Электроэнергетический
факультет
Кафедра промышленной
электроники и информационно-измерительной техники
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Разработка устройства сбора данных измерителя
твердости металла
Аннотация
Пояснительная записка содержит 77 страниц, в том числе 20 рисунков, 16 таблиц. Графическая часть выполнена на 7 листах формата A1.
В данном дипломном проекте разработано устройство сбора данных измерителя твёрдости металлов. Полученное решение удовлетворяет поставленным требованиям технического задания. Особое внимание уделено вопросам построения устройства сбора данных на микроконтроллере PIC18F2550 фирмы Microchip.
Диплом содержит расчет экономической части спроектированной системы, также рассмотрены вопросы безопасности труда.
Summary
The explanatory note contains 77 pages, including 20 figures, 16 tables. The graphic part is executed on 7 sheets of format A1.
In the given degree project the device of data gathering of a measuring instrument of hardness of metals is developed. The received decision meets the put requirements of the technical project. The special attention is given questions of construction of the device of data gathering on firm Microchip microcontroller PIC18F2550.
The diploma contains calculation of an economic part of the designed system, safety issues of work also are considered.
Содержание
Введение. 6
1 Анализ технического задания и выбор обобщенной структуры устройства 9
2 Уточнение структурной схемы.. 13
2.1 Выбор интерфейса связи. 14
2.2 Обоснование выбора микропроцессорной системы.. 17
2.3 Выбор микроконтроллера. 18
3 Разработка основных функциональных узлов. 20
3.1 Узел микроконтроллера. 20
3.2 Узел масштабирующего усилителя. 24
3.3 Узел стабилизации напряжения. 27
3.4 Оценка погрешностей системы.. 30
4 Разработка алгоритма и программы для МК.. 31
4.1 Разработка алгоритма. 31
4.2 Разработка программы.. 34
5 Проектирование печатной платы.. 43
6 Экономический расчёт проекта. 44
6.1 Расчёт себестоимости аппаратной части устройства. 44
6.2 Расчёт себестоимости программного обеспечения. 50
6.3 Расчёт капиталовложений потребителя. 57
6.4 Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя. 57
6.5 Расчёт годовых приведённых затрат потребителя. 59
7 Безопасность труда. 61
7.1 Анализ и обеспечение безопасности труда. 61
7.2 Мероприятия по улучшению условий труда. 65
7.3 Расчет естественного освещения. 66
7.4 Возможные чрезвычайные ситуации. 68
Заключение. 70
Список использованных источников. ……71
Приложение A………………..…………….…………………………...................72
Приложение Б………………………………………………………….…………..73
Введение
Твёрдость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации.
Исходные данные для выбора средств и условий измерений твёрдости, а именно, метод измерений, число твёрдости и толщина испытуемого образца, должны быть указаны в технической документации.
В «СИ» за единицу измерений твёрдости принят Н/м2. Единица имеет наименование Паскаль (Па).
Измерение твёрдости металлов осуществляется методом Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла и Виккерса.
Применение различных методов измерений твёрдости металлов обусловлено механическими свойствами металлов и конструктивно-технологическими особенностями изделий.
Измерение твёрдости по методу Бринелля основано на вдавливании в испытуемое изделие стального закаленного шарика определенного диаметра, под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. При определении твёрдости по методу Бринелля, расстояние от центра отпечатка до края испытуемого изделия должно быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, расстояние между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4 диаметров; для металлов с твёрдостью до 35НВ эти расстояния должны быть соответственно равны 3 диаметрам отпечатка и 6 диаметрам отпечатка.
Проведение испытаний, методику измерений диаметра отпечатка, а также погрешность измерений диаметра отпечатка регламентирует ГОСТ 9012 п.4.
Измерение твёрдости по методу Роквелла основано на вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка (но не менее 2 мм), расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка (но не менее 1 мм).
При измерении твёрдости на выпуклых цилиндрических и сферических поверхностях по шкалам А, В, С, D, F, G в результаты измерений твёрдости должны быть введены поправки, величины которых приведены в приложении 3 ГОСТ 9013. Поправки прибавляются к полученным значениям твёрдости.
Поправки при измерении твёрдости на вогнутых поверхностях устанавливаются в нормативной документации на металлопродукцию. Проведение измерений и определение числа твёрдости по методу Роквелла регламентирует ГОСТ 9013 п.4.
Для измерений твёрдости по шкале «С» Роквелла применяют шкалу, воспроизводимую государственным специальным эталоном и обозначаемую HRC.
Все образцовые и рабочие средства измерений следует настраивать и калибровать по образцовым мерам твёрдости, имеющим обозначение HRC.
Для расширения области применения метода Роквелла при малых нагрузках следует применять метод Супер-Роквелла.
Измерение твёрдости по методу Супер-Роквелла основано на вдавливании наконечника стандартного типа с алмазным конусом (шкалы М) или со стальным шариком (шкалы Т) в поверхность образца в два последовательных приёма и в измерении остаточного увеличения глубины внедрения этого наконечника. Наименьшее расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно составлять не менее трёх диаметров отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно составлять не менее 2,5 диаметров отпечатка.
Поправки к значениям твёрдости для образцов с криволинейными поверхностями, отличными от выпуклых цилиндрических, регламентирует ГОСТ 22975.
Проведение измерений и определение числа твёрдости по методу Супер-Роквелла регламентирует ГОСТ 22975.
Измерение твёрдости по методу Виккерса основано на вдавливании четырехгранной алмазной пирамиды с углом между гранями 136° под действием определенной нагрузки, поддержании постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки. Расстояние между центрами отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка.
Проведение испытаний, обработку результатов измерений, а также погрешность измерений диагоналей отпечатка регламентирует ГОСТ 2999 п.5.
Основные требования, предъявляемые к измерению твёрдости по методу Бринелля, Роквелла и Супер-Роквелла:
- температура измеряемого металла (20 ±10) °С;
- при измерении твёрдости должна быть обеспечена перпендикулярность приложения действующего усилия к поверхности образца или детали;
- поверхность испытуемого образца должна быть свободна от окалины, масла, краски, окисных пленок и других посторонних веществ;
- поверхность испытуемого образца обрабатывается в виде плоскости так, чтобы края отпечатка были достаточно отчётливы для измерения его размера с требуемой точностью;
- при подготовке поверхности испытуемого образца необходимо принять меры предосторожности против возможного изменения твёрдости испытываемого образца вследствие нагрева или наклепа поверхности в результате механической обработки;
Шероховатость поверхности испытуемого образца должна быть не ниже:
- 2,5 v - при контроле по методу Бринелля,
- 2,5 v - при контроле по методу Роквелла,
- 1,25 v - при контроле по методу Супер-Роквелла,
- 0,16 v - при контроле по методу Виккерса;
При применении специальных подставок необходимо принять меры предотвращения прогиба образца во время измерений твёрдости.
Испытуемый образец должен лежать на подставке устойчиво, чтобы не могло произойти его смещение во время измерений твёрдости.
Минимальная толщина испытуемого образца должна выбираться в зависимости от его минимальной твёрдости.
На обратной или боковой стороне образца не должно быть следов деформации.
Если шарик после измерений твёрдости имеет остаточную деформацию или какой-либо поверхностный дефект, то он должен быть заменён другим, а соответствующее измерение должно считаться не действительным.
Место установки прибора для измерений твёрдости должно быть выбрано так, чтобы приборам не передавались колебания и вибрации от работающих вблизи станков и машин и должно соответствовать требованиям технических описаний на приборы.
Величина твёрдости и способ замера на детали указывается в конструкторской и технологической документации.
Прибор ТК-2М настольного типа предназначается для измерения твердости металлов и сплавов по методу Роквелла. Твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания алмазного конуса или стального закаленного шарика под действием заданной нагрузки в течение определенного времени в поверхность тестируемого материала.
Измерение твёрдости осуществляет испытатель вручную, что крайне неудобно. Получаемая информация единичная, что недостаточно для заключения о свойствах материала.
Согласно техническому заданию требуется разработать устройство сбора данных от измерителя твердости, которое обеспечит автоматический сбор измерительной информации о механической нагрузке и относительной деформации испытуемого образца, а также сохранение измерительной информации на ПЭВМ для обработки пользователем.
1 Анализ технического задания и выбор обобщенной структуры устройства.
В настоящее время измерение твёрдости по методу Роквелла (ИТМР) осуществляется по структурной схеме рисунка 1.1, где МУ1 и МУ2 – масштабирующие усилители. На рисунке 1.2 показаны диаграммы изменения нагрузок и деформация в процессе испытания. Испытатель получает единичную информацию о твёрдости по измерительной информации на участке CD.
Рисунок 1.1 – Структурная схема аналогового измерения
Рисунок 1.2 – Диаграммы измеряемых величин
Согласно техническому заданию (ТЗ), требуется усовершенствовать систему, изображенную на рисунке 1.1, таким образом, чтобы она позволяла снимать и фиксировать обе диаграммы процесса испытания F(t) и h(t). Особое внимание уделяется исследованию участка ВС. При исследовании участка ВС, испытатель получит больше информации для исследования свойств материала.
По техническому заданию требуется фиксировать измерительную информацию о F(t) и h(t) в памяти ПЭВМ, поэтому чисто аналоговые реализации системы фиксации неприемлемы.
Для решения поставленной задачи предлагается вариант структуры системы сбора на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Структурная схема
Обоснование данной схемы:
– В памяти ПЭВМ измерительная информация (ИИ) должна храниться в цифровой форме. Поэтому необходимо аналого-цифровое преобразование сигналов об усилии и деформации исследуемого образца.
– Так как измеряемых величин – две (два измерительных канала), то на АЦП они должны поступать через мультиплексор М в разные интервалы времени.
– Масштабирующие усилители МУ1 и МУ2 в разрабатываемом устройстве необходимы, так как уровень сигнала с датчиков мал.
– Для передачи цифровой ИИ в ПЭВМ необходим стандартный интерфейс связи.
Известна следующая информация - нормальные сопротивления большинства известных тензодатчиков находится в диапазоне от 100 до 400 Ом. В таблицах 1 и 2 приведены соотношения между механическими характеристиками, деформацией и электрическими выходными сигналами для самого высокоомного датчика.
Параметры для датчиков силы и перемещения приводятся в таблицах 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1 – Параметры для датчика силы
Шкала
Нагрузка F, Н
εmax
σmax, МПа
% от [ε]
∆Uп/мост max, mВ (Uпит=5В)
A
600
0,67×10-3
134
22,3
3,35
B
1000
1,1×10-3
220
36,7
5,5
C
1500
1,67×10-3
334
55,7
8,35
Таблица 1.2 – Параметры для датчика перемещения
Шкала
Внедрение индентора hmax, мм
εmax
σmax, МПа
% от [ε]
∆Uп/мост max, mВ (Uпит=5В)
A
0,1
1,1×10-4
21,4
3,7
0,55
B
0,21
2,25×10-4
45
7,5
1,125
C
0,156
1,76×10-4
35,1
11,7
0,88
Можно увеличить питание моста Uпит, указанное в таблице, в 2, в 4 раза, сигнал также увеличиться в 2, в 4 раза. Но при этом ток тензодатчика превысит максимально допустимое значение – 30 mА, при котором он значительно нагревается. Это приведёт к увеличению нелинейности измеряемой характеристики и увеличению погрешности измерения. Поэтому питание датчика Uпит=5 В - более оптимально. В качестве его источника при этом целесообразно использовать питание микропроцессорных систем, источники опорных напряжений АЦП. Это позволит уменьшить число источников нестабильности питания, влияющих на погрешность измерения.
2 Уточнение структурной схемы
Согласно техническому заданию измеренную информацию необходимо передавать на компьютер.
Оценим минимальную частоту дискретизации и, соответственно, требуемую скорость передачи.
Соображения следующие:
- максимальная скорость изменения усилия ;
- в течение шага дискретизации усилие не должно успеть измениться на величину более чем:
.
- минимальная скорость измерения каждого канала:
;
- минимальная скорость измерения всех каналов:
;
- цена младшего значащего разряда АЦП - . Если возьмём 10-разрядный АЦП (одно из ближайших значений разрядности выпускаемых АЦП), то
.
- из разрядности АЦП следует – длина одного измерения – 2 байта;
- требуемая минимальная скорость передачи:
.
2.1 Выбор интерфейса связи
В настоящее время с бурным развитием технологий LPT и COM порты используется все реже и реже, а у большинства современных выпускаемых компьютеров они отсутствуют вовсе. Более широко применяемым и доступным является USB интерфейс.
Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальная Последовательная Шина) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0):
– низкая скорость (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с;
– полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;
– высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с.
Даже при использовании низкой скорости передачи, интерфейс USB подходит к решению технической задачи.
Для подключения периферийных устройств используется 4-жильный кабель: питание +5 В, сигнальные провода D+ и D-, общий провод.
Интерфейс USB соединяет между собой хост (host) и устройства. Хост находится внутри персонального компьютера и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб (root hub) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту. В интерфейсе USB используется специальный термин "функция" - это логически законченное устройств, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней (tier): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным (compaund device). Топология интерфейса USB изображена на рисунке 2.1.
Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом (downstream port).
Рисунок 2.1 - Топология интерфейса USB
Спецификация USB определяет следующие функциональные возможности интерфейса:
– простота использования и подключения для пользователя;
– самоидентифицирующиеся устройства с автоматическим конфигурированием;
– пропускная способность до нескольких Мбит/с;
– поддержка одновременных операций со многими устройствами;
– поддержка до 127 устройств на шине;
– равномерная пропускная способность.
Все передачи данных по интерфейсу иницируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:
– пакет-признак (token paket) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN, OUT, SOF, SETUP;
– пакет с данными (data packet) содержит передаваемые данные;
– пакет согласования (handshake packet) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK, NAK, STALL.
Таким образом, каждая транзакция состоит из трех фаз:
- фаза передачи пакета-признака;
- фаза передачи данных;
- фаза согласования.
В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации:
– управляющая пересылка (control transfer) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.
– потоковая пересылка (bulk transfer) используется для передачи относительно большого объема информации.
– пересылка с прерыванием (iterrupt transfer) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.
– изохронная пересылка (isochronous transfer) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.
Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.
Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN-пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она не может сделать этого, передает NAK- или STALL-пакет. NAK-пакет сообщает о временной неготовности функции передавать данные, а STALL-пакет сообщает о необходимости вмешательства хоста. Если хост успешно получил данные, то он в фазе согласования посылает функции ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.
Когда хост становится готовым передавать данные, он посылает функции OUT-пакет, сопровождаемый пакетом с данными. Если функция успешно получила данные, он отсылает хосту ACK-пакет, в противном случае отсылается NAK- или STALL-пакет.
Управляющие пересылки содержат не менее двух стадий: Setup-стадия и статусная стадия. Между ними может также располагаться стадия передачи данных. Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP-пакет, пакет с данным и пакет согласования. Если пакет с данными получен функцией успешно, то она отсылает хосту ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.
В стадии передачи данных управляющие пересылки содержат одну или несколько IN- или OUT-транзакций, принцип передачи которых такой же, как и в потоковых пересылках. Все транзакции в стадии передачи данных должны производиться в одном направлении.
В статусной стадии производится последняя транзакция, которая использует те же принципы, что и в потоковых пересылках. Направление этой транзакции противоположно тому, которое использовалось в стадии передачи данных. Статусная стадия служит для сообщения о результате выполнения SETUP-стадии и стадии передачи данных. Статусная информация всегда передается от функции к хосту. При управляющей записи (Control Write Transfer) статусная информация передается в фазе передачи данных статусной стадии транзакции. При управляющем чтении (Control Read Transfer) статусная информация возвращается в фазе согласовании статусной стадии транзакции, после того как хост отправит пакет данных нулевой длины в предыдущей фазе передачи данных.
Пересылки с прерыванием могут содержать IN- или OUT-пересылки. При получении IN-пакета функция может вернуть пакет с данными, NAK-пакет или STALL-пакет. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.
Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных, но не имеют фазы согласования. Хост отсылает IN- или OUT-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN-признака) или хост (для OUT-признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.
2.2 Обоснование выбора микропроцессорной системы
В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в устройстве сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола.
МПС возможно реализовать следующими путями:
- на основе самостоятельного высокопроизводительного микропроцессора (МП), управляющего внешней оперативной памятью и периферийным интерфейсом USB;
- на основе микроконтроллера (МК), в который указанные блоки интегрированы, а также может быть интегрирован и АЦП.
Стоимость МП на сегодняшний день на порядок выше МК с указанным выше набором устройств. Кроме того, требуется память (стоимость того же порядка) и интерфейс USB. Поэтому более целесообразно реализовать устройство на основе микроконтроллера. В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB.
Структурная схема разрабатываемого устройства изображена на рисунке 2.2, где Д1, Д2 – тензодатчики усилия и деформации; МУ1, МУ2 – масштабирующие усилители; М – мультиплексор; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; МК – микроконтроллер.
Рисунок 2.2 – Структурная схема разрабатываемого устройства
2.3 Выбор микроконтроллера
Анализируя технические характеристики производимых на сегодняшний день микроконтроллеров, выбор осуществлялся по следующим критериям:
1) наличие внутреннего аппаратного интерфейса USB;
2) производительность МК должна обеспечивать необходимую скорость
измерения и сохранения в ОЗУ измеренных отсчетов:
,
где - длительность полного программного цикла измерения и сохранения в ОЗУ.
3) количество линий ввода-вывода . По предварительному приближению нам требуются следующие линии:
- две линии данных USB;
- две линии синхронизации (к кварцу);
- четыре линии сопряжения с АЦП – линия последовательных данных, «Пуск», «готовность АЦП» и «синхронизация», если использовать АЦП с последовательным интерфейсом;
- линия управления мультиплексором М.
4) наличие и доступность средств программирования и отладки;
5) стоимость;
6) доступность.
В итоге выбор был сделан в пользу компании Microchip, которая представляет новинку в семействе микроконтроллеров PIC18F – микроконтроллер с поддержкой универсальной последовательной шины (USB). Контроллеры новой серии сочетают в себе производительность RISC ядра, Flash память программ, режимы экономии энергопотребления, и, наконец, коммуникационное ядро USB2.0 с низкой ценой и высокой надежностью.
Особенности:
– коммуникационное ядро, совместимое со спецификацией USB 2.0;
– flash память программ объемом до 32Кб;
– максимальная тактовая частота 48 МГц;
– различные режимы тактирования для ядра и USB-модуля;
– аппаратный умножитель 8х8;
– последовательные интерфейсы EUSART, SPI/I2C;
– 10-битный АЦП, аналоговый компаратор.
В семействе PIC18 применена расширенная система команд с 8 новыми командами и режимом адресации со смещением. Расширенная система команд максимально адаптирована для использования языков высокого уровня, в первую очередь Си.
Сравнительные характеристики микроконтроллеров семейства PIC18F со встроенным USB интерфейсом приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Характеристики микроконтроллеров семейства PIC18F
Выбран микроконтроллер фирмы Microchip PIC18F2550, содержащий аппаратный интерфейс USB и 24 линии ввода/вывода. Быстродействие этого микроконтроллеров может достигать значения до 12 миллиона операций в секунду на тактовой частоте 48 МГц. Максимальная частота выполнения инструкций, определяемая кварцем 20 МГц, равна . Как правило, в программный цикл измерения и сохранения информации входит не более десятка инструкций, поэтому .
3 Разработка основных функциональных узлов
3.1 Узел микроконтроллера
Центральным узлом устройства является микроконтроллер PIC18F2550.
Для дальнейшего формирования этого блока необходимо определиться с выбором и назначением выводов микроконтроллера. Расположение и назначение выводов процессора изображено на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Расположение выводов микроконтроллера
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.
Аналоговые периферийные модули
1.1 модуль 10-разрядного АЦП:
а) 10 каналов;
б) высокая скорость преобразования;
в) работа модуля в SLEEP режиме микроконтроллера;
г) DNL = ± 1Lsb, INL = ±1Lsb;
1.2 программируемый детектор пониженного напряжения (PLVD):
а) при обнаружении снижения напряжения возможна генерация прерываний;
1.3 программируемый сброс по снижению напряжения питания.
Структурная схема микроконтроллера PIC18F2550 изображена на рисунке 3.2.
Тактовый генератор PIC18F2550 может работать в восьми режимах. Наша задача заключается в выборе одного из восьми режимов тактового генератора, который зависит от соответствующих установок в битах конфигурации микроконтроллера:
1) LP – низкочастотный кварцевый резонатор (малое энергопотребление).
2) XT – кварцевый/керамический резонатор;
3) HS – высокочастотный кварцевый/керамический резонатор;
4) HS+PLL – высокочастотный резонатор с включенным PLL модулем;
5) RC – внешний резистор/конденсатор;
6) RCIO – внешний резистор/конденсатор с включенным каналом порта ввода/вывода;
7) EC – внешний тактовый сигнал;
8) ECIO – внешний тактовый сигнал с включенным каналом порта ввода/вывода.
Для формирования тактового сигнала мы выбрали HS режим тактового генератора, в результате чего кварцевый резонатор подключается к выводам OSC1 и OSC2. Схему подключения изображена на рисунке 3.3.
Рисунок 3.2 – Структурная схема микроконтроллера
Рисунок 3.3 – Схема подключения кварцевого резонатора
Для выбора емкостей конденсаторов С5, С6, необходимо знать частоту кварцевого резонатора. Также для некоторых типов резонаторов может потребоваться последовательно включенный резистор Rs.
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 разрабатываемого устройства частота кварцевого резонатора равна 20 МГц, а конденсаторы C5, С6 =22 пФ.
Так как в микроконтроллере мы используем модуль USB, то для стабильной работы модуля необходим конденсатор С7 номиналом 470 пФ. Резистор R23 номиналом 1 кОм обеспечивает включение микроконтроллера.
Питание микроконтроллера осуществляется от стабилизированного источника питания с напряжением 5 В. Плюс подводится к выводу 20 (VDD), а минус к выводам 8, 19 (VSS). Это же напряжения будет задано в качестве опорного напряжения UОПОР для встроенного аналого-цифрового преобразователя.
К микроконтроллеру подключены: разъем X2 для внутрисхемного программирования и разъем X3, который будет подключаться к USB порту компьютера, для передачи данных.
Узел микроконтроллера изображен на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 – Схема узла микроконтроллера
3.2 Узел масштабирующего усилителя
Уровень сигнала с выхода датчиков нагрузки и перемещения очень мал и составляет единицы милливольт. Для того чтобы измерения производились с требуемой точностью, необходимо чтобы на входе АЦП сигнал достигал уровня до 5 вольт. Для этого необходимо воспользоваться масштабирующим усилителем.
Данный узел построен на основе 2 операционных усилителей (ОУ), который обеспечивает согласование сигнала, поступающего от датчиков к АЦП.
Требования, предъявляемые к ОУ:
- низкое напряжение смещения (десятки мкВ);
- малый температурный коэффициент напряжения смещения нуля;
- высокое входное сопротивление (десятки МОм).
После проведенных сравнений операционных усилителей, были выбраны ОУ OPA177 и OP07, которые являются прецизионными. Их основные параметры приводятся в таблицах 3.1 и 3.2.
Таблица 3.1. – Основные параметры ОУ OPA177
Параметр
Значение
Напряжение питания Uпит, В
±15
Потребляемый ток Iпот, мА
1,5
Напряжение смещения Uсм , мкВ
25
Температурный коэффициент напряжения смещения нуля TKUсм, мкВ/°С
0,3
Коэффициент ослабления синфазного сигнала Ku, дБ
140
Входное сопротивление Rвх, МОм
45
Наибольшая амплитуда выходного сигнала Uвыхmax, В
12,5
Таблица 3.2. – Основные параметры ОУ OP07
Параметр
Значение
Напряжение питания Uпит, В
±15
Потребляемый ток Iпот, мА
1,5
Напряжение смещения Uсм , мкВ
30
Температурный коэффициент напряжения смещения нуля TKUсм, мкВ/°С
0,3
Коэффициент ослабления синфазного сигнала Ku, дБ
123
Входное сопротивление Rвх, МОм
50
Наибольшая амплитуда выходного сигнала Uвыхmax, В
12
Расположение и назначение выводов операционных усилителей одинаковое и изображено на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Расположение выводов ОУ
Схема масштабирующего усилителя изображена на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 – Схема масштабирующего усилителя
Для данного узла, для каждого каскада необходимо рассчитать коэффициенты передачи. Входной сигнал изменяется в пределах 10 милливольт, а на выходе необходимо получить сигнал, усиленный до 4,5 вольт. Превышать уровень нецелесообразно, так как при этом возможен выход из строя АЦП. Занижение уровня увеличит погрешность измерений. Исходя из этого, масштабирующий усилитель в целом должен усиливать в 450 раз.
Зададимся следующими параметрами:
- коэффициент передачи первого каскада К1 =50;
- коэффициент передачи второго каскада К2 =9.
Тензодатчики имеют сопротивление 200 Ом, соответственно у резисторов R1 и R2 номинал 200 Ом. Цепь из резисторов R3 и R4 обеспечивает настройку нуля на выходе усилителя при отсутствии воздействия. Резисторы R7, R8 и R13 необходимы для регулирования напряжения смещения нуля ОУ. Номиналы резисторов R7 и R13 равны 5 кОм, резистор R8 подстрочный номиналом 10 кОм, в сумме дающие сопротивление 20 кОм.
Номиналы резисторов R15,R17,R19,R21 необходимо рассчитать исходя из коэффициентов передачи.
Коэффициент передачи первого каскада определяется выражением [1]:
.
Отсюда определим сопротивление резистора R15:
,
Ом.
Коэффициент передачи второго каскада определяется выражением:
.
Зададимся резистором R17 номиналом 2 кОм, тогда остаётся определить номиналы резисторов R19 и R21.
,
Ом.
Номинальные значения сопротивлений выбираем из ряда Е24. Тогда номинал резистора R15 = 10 кОм, R19 = 5,6 кОм подстроечный R21 = 10 кОм
Необходимо уменьшить частоту пропускания, чтобы высокочастотная помеха не попадала на вход АЦП. Для этого в схеме установлены конденсаторы C1, C3. Номиналы конденсаторов рассчитаем исходя из частоты пропускания, которая определяется выражением:
.
Зададимся частотой пропускания fП =1000 Гц. Конденсатор C1 определяется выражением:
,
пФ.
Конденсатор C2 определяется выражением:
,
нФ.
3.3 Узел стабилизации напряжения
Данный узел обеспечивает стабильное питание микроконтроллера, операционных усилителей и тензодатчиков. Микроконтроллер питается напряжением 5 В, которое необходимо подавать на Vdd вывод 20. Напряжение 5 В является опорным UОПОР для АЦП вывод 5 согласно рисунку 3.4. Операционные усилители питаются от двуполярного напряжения. Плюс 15 В подаются на 7-е выводы ОУ, минус 15 В подаются на 4-е выводы ОУ.
Узел выполнен на интегральных компенсационных стабилизаторах напряжения (СН) L7805, L7815, L7915 с защитой от перегрузки по току и перегрева. Стабилизаторы напряжения L7805 и L7815 обеспечивают стабилизацию положительной полярности, а L7915 – отрицательной полярности.
Параметры стабилизаторов приводятся в таблицах 3.3 – 3.5.
Таблица 3.3 - Параметры L7805
Параметр
Значение
Напряжение питания, В
7,5 – 15
Выходное напряжение, В
+5 ±0,1
Максимальный выходной ток, А
1,5
Таблица 3.4 - Параметры L7815
Параметр
Значение
Напряжение питания, В
18 – 30
Выходное напряжение, В
+15 ±0,1
Максимальный выходной ток, А
1,5
Таблица 3.5 - Параметры L7915
Параметр
Значение
Напряжение питания, В
18 – 30
Выходное напряжение, В
–15 ±0,1
Максимальный выходной ток, А
1,5
Расположение выводов стабилизатора показано на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 – Расположение выводов стабилизатора
У стабилизаторов L7805 и L7815 входом является 1 ножка, выходом 3 ножка, а вывод 2 – общий. У стабилизатора L7915 входом является 2 ножка, выходом 3 ножка, а вывод 1 – общий.
Микросхемы включены по типовой схеме включения представленной на рисунке 3.8.
Рисунок 3.8 – Схема включения стабилизатора напряжения
На стабилизаторы напряжения поступают напряжения от внешнего источника питания. На стабилизатор L7805 поступает 9 В, на стабилизатор L7815 поступает плюс 20 В и L7915 поступает минус 20 В.
Схема узла стабилизации напряжения изображена на рисунке 3.9.
Рисунок 3.9 – Схема узла стабилизации напряжения
Параллельно питанию стабилизаторов необходимо подключать конденсаторы. Перед стабилизаторами напряжения конденсаторы обеспечивают фильтрацию, а после – стабилизацию напряжения. Конденсаторы, C11 – C13 и C14 – C16 с номиналом 100 нФ
3.4 Оценка погрешностей системы
В данном разделе необходимо рассчитать погрешность каждого узла и полную погрешность системы.
В среднем максимальные погрешности АЦП - дифференциальная нелинейность , интегральная нелинейность и погрешность полной шкалы - составляют порядка одной единицы младшего значащего разряда (МЗР). Таким образом, суммарная относительная погрешность преобразования АЦП с разрядностью N определиться выражением:
,
В нашем устройстве мы используем АЦП с разрядностью N=10. Суммарная относительная погрешность преобразования будет равна:
.
Определим относительная погрешность для ОУ DA1 и DA2 (OPA177 и OP07), в заданном диапазоне температур эксплуатации. Для ОУ дрейф «нуля» составляет 0,3 мкВ/°С. Диапазон изменения температуры для лабораторных условий эксплуатации составляет от плюс 10 °С до плюс 35 °С. Относительная погрешность для ОУ определяется по формуле:
,
где VОУ - температурный дрейф нуля, В/град.;
- диапазон температур, в которых эксплуатируется устройство.
Относительная погрешность для входного ОУ OPA177 составит:
.
Относительная погрешность для ОУ OP07 составит:
.
Полную погрешность масштабирующего усилителя определим по СКО, которая составит:
,
Полную погрешность системы определим по СКО – критерию, который учитывает погрешности АЦП и масштабирующего усилителя
.
4 Разработка алгоритма и программы для МК
4.1 Разработка алгоритма
Основная программа в начале выполняет блок инициализации модуля USB микроконтроллера.
Блок – схема основной программы изображена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Блок-схема основной программы
Блок – схема алгоритма подпрограммы АЦП изображена на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 – Блок-схема алгоритма подпрограммы АЦП
4.2 Разработка программы
Для разработки программы и для автономной ее отладки использовался специализированный пакет программ MPLAB IDE v8.15 и компилятор MPLAB® C Compiler for PIC18 MCUs - студенческую версию - Student Edition.
MPLAB - это интегрированная среда разработки (IDE) для семейства микроконтроллеров PICmicro фирмы Microchip Technology Incorporated. MPLAB позволяет писать, отлаживать и оптимизировать программы для Ваших разработок.
MPLAB представляет собой законченную среду разработки, интегрируя несколько инструментальных средств:
- MPLAB менеджер проектов (project Manager), используется для создания проектов и работы со связанными файлами;
- MPLAB редактор (Editor), используется для создания и редактирования текстовых файлов, таких как исходные и файлы сценариев компоновки.
- MPLAB-SIM симулятор (Simulator), позволяет моделировать выполнение команд и входные/выходные сигналы микроконтроллеров;
- MPLAB-ICE внутрисхемный эмулятор (Emulator) ,позволяет, используя дополнительные аппаратные средства и компьютер, заменять микроконтроллер в разрабатываемом устройстве в реальном времени, MPLAB-ICE самый новый эмулятор от Microchip;
- MPASM универсальный ассемблер;
- MPLINK компоновщик (linker), создает законченное приложение, связывая перемещаемые модули MPASM, MPLAB-C17, и MPLAB-C18;
- MPLIB управляет пользовательскими библиотекам;
- MPLAB-CXX компилятор C. Позволяет включать в проект исходные тексты написанные на языке высокого уровня С и на ассемблере;
- PRO MATE II и PICSTART Plus программаторы;
- PICMASTER и PICMASTER-CE внутрисхемные эмуляторы;
- инструментальные средства других производителей.
Модуль АЦП имеет управляющие регистры ADCON0, ADCON1 и ADCON2. Входной аналоговый сигнал через коммутатор каналов заряжает внутренний конденсатор АЦП Chold. Модуль АЦП преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе, в соответсвующий 10-разрядный цифровой код методом последовательного приближения.
Для управления АЦП в микроконтроллере используется 5 регистров:
- регистр результата ADRESH (старший байт);
- регистр результата ADRESL (младший байт);
- регистр управления ADCON0;
- регистр управления ADCON1;
- регистр управления ADCON2.
Регистр ADCON0 изображен на рисунке 4.3.
Рисунок 4.3 – Регистр ADCON0
Бит 7-6 не используются: читаются как «0».
Бит 5-2 CHS3:CHS0: бит выбора аналогово канала:
1) 0000 = Канал 0 (AN0);
2) 0000 = Канал 1 (AN1);
3) 0000 = Канал 2 (AN2);
4) 0000 = Канал 3 (AN3);
5) 0000 = Канал 4 (AN4);
6) 0000 = Канал 8 (AN8);
7) 0000 = Канал 9 (AN9);
8) 0000 = Канал 10 (AN10);
9) 0000 = Канал 11 (AN11);
10) 0000 = Канал 12 (AN12).
Примечание: каналы 5, 6, 7 не реализованы на PIC18F2550
Бит 1 GO/DONE: бит статуса модуля АЦП
Когда ADON=1:
1) 1 = модуль АЦП выполняет преобразование;
2) 0 = состояние ожидания.
Бит 0 ADON: бит включения АЦП;
1) 1 = модуль АЦП включен;
2) 0 = модуль АЦП выключен.
Регистр ADCON1 изображен на рисунке 4.4.
Рисунок 4.4 – Регистр ADCON1
Бит 7-6 не используются: читаются как «0».
Бит 5 VCFG0: выбор источника опорного напряжения (отрицательного):
1) 1 = Vref- (AN2);
2) 0 = Vss.
Бит 4 VCFG0: выбор источника опорного напряжения (положительного):
1) 1 = Vref+ (AN3);
2) 0 = Vdd.
Бит 3-0 бит конфигурации порта, приведенный в таблице 4.1, где А – аналоговый вход, а D – цифровой вход/выход.
Таблица 4.1 – Конфигурация порта.
Регистр ADCON2 изображен на рисунке 4.5.
Рисунок 4.5 – Регистр ADCON2
Бит 7 ADFM: формат сохранения 10-разрядного результата:
1) 1 = правое выравнивание;
2) 0 = левое выравнивание.
Бит 6 не используются: читаются как «0».
Бит 5-3 ACQT2:ACQT0: время получения результата АЦП:
1) 111 = 20 Tad;
2) 110 = 16 Tad;
3) 101 = 12 Tad;
4) 100 = 8 Tad;
5) 011 = 6 Tad;
6) 010 = 4 Tad;
7) 001 = 2 Tad;
8) 000 = 0 Tad.
Бит 2-0 ADCS2:ADCS0: выбор источника тактового сигнала:
1) 111 = Frc;
2) 110 = Fosc/64;
3) 101 = Fosc/16;
4) 100 = Fosc/4;
5) 011 = Frc;
6) 010 = Fosc/32;
7) 001 = Fosc/8;
8) 000 = Fosc/2.
Рекомендованная последовательность действий для работы с АЦП:
1) настроить выводы как аналоговые входы, опорное напряжение или цифровые каналы ввода/вывода;
2) выбрать входной канал АЦП;
3) выбрать источник тактовых импульсов для АЦП;
4) включить модуль АЦП;
5) установить бит GO/-DONE в «1»;
6) ожидать пока бит GO/-DONE не будет сброшен в «0» ИЛИ;
7) ожидать прерывание по окончанию преобразования.
Функция передачи данных по USB:
void USBGenWrite(byte *buffer, byte len)
{
byte i;
/*
* Value of len should be equal to or smaller than USBGEN_EP_SIZE.
* This check forces the value of len to meet the precondition.
*/
if(len > USBGEN_EP_SIZE)
len = USBGEN_EP_SIZE;
/*
* Copy data from user's buffer to dual-ram buffer
*/
for (i = 0; i < len; i++)
usbgen_in[i] = buffer[i];
USBGEN_BD_IN.Cnt = len;
mUSBBufferReady(USBGEN_BD_IN);
}//end USBGenWrite
Функция приема данных по USB:
byte USBGenRead(byte *buffer, byte len)
{
usbgen_rx_len = 0;
if(!mUSBGenRxIsBusy())
{
/*
* Adjust the expected number of bytes to equal
* the actual number of bytes received.
*/
if(len > USBGEN_BD_OUT.Cnt)
len = USBGEN_BD_OUT.Cnt;
/*
* Copy data from dual-ram buffer to user's buffer
*/
for(usbgen_rx_len = 0; usbgen_rx_len < len; usbgen_rx_len++)
buffer[usbgen_rx_len] = usbgen_out[usbgen_rx_len];
/*
* Prepare dual-ram buffer for next OUT transaction
*/
USBGEN_BD_OUT.Cnt = sizeof(usbgen_out);
mUSBBufferReady(USBGEN_BD_OUT);
}//end if
return usbgen_rx_len;
}//end USBGenRead
Дескриптор. В данном случае под дескриптором понимается массив чисел позволяющие уникально определить устройство, присвоить его в определенную группу (USB накопители, плееры и т.п.), обозначить устройство для службы Plug-and-play для определения устройства и поиска драйверов, сконфигурировать порт USB для работы устройства (максимальный потребляемый ток и т.п.)
/** I N C L U D E S **********************************************/
#include "system\typedefs.h"
#include "system\usb\usb.h"
/** C O N S T A N T S ********************************************/
#pragma romdata
/* Device Descriptor */
rom USB_DEV_DSC device_dsc=
{
sizeof(USB_DEV_DSC), // Size of this descriptor in bytes
DSC_DEV, // DEVICE descriptor type
0x0200, // USB Spec Release Number in BCD format
0x00, // Class Code
0x00, // Subclass code
0x00, // Protocol code
EP0_BUFF_SIZE, // Max packet size for EP0, see usbcfg.h
0x04D8, // Vendor ID
0x000C, // Product ID: PICDEM FS USB (DEMO Mode)
0x0000, // Device release number in BCD format
0x01, // Manufacturer string index
0x02, // Product string index
0x00, // Device serial number string index
0x01 // Number of possible configurations
};
/* Configuration 1 Descriptor */
CFG01=
{
/* Configuration Descriptor */
sizeof(USB_CFG_DSC), // Size of this descriptor in bytes
DSC_CFG, // CONFIGURATION descriptor type
sizeof(cfg01), // Total length of data for this cfg
1, // Number of interfaces in this cfg
1, // Index value of this configuration
0, // Configuration string index
_DEFAULT, // Attributes, see usbdefs_std_dsc.h
50, // Max power consumption (2X mA)
/* Interface Descriptor */
sizeof(USB_INTF_DSC), // Size of this descriptor in bytes
DSC_INTF, // INTERFACE descriptor type
0, // Interface Number
0, // Alternate Setting Number
2, // Number of endpoints in this intf
0x00, // Class code
0x00, // Subclass code
0x00, // Protocol code
0, // Interface string index
/* Endpoint Descriptors */
sizeof(USB_EP_DSC),DSC_EP,_EP01_OUT,_BULK,USBGEN_EP_SIZE,0,
sizeof(USB_EP_DSC),DSC_EP,_EP01_IN,_BULK,USBGEN_EP_SIZE,0
};
rom struct{byte bLength;byte bDscType;word string[1];}sd000={
sizeof(sd000),DSC_STR,0x0409};
rom struct{byte bLength;byte bDscType;word string[25];}sd001={
sizeof(sd001),DSC_STR,
'M','i','c','r','o','c','h','i','p',' ',
'T','e','c','h','n','o','l','o','g','y',' ','I','n','c','.'};
rom struct{byte bLength;byte bDscType;word string[33];}sd002={
sizeof(sd002),DSC_STR,
'P','I','C','D','E','M',' ','F','S',' ','U','S','B',' ',
'D','e','m','o',' ','B','o','a','r','d',' ','(','C',')',
' ','2','0','0','4'};
rom const unsigned char *rom USB_CD_Ptr[]={&cfg01,&cfg01};
rom const unsigned char *rom USB_SD_Ptr[]={&sd000,&sd001,&sd002};
#pragma code
Инициализация USB:
#define mInitializeUSBDriver() {UCFG = UCFG_VAL; \
usb_device_state = DETACHED_STATE; \
usb_stat._byte = 0x00; \
usb_active_cfg = 0x00;}
Функция опроса АЦП:
void ProcessIO(void)
{
if ((usb_device_state < CONFIGURED_STATE)||(UCONbits.SUSPND==1)) return;
if(USBGenRead((byte*)&dataPacket,sizeof(dataPacket))) {}
counter = 4;
InitADC ();
StartADC (0b00000000);
while (ADCON0bits.GO) {
dataPacket._byte[0]=ADRESL;
dataPacket._byte[1]=ADRESH;
}
InitADC ();
StartADC (0b00000100);
while (ADCON0bits.GO) {
dataPacket._byte[2]=ADRESL;
dataPacket._byte[3]=ADRESH;
}
if(!mUSBGenTxIsBusy())
USBGenWrite((byte*)&dataPacket,counter);
}
Прежде чем программировать микроконтроллер, разработанную программу необходимо проверить в режиме симуляции на наличие ошибок. В ходе автономной отладке были выявлены и исправлены ошибки в написании алгоритма.
HEX – файл программы для МК приведен в приложении А.
5 Проектирование печатной платы
Разработка печатной платы велась в среде программ семейства P-CAD 2006. Трассировку печатного монтажа было решено выполнять в двух слоях с шагом 2.5 мм и 0.160 мм. Используя данные о диаметре выводов компонентов, были определены необходимые размеры контактных площадок. Эта информация была введена при редактировании стратегии трассировки.
Трассировка печатных соединений предполагает выполнение этапов:
- определение порядка соединения выводов внутри цепи;
- распределение соединений по слоям печатной платы;
- нахождение последовательности проведения соединений в каждом слое;
- получение конфигурации проводников.
При решении задач трассировки используются основные критерии:
- минимум суммарной длины всех проводников;
- минимум числа их пересечений;
- минимум изгибов проводников;
- минимум числа слоев МПП и переходов со слоя на слой;
- минимальная длина параллельных участков соседних проводников;
- равномерное распределение проводников по монтажной области.
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. Было принято решение о корректности полученного проектного решения.
Проектирование печатной схемы выполнялось в два этапа:
1–й этап – составление библиотеки элементов для среды P-CAD и составление с использованием программы P-CADSchematic 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-CADPCB.
Используя программы SimbolEditor.exe, PatternEditor.exe, LibraryExecutive.exe, входящие в состав пакета P-CAD 2006, создаем библиотеку my.lib для проекта в соответствии с выбранными элементами в разделе 3. Используя программу Schematic.exe, настраиваем конфигурацию библиотек, и в формате А1 строим принципиальную электрическую схему YK.sch.
В программе PCB.exe, используя утилиту LoadNetlist, загружаем файл YK.net, в результате чего получаем набор необходимых элементов с реальными посадочными местами, соединенных соответственно принципиальной схеме. В этой же программе создаем заготовку печатной платы с параметрами:
- размер 140 мм × 120 мм;
- число слоев – 2.
А также производим трассировку и сохраняем полученную заготовку печатной платы в файле YK.pcb.
В программе PCB.exe производим распечатку следующих рисунков:
- размещение элементов;
- печатный монтаж.
Полученные решения указаны на плакатах формата A1: Схема электрическая принципиальна; Сборочный чертёж; Плата печатная.
6 Экономический расчёт проекта
В данном разделе производится экономическое обоснование разработки и изготовления устройства сбора данных измерителя твёрдости металлов. Использование данного устройства существенно повысит уровень получаемых данных и даст больше информации испытателю. Производится расчёт себестоимости отладочного устройства и расчёт годовых затрат на эксплуатацию. Расчёт экономической эффективности не рассчитывается, так как проектируемое устройство не предназначено для реализации и будет использоваться только в исследовательских целях.
6.1 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.
, (6.1)
где См – затраты на материалы;
Сом – затраты на основные материалы;
Сом – затраты на вспомогательные материалы;
kтр – коэффициент транспортно-заготовительных расходов.
Стоимость основных материалов Cом определяется по формуле:
(6.2)
где Hi – норма расхода i-го материала на единицу;
Цi – цена единицы i-го материала.
Результаты расчёта стоимости основных материалов, используемых при изготовлении проектируемого макета, представлены в таблице 6.1.
Таблица 6.1 – Стоимость основных материалов
Наименование материала
Единица измерения
Количество
Цена, р./ед.
Общая стоимость, р.
Бумага 500л.
шт.
1
130
130
Тонер для лазерного принтера
шт.
1
115
115
Текстолит листовой
см2
15
2.5
37,5
Сосновая канифоль
гр.
25
0.4
10
Припой
кг.
0,1
50
10
Итого
302,5
Стоимость вспомогательных материалов принимается равной 10 % от стоимости основных и составит:
р.
Коэффициент транспортно-заготовительных расходов примем равным 5 %, в итоге:
.
Затраты на комплектующие изделия рассчитаны, ориентируясь на цены из прайс-листов компаний по продаже изделий электронной техники.
, (6.3)
где ki – количество изделий i-го наименования;
Цi – цена i-го изделия.
Все покупные комплектующие изделия и узлы, использованные при изготовлении устройства представлены в таблице 6.2.
В соответствии с данными таблицы 6.2 определяется общая стоимость покупных комплектующих изделий Си.об по формуле:
(6.4)
Таблица 6.2 – Покупные комплектующие изделия
Наименование изделия
Количество, шт.
Цена, р/шт.
Общая стоимость, р.
Микроконтроллер PIC18F2550
1
540
540
Стабилизаторы напряжения
3
10
30
Емкость неполярная
10
3
30
Емкость электролитическая полярная
4
5
20
Кварц 20 МГц
1
20
20
Микросхема OPA 177
2
60
120
Микросхема OP 07
2
40
80
Резистор
20
1
20
Резистор переменный
2
12
24
Панель DIP8
4
2
8
Светодиод
2
3
6
Кнопка
1
5
5
Разъём под блок питания
1
25
25
Разъём USB
1
20
20
Итого
948
Стоимость неучтенного оборудования СН.ОБ принимается равной 5 % от стоимости учтенного:
(6.5)
Транспортно-заготовительные расходы Стз.об принимаются равными 5 % от стоимости учтенного и неучтенного оборудования:
(6.6)
Полная стоимость покупных комплектующих изделий Cоб определяется как сумма стоимости учтенного и неучтенного оборудования с учетом транспортно-заготовительных расходов:
(6.7)
Основная зарплата производственных рабочих определяется по формуле:
(6.8)
где t – трудоёмкость изготовления устройства;
ЧТС – часовая тарифная ставка;
kпр – процент премии и прочих доплат;
kр – районный коэффициент.
Разработку и изготовление аппаратной части отладочного устройства осуществляет инженер-электронщик. Оклад инженера-электронщика составляет 12500 р./мес.
Основные этапы разработки и изготовления приведены в таблице 6.3.
Таблица 6.3 – Основные этапы разработки
Стадии разработки
Трудоёмкость
tи , ч
Анализ технического задания
1
Сбор материала к решению поставленного комплекса задач
10
Анализ существующих решений комплекса задач
18
Выбор методов решений
6
Проектирование основных узлов и блоков
20
Синтез принципиальной схемы
8
Разработка платы устройства
6
Изготовление устройства
8
Продолжение таблицы 6.3
Комплексная отладка устройства
10
Всего:
87
Таким образом, трудоёмкость изготовления устройства инженером-электронщиком (tи) составила 87 часа.
Часовая тарифная ставка определяется по формуле:
, (6.9)
где Омес – месячный оклад разработчика;
Фмес – фонд времени работ разработчика за месяц.
, (6.10)
где Дмеср – количество рабочих дней в месяц, Дмеср = 21 день;
tрд – длительность рабочего дня, tрд = 8 ч.
В итоге:
р/ч,
Приняв коэффициент премий и прочих доплат равным kпр=30 %, а районный коэффициент kр=15 %, получим:
р,
Дополнительная заработная плата определяется по формуле:
, (6.11)
где kдоп – 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:
, (6.12)
где kсн – коэффициент отчислений на социальные нужды, равный 30,2 %.
р.
Фактический фонд времени работы оборудования для изготовления и отладки изделия – 18 ч.
Затраты на потребление электроэнергии оборудованием для изготовления изделия вычисляются по формуле:
, (6.13)
где РОБ – суммарная мощность оборудования для пайки, кВт;
ФОБ- фактический фонд времени работы оборудования, ч;
Ц эл – тариф на электроэнергию, р.
р.
Накладные расходы вычисляются по формуле:
, (6.14)
где kн – коэффициент накладных расходов, равный 15 %.
р.
Себестоимость разработки и изготовления аппаратной части определяется по формуле:
р.
6.2 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 6.4.
Таблица 6.4 – Трудоёмкость создания программного обеспечения
Стадия разработки
Трудоёмкость ,ч
Описание задач
4
Разработка алгоритма решения
8
Разработка блок-схем алгоритмов
10
Составление программы
12
Отладка программы
6
Подготовка документации
8
Всего:
48
Затраты на создание программного обеспечения определяются по формуле:
, (6.15)
где – затраты на основную з/п разработчика;
– затраты на дополнительную з/п разработчика;
– затраты на социальные нужды;
– затраты на оплату машинного времени;
– накладные затраты.
Основная зарплата определяется по формуле:
(6.16)
где – трудоёмкость создания программного обеспечения;
– среднечасовая оплата труда разработчика.
Среднечасовая оплата труда разработчика определяется по формуле:
, (6.17)
где Омес – месячный оклад разработчика (примем 6800 р./мес.);
Фмес – фонд времени работ разработчика за месяц.
, (6.18)
где Дмеср – количество рабочих дней в месяц;
tрд – длительность рабочего дня.
,
Основная заработная плата определяется по формуле:
р.
Дополнительная заработная плата определяется по формуле:
, (6.19)
где kдоп – коэффициент дополнительной зарплаты, равный 10 %.
р.
Отчисления на социальные нужды определяются по формуле:
,
где kсн – коэффициент отчислений на социальные нужды, равный 30,2 %.
р.
Затраты на оплату машинного времени определяются по формуле:
, (6.20)
где tп – затраты на составление программы по готовой блок-схеме;
tоmл – затраты труда на отладку программы;
tд – затраты труда на подготовку документации;
Смашчас – стоимость машино-часа арендуемого времени.
Стоимость машино-часа арендуемого времени определяется по формуле:
, (6.21)
где Зэвм – полные затраты на эксплуатацию ЭВМ в течение года;
Фэвм – фонд времени работы ЭВМ за год.
, (6.22)
где h – количество смен, примем равным 2;
Др – количество рабочих дней в году, равное 250;
α – процент потерь времени на ремонтно-профилактические работы (5 %);
.
, (6.23)
где Зобслзп – затраты на зарплату обслуживающего персонала;
Зам – затраты на амортизацию оборудования;
Зэл – затраты на потребление электроэнергии за год;
Звм – затраты на вспомогательные материалы;
Зmр – затраты на текущий ремонт;
Зпр – прочие затраты.
Затраты на зарплату обслуживающего персонала определяются по формуле:
, (6.24)
где Омесi – месячный оклад i-ой категории персонала;
Чi – численность персонала i-ой категории;
Nм – количество машин в компьютерном зале.
Компьютерный зал содержит 6 компьютеров, обслуживается одним лаборантом с окладом 1050 р.
р.
Затраты на амортизацию определяются по формуле:
, (6.25)
где Сбал – балансовая стоимость компьютера;
Нам – норма амортизации.
, (6.26)
где Ц – цена компьютера;
kоборmр – коэффициент, учитывающий затраты на транспортировку оборудования;
kум – коэффициент учитывающий установку и монтаж оборудования.
Примем, что цена компьютера составляет 16 тыс. рублей и срок его службы – 8 лет.
%, (6.27)
где Тсл – срок службы (принят равным 8 лет).
.
В итоге, затраты на амортизацию составят:
р.
Затраты на потребление электроэнергии за год определяются по формуле:
, (6.28)
где Рэвм – суммарная мощность персонального компьютера;
Цэл – тариф на электроэнергию;
kим – 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 4,50 р./кВтч, получим:
р.
Затраты на текущий ремонт определяются по формуле:
, (6.29)
где kmр – коэффициент учитывающий затраты на текущий ремонт, равный 4 %.
р.
, (6.30)
где kвм – коэффициент затрат на вспомогательные материалы, равный 10 %.
р.
, (6.31)
где kпр – 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:
(6.32)
где kнр – 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.
6.3 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. Так как данное устройство разрабатывается для собственных нужд лаборатории, то расходы на транспортировку отсутствуют. В нашем случае общие капиталовложения потребителя будут равны полной себестоимости устройства плюс затраты на установку и монтаж:
, (6.33)
где – затраты на установку и монтаж, р.
, (6.34)
где – норматив затрат на установку и монтаж, равный 1 %.
р.
р.
6.4 Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя
Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя производится путём прямого счёта по формуле:
(6.35)
где Иобс – заработная плата обслуживающего персонала, р.;
Иэл – издержки на электроэнергию, р.;
Ирем – издержки на ремонт, р.
Зарплата обслуживающего персонала (лаборанта) рассчитывается по формуле:
, (6.36)
где Зл мес – месячная заработная плата;
Тсм – длительность смены, ч.;
Др м – количество рабочих дней в месяце;
Тобс – время, затрачиваемое на обслуживание, ч;
Кз доп – процент дополнительной заработной платы;
Ксн – норматив отчислений на социальные нужды;
– районный коэффициент.
Затраты на заработную плату лаборанта составят:
р/год.
Издержки на электроэнергию:
(6.37)
где Мпотр – потребляемая мощность устройства и ПК - 0.75 кВт;
Ту – действительный фонд времени работы устройства, равный 160 ч;
Цэл – стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, р.
р/год.
Издержки на ремонт определяются по формуле:
(6.38)
где Крем – норматив затрат на ремонт, равный 4 % от общих капиталовложений:
р.
Общие годовые эксплуатационные издержки потребителя составят:
р.
6.5 Расчёт годовых приведённых затрат потребителя
Годовые приведённые затраты потребителя рассчитываются по формуле:
, (6.39)
где И – годовые эксплуатационные издержки потребителя, р.;
Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 15 %;
К – капиталовложения потребителя, р.
р.
В таблице 6.4 представлены экономические показатели проекта.
Таблица 6.4 – Экономические показатели проекта
затрат
Сумма, р.
1.Материалы
302,5
2.Покупные комплектующие изделия
948
3.Заработная плата, в том числе:
а) основная
б) дополнительная
10643.6
9676
967.6
4.Отчисления на социальные нужды
3214.3
5.Затраты на потребление электроэнергии
52.65
6.Накладные расходы
1596.5
7.Себестоимость аппаратной части
15028
8.Себестоимость ПО
4744
9.Полная себестоимость устройства
19968
10.Годовые эксплуатационные издержки, в том числе:
а) заработная плата с отчислениями
б) затраты на электроэнергию
в) затраты на ремонт
4362
3024
540
798
11.Годовые приведенные затраты
7357
Вывод: В этом разделе произведён расчёт себестоимости устройства сбора данных измерителя твёрдости металлов и расчёт годовых затрат на эксплуатацию. Расчёт экономической эффективности не рассчитывается, так как проектируемое устройство не предназначено для реализации и будет использоваться только в исследовательских целях.
7 Безопасность труда
7.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда
Лаборатория "Промышленной электроники и информационно-вычислительной техники” университета находится в здании 15 корпуса Оренбургского государственного университета, аудитория расположена на третьем этаже. В аудитории есть два световых проема размером по 4 м2, а также есть 6 ламп дневного света. Площадь помещения 30м2, высота потолка 4,1 м.
В данном помещении имеются 10 рабочих мест, 2 из которых оснащены 2 ПЭВМ типа "IBM PC/ATX”, а остальные пятью электронными приборами:
1) осциллограф С1-114/1;
2) генератор импульсов Г5-54;
3) частотомер электронносчетный ЧЗ-38;
4) генератор сигналов низкочастотный ГЗ-109;
5) источник питания постоянного тока Б5-47;
Питание лабораторного оборудования производится от сети напряжения 220В. Электропитание и заземление выполнены по правилам ПУЭ. Схема электроснабжения лаборатории представлена на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1 – Схема электроснабжения лаборатории
В таблице 7.1 приведены условные обозначения рисунка 7.1.
Таблица 7.1 – Условные обозначения помещения лаборатории
Наименование
Обозначение
Стол
1
Стол с ПЭВМ
2
Столы с измерительными приборами
3
Стол с наждаком
4
Стеллаж
5
Книжный шкаф
6
Дверь
7
Окно
8
Кондиционер
9
Розетка
10
Лампа освещения
11
Заземление
12
Длительность работы на ЭВМ определяется сложностью заданий и техническими данными терминала (разрешающей способностью и частотой кадровой развертки), характером выполняемых работ (ввод данных, программирование, редактирование текстов и прочее).
Для обеспечения комфортной работы преподавателей, студентов и лаборантов в лаборатории необходимым фактором является освещенность. В лаборатории используется искусственное и естественное освещение. На уровень освещенности лаборатории оказывает влияние цветовая отделка интерьера и оборудования, их отражающая способность.
В учебной лаборатории стены имеют бледно-зелёный цвет, столы имеют цвет натуральной древесины, что удовлетворяет "Методическим указаниям по профилактике переутомления студентов вузов при работе с видеотерминалами и электроизмерительными приборами”. Лаборатория расположена на нейтральной стороне по отношению к солнцу.
Естественное освещение осуществляется через светопроемы, ориентированные преимущественно на восток и обеспечивает коэффициент естественной освещенности (КЕО) не ниже 1,2 %, а допустимые значения по СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение” должно быть 1,5 % для IV разряда зрительной работы (средней точности) .
Для внутренней отделки интерьера помещений с ВДТ и ПЭВМ использовались диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения:
- для потолка 0,7 – 0,8;
- для стен 0,5 – 0,6;
- для пола 0,3 – 0,5.
Освещенность на поверхности стола должна быть 300-500 лк, а она составляет около 150 лк, что не удовлетворяет нормам по СНиП 23-05-95.
В качестве источников света при искусственном освещении применяются люминесцентные лампы типа ЛБ мощностью 40 Вт.
Площадь на одно рабочее место с ВДТ или ПЭВМ для взрослых пользователей составляет не менее 6,0 м2, а объем не менее 20,0 м3, что удовлетворяет нормам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.
Поверхность пола в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ ровная, без выбоин, нескользкая, удобная для очистки и влажной уборки, обладает антистатистическими 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 %.
Для работы использованы мониторы, удовлетворяющие стандартам MPR, MPR-2, TCO-92, TCO-95, TCO-99, а также стандарту Energy Star. Мониторы применяются с покрытием против бликов и с антистатическим покрытием электронной трубки. Оргтехника, обладающая слишком высоким уровнем шума – свыше 70 дБ, не используется.
В лаборатории используются деревянные квадратные стулья, не удовлетворяющие требованиям, поэтому рекомендуется заменить их на стулья, имеющие характеристики:
- ширина и глубина поверхности сиденья – 450 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;
- регулировка подлокотников по высоте над сиденьем в пределах 230±30 мм и внутреннего расстояния между подлокотниками в пределах 350- 500 мм.
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 оплавление изоляции, соединительных проводов, их оголение и, как следствие, короткое замыкание, которое может привести к воспламенению.
Для ликвидации пожаров в начальной стадии и своевременной эвакуации людей в лаборатории предусмотрены следующие меры:
- наличие первичных средств тушения пожара (1 огнетушитель ОУ-5, защищаемая площадь 30 м2);
- наличие устройств пожарной автоматики (2 извещателя дымовых ИП-212);
- наличие плана эвакуации.
Лаборатория имеет следующие характеристики:
- категория по взрывопожарной и пожарной опасности лаборатории «Промышленной электроники» по НБП 105-95: В-3.
- класс взрывопожарности по ПУЭ – П-Па;
- степень огнестойкости здания II;
- тип вентиляции – естественная.
Лаборатория оснащена средствами системы пожарной сигнализации: извещателями дымовыми ИП-212. Максимальное расстояние между дымовыми извещателями 8,5 м, от стены до извещателя – 4,5 м при высоте свыше 3,5 м до 6 м. Система пожарной сигнализации рассчитана на круглосуточную работу. Шлейфы пожарной сигнализации выведены на концентратор на вахту без права отключения. Шлейфы пожарной сигнализации в защищаемых помещениях выполнены проводом ТРП-1х2х0,5 открыто по стенам и потолкам и проводом МГШВ-0,5 на тросе. Вертикальные спуски выполнены кабелем ТПП-10х2х0,5. Основное и резервное питание концентратора выполнено проводом АППВ-3х2,5 в металлорукаве.
Важным фактором нормального высокопроизводительного труда являются метеорологические условия в производственном помещении.
При измерениях температуры, относительной влажности воздуха в помещениях, где установлены компьютеры и электроизмерительные приборы, оргтехника, получились такие результаты. Температура в теплый период года колеблется от 21 до 25 0C, в холодный период года от 21 до 23 0C. Относительная влажность колеблется от 41 % до 55 % в холодный период и от 42 % до 62 % в теплый период года. Эти параметры температуры и влажности удовлетворяют нормам производственного микроклимата установленные системой стандартов безопасности труда ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН 2.2.4.548-96. ”Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений и электроизмерительным приборам” находятся в допустимых пределах.
Лаборатория не граничит с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума.
7.1.1 Мероприятия по улучшению условий труда
Неудобное сидячее положение, дискомфорт от сидячей работы за дисплеями и на рабочих местах можно уменьшить следующими методами:
- тщательным приспособлением состояния дисплея или объектива к индивидуальными особенностям зрения;
- приспособлением расстояния между глазами и дисплеем и расположения дисплея к конкретному работнику;
- регулировкой общего освещения на рабочем месте до достижения нужного его качества или обеспечением индивидуального освещения на рабочих местах;
- таким изменением работы, которое обеспечило бы возможность отдыха после продолжительных операций, создающих нагрузку на глаза;
- обеспечением таких условий, в которых работники могли бы отдыхать в отдельном помещении с тем, чтобы снять усталость глаз;
- обеспечением регулировки высоты рабочего стула до нужного уровня и удобства сидения.
Оргтехнику, обладающую слишком высоким уровнем шума – свыше 70 дБ, рекомендуется разместить в специальном помещении. Для техники, которую нельзя переместить, применить звукопоглощающие материалы, а также в качестве дополнительного звукопоглощения использовать однотонные занавеси из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен. Занавески должны быть подвешены в складку на расстоянии 15 см от ограждения. Ширина занавеси составляет 6 м.
Для поддержания температуры воздуха в пределах 21-24 0C в теплый период рекомендуется установить кондиционеры. Для холодного периода для поддержания температуры не ниже 21 0C 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.
Для предупреждения развития переутомления обязательными условиями являются:
- осуществление перерыва после каждого академического часа занятий длительностью не менее 15 минут, независимо от учебного процесса. С этой целью необходимо к компьютерам подключать таймер или централизованно отключить дисплей;
- проведение во время перерыва проветривания дисплейного класса (желательно сквозное с обязательным выходом из класса студентов);
- осуществление во время перерыва физкультурной паузы в течении 3 - 4 минут;
- для снятия локального утомления студентов следует обеспечить проведение физкультминуток (в течение 1 - 2 минут), которые могут выполняться индивидуально в зависимости от появления усталости;
- через каждые 20 - 25 минут работы на видеотерминале осуществлять упражнения для глаз.
Для снижения пыли в лаборатории предусмотрены следующие рекомендации:
- не входить в помещение, где установлены видеотерминалы, в уличной обуви;
- ежедневно перед началом учебных занятий в дисплейном классе проводить влажную уборку и проветривание помещения.
7.2 Расчет естественного освещения
Согласно СНиП 23-05-95 нормированное значение КЕО (ен) для зданий, располагаемых в различных районах следует определить по формуле:
ен =е*т (7.1)
где е - нормированное значение коэффициента естественной освещенности;
т - коэффициент светового климата.
ен =1.5*0.9=1.35
При определении достаточности естественного освещения на стадии проектирования производственного помещения для правильной расстановки оборудования и размещения рабочих мест необходимо рассчитать площадь остекления световых проемов.
При боковом освещении помещений расчет площади световых проемов ведется по формуле:
(7.2)
где - площадь световых проемов;
Sn - площадь пола помещения, м2;
ен - нормированное значение коэффициента естественной освещенности, %;
Кз - коэффициент запаса;
- световая характеристика окон;
Кзд - коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями;
- общий коэффициент светопропускания;
- коэффициент, учитывающий влияние отраженного света.
Вывод: Расчетная площадь световых проемов составляет 10.8, а фактическая площадь 8, что говорит о недостаточности естественного освещения. Отсюда следует, что придется использовать искусственное освещение.
7.3 Возможные чрезвычайные ситуации
В соответствии с ГОСТ Р 22.0.02 – 94 приняты следующие определения.
Чрезвычайная ситуация (ЧС) – состояние, при котором в результате возникновения источника чрезвычайной ситуации на объекте, определенной территории или акватории нарушаются нормальные условия жизни и деятельности людей, возникает угроза их жизни и здоровью, наносится ущерб имуществу населения, народному хозяйству и окружающей природной среде.
Риск возникновения ЧС – вероятность или частота возникновения источника ЧС, определяемая соответствующими показателями риска.
Источник ЧС – опасное природное явление, авария или опасное техногенное происшествие, широко распространенная инфекционная болезнь людей, сельскохозяйственных животных и растений, а также применение современных средств поражения, в результате чего произошла или может возникнуть ЧС.
Безопасность в ЧС – состояние защищенности населения, объектов народного хозяйства и окружающей природной среды от опасностей в ЧС.
Защищенность в ЧС – состояние, при котором предотвращают, преодолевают или предельно снижают негативные последствия возникновения потенциальных опасностей в ЧС для населения, объектов народного хозяйства и окружающей природной среды.
Зона ЧС – территория или акватория, на которой в результате возникновения источника ЧС или распространения его последствий из других районов возникла зона ЧС.
Причинами возникновения ЧС являются: стихийные бедствия, техногенные аварии и катастрофы, антропогенные катастрофы, применение средств массового поражения и т.д.
Недалеко от учебных корпусов ОГУ 14 и 15 проходит железная дорога. На расстоянии R=2 км от корпусов на железной дороге произошла авария на товарном поезде, перевозящем аварийно химически опасные вещества (АХОВ).
Произведем оценку химической обстановки при заражении воздуха оксидом этилена.
Основные параметры:
– кол-во перевозимого оксидом этилена – 3 т;
– температура воздуха – 0 °С;
– скорость ветра – 3 м/с;
– время от начала аварии – 4 часа;
– угловой размер зоны поражения – 45 0;
– скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха (при конвекции и соответствующей скорости ветра) – 21 км/ч;
Полная глубина зоны заражения:
км.
Предельно возможная глубина переноса воздушных масс:
, (7.3)
где – скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха, км/ч;
– время от начала аварии, ч.
км.
За истинную глубину зоны заражения принимается величина:
. (7.4)
Площадь зоны заражения АХОВ:
, (7.5)
где – коэффициент, учитывающий влияние степени вертикальной устойчивости воздуха на ширину зоны заражения: для конвекции – 0.235;
– время от начала аварии, ч.
Эквивалентное количество АХОВ по первичному облаку, кг, определяется по формуле:
. (7.6)
Не рассчитываем эквивалентное количество АХОВ по первичному облаку, потому что =0.
Эквивалентное количество АХОВ по первичному облаку, кг, определяется по формуле:
, (7.7)
где – коэффициент, зависящий от условий хранения АХОВ;
– коэффициент, зависящий от физико-химических свойств АХОВ;
– коэффициент, равный отношению пороговой токсидозы хлора к пороговой токсидозе рассматриваемого АХОВ;
– коэффициент, учитывающий скорость ветра;
– коэффициент, учитывающий степень вертикальной устойчивости атмосферы;
– коэффициент, учитывающий время, прошедшее с начала аварии , ч;
– количество разлившегося АХОВ;
– плотность жидкой фазы АХОВ, ;
– толщина слоя разлившегося жидкого АХОВ, м.
кг
Время (t) подхода облака к учебным корпусам:
, (7.8)
где – расстояние от источника заражения до объекта;
– скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха, км/ч.
мин.
Обеспеченность людей противогазами – 20 %, отсюда возможные потери людей:
на открытои местности – 75 %;
в зданиях – 40 %;
из них легкой степени поражения – 25 %;
средней и тяжелой степени – 40 %;
со смертельным исходом – 35 %;
На территории корпусов находится примерно 700 человек, из них 100 могут находиться на открытой местности, отсюда возможные потери:
Из них 110 – со смертельным исходом;
126 – средней и тяжелой степени;
79 – легкой степени.
В таблице 7.2 приведены результаты оценки химической обстановки
Таблица 7.2 – Результаты оценки химической обстановки при аварии
Источник заражения
Тип АХОВ
Кол-во АХОВ, т
Глубина зоны заражения, км
Общая площадь зоны заражения, км2
Потери от АХОВ, чел
Авария товарного поезда
оксид этилена
3
3.99
4.94
315
Вывод: необходимо полное обеспечение средствами индивидуальной защиты
органов дыхания.
Заключение
В ходе данного дипломного проектирования было разработано устройство сбора данных измерителя твёрдости металлов. В основе разработанной системы находится МК, для которого была разработана программа на языке С. Собран опытный образец разработанного устройства, который был протестирован на работоспособность. Полученное решение удовлетворяет требованиям технического задания.
Список использованных источников
1 Алексенко, А. Г. Основы микросхемотехники [Текст] / А. Г. Алесенко. – 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Юнимедистайл, 2002.- 448 с.
2 Агуров, П.В. Практика программирования USB [Текст] / П.В. Агуров. – СПб: БХВ-Петербург, 2006. – 624 с.
3 Шпак, Ю. А. Программирование на языке Си для AVR и PIC микроконтроллеров [Текст] / Ю. А. Шпак. – К.: «МК-Пресс», 2006. – 400 с.
4 Акулова, А.Ш. Расчет экономического эффекта от внедрения разработанного устройства [Текст]: метод. указ. / А. Ш. Акулова. – Оренбург: ООО «Агентство «ПРЕССА», 2008. – 21 с.
5 Белов, С. В. Безопасность жизнедеятельности [Текст]: учебник для вузов / С. В. Белов, А.Ф. Козьяков. – М. : Высшая школа, 2004. – 342 с.
6 PIC18F2550 [Электронный ресурс]: техническое описание. – М.: ООО «Микро-Чип», 2004. – 426 с. – Режим доступа : WWW.URL : http: // www.microchip.ru/. – 12.04.2004.
7 Бронштейн, И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев; под ред. Г. Гроше, В. Циглера. – Перераб. – Перев. с нем. – М. : «Наука», Главная ред. физ.-мат. литературы, 1980. – 976 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
(обязательное)
Перечень элементов
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(обязательное)
HEX – файл программы для МК
:020000040000FA
:0600000053EF05F01200B1
:06002A000100D60A0000EF
:08003000B7000000040000000D
:0800380004011851600BE842BD
:10004000E842E842E842E842000901E055D019518F
:10005000070A51E00B0A4FE0070A40E0010A2CE0D2
:100060000B0A28E0020A26E0030A22E0080A12E04E
:10007000010A0EE00F0A0AE0030A01E03CD0000189
:10008000010EAC6F0001040EB36F36D036D834D0F9
:1000900090D832D00001010EAC6F0001B50EAD6FEB
:1000A000000EAE6F0001B4930001010EB16F24D0B9
:1000B000A8D822D0F4D820D00001010EAC6F0401E2
:1000C0001C510001AD6FAE6BB60EAD27000EAE2316
:1000D0000001B4930001010EB16F0ED00001010EBA
:1000E000AC6F04011C51EA6AB60FE96E000EEA22F9
:1000F0001AC4EFFF01D000D01200800E0401185D79
:1001000057E11B51030A34E0010A10E0030A01E041
:100110004DD00001010EAC6F0001700EAD6F080EE6
:10012000AE6F120E0001B16FB26B40D00001010E34
:10013000AC6F04011A51F66EF76AD890F636F736AE
:100140001E0EF626090EF7220900F5CFADF00A00C3
:10015000F5CFAEF0020E0001F76AAD25F66EAE5196
:10016000F7220900F5CFB1F00A00F5CFB2F01ED0AA
:100170000001010EAC6F04011A51F66EF76AD890B7
:10018000F636F736220EF626090EF7220900F5CFCD
:10019000ADF00A00F5CFAEF0ADC0F6FFAEC0F7FF90
:1001A0000800F5500001B16FB26B00D00001B483BC
:1001B00012000001010EAC6F0F0EE66E710EE66EBE
:1001C0000F0EE66E94EC03F0E552E552E552010E97
:1001D000E66EB60EE66E000EE66E94EC03F0E552A7
:1001E000E552E5521AC4B5F004011A5104E10001C8
:1001F000050EB36F05D00001060EB36FA9EC03F036
:1002000012000401206B216B040118511F0B020A1C
:1002100014E0030A0EE0010A01E033D00001010EF0
:10022000AC6F040120810001B4A102D0040120833D
:1002300028D00001010EAC6F24D00001010EAC6F7C
:1002400004011C510F0B080DF350036A000F026EDE
:10025000040E03221C51800B01E0010E040DF3502B
:1002600000010224AF6F000E0320B06FAFC0E9FFA2
:10027000B0C0EAFFEF50040B03E00401010E206F51
:1002800000D00001AC050AE10001200EAD6F040EA4
:10029000AE6F0001B4930001020EB16F12000401B1
:1002A0001A0510E118511F0B00090CE10001010EA5
:1002B000AC6F030E0401195D03E10001B48102D0AB
:1002C0000001B49104011A513AE118511F0B0208C0
:1002D00036E11C510F0B000932E00001010EAC6F3A
:1002E00004011C510F0B080DF350036A000F026E3E
:1002F000040E03221C51800B01E0010E040DF3508B
:1003000000010224AF6F000E0320B06F030E040142
:10031000195D07E1840EAFC0E9FFB0C0EAFFEF6EE0
:100320000ED01CAF06D0AFC0E9FFB0C0EAFFEF6A45
:1003300006D0880EAFC0E9FFB0C0EAFFEF6E120032
:100340006C5002E0000E01D0010E00090BE0040128
:1003500000513C0BE842E8420D0802E10CD801D004
:100360001CD808D06C5002E0000E01D0010E040928
:1003700001E023D81200D9CFE6FFE1CFD9FFE65242
:100380000001AB6BAC6BB16BB26B1CEC00F0DDD859
:10039000E552E552E7CFD9FF1200020E0001AB5D36
:1003A0000AE196D8040100BD03D0C80E006F02D048
:1003B000880E006F01D00FD91200040E0001B35D4A
:1003C0000AE11AC46EFF6E50000803E2050EB36F17
:1003D00002D0030EB36F0001AB050AE10BD8040194
:1003E00004BD03D0C80E046F02D0880E046F01D084
:1003F000F2D81200D9CFE6FFE1CFD9FF020EE126F5
:100400000001080EB15D000EB25905E2B1C0DEFF79
:10041000B2C0DDFF03D0080EDE6EDD6A0401049376
:100420000491010EDB500413DFCF05F4000EDB5006
:100430000001B15F010EDB50B25B200EAF6F040E06
:10044000B06F0001B4A31ED0D9CFE9FFDACFEAFF25
:10045000EE50ED1016E0ADC0F6FFAEC0F7FF08009D
:10046000F550AFC0E9FFB0C0EAFFEF6E0001AF2B5F
:10047000000EB023AD2BAE23DF06010E01E2DB063A
:10048000E3D71CD0D9CFE9FFDACFEAFFEE50ED1069
:1004900015E0ADC0E9FFAEC0EAFFEF50AFC0E9FF25
:1004A000B0C0EAFFEF6E0001AF2B000EB023AD2B02
:1004B000AE23DF06010E01E2DB06E4D7020EE15CAB
:1004C00002E2E16AE552E16EE552E7CFD9FF1200A0
:1004D000D9CFE6FFE1CFD9FF020EE126030E0401DA
:1004E0000015E76E010EE7CFDBFF01C4DFFFDE5032
:1004F0000001B127DD50B223200EAD6F040EAE6FA8
:10050000D9CFE9FFDACFEAFFEE50ED1014E0ADC02D
:10051000E9FFAEC0EAFFEF50AFC0E9FFB0C0EAFFAD
:10052000EF6EAF2B000EB023AD2BAE23DF06010E16
:1005300001E2DB06E5D7020EE15C02E2E16AE55288
:10054000E16EE552E7CFD9FF12000001AC510CE19A
:100550000401080E016F180E026F040E036F840E63
:10056000006F0401046F35D0040118AF22D00001E0
:10057000B15104011E5D0001B25104011F5904E292
:100580001EC4B1F01FC4B2F035DF0001010EAB6F25
:100590000401080E016F180E026F040E036F800E27
:1005A000006F0401200E066F040E076FC80E046F63
:1005B00010D00001020EAB6F0401056BC80E046F72
:1005C0000401080E016F200E026F040E036FC80EA7
:1005D000006F6D9812000001AB6B0401080E016FF3
:1005E000180E026F040E036F880E006F0401046B77
:0205F0001200F7
:0E05F2006DA60CD80001B30508E16DBA06D065
:10060000686A696A69806988020EB36F12006D6A50
:10061000696A6D860001010EB36F12006D6A696A26
:100620000001B36B12000EEF03F00001B35101E1C2
:1006300033D06850040B04E06950040B01E031D85A
:100640006DB22AD06850010B04E06950010B01E043
:1006500049D86850400B04E06950400B01E037D89E
:100660006850200B04E06950200B01E032D868503C
:10067000020B04E06950020B01E032D8030E0001C6
:10068000B35D01E209D06850080B06E06950080B21
:1006900003E0A0EC01F068961200698468986D820E
:1006A00012006D926994689412000001B4A10ED0FA
:1006B000F8DF6D840001080EBB6F070EBC6FBB072F
:1006C000000EBC5BBB51BC11FAE16D941200689C3A
:1006D000120070A003D0EBEC02F07090689A120048
:1006E000689212006A6A686A9F0E6B6E7B0E696E72
:1006F0006E6A0F0EE66E710EE66E0F0EE66E14D881
:10070000E552E552E552160E706E68A602D0689664
:10071000FCD76D98EBEC02F00001B4910001B56BD1
:100720000001030EB36F1200D9CFE6FFE1CFD9FF6E
:10073000FD0EDBCFE9FFFE0EDBCFEAFFFC0EDB5048
:1007400004E0EE6AFC0EDB06F9D7E552E7CFD9FFED
:02075000120095
:0E0752000001BD6B1E0E716E0401400E096F9A
:10076000280E0A6F040E0B6F880E086F0401680EC6
:100770000E6F040E0F6F400E0C6F1200D9CFE6FF04
:10078000E1CFD9FFE652FC0EDB50400805E2400EF7
:10079000F36EFC0EF3CFDBFFDF6AFC0EDB50DF5C99
:1007A00019E2DF50E76EFD0EDBCFE9FFFE0EDBCF77
:1007B000EAFFE750E926000EEA22EF50E66EDF502E
:1007C000EA6A680FE96E040EEA22E552E750EF6E1E
:1007D000DF2AE3D7FC0EDBCF0DF4400E04010C172B
:1007E0000C7D880E0C13E552E552E7CFD9FF1200BD
:1007F000D9CFE6FFE1CFD9FF0001BD6B040108BFEF
:1008000030D0FC0EDBCF02F00951D880025403E255
:10081000FC0E09C4DBFF0001BD6BFC0EDB50BD5DAF
:1008200019E2BD51EA6A280FE96E040EEA22EF5080
:10083000E66EBD51E76EFD0EDBCFE9FFFE0EDBCFAE
:10084000EAFFE750E926000EEA22E552E750EF6E94
:10085000BD2BE3D70401400E096F0817087D880EF1
:1008600008130001BD5100D0E552E7CFD9FF1200B7
:100870001201000200000008D8040C000000010270
:100880000001090220000101008032090400000279
:10089000000000000705010240000007058102403A
:1008A00000000403090434034D0069006300720072
:1008B0006F0063006800690070002000540065004C
:1008C000630068006E006F006C006F0067007900C5
:1008D000200049006E0063002E00440350004900D0
:1008E0004300440045004D00200046005300200016
:1008F0005500530042002000440065006D006F0069
:10090000200042006F006100720064002000280097
:1009100043002900200032003000300034008208FB
:080920008208A208A608DA080B
:080928001200120092688C0E0F
:10093000C06E110EC16E1200D9CFE6FFE1CFD9FF14
:10094000FE0EDB50C26EF28EF28C9E9C9D9C9F9C94
:10095000C280EBDFC282E552E7CFD9FF1200060E5C
:100960000001B35D03E36D50020B01E035D0400E92
:10097000E66E610EE66E000EE66EF8EC03F0E552F0
:10098000E552E552000900E00001040E606FCEDF81
:10099000E66AD2DFE552C2A205D0C3CF61F0C4CF70
:1009A00062F0F9D7C3DF040EE66EC6DFE552C2A2DD
:1009B00005D0C3CF63F0C4CF64F0F9D704010CBFF6
:1009C0000BD060C0E6FF610EE66E000EE66EBEEC78
:0A09D00003F0E552E552E552120073
:0609DA002A0EF66E000E6D
:1009E000F76E000EF86E00010900F550A66F0900C1
:1009F000F550A76F03E1A66701D03DD00900F5507F
:100A0000A16F0900F550A26F0900F550A36F09000E
:100A10000900F550E96E0900F550EA6E0900090079
:100A20000900F550A46F0900F550A56F09000900F1
:100A3000F6CFA8F0F7CFA9F0F8CFAAF0A1C0F6FF43
:100A4000A2C0F7FFA3C0F8FF0001A45302E1A55321
:100A500007E00900F550EE6EA407F8E2A507F9D704
:100A6000A8C0F6FFA9C0F7FFAAC0F8FF0001A607BB
:080A7000000EA75BBFD71200C6
:080A780005D80ED8AFEC04F024
:100A8000FCD71200140E6F6E0001B36B0001B46B43
:100A90000001B56B94EF04F0F9EC02F06FBE02D0E8
:060AA00015EC03F012004A
:0A0AA60013EE00F023EE00F0F86AF2
:100AB000019CEDEC04F06AEC05F03CEC05F0FBD792
:020AC000120022
:0E0AC20000EE00F00F0EEE6AEA62FDD71200A1
:040AD0000104020813
:020AD40012000E
:040AD600000000001C
:020000040030CA
:0100000024DB
:010001000EF0
:0100020039C4
:010003001EDE
:010005008179
:010006008178
:00000001FF
Скачать дипломную работу: