ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

 

Система диагностики батареи кислотных аккумуляторов

 

 

Пояснительная записка содержит 90 страниц, в том числе 31 рисунок, 18 таблиц, 3 приложения. Графическая часть выполнена на 7 листах формата A1.

В дипломном проекте проведен обзор методов, определения работоспособности аккумуляторных батарей и анализ устройств измеряющих напряжения, построенных на различной элементной базе. Представлены их преимущества и недостатки. Рассмотрен вариант построения системы диагностики состоящей из следующих блоков: управления, коммутации и индикации.

В данном дипломном проекте разработана система диагностики батарей кислотных аккумуляторов.

Диплом содержит расчет экономических показателей, рассмотрены вопросы безопасности труда.

 

 

Summary

 

 

The explanatory note contains 90 pages, including 31 drawings, 18 tables, 3 exhibits. The graphic part was run for 7 sheets of the format A1.

In the diploma project review methods, determining working capacity batteries and an analysis device measures voltage, built on a different elemental base. We present their advantages and disadvantages. An alternative construction of diagnostic systems consisting of the following units: Management, switching and display.

In this degree project developed diagnostic system battery acid batteries.

The diploma contains the calculation of the economic factors, considered questions to safety of the labour.

Содержание

 

 

Введение............................................................................................... 7

1 Анализ аккумуляторных батарей и методов определения их работоспособности.......................................................................................... 8

1.1 Общие сведения о стационарных свицово-кислотных аккумуляторах    8

1.2 Электрические характеристики стационарных свицово-кислотных аккумуляторов................................................................................................. 11

1.2.1 Емкость........................................................................................ 11

1.2.2 Пригодность к буферной работе................................................ 13

1.2.3 Разброс напряжения элементов.................................................. 13

1.2.4 Саморазряд................................................................................. 14

1.2.5 Внутреннее сопротивление и ток короткого замыкания........... 14

1.2.6 Сопротивление изоляции............................................................ 15

1.3 Ввод в действие и режимы заряда аккумуляторных батарей...... 15

1.3.1 Сухоразряженные элементы....................................................... 15

1.3.2 Батареи, поставленные в залитом электролитом состоянии..... 18

1.3.3 Герметизированные аккумуляторы........................................... 19

1.4 Анализ методов определения работоспособности....................... 22

1.5 Анализ устройств измерения напряжения.................................... 25

1.5.1 Измеритель на операционных усилителях................................ 25

1.5.2 Измеритель напряжения на АЦП............................................... 27

1.5.3 Устройства измерения напряжения на микроконтроллерах.... 29

2 Разработка аппаратного обеспечения.............................................. 36

2.1 Разработка принципиальной схемы.............................................. 36

2.1.1 Блок управления......................................................................... 36

2.1.2 Блок коммутации......................................................................... 44

2.1.3 Блок индикации........................................................................... 47

2.1.4 Блок питания............................................................................... 49

2.2 Разработка конструкции................................................................ 50

2.2.1 Определение объектов для разработки конструкции................ 50

2.2.2 Составление файлов с принципиальной электрической схемой.. 51

2.2.3 Составление файлов с печатной платой..................................... 51

3 Разработка программного обеспечения.......................................... 53

4 Экономический расчет проекта........................................................ 58

4.1 Расчет себестоимости аппаратной части устройства.................... 58

4.2 Расчет себестоимости программного обеспечения....................... 64

4.3 Расчет капиталовложений потребителя........................................ 70

4.4 Расчет годовых эксплуатационных издержек потребителя......... 70

4.5 Расчет годовых приведенных затрат потребителя....................... 72

5 Безопасность труда........................................................................... 74

5.1 Анализ и обеспечение безопасности труда................................... 74

5.1.1 Мероприятия по улучшению условий труда............................. 78

5.2 Расчет искусственного освещения................................................. 80

5.3 Возможные чрезвычайные ситуации............................................ 83

5.3.1 Расчет параметров зоны заражения и времени подхода переднего фронта отравляющего облака к заводу в результате аварийного выброса АХОВ со склада по хранению хлора............................................................................................... 84

Заключение........................................................................................... 88

Список использованных источников................................................... 89

ПРИЛОЖЕНИЕ А Перечень элементов.............................................. 91

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Сборочный чертеж............................................... 94

ПРИЛОЖЕНИЕ В Печатная плата..................................................... 96

 

Введение

 

Основным способом защиты оборудования от возможных неполадок в электросети на предприятиях различных отраслей является установка источника бесперебойного питания на кислотных аккумуляторах. Пропадание напряжения для устройств определенного класса может быть фатальным: медицинские системы жизнеобеспечения нуждаются в постоянной работе, и требования к их питанию очень строги; системы банковской защиты и охранные системы; системы экстренной связи и передачи информации.

В процессе работы, по различным причинам аккумуляторы приходят в негодность и плановые проверки не всегда, вовремя обнаруживают поломку. Что может привести к выходу из строя оборудования на производстве или еще более тяжелым последствиям.

Для своевременного обнаружения ухудшения характеристик или выхода из строя аккумуляторов необходимо использовать диагностическую систему, которая будет определять работоспособность АБ, как в состоянии холостого хода, так и под нагрузкой; оперативно производить все измерения и расчеты с большой точностью.

Данный дипломный проект посвящен разработке устройства предназначенного для диагностирования батарей кислотных аккумуляторов количеством до 24 шт. Главной задачей устройства является нахождение неисправных аккумуляторов с минимальными затратами времени и выдаче наглядной информации о них.

 

 

 

 

 

1 Анализ аккумуляторных батарей и методов определения их работоспособности

 

1.1 Общие сведения о стационарных свинцово-кислотных аккумуляторах

 

Открытые аккумуляторы - аккумуляторы, имеющие крышку с отверстием, через которое могут удаляться газообразные продукты, заливаться электролит, производиться замер плотности электролита. Отверстия могут быть снабжены системой вентиляции.

Закрытые аккумуляторы - это аккумуляторы, закрытые в обычных условиях работы, но имеющие устройства, позволяющие выделяться газу, когда внутреннее давление превышает установленное значение. Дополнительная доливка электролита в такие аккумуляторы невозможна. Эти аккумуляторы остаются закрытыми и не пропускают газ или жидкость при соблюдении условий эксплуатации, указанных изготовителем, и предназначены для работы в исходном герметичном состоянии на протяжении всего срока службы. Их еще классифицируют как аккумуляторы с регулируемым клапаном, герметизированные или безуходные.

Из теории двойной сульфатации известно, что в свинцово-кислотных аккумуляторах во всех режимах их работы, в том числе и при разомкнутой цепи нагрузки (холостой ход), происходит превращение активной массы электродов (свинца и окиси свинца) в сульфат свинца с расходом на эти реакции воды, входящей в состав электролита. Это вынуждает при эксплуатации обычных открытых аккумуляторов производить периодический контроль уровня и плотности электролита, доливку дистиллированной воды с проведением уравнительных зарядов, что является довольно трудоемким процессом.

Принцип безуходности в свинцово-кислотных аккумуляторах основан на проведении комплекса технических мероприятий при их изготовлении и эксплуатации, основными из которых являются:

• использование исходных материалов с малым содержанием примесей;
• отказ от применения для формирования основы электродов сурьмы, вызывающей повышенное газовыделение в аккумуляторах;
• «связывание» электролита путем абсорбирования его специально изготовленной микропористой сепарацией или его загущением, при помощи двуокиси кремния SiO2 — силикагеля;
• применение в конструкции аккумуляторов специальных клапанов, стравливающих избыток газа при повышенном давлении внутри аккумуляторов;
• применение режимов заряда аккумуляторов, исключающих повышенное газообразование.

В соответствии с основами электрохимии потенциал перенапряжения по кислороду ниже потенциала перенапряжения по водороду. Поэтому при напряжениях подзаряда и заряда, установленных изготовителем для герметизированных аккумуляторов, основным газом, образующимся в этих аккумуляторах, является кислород, образующийся в результате разложения воды на положительных электродах. Для его связывания на отрицательных электродах аккумуляторов обратно в воду необходимо наличие путей в разделяющей электроды сепарации, позволяющих ему свободно перемещаться. Для этого в аккумуляторах с абсорбированным электролитом количество последнего ограничивается таким образом, чтобы примерно 15 % пор сепарации было свободно от электролита. В аккумуляторах с загущенным (гелевым) электролитом при отвердении электролита с помощью силиконовой добавки в теле геля образуется множество трещинок, являющихся путями перемещения кислорода.

Область применения и особенности эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов определяются их конструкцией. По типу используемых положительных электродов различают следующие типы аккумуляторов:

• аккумуляторы с электродами большой поверхности (по классификации DIN -GroE);
• аккумуляторы с панцирными (трубчатыми) положительными электродами (по классификации DIN - OpzS и OPzV);
• аккумуляторы с намазными и стержневыми положительными электродами (по классификации DIN - Ogi).
• герметизированные аккумуляторы, как правило, имеют намазные положительные и отрицательные электроды (за исключением аккумуляторов OPzV).

При выборе из гаммы различных видов стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов типа, наиболее пригодного для конкретной области применения, необходимо руководствоваться следующими критериями выбора:

• режим разряда и отдаваемая при этом емкость;
• особенности размещения;
• особенности эксплуатации;
• срок службы;
• стоимость.

При выборе аккумуляторов для определенного режима разряда следует учитывать, что при коротких режимах разряда коэффициент отдачи аккумуляторов по емкости меньше единицы и определяется так называемым фактором внутреннего сопротивления. При одинаковой емкости фактор внутреннего сопротивления элементов с электродами большой поверхности в два раза ниже этого фактора для элементов с панцирными электродами и в полтора раза – для элементов с намазными электродами.

Отсюда, преимущество при использовании для коротких режимов разряда (менее 3-часового) имеют аккумуляторы большой поверхности, а затем намазные. Аккумуляторы с панцирными положительными электродами наименее пригодны для коротких режимов разряда, хотя, если иметь в виду их преимущество по другим критериям выбора, эти аккумуляторы также нередко применяют в этих условиях, но с большим значением емкости для обеспечения заданной продолжительности аккумуляторного резерва.

По величине занимаемой площади при эксплуатации преимущество имеют герметизированные аккумуляторы. За ними в порядке возрастания занимаемой площади следуют аккумуляторы открытых типов с намазными электродами, панцирными электродами и с электродами большой поверхности.

Самыми долговечными при соблюдении правил эксплуатации являются аккумуляторы с электродами большой поверхности, для которых срок службы составляет 20 и более лет. Второе место по сроку службы занимают аккумуляторы с панцирными электродами - порядка 16 - 18 лет. Срок службы аккумуляторов с намазными электродами находится в пределах до 10 - 12 лет. Примерно такие же сроки эксплуатации имеют герметизированные аккумуляторы. Однако ряд европейских производителей выпускает герметизированные аккумуляторы и с меньшим сроком службы, но более дешевые. По классификации европейского объединения производителей аккумуляторов EUROBAT эти герметизированные аккумуляторы подразделяются на 4 класса по характеристикам и сроку службы:

• более 10 лет;
• 8 - 10 лет;
• 5 - 8 лет;
• 3 - 5 лет.

Аккумуляторы с короткими сроками службы, как правило, дешевые и предъявляют пониженные требования к условиям эксплуатации, к характеристикам зарядных устройств и предназначены, в основном, для использования в качестве резервных источников тока в установках бесперебойного питания переменным током (UPS) малой мощности, на временных объектах связи, на объектах, где отсутствуют нормальные условия для эксплуатации батарей и для обеспечения необходимой надежности системы электропитания периодическая замена батарей более целесообразна.

По стоимости в зависимости от режима разряда, как правило, аккумуляторы большой поверхности дороже панцирных, а дешевле вышеназванных - намазные. Герметизированные аккумуляторы имеют большую стоимость, чем открытые аккумуляторы.

Открытые типы аккумуляторов в основном выпускаются в баках из прозрачного ударопрочного материала SAN (полистирол-акрило-нитрил), а герметизированные - из непрозрачного высокопрочного материала ABC (акрилонитрил-бутадиен-стирол). Используемые пластмассовые компоненты для изготовления баков и крышек должны быть огнестойкими, а изготовитель аккумуляторов должен указывать уровень их огнестойкости.

Крышки аккумуляторов и моноблоков изготавливают из тех же типов пластмассы. Соединения баков с крышками в моноблоках и аккумуляторах малой емкости, как правило, осуществляются термосваркой. В аккумуляторах большой емкости соединения бака с крышкой выполняют в основном с помощью клея с выдержкой под весовой нагрузкой. Уплотнение крышки с выводами (борнами) блоков электродов обеспечивается в основном с помощью уплотнительных колец и термоусадочных трубок. В герметизированных аккумуляторах для герметизации соединения крышки с борнами дополнительно применяют клеевой компаунд.

Полюсные выводы (борны), как правило, имеют вкладыши из меди или латуни для уменьшения внутреннего сопротивления аккумулятора и для усиления механической прочности пакета электродов. Конструкция выводов аккумуляторов малой емкости предусматривает болтовое (резьбовое) соединение элементов в батарею. Аккумуляторы емкостью до 3000 А-ч выпускаются как для болтового так и для сварного соединения, а аккумуляторы большей емкости - преимущественно для соединения сваркой. Для болтового соединения элементов используются как гибкие кабельные так и жесткие шинные перемычки. Технической документацией изготовителя допустимое падение напряжения на соединении нормируется при одном из коротких режимов разряда (обычно при одночасовом) и по нему можно оценивать качество конструкции аккумуляторов.

При повышенной изолирующей способности баков современных типов аккумуляторов не предусматривается установка под их опорную поверхность специальных изоляторов, однако для обеспечения требуемого сопротивления изоляции батареи необходимо использовать изолирующее покрытие стеллажей, шкафов и аккумуляторных отсеков и установку стеллажей на диэлектрические изоляторы.

Размещение герметизированных аккумуляторов при эксплуатации, как правило, допускается как в вертикальном так и в горизонтальном положении, что позволяет более экономно использовать площадь под размещение электрооборудования. При горизонтальном размещении герметизированных аккумуляторов, если нет других предписаний производителя, аккумуляторы устанавливаются таким образом, чтобы пакеты электродных пластин занимали вертикальное положение.

 

1.2 Электрические характеристики стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов

 

1.2.1. Емкость

 

Основным параметром, характеризующим качество аккумулятора при заданных массогабаритных показателях, является его электрическая емкость, определяемая по числу ампер-часов электричества, получаемого при разряде аккумулятора определенным током до заданного конечного напряжения. По классификации ГОСТ Р МЭК 896-1-95 номинальная емкость аккумулятора (С_ном) определяется по времени его разряда током десятичасового режима разряда до конечного напряжения 1,8 В/эл при средней температуре электролита при разряде 20 °С. Если средняя температура электролита при разряде отличается от 20 °С, полученное значение фактической емкости (Сф) приводят к температуре 20 °С, используя формулу:

 

                                                                                                                                                                                                    (1)

 

где z - температурный коэффициент емкости, равный 0,006 1/°С для режимов разряда более часа и 0,01 1/°С - для режимов разряда, равных одному часу и менее;

       t - фактическое значение средней температуры электролита при разряде, °С.

 

Согласно ГОСТ Р МЭК 896-1-95 при оценке емкости батареи среднюю температуру определяют по температуре контрольных элементов, выбираемых из расчета один контрольный элемент из шести, а конечное напряжение разряда батареи рассчитывают по числу n элементов в батарее – U_{кон.эл. х n}.

Емкость аккумуляторов при более коротких режимах разряда меньше номинальной и при температуре электролита (20 ± 5) °С для аккумуляторов с разными типами электродов должна быть не менее указанной в табл. 1 (с учетом обеспечения приемлемых пределов изменения напряжения на аппаратуре электросвязи).

Как правило, при вводе в эксплуатацию аккумуляторов с малым сроком хранения на первом цикле разряда батарея должна отдавать не менее 95 % емкости, указанной в табл. 1 для 10, 5, 3 и 1 - часового режимов разряда, а на 5 - 10-м цикле разряда (в зависимости от предписания изготовителя) - отдавать не менее 100 % емкости, указанной в табл. 1, для 10, 5, 3, 1, 0,5 и 0,25 - часового режимов разряда.

 

Таблица 1 – Емкости аккумуляторов после разряда

Режим разряда, час	10	5	3	1	0,5	0,25
Конечное напряжение разряда, В/ эл	1,8	1,8	1,8	1,75	1,75	1,70
Емкость аккумуляторов с электродами большой поверхности и с намазными электродами, А-ч, не менее	1,0 Сном	0,82 Сном	0,75 Сном	0,5 Сном	0,35 Сном	0,22 Сном
Емкость аккумуляторов с панцирными электродами, А-ч, не менее	1,0 Сном	0,82 Сном	0,69 Сном	0,44 Сном	0,28 Сном	-

 

При выборе аккумуляторов следует обращать внимание на то, при каких условиях задается изготовителем значение номинальной емкости. Если значение емкости задается при более высокой температуре, то для сравнения данного типа аккумулятора с другими необходимо предварительно пересчитать емкость на температуру 20 °С. Если значение емкости задается при более низком конечном напряжении разряда - необходимо пересчитать емкость по данным разряда аккумуляторов постоянным током, приводимую в эксплуатационной документации или проспектных данных производителя для данного режима разряда, но до конечного напряжения, указанного в табл. 1. Кроме того, при оценке аккумулятора следует учитывать исходное значение плотности электролита, при которой задается емкость: если исходная плотность повышена - следует ожидать сокращенный срок службы аккумулятора.

 

1.2.2 Пригодность к буферной работе.

 

Другим параметром, характеризующим стационарные свинцово-кислотные аккумуляторы, является их пригодность к буферной работе. Это означает, что предварительно заряженная батарея, подключенная параллельно с нагрузкой к выпрямительным устройствам, должна сохранять свою емкость при указанных изготовителем напряжении подзаряда и заданной его нестабильности. Обычно напряжение подзаряда U_пз указывается для каждого типа аккумулятора и находится в пределах 2,18 - 2,27 В/эл (при 20 °С).

Нестабильность подзарядного напряжения для основных типов аккумуляторов не должна превышать 1 %, что накладывает определенные требования на выбор выпрямительных устройств при проектировании электропитающих установок.

На срок службы аккумуляторов влияет также величина переменной составляющей их зарядного (подзарядного) тока. Особенно это существенно при использовании для резерва электропитания оборудования современных электронных средств коммутации батарей герметизированных аккумуляторов. Выпрямительные устройства в составе ЭПУ, применяемые для заряда и подзаряда герметизированных аккумуляторов, должны обеспечивать полный размах изменения напряжения системы «ЭПУ - питаемое оборудование» (при отключенной батарее), включая допустимую нестабильность, не превышающий ±2,5 % рекомендованного изготовителем значения напряжения подзаряда. При этом ни при каких обстоятельствах во время заряда и подзаряда герметизированных аккумуляторов не допускается реверсирование направления прохождения тока через батарею.

 

1.2.3 Разброс напряжения элементов

 

Важным параметром, определяемым технологией изготовления аккумуляторов, является разброс напряжения отдельных элементов в составе батареи при заряде, подзаряде или разряде, который для открытых типов аккумуляторов задается изготовителем, как правило, в пределах ±2 % от среднего значения. При коротких режимах разряда (1-часовом и более коротких) этот разброс напряжений не должен превышать ±5 %.

Отсутствие тенденции к снижению величины разброса напряжения отдельных элементов в течение первого года после ввода аккумуляторной батареи в действие или увеличение разброса напряжения при последующей эксплуатации батареи свидетельствуют о ее дефектах или о нарушении условий эксплуатации.

Особенно опасно длительное повышение напряжения на отдельных элементах в составе батареи, превышающее 2,4 В/элемент, т.к. это может привести к повышенному расходу воды в отдельных элементах при заряде или подзаряде батареи и к сокращению срока ее службы или повышению трудоемкости обслуживания (более частые доливки воды - для аккумуляторов открытых типов). Кроме того, значительный разброс напряжения элементов в батарее может привести к потере ее емкости вследствие чрезмерно глубокого разряда отдельных элементов при разряде батареи.

 

1.2.4 Саморазряд.

 

Саморазряд (по определению ГОСТ Р МЭК 896-1-95 - сохранность заряда) определяется как процентная доля потери емкости бездействующим аккумулятором (при разомкнутой внешней цепи) при хранении в течение заданного промежутка времени при температуре 20°С. Этот параметр определяет продолжительность хранения батареи в промежутках между очередными зарядами, а также величину подзарядного тока заряженной батареи.

Величина саморазряда в сильной степени зависит от температуры электролита, поэтому для уменьшения подзарядного тока батареи в буферном режиме ее работы или для увеличения времени хранения батареи в бездействии целесообразно выбирать помещения с более низкой средней температурой.

Обычно среднесуточный саморазряд открытых типов аккумуляторов при 90-суточном хранении при температуре 20 °С не должен превышать 1 % номинальной емкости и с ростом температуры на 10 °С удваивается. Среднесуточный саморазряд герметизированных аккумуляторов при тех же условиях хранения, как правило, не должен превышать 0,1 % номинальной емкости.

 

1.2.5 Внутреннее сопротивление и ток короткого замыкания.

 

Для расчета цепей автоматики и защиты аккумуляторных батарей ГОСТ Р МЭК 896-1-95 регламентирует такие характеристики аккумуляторов как их внутреннее сопротивление и ток короткого замыкания. Эти параметры определяются расчетным путем по установившимся значениям напряжения при разряде их токами достаточно большой величины (обычно равными 4С_ном и 20С_ном) и должны приводиться в технической документации производителя. По этим данным может быть рассчитан такой выходной динамический параметр ЭПУ, как нестабильность выходного напряжения при скачкообразных изменениях тока нагрузки, включая режимы короткого замыкания в цепях нагрузки, поскольку в буферных ЭПУ выходное сопротивление установки в основном определяется внутренним сопротивлением аккумуляторной батареи.

 

1.2.6 Сопротивление изоляции

Сопротивление изоляции заряженной аккумуляторной батареи измеряется вольтметром с внутренним сопротивлением не менее 50 кОм на уровне батарейного щита.

Расчет сопротивления изоляции R_из (кОм) при измерении вольтметром производится по формуле:

                                                                         (2)

где R_В - сопротивление вольтметра, кОм;

       U - напряжение аккумуляторной батареи, В;

       U₊, U_- - напряжение плюса и минуса батареи относительно «земли», В.

По результатам этих же измерений могут быть определены сопротивления изоляции полюсов батареи R_из+ и R_из- (кОм):

                                                                     (3)

                                                                     (4)

 

 

1.3 Ввод в действие и режимы заряда аккумуляторных батарей

1.3.1 Сухозаряженные элементы

 

После монтажа и не менее чем двухчасовой выдержки батареи после заливки элементов электролитом можно приступать к ее заряду для ввода в действие. Перед включением зарядных устройств следует проверить качество и полярность их соединения с батареей: положительный полюс зарядных устройств должен быть подключен к положительному полюсу батареи, а отрицательный - соответственно к отрицательному полюсу батареи. Метод и режим заряда батареи определяют, исходя из величины сохранившейся сухозаряженной емкости элементов.

Если по результатам замера плотности и температуры электролита в элементах батареи после заливки рост температуры электролита во всех элементах составил менее 5 °С, а плотность электролита упала менее чем на 0,02 г/см , остаточная емкость батареи составляет не менее 85 % номинальной емкости. Заряд такой батареи производят одним из ниже описанных режимов:

- Заряд при стабилизации напряжения постоянного подзаряда U_пзб по графику UI (рис. 1) производят при ограничении первоначального зарядного тока I_огр зарядных устройств на уровне не более 0,3С_ном (если в сопроводительной документации на данный тип элементов не указан меньший ток ограничения).

Величина напряжения постоянного подзаряда U_пзб батареи определяется как произведение величины напряжения подзаряда U_пз, заданного производителем для данного типа аккумуляторов, на их число n в составе батареи. По мере заряда батареи, когда напряжение заряда достигнет значения U_пзб (момент времени t₁), зарядные устройства выйдут из режима ограничения тока. Ток заряда батареи начнет уменьшаться и в конце заряда достигнет величины, равной току содержания.

Рисунок 1 – График заряда при стабилизации напряжения постоянного подзаряда

 

Длительность заряда таким режимом до полного восстановления емкости батареи - около суток. Данный режим заряда батареи является наиболее щадящим для аккумуляторов, поскольку исключает перезаряд батареи и не требует перестройки выходного напряжения зарядных устройств. Его также применяют при отсутствии у зарядных устройств автоматического переключения уставок повышенного напряжения заряда и напряжения постоянного подзаряда батареи.

- Заряд при повышенном зарядном напряжении по графику I,U (рис. 2) позволяет значительно сократить время ввода батареи в действие, однако требует наличия у зарядных устройств автоматики переключения напряжения с повышенного значения при заряде на значение напряжения постоянного подзаряда.

Рисунок 2 – График заряда при повышенном зарядном напряжении

 

Перед началом заряда батареи выходное напряжение зарядных устройств устанавливается на уровне (2,35n)В, где n - число элементов в батарее, а суммарный зарядный ток ограничивают на уровне (0,1 - 0,3)I_огр. По мере заряда батареи, когда напряжение заряда достигнет значения (2,35n) В, зарядные устройства выйдут из режима ограничения тока и зарядный ток начнет уменьшаться. Для полного заряда батареи повышенным напряжением достаточно 12 часов, после чего зарядные устройства должны быть переведены на уставку стабилизации напряжения постоянного подзаряда U_пзб.

Зарядный ток батареи при этом резко уменьшится, поскольку напряжение поляризации элементов может превышать величину подзарядного напряжения. По мере снижения поляризации элементов зарядный ток увеличивается до величины тока содержания для данной степени заряженности батареи.

При заряде на напряжении постоянного подзаряда U_пзб (рис. 1) полный заряд батареи может продолжаться до двух недель. Поскольку выравнивание плотности электролита внутри элементов осуществляется только за счет диффузии, а измерение плотности электролита в ходе заряда производится у его поверхности, полученные данные по плотности не могут быть признаны достоверными для оценки степени заряженности батареи. Полное перемешивание электролита до выравнивания плотности может продолжаться до двух месяцев без ухудшения функциональных свойств батареи.

При заряде батареи повышенным зарядным напряжением (рис. 2) продолжительность заряда при повышенном напряжении возрастает до 24 - 48 часов.

Если по результатам замера плотности и температуры электролита в элементах батареи после заливки рост температуры электролита во всех или в отдельных элементах составил более 15 °С, а снижение плотности электролита составило более 0,05 г/см , элементы батареи потеряли значительную часть предварительно сухозаряженной емкости, что возможно при длительном их хранении в неблагоприятных условиях (сырость, высокие и резко меняющиеся температуры при нарушении герметичности элементов) или является браком производства. Заряд такой батареи проводят одним из ниже перечисленных режимов:

- Заряд по графику IU (рис. 2), но продолжительность заряда повышенным напряжением (2,35-п)В увеличивается до 72 часов.

- Заряд постоянным током по графику I (рис. 3). Первоначально заряд ведут при стабилизации (ограничении) тока зарядных устройств на уровне 0,1 - 0,15С_ном до увеличения напряжения на батарее до величины (2,4n) В. По истечении 3 - 5 часов заряда таким режимом дальнейший заряд батареи ведут при стабилизации (ограничении) тока зарядных устройств на уровне 0,05С_ном. При этом напряжение на элементах батареи достигает значений, превышающих 2,65 В/эл. Заряд при напряжении на элементах, превышающем 2,4 В/эл, проводят при обязательном включении приточно-вытяжной вентиляции.

Рисунок 3 – График заряда постоянным током

 

 

1.3.2 Батареи, поставленные в залитом электролитом состоянии

 

Батареи, поставленные в заряженном и залитом электролитом состоянии, вводят в действие путем заряда при напряжении зарядных устройств U_пзб, равном заданному изготовителем напряжению длительного подзаряда. Время такого заряда ограничивается одними сутками при ограничении первоначального зарядного тока величиной не более 0,1С_ном. По окончании заряда (примерно через 24 часа) контролируют плотность и уровень электролита в элементах батареи и, в случае необходимости, производят доливку электролита в элементы до отметки максимального уровня «мах».

Если залитая электролитом батарея перед вводом в эксплуатацию хранилась на складе до 6 недель (а при температуре хранения 35 °С - до 4-х недель), ее заряд производят повышенным зарядным напряжением (2,35n)В при ограничении зарядного тока на уровне 0,05С_ном. Длительность заряда повышенным напряжением ограничивают четырьмя часами, после чего батарею переводят на заряд при напряжении постоянного подзаряда. По окончании заряда проверяют напряжение на всех элементах батареи для выявления элементов с повышенным саморазрядом, а также плотность и уровень электролита. В случае необходимости производят доливку электролита в элементы до отметки максимального уровня «мах».

Во всех случаях при зарядах батарей аккумуляторов открытых типов повышенным напряжением, а также при зарядах постоянным током необходим периодический контроль температуры электролита контрольных аккумуляторов. При температуре электролита в аккумуляторах, достигающей величины 35 °С, заряд батареи следует прервать на время остывания электролита до температуры 25 °С.

В общем случае признаками окончания заряда батареи открытых типов
аккумуляторов при вводе в эксплуатацию должны являться:

• постоянство плотности электролита в элементах (в предписанных изготовителем пределах) на протяжении последних 3-х часов заряда;
• при стабилизированном напряжении заряда снижение величины зарядного тока до значений, не превышающих 3 мА на А-ч номинальной емкости аккумуляторов (при 20 °С), и ее неизменность на протяжении последних 3-х часов заряда;
• при стабилизации зарядного тока постоянство напряжения на элементах на протяжении последних 3-х часов заряда.

Во избежание повреждения батареи следует исключить недопустимо высокие токи заряда батареи (более 0,05С_ном) при напряжении батареи, равном или превышающем (2,4n) В.

 

1.3.3 Герметизированные аккумуляторы

 

Для батарей герметизированных аккумуляторов применимы следующие виды заряда:

• заряд при стабилизации подзарядного напряжения;
• ускоренный заряд при стабилизации повышенного напряжения;
• дозаряд во время хранения.

Заряд батареи герметизированных аккумуляторов для ввода в эксплуатацию при напряжении постоянного подзаряда U_пзб производят по графику U,I (рис. 1) при ограничении первоначального зарядного тока зарядных устройств на уровне 0,3С_ном (если изготовителем не указано другого значения тока ограничения).

Перед зарядом батареи она должна быть выдержана не менее 6 часов для выравнивания температуры элементов с окружающей средой помещения (шкафа), где она будет эксплуатироваться. Если температура в помещении находится в диапазоне от 18 °С до 25 °С, выходное напряжение зарядных устройств устанавливается равным номинальному значению подзарядного напряжения U_пзб = U_пз·n, где U_пз - указанное производителем напряжение подзаряда для данного типа аккумуляторов. При продолжительном отклонении температуры от указанного выше диапазона необходима коррекция подзарядного напряжения согласно данным производителя. Точность поддержания величины подзарядного напряжения при заряде и подзаряде батарей герметизированных аккумуляторов должна быть не хуже ±1 %. Признаком окончания заряда батареи таким режимом является снижение зарядного тока до величины, меньшей 1 мА на А-ч номинальной емкости элементов, и ее стабилизация в течение последних 3 часов заряда.

При необходимости быстрого приведения батареи герметизированных аккумуляторов в заряженное состояние за ограниченное время допустимо применение зарядных устройств с характеристикой заряда I,U (рис. 4).

 

Рисунок 4 – График быстрого заряда батареи герметизированных аккумуляторов

 

Заряд этим режимом проводят в две ступени:

• на первой ступени заряд батареи проводят током, ограниченным на уровне (0,1 - 0,3)С_ном до достижения напряжения на батарее величины (2,35n)В;
• на второй ступени дозаряд проводят при напряжении зарядных устройств, равном напряжению постоянного подзаряда U_пзб.

Установившаяся величина тока содержания (длительного подзаряда) в сильной степени зависит от температуры окружающей среды места размещения аккумуляторной батареи и должна указываться изготовителем для конкретного типа аккумуляторов. Для ориентировки в таблице 2 приведены значения тока содержания в зависимости от температуры аккумуляторов типа OPzV без температурной компенсации напряжения подзаряда через 6 суток после окончания заряда.

 

Таблица 2 - Значения тока содержания в зависимости от температуры
Температура окружающей среды, °С	Ток содержания, мА/А-ч
10	0,3
20	0,8
30	2
40	4,8

 

 

 

 

 

 

 

Перед вводом батареи в эксплуатацию проводят ее контрольный разряд током десятичасового режима (0,1С_ном) или другим, наиболее близким к ожидаемому току нагрузки, током до конечного напряжения разряда. Если изготовителем задано конечное разрядное напряжение отдельных элементов при разряде батареи, в конце разряда контролируют напряжение всех элементов. Фактически снятая с батареи емкость Ct равняется произведению тока разряда на продолжительность разряда. Разряд батареи прекращают, если напряжение всей батареи достигло конечного значения разряда для данного режима или с батареи снято количество электричества, равное номинальной емкости.

Если средняя температура электролита (поверхности герметизированных аккумуляторов) при разряде отличается от температуры сравнения 20 °С, то производят пересчет емкости на эту температуру:

 

                                                                                                                                      (5)

 

где z - температурный коэффициент ёмкости, численно равный (если не указано другого):

     а) 0,006 1/°С при режиме разряда более 1 часа;

     б) 0,01 1/°С при режиме разряда менее 1 часа.

     t - средняя температура электролита при разряде;

Приведенная емкость С_а должна быть не менее заданной производителем величины емкости для этого режима разряда, а напряжение на отдельных элементах батареи в конце разряда должно быть не менее значений, указанных изготовителем.

Перед вводом в действие аккумуляторную батарею кратковременно (на 10 -15 мин) подвергают разряду током, максимально возможным для питаемой нагрузки, во время которого проверяют качество всех соединений по допустимому падению напряжения и по нагреву.

 

 

 

1.4 Анализ методов определения работоспособности

 

Работоспособность аккумуляторных батарей определяется измерением емкости, для этого используются следующие методы:

• метод измерения плотности электролита;
• метод испытания на емкость;
• метод измерения напряжения.

Плотность электролита в свинцовых аккумуляторах является важной технической характеристикой. Эта величина зависит от степени его заряженности. Если величина плотности электролита окажется ниже на 0,02 г/см3 и более от ее номинального значения для данного типа аккумуляторной батареи, то это служит признаком глубокой сульфатации электродов.

Плотность электролита измеряется ареометром. Для этого с помощью резиновой груши внутрь стеклянной колбы ареометра засасывается определенное количество электролита, достаточное для всплывания размещенного внутри колбы денсиметра (поплавка со шкалой), и по уровню жидкости определяется плотность.

Еще проще измеряется плотность электролита с помощью компактного и удобного плотномера. Для этого в его прозрачный пластмассовый корпус с помощью резиновой груши засасывается небольшое количество электролита, достаточное для всплывания поплавка. На пластмассовом корпусе плотномера имеется шкала, по которой определяется плотность электролита. У плотномера несколько поплавков, плотность электролита определяется по тому из всплывших поплавков, который показывает наибольшее значение. Из-за наличия у плотномера нескольких поплавков значение плотности электролита определяется значительно точнее чем ареометром. Но плотномер имеет более узкий диапазон измерения (1,19—1,31 г/см3), поэтому с его помощью нельзя измерить плотность электролита сильно разряженной аккумуляторной батареи (свыше 50 %).

Довольно точная зависимость э. д. с. аккумулятора от плотности электролита может быть установлена по известному уравнению Нернста:

 

                                                                    (6)

 

где a_H2SO4 и a_H2O – активности окислительной и восстановительной форм вещества.

Одновременно с измерением плотности электролита измеряется его температура. Если температура электролита отличается от 25 °С более чем на 5 °С, то полученное при измерении значение плотности электролита следует скорректировать с учетом температурной поправки: на каждый 1 °С делается поправка 0,0007 г/см3. Если меньше, то вычитается, если больше — прибавляется.

Данный метод не подходит для выполнения поставленной в ТЗ задачи, так как в блоке бесперебойного питания используются гелевые аккумуляторы закрытого типа, в которых измерение плотности электролита не представляется возможным.

 

Испытание на емкость

Температура поверхности посередине стенок баков всех контрольных аккумуляторов или моноблоков батареи должка быть измерена непосредственно перед разрядом. Индивидуальные показания должны быть в пределах 10 —35 ºС. Среднюю температуру аккумуляторов или моноблоков рассматривают как среднюю температуру батареи.

Через 1 —24 ч после окончания заряда аккумуляторы или батареи должны быть разряжены током I_п. Этот ток должен поддерживаться в пределах ±1 % на протяжении всего периода разряда. При ручном регулировании тока допустимы отклонения в пределах +5 % от установленной величины.

Напряжение между выводами аккумуляторов или батарей должно либо регистрироваться автоматически через определенные промежутки времени, либо показания должны сниматься с помощью вольтметра. Показания вольтметра должны регистрироваться по меньшей мере через 25 , 50 и 80 % времени разряда, определяемого по формуле:

                                                                                              (7)

 

где С_г — гарантированная емкость, А/ч;

     I_п — ток разряда, А.

 

и через соответствующие интервалы времени, позволяющие своевременную фиксацию значения конечного напряжения U_п.

Разряд должен быть прекращен, когда напряжение достигнет величины nU_п, где n — число аккумуляторов. Время разряда должно регистрироваться.

Некоррелированная емкость С (А/ч) при начальной средней температуре t₀ должна вычисляться как произведение тока разряда (в амперах) на продолжительность разряда (в часах).

Если начальная средняя температура отличается от стандартной температуры (20ºС), не корректированная емкость С должна быть откорректирована посредством следующего уравнения для получения: фактической емкости С_п при стандартной температуре

 

                                                                              (8)

 

Коэффициент λ должен быть принят равным 0,006, если иное не оговорено производителем.

Далее аккумуляторы или батарея должны быть повторно заряжены и опыт повторен несколько раз.

Новый аккумулятор или батарея при повторных зарядах и разрядах должны обеспечивать, по крайней мере:

С_ф = 0,95 С_п на нервом цикле;

С_ф = С_п на пятом цикле или ранее.

Если иное не оговорено между производителем и потребителем.

Данный метод так же не подходит для выполнения задания, так как требует больших затрат времени для измерения С_ф, и отключения аккумулятора от нагрузки. Этот метод можно использовать как вторичный.

При методе измерения напряжения значение емкости (С), А/ч, при непрерывном режиме разряда при постоянном сопротивлении нагрузки определяют по формуле:

 

(9)

 

где R - значение сопротивления нагрузки, установленное в стандарте или ТУ на изделия конкретных типов;

       U₀ - значение начального напряжения изделия;

       t₁, t₂, t₃, t_n-1, t_n, - интервалы времени между очередными измерениями напряжения U₁, U₂, U₃ и т. д., установленные в стандарте или ТУ на изделия конкретных типов;

       U₁, U₂, U₃, … U_n - значения напряжений изделий через интервалы времени t₁, t₂, t₃ и т. д. от начала разряда;

       U_k - значение конечного напряжения разряда, установленное а стандарте или ТУ на изделия конкретных типо;

       U_п - измеренное значение напряжения, меньшее, чем U_п+;

       U_п-1 - измеренное значение напряжения, большее, чем U_п;

       U_п-2 - измеренное значение напряжения, большее, чем U_п-1.

 

Также значение емкости определяют по формуле:

 

                                                                                         (10)

 

где U_c - значение напряжения в момент времени, равный половине продолжительности разряда изделия, при установленном режиме (если при указанном времени отсутствует замер напряжения, то U_с, определяют путем линейной интерполяции по ближайшим измеренным значениям напряжения);

       R - значение сопротивления нагрузки, установленное стандартом или ТУ на изделия конкретных типов;

       Т - продолжительность разряда изделий до конечного напряжения разряда при установленном режиме.

Значение емкости при изменении напряжения в процессе разряда при непрерывном режиме разряда и постоянном сопротивлении нагрузки определяют по формуле:

 

                                                                                         (11)

 

где U_ср - среднее значение напряжения в режиме разряда, которое вычисляют по формуле:

 

                                                                                    (12)

 

где U_н - значение начального напряжения изделия;

       U_к - значение конечного напряжения в заданном режиме.

Значение емкости при непрерывном режиме разряда при постоянном токе нагрузки I, определяют по формуле:

 

                                                                                              (13)

 

где I - значение тока;

     T - продолжительность разряда изделия до конечного напряжения при установленном режиме.

Данный метод подходит для выполнения задания, так как напряжение аккумулятора можно измерить автоматически во время заряда и разряда без отключения аккумулятора.

 

 

1.5 Анализ устройств измерения напряжения

 

1.5.1 Измеритель на операционных усилителях

 

Данное устройство предназначено для измерения постоянного напряжения и передачи данных в компьютер. Для передачи данных и питания используется последовательный порт. Собранная схема свободно помещается внутри корпуса разъема DB25. В отличии от других подобных схем собранных на дорогих импортных АЦП с последовательным интерфейсом, эта состоит из более распространенных и дешевых элементов, а по качеству работы примерно соответствует 10 разрядному АЦП.

Схема (рисунок 5) состоит из двух операционных усилителей. На первом (D1.1) собран генератор пилообразного напряжения с частотой около 10 герц и амплитудой около 1 вольта. Второй (D1.2) включен по схеме компаратора и сравнивает входное напряжение с напряжением приходящим с генератора. На его выходе в рабочем режиме присутствует прямоугольное напряжение с частотой генератора и скважностью прямо пропорциональной измеряемому напряжению. Для подачи измеряемого напряжения на плату желательно использовать экранированный кабель. Устройство имеет общую с компьютером землю, это необходимо учитывать при выполнении измерения. Это самый серьезный недостаток схемы.

Рисунок 5 – Схема измерителя на операционных усилителях

 

Для работы со схемой необходимо использовать специальную программу. Программа написана для MS DOS в виде резидентного COM файла. После запуска она остается в памяти компьютера и работает параллельно с другими программами, при этом на экране постоянно будет присутствовать показание вольтметра. При запуске программы можно настроить ее параметры - номер используемого порта и положение показания вольтметра на экране.

 

Таблица 3 - Характеристики схемы

Измеряемое напряжение	1 В*
Максимально допустимое на входе напряжение	25 В
Дискретность измерения около	1000 единиц*
Входное сопротивление не менее	150 КОм
Время измерения	100 мс

 

*) Если необходимо измерять другое напряжение, необходимо замените резистор R1, или используйте переключатель диапазонов.

Полярность входного напряжения определяется автоматически. Прибор защищен от перегрузки. При входном напряжении до 25 вольт прибор входит в режим насыщения о чем можно узнать по отображаемым на экране четырем девяткам и знаку (положительное или отрицательное перенапряжение). В этом режиме он может находиться сколько угодно долго без опасности повреждения схемы. При снижении напряжения до допустимого уровня продолжается нормальная работа прибора.

 

1.5.2 Измерители напряжения на АЦП

 

Схема простого измерителя на АЦП приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Простой измеритель напряжения на АЦП

 

Устройство выполнено на базе микросхемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) КР572ПВ2. Данная микросхема работает по принципу двойного интегрирования. В её состав входит тактовый генератор, частота генерации задаётся элементами С7, R9 и равна 50 кГц. На вывод 36 ИМС DD1 поступает опорное напряжение (1 В) с делителя R7. R6, R4, подключённого к параметрическому стабилизатору на двух последовательно соединённых стабилизаторах. Ток через делитель задаётся генератором стабильного тока на полевом транзисторе VT1. У семисегментного индикатора HG2 задействована запятая. В этом случае максимальное отображаемое напряжение составляет 99,9 В. Чтобы не вывести микросхему из строя при таком большом напряжении, измеряемое напряжение подается на её вход через делитель R3, R2, R1 с коэффициентом деления 1:100. Налаживание устройства сводится к точной установке образцового напряжения с помощью резистора R7 и установке частоты генератора при помощи С7 или R9.  В конце процесса настройки устройства необходимо подать на вход напряжение и, контролируя его образцовым вольтметром, подбором R3 добиться одинаковых показаний образцового вольтметра с устройством. Отклонение номиналов R8, СЗ, С4, С6 от указанных на схеме - не более 5%. Резисторы - МЛТ, С2-29; подстроечный резистор - СП5-16ВА; конденсаторы - КМ-3, КМ-4, КМ-5. Для питания устройства требуется стабилизированное двухполярное напряжение ±5 В.

В настоящее время описано много измерителей напряжения с использованием микросхемы КР572ПВ2А. Как правило, это достаточно сложные устройства, что объясняется необходимостью использования двух источников питания, источника опорного напряжения, линейного преобразователя переменного напряжения в постоянное. Также требуются мощные источники энергии в связи с необходимостью использования светодиодных индикаторов. Появление микросхемы КР572ПВ5А существенно упростило построение подобных устройств. Эта микросхема выполняет те же функции, что и КР572ПВ2А, но специально приспособлена для работы с жидкокристаллическим индикатором. Для этой микросхемы необходим один источник питания с напряжением 7...10 В, она имеет внутренний стабилизатор опорного напряжения и стабилизатор напряжения 5 В для питания КМОП – цифровых микросхем. Ниже приведено описание простого измерителя напряжения с микросхемой КР572ПВ5А, содержащий, кроме нее, лишь одну цифровую микросхему К561ЛП2, необходимую для управления запятыми индикатора.

Прибор обеспечивает измерение постоянного напряжения (в вольтах) и тока (в миллиамперах). Погрешность измерений ± ( 0,2 % – 1 младшего разряда). Входное сопротивление – 11 Мом. Потребляемый ток – около 1,6 мА.

Схема устройства приведена на рисунке 7. При измерении постоянное напряжение поступает через делитель R11 – R16 на входы +Вх и –Вх микросхемы DD2. Сопротивление большинства резисторов делителя выбрано кратным 10, что облегчает их подбор. Сопротивление нижнего плеча (R15R16) делителя должно быть 1,111 кОм – оно образовано параллельным подключением резисторов 1,2 кОм и 15 кОм. При использовании резисторов делителя с допуском 0,1 % никакого дополнительного подбора их не потребуется. Использование двух секций (SA2.2 и SA2.3) переключателя пределов измерений для коммутации шунтов позволяет исключить влияние нестабильности сопротивления контактов на погрешность измерений и выход из строя прибора в момент переключения пределов. Как указывалось выше, микросхема КР572ПВ5А имеет встроенный источник опорного напряжения 2,8 В ±0,4 В, его плюс подключен к выводу 1 микросхемы и для удобства обозначен за 0 В. Вывод 32 опорного напряжения микросхемы обозначен –3 В и использован в качестве аналогового общего провода. Образцовое напряжение 100 мВ получено из опорного на делителе R22–R25.

 

Рисунок 7 – Схема измерителя напряжения на АЦП

 

1.5.3 Устройства измерения напряжения на микроконтроллерах

 

Устройство производит автоматическое измерение напряжения.

Устройство состоит из следующих основных узлов: блока микропроцессора, ЖК-индикатора, блока направленного ответвителя и корпуса.

На плате микропроцессора установлены узел питания и автоматический аттенюатор.

В блок направленного ответвителя входят: 2 SO239(E) разъема, магнитная система НО, печатная плата с нагрузками и детекторами, а также регулировочные резисторы.

Применяемые дополнительные технологические разъемы СР-50-73(Ф) используются при настройке направленного ответвителя.

Автоматический цифровой измеритель напряжения и мощности разработан на основе микропроцессора PIC16F876А, производимого фирмой Microchip.

Принципиальная схема цифрового блока представлена на рисунке 8.

Цифровой блок работает с НО, удовлетворяющим техническим характеристикам по входному напряжению, приведенным ниже.

Основные технические характеристики:

• Диапазон допустимых напряжений по входам INA, INB - от 0,01 до 4,8 В;
• Напряжение питания (AC/DC) - от 8 до 15 В;
• Средний ток потребления - от 80 до 150 мА;
• Точность определения напряжения имощности - ± 5%.

Рисунок 8 – схема измерителя напряжения и мощности на PIC16F876

 

В другом устройстве PIC-микроконтроллер и полевые транзисторы образуют четырехзначный вольтметр (рисунок 9).

 

Рисунок 9 – Измеритель напряжения на PIC16F84A

 

Схема на рисунке 9 - конструкция с использованием аналогового входа в микроконтроллере, не имеющего встроенного АЦП, а так же с использованием технических приемов по управлению семисегментным светодиодным индикатором без внешних ключевых транзисторов. Данная схема имеет последовательный канал, и нужна только витая пара для передачи измеренных значений на персональный компьютер.

Программа управляет одним светодиодным семисегментным индикатором за раз по линиям RA0 и RB7. Установка выхода RA0 в единицу и использование RB7, как входа активизирует индикатор с общим анодом DS3. Установка выхода RA0 в ноль и использование RB7 как входа, активизирует индикатор с общим катодом DS2. Использование RA0 как входа и установка выхода RB7 в единицу активизирует индикатор с общим анодом DS1, а при использовании RA0 как вход и установке выхода RB7 в ноль активизирует индикатор с общим катодом DS0. После успешной активизации одного индикатора, только одна из линий RB0 … RB6, конфигурируется как выход для управления одним светодиодным сегментом. Эта схема не имеет ограничения на питающее напряжение VDD - 3В или ниже - так как светодиоды включены встречно-параллельно, таким образом, прямое падение напряжения на одном светодиоде ограничивает обратное напряжение на другом. Использование красных светодиодов требует 1,6 В.

На рисунке 10 показано, как можно изменить число измеряемых напряжений, используя дополнительный коммутатор на транзисторах.

 

Рисунок 10 – Схема коммутации на транзисторах

 

Q1, R5, и R6 работают как эквивалентный переменный резистор, RX, который заряжает конденсатор C3. Вместо подключения RX к земле, он подключается к одной линии ввода-вывода – например RB0 – микроконтроллера. Если RB0 включен как выход в нулевом состоянии, значит первый аналоговый канал активизирован и измерительная подпрограмма подсчитывает импульсы заряда до величины 66% от VDD; затем, по таблице полученная величина задержки переводится в величину милливольт из трех цифр. Для увеличения количества аналоговых входов, можно подключить до семи цепей переменного резистора в параллель – таким образом, что каждый подключен между C3 и одной линией ввода-вывода, RB1 … RB7. Важно, что линии ввода-вывода подключены к индикаторам и так же активируют или отключают аналоговые каналы. Когда один аналоговый канал активизирован линией ввода-вывода выходом в низком состоянии, другие линии имеют высокое сопротивление и работают как входы, что отключает все остальные каналы.

Далее описано устройство измерения напряжения с ручным изменением диапазона измеряемого напряжения. Это схема вольтметра с внешним АЦП MAX1062.

Информация выводится на 8ми сегментный индикатор, младший разряд управляется транзистором VT1. Режимы работы переключаются кнопкой S1 (одно нажатие-1й режим, второе нажатие-2й режим и т.д). В зависимости от режима загорается светодиод HL1 либо HL2.

1й режим: на входе АЦП от 0 до Uref=4,096V, горит HL1. На выходе индикатора горят 3 младших разряда (вывод показаний от 0 до 999 с шагом 1).

2й режим: на входе АЦП от 0 до Uref=4,096V, горит HL2. На выходе индикатора горят все разряды (вывод показаний от 0 до 999,9 с шагом 0,1).

Передача данных от АЦП к Atmega8 по шине SPI (порт С).

Рисунок 11 – Схема измерителя напряжения на Atmega8

 

 

Следующее устройство измеряет напряжение до 1000 В с автоматическим выбором пределов измерения (рисунок 12).

Измеряемое напряжение поступает на вход встроенного в микроконтроллер АЦП (вывод 3) через резистивные делители напряжения и фильтр НЧ C1R5, подавляющий высокочастотные помехи. В качестве образцового напряжения для АЦП использован встроенный в микроконтроллер источник напряжения 2,56 В. При входном напряжении менее 10 В линии порта PB1 и PB2 (выводы 6 и 7) микроконтроллера DD1 находятся в состоянии высокого сопротивления. В этом случае коэффициент деления входного делителя напряжения АЦП равен 4 (верхнее плечо делителя — R3 и R6, нижнее — R2) и входное напряжение измеряется с точностью до сотых долей вольта.

Рисунок 12 – Схема измерителя напряжения на Atmega Attiny15L

 

Если входное напряжение превысит 10 В, с помощью линии порта PB1 микроконтроллер DD1 подключит параллельно резистору R2 резистор R9, увеличивая коэффициент деления входного напряжения до 40. В этом случае верхний предел измерения составит 99,9 В. Когда на этом пределе напряжение станет менее 10 В, линии порта PB1 и PB2 (выводы 6 и 7) микроконтроллера DD1 переключатся в состояние высокого сопротивления и коэффициент деления входного делителя вновь уменьшится до 4. Если же входное напряжение достигнет 100 В и более, с помощью линии порта PB2 микроконтроллер DD1 дополнительно подключит параллельно резистору R2 резистор R8. При этом коэффициент деления входного напряжения возрастет до 400, а верхний предел измерения составит 999 В. Когда входное напряжение превысит значение 999 В (перегрузка), в первом и втором (крайние правые) разрядах отображаются символы "- -".

   В устройстве также предусмотрено измерение напряжения аккумулятора G1 с точностью до сотых долей вольта. Для этого напряжение, пропорциональное напряжению аккумулятора, с резистивного делителя R1R4 поступает на вход PB4, который программно сконфигурирован как еще один вход встроенного АЦП. Вся информация отображается на десяти разрядном ЖК индикаторе HG1. В левой его части – напряжение аккумулятора, а в правой – измеряемого напряжения.

   Разделение целых и десятых долей вольта осуществляется пустым знакоместом. В связи с ограниченным числом портов ввода–вывода микроконтроллера данные передаются по одной линии PB5 (вывод 5) с времяимпульсным кодированием (время передачи 1 примерно в десять раз больше 0, а пауза между ними равна длительности 1). При малой длительности сигнала конденсатор C3 не успевает зарядиться, а во время паузы полностью разряжается, поэтому при малой длительности импульса во время его спада на линии данных DAT (вывод 4 индикатора HG1) присутствует низкий уровень и контроллер ЖК индикатора воспринимает это как 0. При большой длительности импульса к моменту спада импульса конденсатор C3 успевает зарядиться до высокого уровня и контроллер ЖК индикатора фиксирует это как 1.

     Для питания устройства используется аккумулятор от сотового телефона. При напряжении 4,2 В потребляемый ток не превышает 5 мА. Светодиод HL1 используется не в качестве светового индикатора, а как стабилизатор напряжения питания ЖКИ. Вольтметр сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания 3 В.

   Для налаживания устройства потребуется образцовый вольтметр. Сначала его подключают к аккумулятору и подборкой резистора R4 уравнивают показания в левой части индикатора с показаниями образцового вольтметра. Затем подключают вход "+" устройства к плюсовому выводу конденсатора C2 и подборкой резистора R9 уравнивают показания в правой части ЖК индикатора с показаниями образцового вольтметра. Далее подключают этот вольтметр на вход устройства, подают на него напряжение около 30 В от стабилизированного источника питания и подборкой резистора снова уравнивают показания в правой части ЖК индикатора с показаниями образцового вольтметра. Увеличивают входное напряжение до 150 В, и подборкой резистора R8 снова уравнивают показания.

   Поскольку максимальный ток делителя не превышает 1 мА (при входном напряжении 1000В он составляет около 0,6 мА), с защитой микроконтроллера от перегрузок и аномальных напряжений на входе встроенного АЦП вполне справляются внутренние защитные диоды.

Для выполнения ТЗ не подходит ни одно из перечисленных решений, так как приведенные выше схемы не содержат обязательных блоков: памяти, часов, подключение датчиков, гальванической развязки. Эти схемы можно использовать только как основу для доработки. Поэтому было принято решение разработать устройство структурная схема которого представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Структурная схема разрабатываемого устройства

 

Устройство состоит из трех основных блоков. Блок коммутации соединяет АБ с датчиками тока и напряжения, которые обеспечивают гальваническую развязку. Блок управления содержит часы для определения даты и времени проведения последнего тестирования, память для хранения протоколов тестирования и интерфейс передачи данных RS-485, а так же осуществляет выработку сигналов для управления реле в блоке коммутации и подает данные для отображения в блок индикации. Блок индикации содержит семисегментные индикаторы, на которых отображается напряжение аккумуляторов, их номера и время, и светодиоды, которые показывают уровень состояния аккумуляторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Разработка аппаратного обеспечения

 

2.1 Разработка принципиальной схемы

 

Разрабатываемая система из трех основных блоков: управления, коммутации, индикации. Каждый блок включает в себя ряд других необходимых для работы блоков, которые стоит рассмотреть детально.

 

2.1.1 Блок управления

 

Для выбора управляющего устройства было проведено сравнение микроконтроллеров PIC и AVR, результаты приведены ниже.

В микроконтроллерах PIC малый набор команд, что означает возможность быстрого их запоминания и упрощенного управления контроллером. В микроконтроллерах AVR, напротив, очень большой набор инструкций и многие операции можно выполнить только на определенных регистрах. Поэтому часто программы написаны в нелогическом порядке. Нет быстрой команды XOR, но AVR имеет дополнительные инструкции для тактовых генераторов. У AVR улучшенный перенос кодов, что увеличивает арифметическую точность. Также лучше условные ветвления. На PIC же, используются нетрадиционные мнемонические имена. Имеется только один указатель для косвенного обращения и небольшой стек.

На AVR пробуждения от сна продолжается и после инструкции SLEEP, что вызывает сброс. На PIC же, во время сна могут работать асинхронные счетчики и АЦП, и пробуждение может произойти по прерыванию от таймера.

Микроконтроллеры AVR имеют больше источников для прерывания. Зато прерывание таймера на PIC происходит всегда в одно и тоже время, а на AVR появляется задержка по крайней мере на один цикл.

Скорость преобразования АЦП на PIC гораздо больше, чем на AVR. Но некоторые модели AVR имеют дифференциальные входы АЦП и двадцатикратное усиление на них, хотя шумы позволяют эффективно использовать только до 8 бит. Также на AVR есть внутренний источник опорного напряжения.

Все PIC-контроллеры имеют одинаковую платформу – ICE2000, а у различных моделей AVR различные платформы.

PIC имеет всего один шестнадцатеричный файл конфигурации, включая инициализацию внутренней EEPROM. Конфигурация же AVR очень сложна, в ней нет стандартных форматов файлов, содержащих инициализацию FLASH, EEPROM и других устройств. Конфигурация состоит из нескольких файлов, которые должны быть связаны друг с другом определенным образом.

Микроконтроллеры PIC более доступны и получить их по заказу можно в более короткие сроки.

Потребляемая микроконтроллерами мощность, можно сказать, примерно равна, так как, у разных моделей обоих фирм-производителей потребление может быть больше или меньше чем у конкурента.

Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод что, и PIC, и AVR имеют свои плюсы и минусы. Поэтому нельзя сказать какой микроконтроллер лучше, правильнее сказать, наиболее подходящий для конкретной задачи.

В данном проекте использован микроконтроллер PIC (рисунок 14), из-за наличия программного и аппаратного обеспечения для программирования и отладки.

 

 

Рисунок 14 – Микроконтроллер с подключенной системой тактирования

 

Ниже приведены некоторые особенности PIC-контроллера:

– линейное адресное пространство памяти программ 32 кБт;

– линейное адресное пространство памяти данных 1,5 кБт;

– быстродействие до 10MIPS:

     а) тактовая частота от 32 кГц до 8 МГц,

     б) тактовая частота в режиме PLL до 48 МГц;

– 16-разрядные команды, 8-разрядные данные;

– система приоритетов прерываний;

– аппаратное умножение 8х8 за один машинный цикл.

Характеристика периферийных модулей:

– высокая нагрузочная способность портов ввода/вывода;

– три входа внешних прерываний;

– модуль TMR0: 8/16-разрядный таймер/счётчик с программируемым 8-разрядным предделителем;

– модуль TMR1: 16-разрядный таймер/счётчик;

– модуль TMR2: 8-разрядный таймер/счётчик с 8-разрядным регулятором периода;

– модуль TMR3: 16-разрядный таймер/счётчик;

– вторичный генератор тактового сигнала на основе TMR1/TMR3;

– два модуля ССР:

     а) 16-разрядный захват, максимальная разрешающая способность 6,5 нс (TCY/16),

     б) 16-разрядное сравнение, максимальная разрешающая способность 100 нс (TCY);

– ШИМ, разрядность от 1 до 10 бит, максимальная частота ШИМ 156 кГц @ 8бит, 39 кГц @ 10бит;

– модуль ведущего последовательного синхронного порта (MSSP);

– 3-х проводной интерфейс SPI (4 режима);

– интерфейс I2C;

– адресуемый модуль USART, поддержка интерфейса RS485 и RS232;

– модуль PSP, ведомый параллельный порт;

– модуль последовательной универсальной шины USB.

Периферийные аналоговые модули:

– модуль 10-разрядного АЦП:

а) 8 каналов,

б) высокая скорость преобразования,

в) работа модуля в SLEEP режиме микроконтроллера,

г) DNL = ± 1Lsb, INL = ±1Lsb;

Для тактирования был использован кварцевый резонатор на 3,6864 МГц, для упрощенного расчета времени задержек.

Микроконтроллеры PIC16F887 могут работать в одном из четырех режимов тактового генератора. Указать режим тактового генератора можно при программировании микроконтроллера в битах конфигурации (FOSC1:FOSC0):

а) LP – низкочастотный кварцевый резонатор;

б) XT – обычный кварцевый резонатор;

в) HS – высокочастотный кварцевый резонатор;

г) RC – внешняя RC цепочка.

Для формирования тактового сигнала выбран XT режим тактового генератора и конденсаторы для него по таблице 2, в результате чего кварцевый резонатор подключается к выводам OSC1 и OSC2.

 

 

 

Таблица 2 - Ёмкости конденсаторов для кварцевого резонатора

Режим	Частота	С1	С2
LP	32 кГц 200 кГц	33пФ 15пФ	33пФ 15пФ
XT	200 кГц 1 МГц 4 МГц	47-68пФ 15пФ 15пФ	47-68пФ 15пФ 15пФ
HS	4 МГц 8 МГц 20 МГц	15пФ 15-33пФ 15-33пФ	15пФ 15-33пФ 15-33пФ

 

Большая ёмкость увеличивает стабильность генератора, но увеличивается и время запуска. Номиналы емкостей конденсаторов в схеме определяются технической документацией на микроконтроллер для конкретной резонансной частоты кварца. Для данной схемы они равны C1, С2 = 15пФ.

Для питания АЦП микроконтроллера, подключаем источник опорного напряжения МСР1541, параметры которого приведены в таблице 3.

 

Таблица 3 – Параметры источника опорного напряжения МСР1541

Также к микроконтроллеру подключены экономичные часы реального времени с последовательным интерфейсом – микросхема DS1307 (рисунок 15), которая содержит часы-календарь с представлением информации в двоично-десятичном коде и 56 байт энергонезависимого статического ОЗУ. Адрес и данные передаются по двунаправленной двухпроводной последовательной шине. Информация о реальном времени и календаре представляется в секундах, минутах, часах, дне, дате, месяце и годе. Если текущий месяц содержит менее 31 дня, то микросхема автоматически определит количество дней в месяце с учетом високосности текущего года. Часы работают или в 24-часовом или 12-часовом формате с индикатором AM/PM (до полудня/ после полудня). DS1307 содержит встроенную схему контроля уровня основного источника питания и при его недопустимом значении автоматически переключается к резервной батареи. Часы подключены к модулю ведущего синхронного последовательного порта (MSSP) в режиме Inter-Integrated Circuit – I²C. Параметры приведены в таблицах 4 и 5.

Рисунок 15 – Энергонезависимые часы

 

Таблица 4 – Электрические параметры часов реального времени DS1307

 

Таблица 5 – Временные параметры часов реального времени DS1307

 

Для хранения информации о предыдущем тестировании АБ к микроконтроллеру была подключена микросхема памяти AT24C02B (рисунок 16).

Рисунок 16 – Микросхема памяти AT24C02B

 

Объем памяти равен 2Кб или 256 слова, что вполне достаточно для хранения 3-х предыдущих тестов. EEPROM также подключена к интерфейсу I²C. Электрические и временные параметры приведены в таблицах 6 и 7.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6 – Электрические параметры микросхемы AT24C02B

 

Таблица 7 – Временные параметры микросхемы AT24C02B

 

Для соединения устройства с компьютером использован маломощный приемопередатчик MAX485 (рисунок 17), парметры в таблице 8. В качестве разъема были применены соединительные винтовые клеммники.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17 – Приемопередатчик MAX485

 

Таблица 8 – Параметры приемопередатчика MAX485

 

Также клеммники использованы для соединения всех трех блоков между собой, и блоком питания. Для определения тока на АБ использован датчик тока ДТХ-100, а для измерения температуры – датчик температуры DS1820. Полная электрическая схема блока управления представлена на рисунке 19.

Рисунок 19 – Схема блока управления

 

2.1.2 Блок коммутации

 

Блок коммутации служит для соединения аккумуляторов с измерителем напряжения, а так же для гальванической развязки. Сигналы с блока управления поступают на мультиплексоры 74НС4051 (рисунок 20), которые позволяют сократить количество используемых выходов микроконтроллера. Параметры мультиплексоров представлены в таблице 9.

 

Рисунок 20 – Подключение мультиплексоров 74НС4051

Таблица 9 – Параметры мультиплексоров 74НС4051

 

Сигналы с мультиплексоров поступают на реле РЭС43 РС4.569.203, которые соединяют аккумуляторы с датчиком напряжения ДНХ. С помощью датчика осуществляется также гальваническая развязка устройства, сигнал с него поступает на АЦП микроконтроллера. Так как ток срабатывания реле (35 мА) больше тока на выходе мультиплексоров (20 мА) необходимо, во избежание выхода из строя последних, соединять их через транзисторные ключи (рисунок 21). Транзисторы в ключах выбраны по максимальному напряжению коллектор-эмитер и току коллектора, которые равны 38 В и 0,1 А соответственно.

Рисунок 21 – Подключение обмотки реле через транзисторный ключ

 

При отпускании реле происходит резкий скачек обратного напряжения, которое, как видно на рисунке 22, больше прямого почти в 4 раза.

Рисунок 22 – Осциллограмма напряжения на катушке реле

 

Для защиты транзисторов от высокого обратного напряжения, параллельно обмоткам реле были включены диоды 1N4001, как показано на рисунке 23, выдерживающие обратное постоянное напряжение до 50 В. Результат включения диода показан на рисунке 24.

Рисунок 23 – Подключение диода к обмотке реле

 

Рисунок 24 – Осциллограмма напряжения на катушке реле с включенными параллельно диодами

Таким образом, полная схема блока коммутации представлена на рисунке 25.

 

Рисунок 25 – Схема блока коммутации

 

2.1.3 Блок индикации

 

Основу блока индикации составляет драйвер светодиодов MAX7219 (рисунок 26).

Рисунок 26 – Подключение драйвера светодиодов

Микросхема MAX7219 имеет простое подключение к микроконтроллеру. Она имеет 3-проводной интерфейс и возможность каскадного соединения схем. Может управлять 7-сегментными светодиодными дисплеями до 8 разрядов, гистограммными шкалами с 64 отдельными светодиодными сегментами. Также в микросхеме есть внутренний двоично-десятичный декодер кода-B, мультиплексные цепи сканирования и статическая оперативная память 8х8. Необходим только один резистор для установки максимального тока для всех светодиодных сегментов. Шестнадцатиразрядный контроль уровней интенсивности. Конденсаторы С1 и С2 подключены между питанием и землей микросхемы защиты от высокочастотных помех возникающих в цепях питания. Параметры в таблице 10.

 

Таблица 10 – Параметры микросхема MAX7219

 

К микросхеме МАХ7219 подключены индикаторы SC10-21SRWA (параметры в таблице 11), выбранные по схеме подключения, размеру и небольшой цене, и светодиоды. Схема блока индикации на рисунке 27. Обобщенная схема всех узлов приведена на ГОУ ОГУ 210106.1110.12 Э3.

 

 

 

Таблица 11 – Параметры индикатора SC10-21SRWA

Параметр	Значение
Длина волны, нм	640
Минимальная сила света Ivmin, мКд	18
Максимальная сила света Ivmax, мКд	60
При токе Iпр, мА	10
Максимальное прямое напряжение, В	2,5
Максимально обратное напряжение, В	5
Максимальный прямой ток, мА	30
Максимальный импульсный прямой ток, мА	155
Рабочая температура, С	-40…+85
Схема включения	Общий катод

 

Рисунок 27 – Схема блока индикации

 

2.1.4 Блок питания

 

При отключении сетевого питания и перехода нагрузки на питание от аккумуляторов, необходимо чтобы система диагностики также могла питаться от постоянного напряжения аккумуляторов, наряду с переменным. Поэтому блок питания должен автоматически переключать режим работы с AC-DC на DC-DC. Было принято решение не разрабатывать блок питания, а использовать БП как готовое комплектующее изделие.

Плата индикации потребляет тока не более 400 мА при напряжении питания 5В.

Плата управления потребляет тока не более 350 мА при напряжении питания 5В.

Потребление тока платой коммутации не более 70 мА для цепи питания с напряжением 5В, и не более 50 мА для цепи питания с напряжением 12В.

Датчики напряжения и тока потребляю тока не более 100 мА при напряжении питания 15В.

По этим данным были выбраны следующие БП:

БПС30СС с выходным напряжение ±15В, и током 1 А, мощностью 30 Вт для питания датчиков;

БПС30АВ с выходными напряжениями +5В и +12В при токе 3А и 1,25А соответственно, мощностью 30 Вт для питания плат.

 

 

2.2 Разработка конструкции

 

2.2.1 Определение объектов для разработки конструкции

 

Исходной информацией для конструкторского проектирования является принципиальная электрическая схема. В ходе решения задачи компоновки выполняется распределение элементов схемы по типовым конструктивам. В дипломном проекте таковым является печатный узел и компоненты (элементы-конструктивы): электрорадиоэлементы и корпуса ИС, а также электрические цепи, связывающие их с остальными элементами схемы. Результат компоновки отражен на электрической принципиальной схеме.

Далее решается задача размещения компонентов в монтажном пространстве и трассировки печатного монтажа. Для каждой из этих задач определяется режим проектирования (интерактивный или автоматический), задаются параметры для настройки автоматических алгоритмов, оцениваются полученные решения по основным критериям качества и принимается решение относительно дальнейшего хода проектирования: перейти к решению следующей задачи или заново решить задачу (модифицировать решение) размещения (трассировки).

Трассировку печатного монтажа было решено выполнять в двух слоях с шагом 1.25 мм. Так как конструктив содержит в основном дискретные компоненты, был выбран третий класс точности и заданы соответствующие допустимые значения для ширины трасс печатных проводников и зазоров. Используя данные о диаметре выводов компонентов, были определены необходимые размеры контактных площадок. Эта информация была введена при редактировании стратегии трассировки. Команда Autoroute выполнила авто трассировку цепей. Редактирование отдельных участков трасс и подключение масок контактных площадок проводилось в интерактивном режиме.

После решения задач синтеза конструкции необходимо выполнить верификацию полученного проектного решения на соответствие принципиальной электрической схеме и соблюдение заданных конструкторско-технологических норм. В ходе решения задач верификации выполняют и устраняют несоответствия между схемой и печатной платой и нарушения технологических требований. После   выполнения верификации было принято решение о корректности полученного проектного решения и переходе к этапу оформления проектно-конструкторской документации.

     Проектирование печатной схемы выполнялось в два этапа:

– 1–й этап – составление библиотеки элементов для среды P-CAD и составление с использованием программы P-CAD Schematic файла схемы принципиальной электрической (*.sch) и файла списка соединений (*.net);

– 2–й этап – компоновка элементов на печатной плате и разводка соединений между элементами с использованием пакета P-CAD PCB.

 

2.2.2 Составление файлов с принципиальной электрической схемой

 

Проектирование печатных плат выполнялось в среде P-CAD 2006.

Используя программы Simbol Editor.exe, Pattern Editor.exe, Library Executive.exe, входящие в состав пакета P-CAD 2006, была создана библиотека dip.lib с необходимыми для проекта элементами.

Используя программу Schematic.exe, были выбраны размеры листов А3 и шаг сетки 1,25мм, также была подключена библиотека dip.lib. После размещения компонентов на схеме они были соеденины электрическими цепями, некоторые их которых, были объеденены в шины. Построенные принципиальные электрические схемы блоков сохранены в файлах upr.sch, komm.sch, ind.sch. Объединенная электрическая схема приведена на формате А1.

Используя утилиту Generate Netlist в программе Schematic.exe создан файлы листинга upr.net, komm.net, ind.net.

 

2.2.3 Составление файлов с печатной платой

 

В программе PCB.exe, используя утилиту Load Netlist, загружены файлы upr.net, komm.net, ind.net, в результате чего получен набор необходимых элементов с реальными посадочными местами, соединенных соответственно принципиальной схеме. В этой же программе созданы заготовки печатных плат с параметрами:

- размеры 195мм × 260мм, 107,5мм ×105мм, 67,5мм ×197,5мм;

- число слоев – 2.

А также произведена трассировка и полученные заготовки печатных плат были сохранены в файлах upr.pcb, komm.pcb, ind.pcb.

В программе PCB.exe произведена распечатка следующих рисунков:

- сборочный чертёж;

• печатня плата.

Чертежи печатных плат и схем расположения основных электрических элементов приведены на технических документах, а часть в приложении Б, В.

 

 

 

3 Разработка программного обеспечения

 

В данном разделе представлены материалы по разработке алгоритма функционирования встроенного программного обеспечения (ПО).

Программа микроконтроллера будет выполняться по алгоритму, приведенному на рисунках 28 и 29.

Программа начинается с инициализации портов. Для инициализации порта D в регистр TRISD записывается код ‘00000000’ означающий, что все линии порта настроены на вывод. Аналогично настраиваются порты А, B, C, E. В TRISA записывается код ‘11111111’ – все на ввод. В TRISB – ‘11110100’ – 0, 1, 3 разряды на ввод, остальные на вывод. В TRISС – ‘11011000’ – 3, 4, 6, 7 разряды ввод, остальные на вывод. В TRISE – ‘11111001’ – 1, 2 на вывод, остальные на ввод.

Далее инициализируются встроенный АЦП микроконтроллера, с помощью регистров ADCON0 и ADCON1. Разряды регистра управления ADCON0 определяют:

- биты 7-6 ADCS1:ADCS0 - выбор источника тактового сигнала (00 = F_OSC/2; 01 = F_OSC/8; 10 = F_OSC/32; 11 = F_RC - внутренний RC генератор модуля АЦП);

- биты 5-3 CHS2:CHS0 - выбор аналогового канала AN0.. AN7;

- бит 2 GO/-DONE - бит статуса модуля АЦП (установка бита вызывает начало преобразования, аппаратно сбрасывается по завершении преобразования);

- бит 1 не используется;

- бит 0 ADON - включение модуля АЦП (1 - модуль включен, 0 - модуль выключен и не потребляет ток).

Разряды регистра управления ADCON1 определяют:

- бит 7 ADFM - формат сохранения 10-разрядного результата (1 – правое выравнивание, 0 – левое);

- биты 6-4 не используются, читаются как ‘0’;

- биты 3-0 PCFG3:PCFG0 - управляющие биты настройки каналов АЦП и многофункциональных выводов.

В первый регистр записывается код ‘01000001’ что означает тактовый сигнал F_OSC/8, канал AN0, АЦП включен. Во второй регистр ‘00001100’ что означает левое выравнивание (8 разрядов результата в регистре ADRESH), источник опорного напряжения подключен к выводам AN2, AN3, каналы AN0, AN1, AN4 настроены как аналоговые входы, остальные же остались цифровыми каналами ввода/вывода.

Далее произведена инициализация микросхемы MAX7219, во время которой настроены внутренние регистры. После этого ставятся ”1” на линии RD3, RD7, RB1, которые подключены к входам ENABLE мультиплексоров, чтобы не происходили незапланированные соединения аккумуляторов и датчика.

Рисунок 28 – Алгоритм программы

Рисунок 29 – Продолжение алгоритма программы

 

Далее происходит опрос линия RB2 к которой подключена кнопка, отвечающая за начало теста. В случае отрицательного результата опрашиваются линии RB4 и RB5 с кнопками установки времени и просмотра результата предыдущего теста, соответственно. Если не нажата ни одна из кнопок программа возвращается к началу. При нажатии кнопки задания времени запускается подпрограмма, которая сначала сохранит выбранное время в определенных ячейках виртуальной памяти контроллера (буфере), а затем перешлет закодированную информацию в часы (микросхема DS1307), по интерфейсу I2C. Для передачи данных по этому интерфейсу используются программы разработанные производителями микросхем.

При нажатии 3-ей кнопки отвечающей за просмотр результатов предыдущего теста, происходит чтение данных (если они есть) об аккумуляторах из внешней памяти EEPROM, подключенной к микроконтроллеру также через интерфейс I2C. Данные из памяти переносятся в буфер, откуда затем пересылаются на 7-мисегментные индикаторы. Перед отправкой на индикаторы информация преобразуется из шестнадцатеричной в десятеричную для удобства восприятия. Первой показывается информация о дате и времени последнего тестирования аккумуляторов. После небольшой задержки появляется номер первого аккумулятора и еще через некоторое время его напряжение на момент тестирования. Все это время горит один из светодиодов обозначающий результат тестирования. Перед выдачей информации о следующем аккумуляторе происходит опрос линии RB5. Затем выдается номер и напряжение следующего аккумулятора и так пока не будет выдана информация о последнем аккумуляторе.

И, наконец, после нажатия кнопки тестирования происходит определение температуры с помощью датчика температуры DS1820. Программа об опросе датчика предоставлена его изготовителями. Далее происходит поправка номинальных пороговых напряжений (Uпор1 = 12,6; Uпор2 = 13,1; Uпор3 = 13,6; Uпор4 = 14,4;) по температуре. Затем при помощи датчика тока подключенному к АЦП микроконтроллера определяется наличие тока, если есть то система под нагрузкой, если нет то на холостом ходу.

Если система находится на холостом ходу, то происходит измерение напряжение на аккумуляторах. Для этого необходимо подключать аккумуляторы по очереди к датчику напряжения. Для этого используются линии RD0…3 подключенные ко входам A, B, C, EN, соответственно, первого мультиплексора, а так же линии RD4…7 и RC0…2, RB1 подключенные ко второму и третьему мультиплексорам. Устанавливая и очищая биты на этих линиях задается номер аккумулятора. После подключения аккумулятора необходимо сделать паузу равную 1 с, так как время срабатывания реле равно 150 мс и для нормального окончания переходных процессов.

Чтобы обеспечить требуемые значения паузы, необходимой для зарядки конденсатора C_HOLD, а также периода дискретизации аналогового сигнала, перед запуском преобразования необходимо выполнять программные задержки равные 20 мс.

Для начала преобразования устанавливается бит GO в регистре ADCON0. Далее выполняется опрос данного бита для определения окончания преобразования. Результат находящийся в регистре ADRESH копируется в ячейку памяти Ui. Снятие напряжения производится i-ое количество раз для каждого аккумулятора. Затем вычисляется средне арифметическое значение напряжений каждого аккумулятора и записывается в ячейку U.

Далее происходит сравнение U и нуля. Если они равны, подключается следующий аккумулятор и происходит измерение его напряжения. В ином случае происходят сравнения U с пороговыми значениями напряжения. В результате может быть один из вариантов:

- U < Uпор1 – значит, что аккумулятор разряжен;

- Uпор1 < U < Uпор2 – означает, что аккумулятор приближается к порогу разряда;

- Uпор2 < U < Uпор3 – аккумулятор находить в нормальном состоянии;

- Uпор3 < U < Uпор4 – значит, что аккумулятор приближается к порогу перезаряда;

- U > Uпор4 – означает перезаряд аккумулятора.

После сравнения загорается светодиод, соответствующий состоянию аккумулятора и на индикатор выводится напряжение на аккумуляторе.

Далее выполняется чтение даты и времени выполнения теста по интерфейсу I2C и сохраняется в буфере, откуда сразу сохраняются на внешнюю память. Также в память записывается номер проверенного аккумулятора, его напряжение, температура и пороговые значения напряжений с поправкой. Так проверяются все 17 аккумуляторов и программа начинается с начала, опрашивая линии кнопок. Просмотреть результаты тестирования можно нажатием кнопки 2.

В случае работы аккумуляторов на нагрузку с помощью датчика тока определяется значение тока на всей батареи аккумуляторов. Может быть один из трех следующих вариантов:

- I = 1 – 25 А, для этого режима выбирается пороговое напряжение Uпор5 = 10,2 В плюс температурная поправка.

- I = 25 – 50 А, для этого режима выбирается пороговое напряжение Uпор5 = 10,5 В плюс температурная поправка.

- I = 50 – 100 А, для этого режима выбирается пороговое напряжение Uпор5 = 10,8 В плюс температурная поправка.

Затем подключается аккумулятор и измеряется его напряжение так же, как и для режима холостого хода. После вычисления среднего значения напряжения на аккумуляторе оно сравнивается с выбранным пороговым значением. Результат сравнения может иметь одно из двух значений:

- U < Uпор, что означает разряд аккумулятора.

- U > Uпор, значит аккумулятор находиться в рабочем состоянии.

В зависимости от результата сравнения зажигается определенный светодиод. После сохранения информации о тестировании всей батареи программа начинается сначала.

 

 

 

 

 

 

 

4 Экономический расчёт проекта

 

В данном разделе производится экономическое обоснование разработки и изготовления системы диагностики батарей кислотных аккумуляторов. Производится расчёт себестоимости отладочного устройства и расчёт годовых затрат на эксплуатацию. Расчёт экономической эффективности не производится, так как проектируемое устройство не предназначено для реализации и будет использоваться только в исследовательских целях.

 

 

4.1 Расчёт себестоимости аппаратной части устройства

Расчёт себестоимости включает в себя расчёт необходимых затрат, связанных с созданием устройства. Калькуляция включает в себя следующие статьи затрат:

- материалы;

- покупные комплектующие изделия и детали;

- основная и дополнительная плата работников;

- отчисления на социальные нужды;

- затраты на потребление электроэнергии;

- накладные расходы.

Цены на материалы, покупные комплектующие изделия и детали взяты из прайс-листов торговых организаций.

Затраты на основные и вспомогательные материалы определены с учётом транспортно-заготовительных расходов.

 

,                                                                    (14)

 

где С_м – затраты на материалы;

       С_ом – затраты на основные материалы;

       С_ом – затраты на вспомогательные материалы;

       k_тр – коэффициент транспортно-заготовительных расходов.

Стоимость основных материалов C_ом определяется по формуле:

 

                                                                                 (15)

 

где H_i – норма расхода i-го материала на единицу;

       Ц_i – цена единицы i-го материала.

Результаты расчёта стоимости основных материалов, используемых при изготовлении проектируемого макета, представлены в таблице 12.

 

Таблица 12 – Стоимость основных материалов

Наименование материала	Единица Измерения	Количество	Цена, р./ед.	Общая стоимость, р.
Бумага 500л.	шт.	1	130	130
Чернила для струйного принтера	шт.	1	80	80
Текстолит листовой	см2	30х45	0,47	635
Жир паяльный нейтральный	гр.	20	1,25	25
Припой	кг.	0,1	50	50
Итого				920

 

Стоимость вспомогательных материалов принимается равной 10 % от стоимости основных и составит:

 

р.

 

Коэффициент транспортно-заготовительных расходов примем равным 5 %, в итоге:

 

См = (920 + 92) ∙ (1 + 0,05) = 1016,6 р.

 

Затраты на комплектующие изделия рассчитаны, ориентируясь на цены из прайс-листов компаний по продаже изделий электронной техники.

 

,                                                                       (16)

 

где k_i – количество изделий i-го наименования;

       Ц_i – цена i-го изделия.

Все покупные комплектующие изделия и узлы, использованные при изготовлении устройства представлены в таблице 13.

В соответствии с данными таблицы 13 определяется общая стоимость покупных комплектующих изделий С_и.об по формуле:

 

                                                                                        (17)

 

 

 

 

 

Таблица 13 – Покупные комплектующие изделия

Наименование изделия	Количество, шт.	Цена, р/шт.	Общая стоимость, р.
Стабилизатор напряжения KR142EN5A	2	25,5	51
Емкость неполярная 0,47мк 50В	6	5	30
Емкость неполярная 0,1мк 50В	12	6	72
Емкость электролитическая полярная 4.7мкФ 16В	2	6	12
Емкость электролитическая полярная 100мкФ 10В	3	6	18
Резистор 10кОм	10	1	10
Резистор 5.1кОм	24	1	24
Резистор 330 Ом	5	1	5
Диод КД209	2	2	4
Диод 1N4001	24	3	72
Кварц 3,6864 МГц	1	20,15	20,15
Кварц 32,768 Гц	1	13,58	13,58
Транзистор КТ315Г	24	4	96
Микросхема MC74HC4051	3	50	150
Микросхема MAX485	1	28	28
Микросхема MAX7219CNG+	1	190	190
Микросхема DS1307N	1	50	50
Микросхема AT24C02B	1	42	42
Микроконтроллер PIC16F877-04I/P	1	670	670
Датчик температуры DS1820	1	190	190
Светодиодные индикаторы SC10-21SRWA	5	33	165
Панель DIP8	3	2	6
Панель DIP16	3	5	15
Панель DIP24	1	8	8
Панель DIP40	1	10	10
Светодиод	5	5	25
Клемник 1х2	52	4	208
Источник опорного напряжения MCP1541	1	34	34
Реле РЭС 43.РС4.569.203	24	91	2184
Блок питания БПС30СС	1	896,8	896,8
Блок питания БПС30АВ	1	896,8	896,8
Итого			6196,33

 

Стоимость неучтенного оборудования С_Н.ОБ принимается равной 5 % от стоимости учтенного:

 

                                                               (18)

 

Транспортно-заготовительные расходы С_тз.об принимаются равными 5 % от стоимости учтенного и неучтенного оборудования:

 

                                               (19)

 

Полная стоимость покупных комплектующих изделий C_об определяется как сумма стоимости учтенного и неучтенного оборудования с учетом транспортно-заготовительных расходов:

 

                                                                     (20)

 

 

Основная зарплата производственных рабочих определяется по формуле:

 

,                                                 (21)

 

где t – трудоёмкость изготовления устройства;

     ЧТС – часовая тарифная ставка;

       k_пр – процент премии и прочих доплат;

       k_р – районный коэффициент.

Разработку и изготовление аппаратной части отладочного устройства осуществляет инженер-электронщик. Оклад инженера-электронщика составляет 13000 р./мес.

Основные этапы разработки и изготовления приведены в таблице 14.

 

Таблица 14 – Основные этапы разработки

Стадии разработки	Трудоёмкость tи, ч
1	2
Анализ технического задания	2

 

 

Продолжение таблицы 14

1	2
Сбор материала к решению поставленного комплекса задач	10
Анализ существующих решений комплекса задач	18
Выбор методов решений	8
Проектирование основных узлов и блоков	22
Синтез принципиальной схемы	10
Разработка платы устройства	12
Изготовление устройства	16
Комплексная отладка устройства	20
Всего:	118

 

Таким образом, трудоёмкость изготовления устройства инженером-электронщиком (t_и) составила 118 часов.

Часовая тарифная ставка определяется по формуле:

 

,                                                                                            (22)

 

где О_мес – месячный оклад разработчика;

       Ф_мес – фонд времени работ разработчика за месяц.

 

,                                                                                    (23)

 

где Д^мес_р – количество рабочих дней в месяц, Д^мес_р = 22 день;

       t_рд – длительность рабочего дня, t_рд = 8 ч.

 

ч.

 

В итоге:

 

р/ч.

 

Приняв коэффициент премий и прочих доплат равным k_пр=30 %, а районный коэффициент k_р=15 %, получим:

 

р.

 

Дополнительная заработная плата определяется по формуле:

 

,                                                                                       (24)

 

где k_доп – коэффициент дополнительной з/п, равный 10 %.

 

р.

 

Отчисления на социальные нужды (в пенсионный фонд, в фонд социального страхования, в фонд медицинского страхования, на социальное страхование от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний) определяются по формуле:

 

,                                                                            (25)

 

где k_сн – коэффициент отчислений на социальные нужды, равный 26,8 %.

 

р.

 

Фактический фонд времени работы оборудования для изготовления и отладки изделия – 40 ч.

Затраты на потребление электроэнергии оборудованием для изготовления изделия вычисляются по формуле:

 

,                                                                                     (26)

 

где Р_ОБ – суммарная мощность оборудования для пайки, кВт;

       Ф_ОБ – фактический фонд времени работы оборудования, ч;

       Ц эл – тариф на электроэнергию, р.

 

р.

 

Накладные расходы вычисляются по формуле:

 

,                                                                            (27)

где k_н – коэффициент накладных расходов, равный 15 %.

 

р.

 

Себестоимость разработки и изготовления аппаратной части определяется по формуле:

 

р.

 

 

4.2 Расчёт себестоимости программного обеспечения

 

Программное обеспечение устройства разрабатывается одним программистом и представляет собой набор тестовых подпрограмм для “прошивки” микроконтроллера.

Трудоёмкость создания программного обеспечения сведена в таблицу 15.

 

Таблица 15 – Трудоёмкость создания программного обеспечения.

Стадия разработки	Трудоёмкость tп,ч
Описание задач	4
Разработка алгоритма решения	8
Разработка блок-схем алгоритмов	12
Составление программы	17
Отладка программы	15
Подготовка документации	8
Всего:	64

 

Затраты на создание программного обеспечения определяются по формуле:

 

,                                                                      (28)

 

где С^осн_зп – затраты на основную з/п разработчика;

       С^доп_зп – затраты на дополнительную з/п разработчика;

       З^сн_зп – затраты на социальные нужды;

     З_мв – затраты на оплату машинного времени;

     З_нр – накладные затраты.

Основная зарплата определяется по формуле:

                                                                    (29)

 

где t_п – трудоёмкость создания программного обеспечения;

       С_час – среднечасовая оплата труда разработчика.

 

Среднечасовая оплата труда разработчика определяется по формуле:

 

,                                                                                             (30)

 

где О_мес – месячный оклад разработчика (примем 7500 р./мес.);

       Ф_мес – фонд времени работ разработчика за месяц.

 

,                                                                                      (31)

 

где Д^мес_р – количество рабочих дней в месяц;

       t_рд – длительность рабочего дня.

 

ч,

 

 

Основная заработная плата определяется по формуле:

 

р.

 

Дополнительная заработная плата определяется по формуле:

 

,                                                                                       (32)

 

где k_доп – коэффициент дополнительной зарплаты, равный 10 %.

 

р.

 

Отчисления на социальные нужды определяются по формуле:

,

 

где k_сн – коэффициент отчислений на социальные нужды, равный 26,8 %.

 

р.

 

Затраты на оплату машинного времени определяются по формуле:

 

,                                                                  (33)

 

где t_п – затраты на составление программы по готовой блок-схеме;

       t_оmл – затраты труда на отладку программы;

       t_д – затраты труда на подготовку документации;

       С^маш_час – стоимость машино-часа арендуемого времени.

Стоимость машино-часа арендуемого времени определяется по формуле:

 

,                                                                                             (34)

 

где З_эвм – полные затраты на эксплуатацию ЭВМ в течение года;

       Ф_эвм – фонд времени работы ЭВМ за год.

 

,                                                                    (35)

 

где h – количество смен, примем равным 2;

       Д_р – количество рабочих дней в году, равное 250;

       α – процент потерь времени на ремонтно-профилактические работы (5 %);

 

.

 

,                                             (36)

 

где З^обсл_зп – затраты на зарплату обслуживающего персонала;

       З_ам – затраты на амортизацию оборудования;

      З_эл – затраты на потребление электроэнергии за год;

       З_вм – затраты на вспомогательные материалы;

       З_mр – затраты на текущий ремонт;

       З_пр – прочие затраты.

 

Затраты на зарплату обслуживающего персонала определяются по формуле:

 

,        (37)

 

где О_месi – месячный оклад i-ой категории персонала;

       Ч_i – численность персонала i-ой категории;

       N_м – количество машин в компьютерном зале.

Компьютерный зал содержит 10 компьютеров, обслуживается одним лаборантом с окладом 1050 р.

 

р.

 

Затраты на амортизацию определяются по формуле:

 

,                                                                                        (38)

 

где С_бал – балансовая стоимость компьютера;

       Н_ам – норма амортизации.

 

,                                                                  (39)

 

где Ц – цена компьютера;

       k^обор_mр – коэффициент, учитывающий затраты на транспортировку оборудования;

       k_ум – коэффициент учитывающий установку и монтаж оборудования.

 

Примем, что цена компьютера составляет 16 тыс. рублей и срок его службы – 8 лет.

 

%,                                                                                         (40)

 

где Т_сл – срок службы (принят равным 8 лет).

 

.

 

В итоге, затраты на амортизацию составят:

 

р.

Затраты на потребление электроэнергии за год определяются по формуле:

 

,                                                                  (41)

 

где Р_эвм – суммарная мощность персонального компьютера;

       Ц_эл – тариф на электроэнергию;

       k_им – коэффициент интенсивности использования по мощности, равный 0,98.

С учётом того, что суммарная мощность персонального компьютера (системный блок и периферийное оборудование) составит 0,5 кВт и тариф на электроэнергию из расчёта 2,35 р./кВтч, получим:

 

р.

 

Затраты на текущий ремонт определяются по формуле:

 

,                                                                                  (42)

 

где k_mр – коэффициент учитывающий затраты на текущий ремонт, равный 4 %.

 

р.

 

,                                                                                      (43)

где k_вм – коэффициент затрат на вспомогательные материалы, равный 10 %.

 

р.

 

,                                                                                      (44)

 

где k_пр – коэффициент прочих затрат, равный 7 %.

 

р.

 

В итоге, полные затраты на эксплуатацию ЭВМ составят:

 

р.

 

Стоимость машино-часа арендуемого времени составит:

 

р/ч.

 

Затраты на оплату машинного времени составят:

 

р.

 

Накладные расходы определяются по формуле:

 

                                                                           (45)

 

где k_нр – коэффициент накладных расходов.

 

р.

 

В итоге себестоимость программного обеспечения составит:

 

р.

 

Так как проектируемое устройство не предназначено для реализации и будет использоваться только в измерительной лаборатории, то его цена не рассчитывается.

 

 

4.3 Расчёт капиталовложений потребителя

 

В сфере эксплуатации нового устройства в состав капитальных вложений потребителя включаются все единовременные затраты, которые должен нести потребитель в связи с переходом к эксплуатации нового устройства. В данном случае общие капиталовложения потребителя будут складываться из полной себестоимости устройства, затрат на установку и монтаж, и затрат на доставку:

 

,                                                                         (46)

 

где З_ум – затраты на установку и монтаж, р.;

       З_д – затраты на доставку, р./шт. (принимаются в размере 2-4 % от полной стоимости).

Полная себестоимость разработанного и изготовленного устройства равна:

 

,                                                                       (47)

 

р.

 

,                                                                                            (48)

 

где К_ум – норматив затрат на установку и монтаж, равный 1 %.

 

р.

 

р.

 

4.4 Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя

 

Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя производится путём прямого счёта по формуле:

 

И = И_обс + И_эл + И_рем ,                                                                         (49)

 

где И_обс – заработная плата обслуживающего персонала, р.;

       И_эл – издержки на электроэнергию, р.;

       И_рем – издержки на ремонт, р.

Зарплата обслуживающего персонала (лаборанта) рассчитывается по формуле:

 

,                                          (50)

 

где З_{л мес} – месячная заработная плата;

       Т_см – длительность смены, ч.;

       Д_{р м} – количество рабочих дней в месяце;

       Т_обс – время, затрачиваемое на обслуживание, ч;

       К_{з доп} – процент дополнительной заработной платы;

         К_сн – норматив отчислений на социальные нужды;

         К_р – районный коэффициент.

Затраты на заработную плату лаборанта составят:

 

р/год.

 

Издержки на электроэнергию:

 

И_эл = М_потр∙Т_у∙Ц_эл,                                                                              (51)

 

где М_потр – потребляемая мощность устройства и ПК - 0.75 кВт;

     Т_у – действительный фонд времени работы устройства, равный 160ч;

       Ц_эл – стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, р.

 

р/год.

 

Издержки на ремонт определяются по формуле:

 

,                                                                                          (52)

 

где К_рем – норматив затрат на ремонт, равный 4 % от общих капиталовложений:

 

р.

 

Общие годовые эксплуатационные издержки потребителя составят:

р.

 

 

4.5 Расчёт годовых приведённых затрат потребителя

 

Годовые приведённые затраты потребителя рассчитываются по формуле:

 

,                                                                                             (53)

 

где: И – годовые эксплуатационные издержки потребителя, р.;

       Е_н – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 15 %;

       К – капиталовложения потребителя, р.

 

р.

 

В таблице 16 представлены экономические показатели проекта.

 

Таблица 16 – Экономические показатели проекта

Наименование статьи затрат	Сумма, р.
1	2
1.Материалы	920
2.Покупные комплектующие изделия	6196,33
3.Заработная плата, в том числе: а) основная б) дополнительная	18804,5 17095 1709,5
4.Отчисления на социальные нужды	5039,6
5.Затраты на потребление электроэнергии	56,4
6.Накладные расходы	2615,13
7.Себестоимость аппаратной части	28058,47
8.Себестоимость ПО	6266,38
9.Полная себестоимость устройства	34324,85
10.Годовые эксплуатационные издержки, в том числе: а) заработная плата с отчислениями б) затраты на электроэнергию в) затраты на ремонт	5312,12   3602,22 282 1427,9
11.Годовые приведенные затраты	10174,8

 

Вывод: В этом разделе произведён расчёт себестоимости системы диагностики батарей кислотных аккумуляторов и расчёт годовых затрат на эксплуатацию. Расчёт экономической эффективности не производится, так как проектируемое устройство не предназначено для реализации и будет использоваться только в исследовательских целях.

 

 

 

 

5 Безопасность труда

 

 

5.1 Анализ и обеспечение безопасности труда

 

 

Лаборатория “Промышленной электроники и информационно измерительной техники” университета оснащена 8 ПЭВМ типа “IBM PC”. Питание лабораторного оборудования производится от сети напряжения 220 В. Электропитание и заземление выполнены по правилам ПУЭ. Схема электроснабжения лаборатории представлена на рисунке 30.

 

 

1 – стол;

2 – стол с ПЭВМ;

З – дверь входная;

4 – окно;

5 – розетка;

 

Рисунок 30 – Схема электроснабжения лаборатории

 

Одним из важнейших элементов условий труда является освещение. Правильно выполненная система освещения играет существенную роль в снижении производственного травматизма, уменьшая потенциальную опасность работы, многих производственных факторов, создает нормальные условия работы, повышает общую работоспособность. По данным НИИ труда, увеличение освещенности от 100 до 1000 лк при напряженной зрительной работе способствует повышению производительности на 10—20 %, уменьшению брака на 20 %, снижению количества несчастных случаев на 30 %. Недостаточное освещение может привести к профессиональным заболеваниям, например, таким, как прогрессирующая близорукость. Освещение на рабочем месте инженера должно быть таким, чтобы он мог без напряжения зрения выполнять свою работу. Утомляемость органов зрения зависит от ряда причин:

- недостаточность освещенности;

- чрезмерная освещенность;

- неправильное направление света.

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профессиональным заболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности.

Освещенность на поверхности стола должна быть 300-500 лк, а она составляет около 150 лк, что не удовлетворяет нормам по СНиП 23-05-95.

Искусственное освещение выполняется посредством электрических источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп. Люминесцентные лампы, по сравнению с лампами накаливания имеют существенные преимущества:

- по спектральному составу света они близки к дневному, естественному освещению;

- обладают более высоким КПД (в 1.5-2 раза выше, чем КПД ламп накаливания).

В лаборатории используется искусственное и естественное освещение. Естественное освещение осуществляется через светопроемы, ориентированные преимущественно на запад и обеспечивает коэффициент естественной освещённости (КЕО) не ниже 1.2. Фактическое значение КЕО равно 0.8 %. В качестве источников света при искусственном освещении применяются люминесцентные лампы типа ЛБ. Яркость на рабочей поверхности и в пределах окружающего пространства должна распределяться по возможности равномерно, так как при переводе взгляда с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность и наоборот глаз должен адаптироваться, что вызывает его утомление. Равномерному распределению яркости способствует светлая окраска потолка, стен, оборудования. На уровень освещенности лаборатории оказывает влияние цветовая отделка интерьера и оборудования, их отражающая способность. В учебной лаборатории стены имеют бежевый цвет от пола до 2/3 высоты стены, остальная часть стеновых панелей от потолка до 1/3 высоты от потолка выкрашены побелкой, столы имеют цвет натуральной древесины. Это удовлетворяет СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Аппаратура (мониторы, системные блоки, клавиатуры, манипуляторы типа "мышь") имеет светло-серый цвет.

Поверхность пола в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ ровная, без выбоин, нескользкая, удобная для очистки и влажной уборки, обладает антистатическими свойствами. Разница (называемая отношением яркости) между рабочим местом и примыкающей площадью не превышает соотношение 3:1. Коэффициенты отношения поверхностей следующие:

- для потолка - 80 - 95 %;

- для стен - 50 - 60 %;

- для мебели и машин - 25 - 45 %;

- для пола - 25 - 45 % .

Монитор фирмы LG Studioworks марки 520 Si с размером диагонали 15 дюймов соответствует жесткому стандарту MPR-2, его дизайн и совокупность эргономических параметров обеспечивают надежное и комфортное считывание отображаемой информации в условиях эксплуатации. Конструкция данного монитора обеспечивает возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости в пределах ±30 градусов. Корпус монитора матовый, изготовлен из пластмассы кремового цвета, рассеивающий свет (коэффициент отражения 0.42, а согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 должен быть 0.4¸0.6), на нем нет блестящих деталей, которые создавали бы блики. Монитор имеет кнопки регулировки яркости, контрастности, а также, растяжки по горизонтали и вертикали, смещения изображения влево или вправо, вверх или вниз. Монитор имеет антибликовое и антирадиационное покрытие, кроме того, на мониторе присутствует приэкранный фильтр, сглаживающий мерцание экрана, повышающий четкость и контрастность изображения, ослабляющий электромагнитное поле монитора, снимающий статическое электричество и отвечающий параметрам высшей группы износостойкости покрытий. Все это снижает мощность экспозиционного рентгеновского излучения до 50 мкР/час (согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 и ГОСТ 12.2.006-87 должно быть не более 100 мкР/час).

Таким образом, имеющиеся ВДТ и ПЭВМ удовлетворяют требования СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

Напряженность электромагнитного поля на рабочих местах соответствует нормам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.

Неправильное цветовое и архитектурное решение интерьера вызывают отрицательные эмоции. Наконец, наличие опасностей, когда у человека нет уверенности в обеспечении безопасности во время работы, отвлекает, нервирует и утомляет. Несоблюдение правил организации труда приводит к преждевременному утомлению из-за перенапряжения отдельных органов, нерационального чередования движений, монотонности выполняемой работы.

В современных ЭВМ очень высокая плотность размещения элементов электронных схем. В непосредственной близости друг от друга располагаются соединительные провода, коммутационные кабели. При протекании по ним электрического тока выделяется значительное количество теплоты. При этом возможно плавление изоляции, соединительных проводов и оголение и, как следствие, короткое замыкание, которое может привести к воспламенению. Для ликвидации пожаров в начальной стадии и своевременной эвакуации людей в учебной лаборатории предусмотрены следующие меры:

- наличие первичных средств тушения пожара (огнетушитель ОУ-5);

- наличие устройств пожарной автоматики (извещатель дымовой ИП-212);

- наличие плана эвакуации.

Категория по взрывопожарной и пожарной опасности лаборатории университета по НПБ 105-95: В-3. Степень огнестойкости здания - II.

Важным фактором нормального высокопроизводительного труда являются метеорологические условия в производственном помещении. При измерениях температуры, относительной влажности воздуха в помещениях, где установлены компьютеры, оргтехника, получились такие результаты. Температура в тёплый период года колеблется от 21 до 25 °С, в холодный период года от 21 до 23 °С. На организм человека и работу оборудования большое влияние оказывает относительная влажность воздуха. При влажности воздуха до 40 % повышается износ магнитных головок на гибких накопителях, выходит из строя изоляция проводов, а также возникает статическое электричество при движении носителей информации в ЭВМ. Относительная влажность в лаборатории колеблется от 41 % до 62 % в тёплый период года. Эти параметры температуры и влажности удовлетворяют нормам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 и находятся в допустимых пределах.

При работе персонального компьютера не выделяются пыль и едкие вещества, которые являются причиной различных заболеваний.

В основе шума и вибрации лежит одно физическое явление - механические колебания, создаваемые при работе машин и механизмов из-за неуравновешенности вращающихся частей, трения и соударения деталей и т.п. Практически всё технологическое оборудование является источником шума и вибрации различной интенсивности. Шум и вибрация являются раздражителями общебиологического действия, вызывающими общее заболевание организма человека. Длительное воздействие шума не только снижает остроту слуха, но расшатывает периферическую и центральную нервные системы и нарушает деятельность сердечно-сосудистой системы, обостряет другие, казалось бы, совсем не связанные со слуховым аппаратом заболевания, такие, как ухудшение зрения, нарушение нормальной функции желудка, координации движения, изменение кровяного давления и т. п.

Аналогичные функциональные расстройства вызывает вибрация. Они, прежде всего, проявляются в изменениях в периферической и центральной нервных системах, сердечно-сосудистой системе и опорно-двигательном аппарате. Их тяжелые и необратимые изменения, вызванные длительным воздействием вибраций, превышающих допустимые уровни, являются признаком виброболезни, запущенные тяжелые формы которой ведут к частичной или полной потере трудоспособности. Вредное влияние шума и вибрации требует принятия действенных мер по их устранению или резкому снижению. Нормативным документом в области вибрации является СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация на рабочих местах и в помещениях жилых и общественных зданий». Нормативным документом в области шума является СН 2.2.4/2.1.8.562-96. «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки». Лаборатория университета не граничит с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума, нет источников с повышенными уровнями шума и вибрации.

Здание оборудовано защитой от молний, также имеется надёжное заземление для агрегатов, питающихся от сети, напряжением 380 В. Персональный компьютер, входящий в состав разрабатываемого устройства, также питается от заземлённой сети 220 В. Таким образом, при соблюдении установленных правил работы с персональным компьютером, эксплуатация его не будет представлять опасность для здоровья человека.

 

 

5.1.1 Мероприятия по улучшению условий труда

 

Для равномерного распределения света в помещении рекомендуется использовать полукосвенный или прямокосвенный тип освещения. Источники искусственного света должны обязательно располагаться в осветительной арматуре. Их совокупности называют светильником. Светильники обеспечивают требуемое направление светового потока на рабочие поверхности, защиту глаз от слепящего действия ламп, их предохранение от загрязнения, механических повреждений и неблагоприятного воздействия внешней среды. От слепящего действия солнечных лучей используют жалюзи, солнцезащитные козырьки, устанавливаемые в световых проемах.

Неудобное сидячее положение, дискомфорт от сидячей работы с дисплеями можно уменьшить следующими методами:

- приспособлением расстояния между глазами и дисплеем и расположения дисплея к конкретному работнику;

- регулировкой общего освещения на рабочем месте до достижения нужного качества;

- обеспечением таких условий, в которых работники могли бы отдыхать, чтобы снять усталость глаз;

- обеспечением регулировки высоты рабочего стула до нужного уровня и удобства сидения.

Для поддержания температуры воздуха в пределах 21-24 °С в теплый период рекомендуется установить кондиционеры. Для холодного периода для поддержания температуры воздуха не ниже 21 °С установить требуемые отопительные системы. Для повышения влажности воздуха, если это необходимо, в помещениях с ВДТ и ПЭВМ применяются увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной питьевой водой. Основными профилактическими мероприятиями, обеспечивающими метеорологические условия и чистоту воздуха, являются правильно организованные вентиляционные системы.

Для предупреждения развития переутомления обязательными условиями являются:

- осуществление перерыва после каждого часа работы длительностью не более 15 минут, независимо от рабочего процесса;

- проведение во время перерыва проветривания помещения;

- осуществление во время перерыва физкультурной паузы в течение 3-4 минут;

- через каждые 20-25 минут работы на видеотерминале осуществлять упражнения для глаз.

Все стулья, не удовлетворяющие требованиям, должны быть заменены на стулья с характеристиками:

- ширина и глубина поверхности сиденья не менее 400 мм;

- поверхность сиденья с закругленным передним краем;

- угол наклона спинки в вертикальной плоскости в пределах ±30 градусов;

- регулировка расстояния спинки от переднего края сиденья в пределах 260-400 мм.

Для снижения пыли в диспетчерской предусмотрены следующие рекомендации:

- не входить в помещение в уличной обуви;

- ежедневно проводить влажную уборку и проветривание помещения.

Основным профилактическим мероприятием, обеспечивающим оптимальные параметры микроклимата и чистоту воздуха, являются правильно организованные вентиляционные системы.

Во избежание поражения электрическим током или статическим разрядом от электрооборудования, ПЭВМ необходимо провести следующие мероприятия:

- заземлить устанавливаемое оборудование, работающее от сети;

- установить в помещении розетки, отвечающие общепринятым нормам;

- вовремя проводить технический осмотр и обслуживание оборудования;

- использовать спецодежду, не накапливающую статический заряд.

Электромагнитные поля вызваны насыщенностью электроизмерительными приборами, ЭВМ, особенно приборами, работающими на высокой частоте. Для уменьшения влияния электромагнитных полей применяют следующие защитные меры: экранизация ВЧ частей и блоков; использование ВЧ переходных фидеров и разъемов.

Электроопасность вызвана использованием большого количества электроустановок. Применяют следующие защитные меры: использование пониженного напряжения 12 В, 36 В, и 42 В, применение автоматических выключателей при коротком замыкании, изоляция всех токоведущих частей, все инструменты снабжены электроизоляционными ручками (двойная изоляция), корпуса всех электроустановок качественно заземлены на общую шину заземления.

 

 

5.2 Расчет искусственного освещения

 

Работа, выполняемая с использованием вычислительной техники, имеет следующие недостатки:

- вероятность появления прямой блескости;

- ухудшенная контрастность между изображением и фоном;

- отражение экрана.

Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа составляет около 150 лк, что не удовлетворяет нормам по СНиП 23-05-95 ”Естественное и искусственное освещение”. Поэтому необходимо рассчитать соответствующее количество осветительных приборов для достижения требуемых характеристик.

Далее будет произведен расчет искусственного освещения.

Искусственное освещение выполняется посредством электрических источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп. Будем использовать люминесцентные лампы, которые по сравнению с лампами накаливания имеют существенные преимущества:

- по спектральному составу света они близки к дневному, естественному освещению;

- обладают более высоким КПД (в 1,5-2 раза выше, чем КПД ламп накаливания);

- обладают повышенной светоотдачей (в 3-4 раза выше, чем у ламп накаливания);

- имеют более длительный срок службы.

Размещение светильников определяется следующими размерами:

-Н = 3 м - высота помещения

- = 0,25 м - расстояние светильников от перекрытия

- = H - hc = 3 - 0,25 = 2,75 м - высота светильников над полом

- = высота расчетной поверхности = 0,7 м (для помещений, связанных с работой ПЭВМ);

= -= 2,75 - 0,7 = 2,05 м - расчетная высота подвеса светильников.

Используем светильники типа ЛДР (2х40 Вт). Длина 1,24 м, ширина 0,27 м, высота 0,10 м.

L - расстояние между соседними светильниками (рядами люминесцентных светильников), (по длине помещения) = 1,76 м, (по ширине помещения) = 3 м.

l - расстояние от крайних светильников или рядов светильников до стены, l = 0,3 - 0,5L.

= 0,5La, = 0,3Lв

= 0,88 м, = 0,73 м.

Светильники с люминесцентными лампами в помещениях для работы рекомендуют устанавливать рядами.

Для случая отсутствия естественного освещения произведём расчёт искусственного освещения. Расчёт освещения производится для комнаты ширина которой 5 м, а длина 6 м. Воспользуемся методом светового потока.

Определим световой поток, падающий на поверхность по формуле:

 

h,                                                                                 (54)

 

где Е - заданная минимальная освещенность = 300 лк, т.к. разряд зрительных работ = 3

       k - коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока лампы в результате загрязнения светильников в процессе эксплуатации (его значение определяется по таблице коэффициентов запаса для различных помещений), k = 1,3;

       S - освещаемая площадь = 30 м².

       z - характеризует неравномерное освещение, z = / - зависит от отношения l = L/h , la = /h = 0,6, lв = /h = 1,5. Т.к. l превышают допустимых значений, то z=1,1 (для люминесцентных ламп).

       n - количество ламп в светильнике.

      h - коэффициент использования светового потока. Для его нахождения находим индекс помещения i и предположительно оцениваются коэффициенты отражения поверхностей помещения:

       потолка -   = 70 %, стен - = 50 %, пола - = 30 %.

 

Индекс помещения находится по формуле:

 

,                                                                                        (55)

 

где h - расчетная высота подвеса светильника, м;

     А - ширина помещения, м;

     В - длина помещения, м.

 

Подставив значения, получим:

 

.                                                      

 

Зная индекс помещения , и , по таблице коэффициентов использования различных светильников находим η; (η = 30 %).

Подставим все значения в формулу для определения светового потока:

 

лм.

 

Для освещения выбираем люминесцентные лампы типа ЛБ40-1, световой поток которых Ф_л = 4320 лм.

Рассчитываем необходимое количество светильников по формуле:

 

N = Ф/Ф_л,                                                                                            (56)

 

где N – определяемое число светильников;

     Ф – световой поток, Ф = 21450 лм;

     Ф_л – световой поток лампы, Ф_л = 4320 лм.

 

N = 21450/4320 = 4,97.

 

Итак, для освещения помещения требуется 5 светильников с лампами типа ЛБ40-1.

Схема расположения светильников представлена на рисунке 31.

 

Рисунок 31 - Схема расположения светильников

 

 

5.3 Возможные чрезвычайные ситуации

 

Чрезвычайная ситуация (ЧС) – состояние объекта, территории или акватории, как правило, после чрезвычайного происшествия, при котором возникла угроза жизни и здоровья людей, наносится материальный ущерб населению и экономике, деградирует природная среда. Чрезвычайные ситуации возникают при стихийных явлениях и при техногенных авариях.

Чрезвычайные ситуации классифицируют по природе возникновения на:

- естественные (возникают при изменении погодных условий, а также от стихийных явлений, происходящих в биосфере – наводнения, землетрясения);          

- техногенные (опасности, которые создаются элементами техносферы – машинами, сооружениями);

- антропогенные (связаны с действием человеческого фактора).

ЧС классифицируются по масштабам распространения последствий на:

- локальные (пострадало не более 10 человек);

- местные (пострадало 10-50 человек);

- территориальные (пострадало 50-500 человек);

- федеральные (пострадало свыше 500 человек).

ЧС классифицируются по причине возникновения на:

- преднамеренные;

- непреднамеренные (стихийные).

ЧС классифицируется по скорости развития на:

- внезапные;

- скоротечные;

- плавные.

Основными причинами крупных техногенных аварий являются:

- отказы технических систем из-за дефектов изготовления и нарушения режимов эксплуатации;

- ошибочные действия операторов технических систем;

- концентрация различных производств в промышленных зонах без должного изучения их взаимовлияния;

- высокий энергетический уровень технических систем;

- влияние внешних негативных воздействий.

Закон “О промышленной безопасности и опасных производственных объектах” (1997) вводит понятие “опасный производственный объект”. К опасным отнесены объекты, на которых осуществляется использование:

- токсичных веществ с уровнем средней смертельной концентрации в воздухе менее 0,5 мг/л;

- оборудования, работающего с высоким избыточным давлением;

- взрывчатых и горючих веществ;

- веществ, образующих с воздухом взрывоопасные смеси и другие объекты.

К опасным объектам, находящимся на расстоянии не более трех километров от “Актюбинского завода химических соединений”, относятся:

1) железнодорожные пути на расстоянии двести метров. В сутки по             железнодорожным путям проходит 6-7 грузовых поездов с АХОВ;

2) автомобильная заправочная станция находится на расстоянии 1 км. На ее территории расположены цистерны с бензином;

3) склад по хранению хлора находится на расстоянии 300 метров.

 

 

5.3.1 Расчет параметров зоны заражения и времени подхода переднего фронта отравляющего облака к заводу в результате аварийного выброса АХОВ со склада по хранению хлора

 

В народном хозяйстве производятся, хранятся и транспортируются значительные количества химических соединений, многие из которых обладают высокой токсичностью и способны, при определенных условиях, вызывать массовые отравления людей, животных, а также заражать окружающую среду. Такие вещества называют активными химически опасными веществами (АХОВ).

Производство, транспортировка и хранение АХОВ регламентируется специальными правилами технологии, техники безопасности контроля за их применением. Однако, при крупных промышленных авариях, катастрофах, крушениях и на транспорте, при стихийных бедствиях, пожарах и других экстремальных ситуациях могут возникнуть разрушения производственных зданий, складов, емкостей технологических линии и т.п., в результате чего большие количества АХОВ могут попасть в атмосферу или растечься по поверхности земли с последующим распространением их паров на территории населенных пунктов, вследствие чего среди населения возникают массовые поражения.

Территория, подвергшаяся заражению АХОВ, называется зоной химического заражения, зона химического заражения включает территорию, подвергнутую непосредственному воздействию АХОВ, и территорию, над которой распространилось облако, зараженное АХОВ в поражающих концентрациях. В зоне химического заражения АХОВ могут находиться в газообразном, капельно-жидком, парообразном, аэрозольном состояниях.

Зона химического заражения характеризуется глубиной и шириной распространения зараженного облака.

Зона химического заражения АХОВ отличается большой подвижностью границ; концентрация АХОВ в зараженном облаке подвержена постоянным изменениям.

На складе по хранению хлора произошел сбой в оборудовании и в результате произошел выброс хлора в окружающую среду.

При нормальных условиях хлор- газ желто-зеленого цвета с резким раздражающим запахом. При обычном давлении затвердевает при температуре – 101 °С и сжижается при температуре минус 34 °С. Плотность газообразного хлора примерно в 2,5 раза больше плотности воздуха, вследствие чего хлор стелиться по земле, скапливается в низинах, подвалах, колодцах, тоннелях, по берегам рек, озер.

Используется он в производстве хлорорганических соединений, применяется для отбеливания тканей и бумажной массы, обеззараживания питьевой воды, как дезинфицирующее средство и в других отраслях промышленности.

ПДК хлора в атмосферном воздухе следующие:

- среднесуточная концентрация вещества в атмосфере населенных мест – 0,03 мг/м³;

- предельно-допустимая максимальная разовая концентрация вещества в атмосфере населенных мест – 0,1 мг/м³;

- ориентировочный безопасный уровень воздействия вещества в воздухе рабочей зоны - 1 мг/м³.

Различают три степени вертикальной устойчивости атмосферы:

Инверсия – приземный слой самый холодный, концентрация АХОВ высокая, самая большая глубина распространения зараженного воздуха.

Изотермия характеризуется стабильным равновесием воздуха, температура воздуха на высотах до 20 – 30 метров от поверхности земли постоянная, вертикальных потоков нет, толщина слоя зараженного воздуха большая, глубина распространения воздуха меньше, чем при инверсии.

Конвекция – приземный слой воздуха самый теплый, возникают восходящие потоки воздуха, которые рассеивают зараженное облако, глубина распространения зараженного воздуха гораздо меньше, чем при изометрии и инверсии.

Необходимо учесть что:

- скорость ветра – 3,6 км/ч;

- количество хлора 25 т;

-расчет производится для трех степеней вертикальной устойчивости атмосферы: инверсии, изотермии, конвекции.

Найдем глубину распространения облака зараженного воздуха

 

Таблица 17 – Глубина распространения облака зараженного воздуха с поражающими концентрациями АХОВ на открытой местности, км

Наименование АХОВ хлор	Кол-во АХОВ на объекте 25
	При инверсии 80
	При изотермии 11,5
	При конвекции 1,96

 

Из таблицы мы видим, что:

- глубина зоны заражения при инверсии – 80 км;

- глубина зоны заражения при изотермии – 11,5 км;

- глубина зоны заражения при конвекции – 1,96 км.

Найдем ширину распространения зараженного воздуха

Ширина (Ш) зоны химического заражения зависит от степени вертикальной устойчивости воздуха и определяется по следующим соотношениям:

- ширина зоны заражения при инверсии - 0,03Г;    

- ширина зоны заражения при изотермии - 0,15Г;    

- ширина зоны заражения при конвекции - 0,8Г.      

Г – глубина распространения зараженного воздуха с поражающей концентрацией в км.

- Ш= км при инверсии

- Ш= км при изотермии

- Ш= км при конвекции

Определим площадь зоны заражения.

 

Таблица 18 – Площади зон химического заражения АХОВ в зависимости от глубины распространения зараженного воздуха (ЗВ)

	Глубина распространения ЗВ, км	Площадь зоны Sз, км2
Инверсия	80	96
Изотермия	11,5	7,5
Конвекция	1,96	1,6

 

Из таблицы видно что:

- площадь зоны заражения при инверсии - 96 км²;

- площадь зоны заражения при изотермии – 7,5 км²;

- площадь зоны заражения при конвекции – 1,6 км².

Определение времени подхода облака зараженного воздуха к объекту.

Время подхода облака АХОВ к объекту зависит от скорости переноса облака воздушными потоками и определяется по формуле:

 

t = X/V,                                                                                               (57)

 

где X – расстояние от источника заражения до объекта (0,03 км);

     V – скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха, км/ч.

При скорости ветра 3,6 км/ч:

- скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха при инверсии (V₁) - 5 км/ч;

- скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха при изотермии (V₂) - 6 км/ч;

- скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха при конвекции(V₃) - 7 км/ч.

Время подхода облака АХОВ к объекту при инверсии равно:

 

t₁ = 0,03/5 = 0,006 ч.

 

Время подхода облака АХОВ к объекту при изотермии равно:

 

t₂ = 0,03/6 = 0,005 ч.

Время подхода облака АХОВ к объекту при конвекции равно:

 

t₃ = 0,03/7 = 0,004 ч.

 

Локализация зоны химического заражения на пути распространения ядовитого облака производится водяной завесой с помощью пожарных машин. Личный состав одевает средства индивидуальной защиты.

Вылившиеся АХОВ засыпают слоем сыпучих материалов:

- землей;

- песком;

- шлаком

Причем слой должен быть 15-25 см.

В дальнейшем этот материал собирают в специальные емкости и вывозят в специальные места – площадки обеззараживать.

Грунт, зараженный горючим АХОВ, заливают керосином и выжигают. Такие работы проводят и нейтрализующими растворами.

Первая медицинская помощь в очаге поражения, осуществляемая в порядке само- и взаимопомощи:

- промыть глаза водой, лучше 2 % раствором питьевой соды;

- надеть противогаз или ватно-марлевую повязку, смоченную 2 % раствором питьевой соды;

- обработать пораженные участки кожи мыльным раствором;

- немедленно покинуть очаг поражения, лучше транспортными средствами.

 

 

 

 

Заключение

 

В результате проектирования разработана техническая документация на устройство диагностирования кислотных аккумуляторов входящих в состав блока бесперебойного питания. При этом были реализованы все технические условия и параметры технического задания на проект. Устройство позволяет обеспечивать высокую оперативность и точность в поиске неисправных аккумуляторов, что является основным показателем качества подобных устройств и систем диагностирования.

Спроектированное устройство по сравнению с аналогами является наиболее экономически выгодным, что показывают экономические расчеты, приведенные в пояснительной записке к проекту.

Устройство диагностирования разработано на основе микроконтроллера PIC16F877 и позволяет многократно перепрограммировать алгоритмы диагностирования.

 

 

Список использованных источников

 

1 Инструкция по эксплуатации стационарных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в составе ЭПУ на объектах ВСС России: утв. Госкомсвязи России 13.05.98: ввод в действие с 13.05.98. – М.: ЛОНИИС, 1998. – 64 с.

2 Булатов В.Н. Элементы и узлы информационных и управляющих систем (Основы теории и синтеза): Учебное пособие/В.Н.Булатов. – Оренбург: ГОУ ВПО ОГУ, 2003. – 200с.

3 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие/В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. – 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.

4 Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства: Учебник для вузов/Ю.А.Быстров, И.Г.Мироненко. – СПб.: Энергоатомиздат, 1999. – 512 с.

5 Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учебное пособие/А.Г.Алексенко, И.И.Шагурин. – 2-е изд. – М.: Радио и связь, 1990. – 496 с.

6 Хлуденев А.В. Автоматизированное проектирование электронных устройств[Текст]: Методические указания/А.В.Хлуденев. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 1999. – 30 с.

7 Васильев В.И., Гусев Ю.М., Миронов В.Н. Электронные промышленные устройства: Учебник для вузов/В.И.Васильев, Ю.М.Гусев, В.Н.Миронов. – М.: Высшая школа, 1988. – 303 с.

8 Ефремов И.В., Янчук Е.Л., Быкова Л.А. Расчет естественного и искусственного освещения: Методические указания к практическим занятиям/В.И.Ефремов, Е.Л.Янчук, Л.А.Быкова. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. – 38с.

9 Коваленко О.В. Курс лекций по дисциплине “Экономика и менеджмент”.

10 Булатов В.Н., Даминов Д.А. Основы проектирования и конструирования РЭА: Учебное пособие/ В.Н. Булатов, Д.А. Даминов. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2006. – 288 с.

11 Б.А. Пионтковский. Эксплуатация электрических аккумуляторов на предприятиях электросвязи: Учебник для вузов/ Б.А.Пионтковский. – М.: Связь, 1988. – 248 с.

12 ГОСТ Р МЭК 60896-2-99. Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытаний. Закрытые типы. – Введ. 2000–01–28. – М.: Изд-во стандартов, 1999. – 21 с.

13 ГОСТ 12.1.005. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. – Введ. 01.01.89. – М.: Изд-во стандартов, 1991 – 15 с.

14 ГОСТ 2.104-68 ЕСКД. Основные надписи. – Введ. 1987–03–01. – М.: Издательство стандартов, 1988. – 34 с.

15 ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам. – М.: Издательство стандартов, 1981. – 36 с.

16 ГОСТ 2.102-95 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов. – М.: Издательство стандартов, 1995. – 28 с.

17 ГОСТ 2.109-73 ЕСКД. Основные требования к чертежам. – М.: Издательство стандартов, 1973. – 25 с.

18 ГОСТ 2.113-75 ЕСКД. Групповые и базовые конструкторские документы. – М.: Издательство стандартов, 1975. – 20 с.

19 ГОСТ 2.701-84 ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению (с изменениями 1, 2). – М.: Издательство стандартов, 1984. – 15 с.

20 ГОСТ 2.702-75 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем. – М.: Издательство стандартов, 1975. – 33 с.

21 PIC16F87x. Однокристальные 8 – разрядные FLASH CMOS микроконтроллеры [Электронный ресурс]: Техническое описание. – М.: ООО «Микро-Чип», 2002. – Режим доступа: WWW.URL : http: // www.microchip.ru/. – 27.06.2008.

22 MAX7219. Серийные интерфейсные драйверы 8-разрядных светодиодных индикаторов [Электронный ресурс]: Техническое описание. – М.: Maxim Integrated Products, 2003. – Режим доступа: WWW.URL : http: // www.maxim-ic.com/. – 23.05.2010.

23 MC74HC4051. Восьмиканальные аналоговые мультиплексоры [Электронный ресурс]: Техническое описание. – М.:Philips Semiconductor, 1990. – Режим доступа: WWW.URL : http: // www.philips.com/. – 16.04.2010.

24 DS1307. Часы реального времени на I2C[Электронный ресурс]: Техническое описание. – М.: Maxim Integrated Products, 2006. – Режим доступа: WWW.URL : http: // www.maxim-ic.com/. – 28.05.2010.

25 MCP1541. Источники опорного напряжения на 4,096 В[Электронный ресурс]: Техническое описание. – М.: ООО «Микро-Чип», 2001. – Режим доступа: WWW.URL : http: // www.microchip.ru/. – 27.05.2010.

26 AT24C02B. Двухпроводная последовательная память EEPROM [Электронный ресурс]: Техническое описание. – М.: Atmel Corporation, 2007. – Режим доступа: WWW.URL : http: // www.atmel.com/. – 15.04.2010.

 

СХЕМЫ В ПРОГРАММЕ sPLAN

 

 

 

 

 

 

 

 

Скачать: akum.rar