахунок
1. Визначення мінімальної ширини друкованого провідника по постійному струму для ланцюгів живлення й «землі» [13].
| (4.1) |
де – максимально припустимий (сумарний) струм, що протікає, по шині живлення і шині «земля»; - припустима щільність струму для друкованих плат, виготовлених комбінованим методом.
- товщина провідника буде дорівнювати:
| (4.2) |
де
- товщина шару гальванічно осадженої міді:
– товщина шару хімічно осадженої міді:
Струм споживання в режимі «Охорона» (при живленні від внутрішньої батареї 9В) не більше 200 мкА. Струм споживання в режимі «Тривога» - 30 мА.
Розрахунок проводиться для режиму «Тривога», коли схема споживає максимально припустимий струм.
∑Iспож
=30 мА
2. Визначення мінімальної ширини провідника з урахуванням припустимого падіння напруги на ньому.
| (4.3) |
- довжина найдовшого провідника на ДП
3. Визначення номінального діаметру монтажного отвору.
| (4.4) |
де - діаметр виводу елемента; - нижнє граничне відхилення від номінального значення діаметру монтажного отвору; - різниця між мінімальним діаметром монтажного отвору і максимальним діаметром виводу.
4. Визначення діаметра контактної площадки.
Рис. 4.1
| (4.5) |
Мінімальний ефективний діаметр контактної площадки:
| (4.6) |
- максимальний діаметр просвердленого отвору; - ширина поясу навколо контактної площадки; - похибка розташування центра отвору відносно вузла координатної сітки; - похибка розташування центра контактної площадки щодо вузла кординатної сітки;
| (4.7) |
- допуск на діаметр отвору;
;
;
;
5. Визначення ширини провідника.
| (4.8) |
- граничне значення для 3-го класи точності;
6. Визначення мінімальної відстані між провідником і контактною площадкою.
| (4.9) |
- відстань між центрами елементів (крок координатної сітки); - максимальний діаметр контактної площадки; - максимальна ширина провідника; - похибка розташування центра контактної площадки відносно вузла координатної сітки; - похибка зсуву провідника відносно координатної сітки.
Рис. 4.2
7. Визначення мінімальної відстані між двома сусідніми провідниками.
| (4.10) |
8. Визначення мінімальної відстані між двома сусідніми контактними площадками.
| (4.11) |
;
9. Визначення відстані між провідником і контактною площадкою (у випадку, якщо провідник проходить між двома контактними площадками):
| (4.12) |
Розраховане значення більше ніж значення , що визначено третім класом, тому провідник, прокладений між двома контактними площадками, не буде дотикатися жодної контактної площадки.
Розраховані елементи друкованого монтажу відповідають обраному класу точності монтажу. У цьому можна переконатися за даними порівняльної таблиці 4.1.
Таблиця 4.1 Розраховані параметри
| Розраховане значення | Граничне значення для 3-го класи точності монтажу | |
| bпр
|
0,35 мм
|
0,25 мм
|
| S
min |
0,21 мм
; 0,8 мм; 0,9 мм ; 0,33 мм |
0,25 мм
|
| bП0
|
0,1 мм
|
0,1 мм
|
| Кдт
|
0,8 мм/1,5 мм = 0,53 | 0,33 |
5.
Електричний розрахунок друкованої плати
1. Визначимо припустимий спад напруги на друкованому провіднику:
| (5.1) |
де ; ; ; ;
2. Визначимо потужність втрат в ДП:
| (5.2) |
де - оскільки розрахунок ведемо на постійному струму; - напруга живлення; - тангенс кута діелектричних втрат.
| (5.3) |
- діелектрична проникність матеріалу; ; - товщина ДП; - площа металізації; ;
.
3. Визначимо паразитну ємність між двома сусідніми провідниками, розташованими з одного боку ДП:
а) для випадку, коли обидва провідники перебувають в одному шарі:
| Спар
= Кп ∙ ε∙ L1 |
(5.4) |
де Кп
-
коефіцієнт пропорційності, пФ/см (в нашому випадку Кп
=0,15
); ε - діелектрична проникність середовища (в нашому випадку ε =5,5); L1
-
довжина взаємного перекриття провідників, см (в нашому випадку L1
=5)
Тоді:
Спар
= Кп
∙ ε∙ L1
=0,15.
5,5.
5=4,22 пФ;
б) у випадку, коли два провідники знаходяться в різних шарах:
| Спар
= Кп ∙ ε∙ L1 |
(5.5) |
де Кп
-
коефіцієнт пропорційності, пФ/см (в нашому випадку Кп
=0,2
); ε - діелектрична проникність середовища (в нашому випадку ε =5,5); L1
-
довжина взаємного перекриття провідників, см (в нашому випадку L1
=1,27).
Тоді:
Спар
= Кп
∙ ε∙ L1
=0,2.
5,5.
1,27=1,39 (пФ)
4. Визначимо паразитну індуктивність шини живлення й шини «земля»:
| [мкГн] | (5.6) |
де lп
–
довжина максимальної області (довжина шини живлення); bnp
= 0,35 мм – ширина провідника; tnp
= 0.0965 мм - товщина провідника.
Тоді
Таким чином, розроблена ДП задовольняє заданим умовам, оскільки отримані розрахункові значення найважливіших електричних параметрів не перевищують припустимих значень для ДДП.
6. Розрахунок теплового режиму
Метою даного розрахунку є перевірка необхідності використання додаткових елементів (радіаторів) для розсіювання тепла, що виділяється елементами схеми.
Розрахунок теплового режиму для контролера АТ89С2051 і АТTINY2313.
Контролери мають наступні параметри (таблиця 6.1):
Таблиця 6.1 Параметри мікроконтролерів
| Контролер | Струм споживання Iспож,
мА |
Напруги U, В | Припустима температура кристала мікросхеми Tдоп.
ºС |
Тепловий опір пластмасового корпусу Rтепл. пл.
ºС / Вт |
| АТ89С2051 | 25 | 6,6 | 85 | 110 |
| АТTINY2313 | 20 | 5,5 | 85 | 110 |
Отже розсювана потужність:
Pроз
АТ89С2051
= I.
U = 6,6.25 = 165 (мВт)
Pроз
АТTINY2313
= I.
U = 5,5.20 = 110 (мВт)
Для розрахунку приймемо максимальну температуру з технічного завдання Tокр..
= 40 ºС.
Розрахуємо температуру кристала:
| Tкр.
=Tокр.. + Pрас. × Rтепл. пл |
(6.1) |
Tкр АТ89С2051.
= 40 + 0,165 ×110 = 58,15ºС
Tкр АТTINY2313.
= 40 + 0,11 ×110 = 52,1ºС
Оскільки Tкр.
< Tдоп.
, то корпус мікросхеми розсіює задану потужність без перегріву і в додаткових засобах тепловідводу потреби немає.
7. Розрахунок на віброміцність
Віброміцність - здатність пристрою протистояти протягом терміну служби прискоренням, що виникають при руйнівній дії вібрації в заданих діапазонах частот.
Вібростійкість - здатність пристрою виконувати свої функції в умовах вібрації в заданих діапазонах частот і прискореннях, що виникають при цьому.
Визначимо віброміцність спроектованої ДП зі склотекстоліту розміром 80×62.5×1,5 мм. Вважаємо, що радіоелементи на ДП розміщені рівномірно.
1. Визначення маси ДП і маси ЕРЕ:
| mпп
= abδпп ρст , |
(7.1) |
де a, b - геометричні розміри плати (а = 0,08 м, b = 0,0625 м); δпп
– товщина ДП (δст
= 1,5 мм); ρст
– щільність склотекстоліту (ρст
= 2050 кг/м3
);
mпп
= 0.0625.
0.08.
0.0015.
2050 =15,4 10-3
кг = 15,4 г.
Конструктивні елементи представлені в таблиці 7.1.
2. Визначимо коефіцієнт впливу Кв
, що враховує співвідношення маси ЕРЕ й маси плати:
| (7.2) |
3. Визначимо, коефіцієнт α, вважаючи, що ДП шарнірно опирається по контуру:
| , | (7.3) |
де a, b - геометричні розміри плати, а = 0,08 м, b = 0,0625 м
Таблиця 7.1 Розрахунок загальної маси елементів
| Найменування елемента | Тип елемента | Кількість, шт. | Маса, г |
| 1
|
2
|
3
|
4
|
| Діоди | 1N4007 | 7 | 7*0,24 = 1.68 |
| 1N4148 | 2 | 2*0,24 = 0,48 | |
| Стабілізатор | 78L05 | 1 | 3 |
| Конденсатори | |||
| - електролітичні | ECR | 2 | 2*1,2 = 2,4 |
| - керамічні | C 0603 | 10 | 10*0,3 = 3 |
| Резистори | R 0805–0,125Вт | 19 | 19*0,25=4,75 |
| Мікроконтролер | АТ89С2051 | 1 | 4 |
| ATTINY2313 | 1 | 4 | |
| Кварцовий резонатор | KX-3Н | 1 | 4 |
| HC 49U | 1 | 4 | |
| Світлодіоди | GNL-014SRD, GNL-3014 | 2 | 2*0,15=0,3 |
| Перемикачі | SWD 1–4 | 1 | 3 |
| Кнопки | PS580L/N | 1 | 3 |
| Транзистори | 2 | 2*0,35=0,7 | |
| BSS295 | 2 | 2*0,35=0,7 | |
| Роз’єми | PLS-6 | 1 | 2 |
| PLS-8 | 1 | 3 | |
| STB 1–12 | 1 | 5 | |
| Батарея | Крона | 1 | 10 |
| Σ | 59,01 |
4. Визначимо циліндричну жорсткість:
| (7.4) |
де Е – модуль Юнга, Е = 3.02.
1010
Па;
μ - коефіцієнт Пуасона, μ =0.22.
(Н∙ м)
5. Визначимо частоту власних коливань:
| (7.5) |
де g – прискорення вільного падіння, g=9.8 м/с2
;
- питома вага 2,05.
(Гц)
6. Визначимо амплітуду вібрації на частоті власних коливань:
| , | (7.6) |
де n - коефіцієнт перевантажень; при n = 8g:
(мм)
Таблиця 7.1
| n | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| A | 0,002 |
0,003 |
0,004 |
0,005 |
0,006 |
0,007 |
0,0081 |
0,0091 |
0,01 |
7. Визначимо коефіцієнт динамічності, що показує в скільки разів амплітуда змушених коливань, відрізняється від амплітуди коливань на власній частоті:
| (7.7) |
де ε - коефіцієнт загасання, ε = 0.06, f - частота вібрації (f = 50 Гц);
8. Визначимо динамічний прогин:
| , | (7.8) |
При й
(мм)
9. Визначимо еквівалентне рівномірне розподілене динамічне навантаження:
| , | (7.9) |
де коефіцієнт С1
розраховується за таким виразом:
10. Максимальний розподілений згинальний момент:
| , | (7.10) |
де коефіцієнт С2
розраховується за таким виразом:
(Н)
11. Визначимо припустиму напругу для ДП із склотекстоліту:
| , | (7.11) |
де sT
- границя витривалості матеріалу ДП (для склотекстоліту sT
= 105 МПа); [ns
] - припустимий запас міцності [ns
] = 2.
МПа
12. Перевіримо виконання умови віброміцності для друкованої плати:
| , | (7.12) |
МПа < (МПа)
Остаточний розрахунок підтвердив, що ДП не потребує додаткових опор, амортизаторів або інших елементів, необхідних для зменшення перевантажень при вібраціях.
8. Розрахунок основних показників надійності
Надійність - це властивість ЕОА виконувати свої функції, зберігаючи експлуатаційні показники протягом необхідного проміжку часу та можливість відновлювати функціонування, втрачене з якихось причини.
Показниками надійності є:
P(t)
– ймовірність безвідмовної роботи;
λ(t) –
інтенсивність відмов;
Тср.
- середній час напрацювання до першої відмови;
Q(t) –
ймовірність відмови.
Розрахунок раптових відмов на основі експоненціальної моделі проводиться за такою послідовністю:
1) складається перелік елементів за типами;
2) для кожного елементу за довідковою літературою визначають λ
у номінальному режимі. Під номінальними умовами розуміють роботу елемента при:
КН
=1
t0
cp
=20±5 °C –
температура навколишнього середовища;
F=65±5% –
вологість повітря;
Р=760 мм. рт. ст –
тиск,
При цьому мається на увазі, що навколишнє середовище не містить пилу, відсутня руйнівна дія газів, солей і на об‘єкт не діють удари та вібрації;
3) визначають коефіцієнт навантаження КН
;
4) із довідкової літератури, залежно від коефіцієнта навантаження, температури, величини зовнішніх впливів, визначають поправочний коефіцієнт і результуючу інтенсивність відмови;
5) визначають основні показники надійності.
Вихідною характеристикою надійності для елементів конструкції є інтенсивність відмов, яка є функцією режиму роботи елемента, температури навколишнього середовища та зовнішніх впливів.
,
де λВЕ
–
інтенсивність відмов елемента за оптимальних умов; КН
–
коефіцієнт електричного навантаження, який дорівнює відношенню робочого навантаження до оптимального ; αt
–
температурний коефіцієнт, що дорівнює відношенню інтенсивності відмов елемента при даному КН
до інтенсивності відмов за номінальних умов ; αB
–
коефіцієнт, що враховує вплив зовнішніх дій на надійність елемента.
Позначення в таблиці: N - кількість елементів; lв.е.
- інтенсивність відмов елементів (1/ч); Кн
– коефіцієнт навантаження; at
– температурний коефіцієнт; ab
– коефіцієнт впливів зовнішнього середовища;
Для обліку впливу режиму роботи на інтенсивність відмов ЕРЕ вводять коефіцієнт навантаження .
Для обліку впливу теплового режиму роботи на інтенсивність відмов ЕРЕ вводять температурний коефіцієнт at.
Вплив умов експлуатації на інтенсивність відмов враховує коефіцієнт ab
. Він характеризує відношення інтенсивності відмов ЕА різного призначення до лабораторної інтенсивності відмов.
Згідно з технічним завданням, проектований пристрій відноситься до стаціонарної наземної ЕОА і значення ab
= 10.
З таблиці 8.1 визначаємо результуючу інтенсивність відмов:
lр
= 101,76842·10-7
год-1
Далі визначимо середній час напрацювання до першої відмови:
= 11 років
Таблиця 8.1 Розрахунок інтенсивності відмови елементів
| Найменування елемента | Тип елемента | N | λо.е
.10-7 1/год |
Кн
|
at
|
ab
|
N∙ λо.е
.10-7 Кн ∙ at ∙ ab |
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
| Діоди | 1N4007 | 7 | 0,31 | 0,033 | 1,1 | 10 | 0,78771 |
| 1N4148 | 2 | 0,31 | 0,033 | 1,1 | 10 | 0,22506 | |
| Стабілізатор | 78L05 | 1 | 0,3 | 0,052 | 1,2 | 10 | 0,1872 |
| Конденсатори | |||||||
| - електроліти | ECR | 2 | 0,5 | 0,6 | 0,2 | 10 | 1,2 |
| - кераміка | C 0603 | 10 | 0,33 | 0,313 | 0,45 | 10 | 4,64805 |
| Резистори | R0805 | 19 | 0,3 | 0,2 | 1,3 | 10 | 14,82 |
| Мікроконтролер | АТ89С2051 | 1 | 0,2 | 1 | 3 | 10 | 6 |
| ATTINY2313 | 1 | 0,2 | 1 | 3 | 10 | 6 | |
| Кварцовий резонатор | KX-3Н | 1 | 0,25 | 1 | 1 | 10 | 2,5 |
| HC 49U | 1 | 0,25 | 1 | 1 | 10 | 2,5 | |
| Світлодіоди | GNL-014SRD, GNL-3014 | 2 | 0,5 | 0,67 | 1,2 | 10 | 8,04 |
| Перемикачі | SWD 1–4 | 1 | 0,2 | 0,12 | 1,1 | 10 | 0,264 |
| Кнопки | PS580L/N | 1 | 0,2 | 0,12 | 1,1 | 10 | 0,264 |
| Транзистори | 2N3904A | 2 | 0,3 | 0,052 | 1,2 | 10 | 0,374 |
| BSS295 | 2 | 0,2 | 0,052 | 1 | 10 | 0,208 | |
| Рознімання | PLS-6 | 1 | 0,2 | 1 | 1 | 10 | 2 |
| PLS-8 | 1 | 0,2 | 1 | 1 | 10 | 2 | |
| STB 1–12 | 1 | 0,08 | 1 | 1 | 10 | 0,8 | |
| Друкована плата | СТФ – 2–35–1,5 | 2 | 2 | 1 | 1 | 10 | 40 |
| Пайка виводів | ПОС-60 | 179 | 0,005 | 1 | 1 | 10 | 8,95 |
Потім визначимо ймовірність безвідмовної роботи протягом 1 року:
Тоді ймовірність відмов Q(t) = 1–1 – 0,9143 = 0,0856
Визначимо ймовірність безвідмовної роботи протягом 10 років і побудуємо таблицю і графік залежності ймовірності безвідмовної роботи від часу:
Таблиця 8.2
| t, годин
|
P(t)
|
Q(t)
|
| 24 | 0,999756 | 0,000244194 |
| 168 | 0,998292 | 0,001708108 |
| 720 | 0,9927 | 0,007299945 |
| 1440 | 0,985453 | 0,014546601 |
| 2160 | 0,97826 | 0,021740356 |
| 4320 | 0,956992 | 0,04300807 |
| 8800 | 0,914344 | 0,085656356 |
| 17600 | 0,836024 | 0,163975701 |
| 35200 | 0,698937 | 0,301063371 |
| 70400 | 0,488512 | 0,511487588 |
| 140000 | 0,240595 | 0,759404938 |
| 280000 | 0,057886 | 0,942114016 |
| 1000000 | 3,81 E-05 | 0,999961927 |
Рис. 8.1 – Графік залежності ймовірності безвідмовної роботи від часу
З графіка видно, що даний пристрій пропрацює 11 років безвідмовно, а подальша експлуатація приладу може призвести до його ремонту, який може перевищити вартість самого пристрою.
9.
Проектування друкованого вузла в системі P-CAD
Система P-CAD 2001 призначена для проектування багатошарових ДП електронних пристроїв у середовищі Windows. Вона складається із чотирьох основних модулів: P-CAD Library Manager (або Library Executive), Р-CAD Schematic, P-CAD PCB, P-CAD Autorouters і ряду допоміжних програм [14].
Загальні характеристики системи P-CAD 2001:
- 32-розрядна база даних;
- не більше 20 000 компонентів в одній бібліотеці;
- необмежена кількість компонентів у проекті;
- не більше 64 000 ланцюгів у проекті;
- не більше 999 виводів у компоненті;
- не більше 255 секцій у компоненті;
- не більше 2000 символів в атрибуті;
- не більше 2000 символів у текстовому рядку;
- не більше 20 символів в імені виводу, ім'я ланцюга, позиційному позначенні виводу (пропуски, знаки табуляції, крапки й дужки не допускаються);
- не більше 16 символів в імені типу компонент (пробіли й знаки табуляції не допускаються);
- не більше 30 символів у позиційному позначення компонента (символи кирилиці допускаються, але їх використовувати не рекомендуються; символи двокрапки, пробіли, знаки табуляції, крапка й крапка з комою не допускаються);
- мінімальний крок сітки 0,1 мил. в англійській системі й 0,001 мм у метричній системі. Систему одиниць можна змінювати на будь-якій фазі роботи із проектом;
Графічний редактор схем P-CAD Schematic:
- не більше 99 листів схем у проект, максимальний розмір листа 60x60 дюймів;
- підтримка стандартних форматів А-Е, АО-А4 і форматів, що задаються користувачами;
- контроль помилок у принципових схемах;
- перехресні зв'язки між Р-САВ Schematic і P-CAD PCB дозволяють для обраної на схемі ланцюга висвітити на ДП відповідний їй провідник і навпаки (так званий гарячий зв'язок);
- передача даних програмі моделювання змішаних аналогово-цифрових пристроїв Advanced Sim системи Protel [14].
Графічний редактор ДП P-CAD РСВ:
- не більше 99 шарів у базі даних ДП (всіх шарів, включаючи сигнальні шари, шари металізації й допоміжні), з них 11 шарів попередньо визначені;
- максимальний розмір ДП 60x60 дюймів;
- не більше 6400 типів контактних площадок у проекті;
- ширина траси не більше 1 див (394 милий);
- не більше 64000 стилів стеків контактних площадок у проекті;
- контактні площадки 12 форм: еліпс, овал, прямокутник, округлений прямокутник, полігон, безпосереднє з'єднання із шаром металізації, тепловий бар'єр з 2 або 4-перемичками 2-х орієнтації кожне, перехрестя для свердління (Target), кріпильний отвір (Mounting Hole);
- контроль дотримання зазорів і повнота розведення ПП;
- підтримка керуючих файлів фотоплоттеров Gerber (формати RS-274-D і RS-274-X), свердлильних верстатів зі ЧПУ типу Excellon (формат настроюється користувачем);
- передача даних програмі аналізу цілісності сигналів Signal Integrity.
Опишемо деякі трудомісткі операції, які були проведені на етапах проектування друкованого вузла в P-CAD.
Одним із трудомістких процесів проектування друкованого вузла було розміщення конструктивних елементів на конструктивні ДП.
При опрацюванні списку ланцюгів зазначені в ньому конструктиви компонентів вибираються з бібліотек і розміщуються системою в робочій області редактора ДП довільним чином. Як правило, вони групуються за типами. При цьому відображуються електричні зв'язки між їх виводами.
Взявши за основу розміщення елементів, проведене в попередньому розділі дипломної роботи, було виконано ручне розміщення елементів всередині контуру ДП. Система Р-САD не має засобів для автоматичного компонування, але має кілька інструментів для полегшення цієї роботи.
У штатний комплект поставки P-CAD 2001 входять програми автотрасування QuickRouie, ProRouie 2/4, ProRouie до P-CAD Sliape Rouie, a також інтерфейс до програми SPECCTRA фірми CADENCE [14].
Трасування виконувалося за допомогою програми QuickRoute, що використовує найпростіші алгоритми трасування, призначені для розведення нескладних ДП з невеликим числом компонентів. В стратегії трасування були обрані крок координатної сітки 0,625 мм і ширина провідників 0,35 мм.
При запуску автотрасувальника досягнуто 100% розведення. Загальна кількість отворів і контактних площадок склала 200 штук, а перехідних отворів - 10 штук.
10. Організаційно-економічний розділ
Завданням даного розділу є оцінка конкурентної здатності розроблюваного пристрою щодо аналогічного пристрою та оцінка його собівартості. У дипломному проекті проводиться розробка ДП охоронної сигналізації з GSM-Каналом, що включає: звуковий оповісник ПКИ-1, герконові датчики, сполучні шлейфи.
10.1 Аналіз ринку
Велику популярність сьогодні мають GSM сигналізації, тому що ідеально підходять для охорони будь-яких віддалених об'єктів (гаражі, склади, дачі, кіоски та ін.). Все, що необхідно для роботи будь-якої GSM сигналізації - це, наявність електричної енергії, і стійкого стільникового зв'язку. GSM сигналізація в загальному випадку є блоком (GSM контролер), до якого підмикаються датчики (чутливі елементи) і GSM-модем. Як GSM-модем зручно і економічно використовувати старі стільникові телефони із-за їх низької вартості.
Вартість охоронної сигналізації залежить на пряму від багатьох факторів до яких можуть відноситися: кількість виконуваних функцій, надійність, час безвідмовної роботи, вбудований GSM-Модем або GSM канал, дизайн, виробник і ін.
При розробці охоронної сигналізації будемо орієнтуватися на перераховані вище фактори. Споживачу необхідна недорога та надійна сигналізація, не обов'язково виготовлена заводами відомих фірм. Тому є сенс створювати свої пристрої, які б задовольняли всім вимогам споживача щодо надійності, зручності користування і, головне, ціни.
Проектований пристрій розроблений на базі двох мікроконтролерів фірми Atmel. Таким чином, охоронна система забезпечує підвищену надійність функціонування сигналізації.
Корпорація Atmel є лідером розробки, виробництві й маркетингу популярних напівпровідникових пристроїв, зокрема і мікроконтролерів.
Одним з аналогів проектованого пристрою є GSM сигналізація на базі 8-розрядного мікроконтролера PIC16F628A фірми Microchip, що співпрацює лише з однією фірмою-виробником мобільних телефонів Siemens 35/45 серій. Принцип дії GSM сигналізації полягає в отриманні й обробці даних з установлених на об'єкті датчиків GSM контролером і в разі виникнення позаштатної ситуації (спрацьовуванні датчика), GSM контролер робить дзвінок через підімкнений до нього стільниковий телефон на телефон «адміністратора».
Ще одним аналогом розроблювального пристрою є «Сталкер-5 (З60)», призначений для контролю шлейфів сигналізації через мережу стандарту GSM. «Сталкер-5 (C60)» працює в комплекті з телефонами Siemens C60, А60.
Для зручності найбільш важливі технічні параметри аналогів створюваного виробу зведені в таблицю 10.1.
Таблиця 10.1 – Технічні параметри аналогів
| № | Параметри | Аналоги | Прототип | |
| GSM сигналізація на базі мк PIC16F628A | Сталкер-5 (C60) | |||
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
| 1. | Датчики | До 5 | До 5 | До 8 |
| 2. | Пульт-Концентратор (МК) | 1 шт. | 1 шт. | 2 шт. |
| 3. | Сирена | + | - | + |
| 4. | Моб. телефон | Siemens | Siemens C60, А60 | Всі мобільні телефони які підтримують Ат-Команди: |
| 5. | Живлення | Зовнішнє, акумулятор телефону | Зовнішнє, акумулятор телефону | Зовнішнє, акумулятор телефону, батарея «Крона» |
| 6. | Діапазон температур | –40 до+40 °С | –10 до +45 °С | – 40 до +40 С |
| 7. | Напрацювання на відмову | 56895 | 50000 | 98262 |
10.2 Оцінка рівня якості виробу
10.2.1 Вихідні положення
Оцінка рівня якості виробу проводиться з метою порівняльного аналізу і визначення технічно найефективнішого варіанту інженерного вирішення [15].
Знаючи кількісні характеристики властивостей виробу, коефіцієнт технічного рівня можна визначити за виразом (10.1).
| (10.1) |
де qi
– відносний (одиничний) і-й показник якості; φi
– коефіцієнт вагомості і-го параметра якості
Якщо залежність між параметром і якістю лінійна, то відносні показники визначаються за виразами 10.2 і 10.3.
| (10.2) | |
| (10.3) |
Вираз 10.2 використовується при розрахунку відносних показників якості, коли збільшення величини параметра веде до поліпшення якості виробу, а вираз 10.3 - коли зі збільшенням величини параметра якість виробу погіршується. У випадку, коли зв'язок між параметрами і якістю виробу нелінійна, використовуються наступні вирази:
| (10.4) | |
| (10.5) |
де й – числові значення і-го параметра відповідно нового і базового виробів.
Значення відносного показника якості має бути більшим від одиниці - при поліпшенні і-го показника і меншим від одиниці - при його погіршенні.
10.2.2 Вибір системи параметрів виробу й визначення відносних показників якості
Можна використовувати ряд показників - це показники призначення, надійності, конструкції, безпеки, ергономічні показники, естетичні, економічні і комерційні. Але не всі найважливіші характеристики можуть бути використані для визначення показника конкурентоспроможності, тому що деякі є цільовими показниками і визначають сектор ринку потенційних покупців.
Виберемо найважливіші параметри, які характеризують якість виробу:
X1 - кількість датчиків, що підмикаються;
Х2 - мікроконтролер, що слугує для програмування різних функцій;
ХЗ - наявність сирени оповіщення;
Х4 - живлення;
Х5 - напрацювання на відмову.
Таким чином, обрано п'ять найбільш важливих параметрів, і тепер необхідно визначити коефіцієнт вагомості кожного з них.
10.2.3 Визначення коефіцієнтів вагомості параметрів
Визначення чисельних значень коефіцієнтів, які встановлюють важливість показників, випрацьовується спеціальною експертною комісією (5 осіб). Після докладного обговорення і аналізу показників, кожен експерт оцінює їх важливість шляхом присвоєння їм різних рангів. Найважливішому (на думку експерта) показнику присвоюється ранг 1, менш важливому ранг 2 і т.д. [15].
Результати ранжирування зведемо в таблиці 10.2.
Таблиця 10.2 Результати ранжирування параметрів
| парам. | Ранг параметра за оцінкою експерта | Сума рангів Ri
|
Відхилення Δі | Δ2
|
||||
| 1-го | 2-го | 3-го | 4-го | 5-го | Ri
|
Di
|
||
| XI | 2 | 3 | 4 | 4 | 3 | 16 | 1 | 1 |
| Х2 | 1 | 1 | 2 | 1 | 2 | 7 | -8 | 64 |
| ХЗ | 3 | 2 | 1 | 2 | 1 | 9 | -6 | 36 |
| Х4 | 4 | 5 | 3 | 3 | 4 | 19 | 4 | 16 |
| Х5 | 5 | 4 | 5 | 5 | 5 | 24 | 9 | 81 |
| Сума | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 75 | 0 | 198 |
Визначення можливості використання результатів ранжирування показників для подальших розрахунків проводять на підставі розрахунку коефіцієнта конкордації (узгодженості) експертних оцінок. Для цього:
а) визначається сума рангів кожного показника (за рядками):
| (10.6) |
де – ранг і-го параметра, визначений 1-м експертом; N - кількість експертів.
Проводиться перевірка загальної суми рангів, яка має дорівнювати:
Rі1
= N.
n.
(n+1)/2 = 5.
5.
(5+1)/2 = 75;
б) підраховується середня сума рангів Т за виразом:
Т = (1/n).
Rі1
= (1/5).
75 = 15;
в) визначається відхилення суми рангів по кожному параметру від середньої суми:
| (10.7) |
Сума відхилень за всіма показниками має дорівнювати нулю.
г) визначається квадрат відхилень по кожному показнику Δі2
. Загальна сума квадратів відхилень:
| (10.8) |
S=198;
е) визначається коефіцієнт відповідності за виразом
| (10.9) |
де: N - кількість експертів; n - кількість оцінок
Величина коефіцієнта відповідності може мати значення W≤1. У випадку повної узгодженості експертів W = 1. Чим більша неузгодженість експертів при ранжируванні показників, тим менша величина W.
W=0,792
Порівнюємо з мінімально припустимою величиною Wн
(для виробів електровимірювальної й радіотехнічної апаратури Wн
= 0,77) W > Wн
, тому отримані дані заслуговують на довіру і придатні для подальшого використання [15].
10.2.4 Оцінка попарного пріоритету показників
Використовуючи отримані від кожного експерта результати ранжирування показників, проводиться попарне порівняння всіх параметрів. Результати зведені в таблиці 10.3.
Для цього послідовно порівнюються попарно всі показники і співвідношення визначається таким способом:
а) якщо з розглянутої пари показників перший є важливішим щодо порівнюваного, то пріоритет вихідного показника визначається як «важливіший» і йому привласнюється знак «>» (числова оцінка 1,5);
б) якщо з розглянутої пари показників перший менш важливий щодо порівнюваного, пріоритет вихідного показника визначається як «менш важливий» і йому привласнюється знак «<» (числова оцінка 0,5);
в) якщо показники однаково важливі, то їхній пріоритет визначається як «рівноцінно» і йому привласнюється знак «=» (числова оцінка 1,0).
На підставі проставлених знаків попарного пріоритету визначається підсумок, виходячи з думок всіх експертів (таблиця 10.3).
Отримані дані чисельної оцінки попарного пріоритету показників використовуються для розрахунку величин коефіцієнтів важливості кожного показника, що зручно виконувати, використовуючи матрицю (таблиця 10.4) [15].
Таблиця 10.3 – Попарне порівняння параметрів
| Параметри | Експерти | Результат | Числове значення | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
| Х1, Х2 | > | < | < | > | < | < | 0,5 |
| Х1, ХЗ | < | > | < | > | > | > | 1,5 |
| Х1, Х4 | > | > | < | > | =
|
> | 1,5 |
| Х1, X5 | = | < | < | < | < | < | 0,5 |
| Х2, ХЗ | < | > | > | > | < | > | 1,5 |
| Х2, X4 | > | = | < | = | = | = | 1 |
| Х2, X5 | < | < | =
|
> | < | < | 0,5 |
| ХЗ, X4 | < | < | < | < | > | < | 0,5 |
| ХЗ, Х5 | > | < | > | < | > | > | 1,5 |
| Х4, X5 | < | < | < | < | < | < | 0,5 |
Таблиця 10.4 Розрахунок коефіцієнтів важливості параметрів
| Показник | 1-я ітерація | 2–2- я ітерація | |||||||
| XI | Х2 | ХЗ | Х4 | Х5 | Ві | Ві ` | |||
| XI | 1 | 0,5 | 1,5 | 1,5 | 0,5 | 4 | 0,167 | 23,5 | 0,196 |
| Х2 | 0,5 | 1 | 1,5 | 1 | 1,5 | 5,5 | 0,229 | 26,75 | 0,223 |
| ХЗ | 1,5 | 1,5 | 1 | 0,5 | 1,5 | 4,5 | 0,188 | 28,75 | 0,239 |
| Х4 | 1,5 | 1,5 | 0,5 | 1 | 0,5 | 5 | 0,208 | 24 | 0,2 |
| Х5 | 0,5 | 0,15 | 1,5 | 0,5 | 1 | 5 | 0,208 | 17,075 | 0,142 |
| Сума | 24 | 1 | 120,08 | 1 | |||||
Розрахунок ваги (пріоритетності) кожного параметра φi
проводиться за наступними виразами:
| (10.10) | |
| (10.11) |
де bi
– вага і-го параметра по результатами оцінок всіх експертів; визначається як сума значень коефіцієнтів переваги (), даних всіма експертами по і-му параметрі.
Для другої ітерації bi1
:
| Bi
1 = ai 1 ∙ b1 + ai 2 ∙ b2 + … +ai n∙bn |
(10.12) |
Таблиця 10.5 Коротка характеристика порівнюваних параметрів
| Параметри | GSM сигналізація на базі мк PIC16F628A | новий |
| Датчики | До 5 | До 8 |
| Пульт-Концентратор (МК) | 1 шт. | 2 шт. |
| Сирена | + | + |
| Живлення вбудоване | До 2 днів | До 3 місяців |
| Напрацювання на відмову | 56895 | 98262 |
Таким чином, рівень якості виробу:
КТ.Р.
= 0,196∙ (8/5) + 0,223∙ (2/1) + 0,239∙ (1/1) + 0,2∙ (3/2) + 0,142∙ ∙(98262/56895)= 1,5
10.3 Сировина і матеріали
Витрати на придбання матеріалів за кожним найменуванням визначаються, виходячи з технічної норми витрат і оптової ціни одиниці матеріалу (таблиця 10.6).
Таблиця 10.6 Сировина й матеріали
| Найменування матеріалу | Стандарт, марка | Одиниця виміру | Витрата на виріб | Ціна за одиницю, грн | Сума, грн. |
| Припій | ПОС-61 АДБК.432.230.354.ТУ | кг | 0,30 | 7 | 2,1 |
| Склотекстоліт фольгований | СФ – 2–15 | кг | 0,7 | 30 | 21 |
| Сума | 23,1 | ||||
| Невраховані матеріали, 10% | 2,31 | ||||
| Транспортно-заготівельні витрати, 5% | 1,16 | ||||
| Всього | 26,57 | ||||
10.3.1 Витрати на покупні вироби і напівфабрикати
Затрати на покупні вироби й напівфабрикати визначається аналогічно витратам на матеріали. Дані для розрахунків і результати зведені в таблицю 10.7.
Таблиця 10.7 Покупні вироби
| Найменування | Марка | Кількість | Ціна, грн. | Сума.грн. |
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
| Резистори | RC 1206 | 19 | 0,20 | 3,20 |
| Конденсатори | ECR | 2 | 3,50 | 7,00 |
| З0603 | 10 | 0,1 | 1 | |
| Мікросхеми | AT89C 2051–24PI | 1 | 8 | 8 |
| ATTINY2313 | 1 | 8 | 8 | |
| Транзистор | 2N3904 | 2 | 2,40 | 4,80 |
| BSS295 | 2 | 2,20 | 4,80 | |
| Діоди | 1N4007 | 7 | 0,5 | 3,50 |
| 1N4148 | 2 | 0,5 | 1,00 | |
| 1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
| Світлодіод | GNL-3014SRD | 1 | 0,50 | 0,50 |
| GNL-3014GC | 1 | 0,50 | 0,50 | |
| Роз’єми | PLS-8 | 1 | 1,90 | 1,90 |
| PLS-6 | 1 | 0,40 | 0,40 | |
| Перемикач | SWD 1–4 | 1 | 0,80 | 0,80 |
| Кнопка | PS580N/L | 1 | 1 | 1,00 |
| Кварцовий резонатор | KX-3Н | 1 | 3 | 3,00 |
| HC 49U | 1 | 2 | 2,00 | |
| Стабілізатор | 78L05 | 1 | 3 | 3,00 |
| Акумулятор | Крона | 1 | 10 | 10 |
| Датчики | Герконові |
8 | 20 | 160 |
| Сполучні шлейфи | 2 | 10 | 20 | |
| Сирена | ПКИ-1 | 1 | 20 | 20 |
| Сума | 265,40 | |||
| Транспортно-заготівельні витрати, 5% | 13,27 | |||
| Усього | 278,67 | |||
10.3.2 Розрахунок основної заробітної плати
Витрати за цією статтею розраховуються по кожному виду робіт залежно від норми часу й погодинної тарифної ставки робітників [15].
| (10.13) |
де СTi
.
-
погодинна тарифна ставка, грн; tШі
–
норма годин на одну операцію.
Перелік робіт відповідає технологічному процесу виробництва виробу. Норми часу для монтажних і складальних робіт визначаються типовими нормами часу на складально-монтажні роботи, таблиця 10.8.
Таблиця 10.8 Основна заробітна плата
| Назва робіт | Тариф. розряд | Годинна тарифна ставка, грн/год | Норма часу, ч | Сума зарплати, грн. | |
| 1 | Підготовка | 3 | 2,6 | 3 | 7,8 |
| 3 | Монтажні | 4 | 2,8 | 6 | 16,8 |
| 4 | Складальні | 5 | 3,2 | 4 | 12,8 |
| Сума | 37,4 | ||||
| Доплати й надбавки (20%-60%) | 18,7 | ||||
| Усього | 56,1 | ||||
10.3.3 Додаткова зарплата робітників
Витрати за цією статтею визначаються у відсотках від основної заробітної плати. За орієнтовну величину можна прийняти норматив додаткової заробітної плати для приладобудівних підприємств у розмірі 30–40%.
| Сз.стр. = 0,30 Сз.о | (10.14) |
де Сз.о. – основна заробітна плата.
Сз.стр. = 0,30 56,1=16,83 грн.
Відповідно, повна зарплата буде дорівнювати:
56,1 + 16,83 = 72,93 (грн)
10.3.4 Нарахування на заробітну плату
Норму нарахування на зарплату визначають за сумою основної й додаткової зарплат.
Це нарахування в пенсійний фонд, фонд соціального страхування, фонд страхування на випадок безробіття й фонд страхування від нещасного випадку на виробництві (37,8%).
Сс.с.
= 0,378 ∙ 72,93 = 27,57 грн.
10.3.5 Загальновиробничі витрати
З огляду на те, що собівартість виробу визначається на ранніх стадіях його проектування в умовах обмеженої інформації щодо технології виробництва і витрат на його підготовку, в загальновиробничі витрати включаються, крім власне цих витрат, витрати на: освоєння основного виробництва, відшкодування зносу спеціальних інструментів і приладів цільового призначення, підтримку й експлуатацію устаткування. При цьому загальновиробничі витрати визначаються у відсотках до основної заробітної плати. При такому комплексному складі загальновиробничих витрат їхній норматив досягає 200–300% [15].
| Сз.в.
= (2…3)×Сз.про |
(10.15) |
Сз.в.
= 2 × 56,1 = 112,2 (грн)
10.3.6 Адміністративні витрати
Ці витрати відносяться до собівартості виробу пропорційно основній заробітній платі і на приладобудівних підприємствах складають 100–200%:
| Сз.г=1×Сз.об | (10.16) |
Сз.г= 1×56,1 = 56,1 грн.
10.3.7 Витрати на збут
Витрати по цій статті визначаються у відсотках до виробничої собівартості (звичайно 2, 5–5,0%).
Сзбуд.
= 0,04 (517,94 = 12,95
Розрахунок повною собівартістю продукції представлений у таблиці 10.9.
Таблиця 10.9 Калькуляція собівартості пристрою
| Витрати | Сума, грн |
| Сировина й матеріали | 26,57 |
| Покупні вироби | 278,67 |
| Основна заробітна плата | 56,1 |
| Додаткова зарплата (30%) | 16,83 |
| Нарахування на заробітну плату (37,8%) | 27,57 |
| Загальновиробничі витрати (200%) | 112,2 |
| Виробнича собівартість | 517,94 |
| Адміністративні витрати (100%) | 56,1 |
| Витрати на збут (2,5%) | 12,95 |
| Повна собівартість | 586,99 |
10.4 Визначення ціни виробу
Серед різних методів ціноутворення на ранніх стадіях проектування досить розповсюджений метод лімітних цін. При цьому визначається верхня й нижня межа ціни.
10.4.1 Нижня межа ціни
Нижня межа ціни (ЦНМ
) захищає інтереси виробника продукції і передбачає, що ціна повинна покрити витрати виробника, пов'язані з виробництвом і реалізацією продукції і забезпечити рівень рентабельності не нижчий від того, що має підприємство при виробництві вже освоєної продукції.
| (10.17) | |
| (10.18) |
де: Цопт.п.
– оптова ціна підприємства, грн.; Спов
– повна собівартість виробу, грн.; РН
– нормативний рівень рентабельності, 15%; αпдв
– податок на додану вартість, 20%.
Маємо:
(грн)
10.4.2 Верхня межа ціни
Верхня межа ціни (ЦВМ
) захищає інтереси споживача й визначається тією ціною, що споживач готовий сплатити за продукцію із кращою споживчою якістю [15].
| (10.19) |
де: ЦБ
– ціна базового виробу, 950 грн.; КТР
=1.
10.4.3 Договірна ціна
Договірна ціна (Цдог
) може бути встановлена за домовленістю між виробником і споживачем в інтервалі між нижніми й верхньої лімітними цінами.
З виразу: 810,05 < Ц дог
< 1045, вибираємо: Цдог
= 927 грн.
10.4.4
Визначення мінімального обсягу виробництва продукції
Собівартість річного випуску продукції
| (10.20) |
де СПОВ
– повна собівартість одиниці продукції, грн.; - умовно-змінні витрати = 0,65; - умовно-постійні витрати =0,35; Х
- виробнича потужність підприємства X
=150 од./рік; – річний обсяг випуску продукції =100 од./рік;
С р
= 0,65.
586,99.
100+ 0,35.
586,99.
150 = 69971,33 грн.
Вартість річного випуску продукції:
| (10.21) |
Qр
= 927.
100 = 92700 грн.
Обсяг продукції, за якого немає прибутку:
| (10.22) |
Q1
=
Обсяг продукції, за якого буде досягнутий запланований рівень рентабельності:
| (10.23) |
Q2
=
Річний прибуток при досягненні запланованого рівня рентабельності складе:
| (10.24) | |
| П = (927–586,99) ·75 = 25500,75 (грн) |
Рівень конкурентоспроможності виробу можна визначити за виразом:
Кk
|
(10.25) |
Кцс
- коефіцієнт зміни «ціни споживання» щодо базового виробу.
| Кцс
=, |
(10.26) |
де Цдн
, Цдб
– договірна ціна нового й базового виробу, грн.
Кцс
=
Кk
=
Таким чином, Кk
> 1, тому новий пристрій може бути конкурентоздатним на ринку охоронних пристроїв.
Підсумки:
| Витрати | Сума, грн |
| Сировина й матеріали | 26,57 |
| Виробнича собівартість | 517,94 |
| Повна собівартість | 586,99 |
| Договірна ціна | 927 |
| Обсяг продукції, при якому буде досягнутий запланований рівень рентабельності: | 75 од |
| Річний прибуток при досягненні запланованого рівня рентабельності складе: | 25500,75 |
11. Охорона праці
Сучасний розвиток науки і техніки привносить істотні нововведення у всі області виробництва, істотно підвищуючи продуктивність праці працівників. Як показує практика, більшість випадків при яких гинуть люди відбувається через ігнорування ними правил техніки безпеки і експлуатації устаткування, але багато відбувається і через незадовільну організацію охорони праці на підприємстві. Охорона праці – це система правових, соціально-економічних, організаційно-технічних, санітарно-гігієнічних і лікувально-профілактичних заходів і засобів, направлених на збереження здоров'я і працездатності людини у процесі праці.
В даному дипломному проекті був розроблений автономний універсальний пристрій – «Охоронна сигналізація з GSM каналом», яка використовується усередині приміщення для охоронних цілей.
Одним з етапів виготовлення пристрою є монтаж радіоелементів на друковану плату. Монтажно-складальні операції у виробництві радіоелектронної апаратури складають 30–50% всіх робіт. До другого етапу відноситься програмування МК, який є основним функціональним елементом схеми. Задачею даного розділу є розгляд умов праці і охорони праці, а також заходів щодо забезпечення безпеки праці на робочому місці при розробці, і монтажі друкованої плати, а також на етапі розробки програмного забезпечення.
Питання захисту персоналу від впливу ЕМВ в даному розділі не розглядалося, оскільки у системі використовується стандартний канал GSM зв’язку на який є сертифікат відповідний санітарно-гігієнічним нормам в Україні ГОСТ 12.1.006–84, ДСНіП №239.
11.1 Аналіз умов праці. Організація робочого місця
Робоче приміщення – лабораторія розмірами 4,8х3,4х2,5 м, загальною площею 16,32 м2
в якому розміщено 2 робітників місця.
Освітлення: природне, через віконний отвір, штучне і місцеве. Вентиляція – природна (загальна) і штучна. Об'їм приміщення складає 40,8 м3
. Характер складності робіт – на всіх робочих місцях здійснюються роботи категорії Іа.
Оскільки в приміщенні встановлено два робочі столи, розмірами 1.5x0.75 і заввишки 0.7 м., то їх загальна площа рівна 2.25, об'єм – 1.6.
Розрахуємо тепер для приміщення корисну площу і об'єм :
= = 16.32 – 2.25 = 14.07 ()
= – = 40.8 – 1.6 = 39.2 ()
Оскільки приміщення розраховано на два робочі місця, то згідно розрахункам на кожну людину доводиться 7.04 площі і 19.68 об'єми. Для забезпечення нормальних умов праці як норматив використовувалися документи ДСанПіНЗ 5.2.007–98 та ДНАОПО 1.00–1.31–99. Дані документи встановлють на одного працюючого: об'єм виробничого приміщення – не менше 20.0, площі приміщення – не менше 6. Отже, розмір приміщення практично відповідає нормам.
11.2 Мікроклімат виробничих приміщень
Мікроклімат виробничих приміщень характеризується значною динамічністю і залежить від коливань зовнішніх метеорологічних умов: часу доби і пори року, теплофізичних особливостей технологічного процесу, умов опалювання і вентиляції, температурою повітря, вологістю, відносною і абсолютною швидкістю руху повітря, тиском. У відповідності з ГОСТ 12.1.005–88 та ДСН 3.3.6.042–99 встановлюються допустимі і оптимальні метеорологічні умови для робочої зони, при виборі яких враховується пора року (теплий>100С, холодний < 100С) і категорія робіт (для даного виду робот – категорія I-a до 120 ккал/г). Згідно ДСН 3.3.6.042–99 визначаємо наступні параметри: категорія робіт – Іа (сидяча робота з незначними фізичними навантаженнями).
Для легких робіт (категорія I-a) ГОСТ 12.1.005–88 «Повітря робочої зони. Загальні санітарно-гігієнічні вимоги» встановлені наступні нормативні
значення метеорологічних умов (таблиця 11.1).
Таблиця 11.1 –
Оптимальні, допустимі и фактичні параметри мікроклімату
| Період | Температура, о
С |
Відносна вологість, % | Швидкість потоку, м/с | ||||
| Оптимальна | Допустима на постійних робочих місцях | Оптимальна | Допустима на постійних робочих місцях | Оптимальна | Допустима на постійних робочих місцях | ||
| Min | max | max | max | ||||
| Хол. | 22–24 | 21 | 25 | 40–60 | 75 | до 0,1 | 0,1 |
| Тепл. | 23–25 | 22 | 28 | 40–60 | 55 | 0,1 | 0,1–0,2 |
Для підтримки допустимих значень мікроклімата передбачена вентиляція також рекомендується регулярне провітрювання приміщень.
11.3 Шкідливі речовини в повітрі робочої зони
Оскільки в приміщенні проходить монтаж друкованої плати, то використовується ручне паяння, яке виконується електричним паяльником безперервної дії потужністю 20…40 Вт. Питомий зміст утворюючого аерозолю свинцю при цьому складає 0,02…004 мг/100 паянь.
Для паяння використовують олов'яно-свинцевий припій ПОС-61. При цьому пари свинцю проникають в повітряне середовище приміщення
відповідно до вимог санітарії в повітрі робочої зони виробничих приміщень встановлюється ГДК (граничнодопустима концентрація), мг/м3 шкідливих речовин. ГДК пари свинцю в повітрі 0,01 мг/м3.
Для промивання плати використовують суміш спирту і ацетону. Концентрація спирту в повітрі не повинна перевищувати 400 мг/м3.
Свинець є надзвичайно небезпечною речовиною (клас 1), у відповідності з ГОСТ 12.1.005–88. ГДК в повітрі робочої зони 0,01 мг/м3. Олово є речовиною помірно небезпечним (клас 3). ГДК в повітрі робочої зони 10 мг/м3. Спирт етиловий є малонебезпечною речовиною (клас 4). ТДК в повітрі робочої зони 1000 мг/ м3.
Значення ПДК шкідливих речовин приведені в таблиці 3.
Визначимо концентрацию аерозолю свинцю:
| C = 0,6 × y × n × t × N / V | (11.1) |
де: y – питоме утворення аерозолю свинцю;
n – кількість долей на хвилину;
N – кількість робочих місць;
V – об'єм приміщення, м3.;
t – тривалість зборки виробу, год.
У нашому випадку:
y = 0,04 мг / 100 долей
n=5, t = 1,2 год, N = 2, V = 50,44 м.
Тоді
С = 0,6 × 0,04 × 5 × 1,2 × 2 / 50,44 = 0,005709 (мг/м3)
Отже, за даних умов технологічного процесу концентрація аерозоля свинцю в повітрі робочої зони не перевищуватиме гранично допустиму концентрацію 0,01 мг/м. Так, як пари свинцю не перевищують ГДК, то немає необхідності у вентиляції ділянок паяння.
Література
1. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0368.pdf
2. http://www.efo.ru/doc/Atmel/Atmel.pl? 677.
3. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1001.pdf
4. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr/attiny2313.htm
5. http://www.rem-tv.odessa.ua/help/stab.html
6. http://www.sea.com.ua/tech/info/hitano % 20radial % 20capacitor % 20general/ECR.htm
7. http://www.chip-dip.ru/product0/9590.aspx
8. http://www.radiodetali.com/td/led/gnl3014ub.htm
9. http://ru.wikipedia.org/wiki/Клеммник
10. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем – М.: Высшая школа, – 1989.-312 с.
11. У. Тилл и Дж. Лаксон. Интегральные схемы. Материалы – Приборы Изготовление, Мир, Москва, 1985 г., стр. 183
12. Ушаков Н.Н. Технология производства ЄВМ.-М.:Высш. Шк., 1991.-416 с.