Размещено на http://www.allbest.ru/

АНОТАЦИЯ

Прибор контроля постовой охраны. А.А.Шмелев - Челябинск: ЮУрГУ, ПС, 2011, -100 с. Библиография литературы 20 наименований, 10 чертежей и плакатов ф. А1.

В настоящем дипломном проекте разработан прибор контроля постовой охраны. Составлен комплект графического материала в соответствии с заданием на дипломное проектирование. Выполнено проектирование печатных узлов, произведен расчет надежности печатного узла, разработано программное обеспечение. В организационно-экономическом разделе дипломного проекта рассмотрено сетевое планирование НИОКР, произведен расчет параметров сетевого графика и экономических показателей изделия, оценены затраты на подготовку мелкосерийного производства. В разделе «Безопасность жизнедеятельности» проведен анализ опасных и вредных производственных факторов, приведён ряд мероприятий, целью которых является уменьшение их вредного воздействия на человека.

ОГЛАВЛЕНИЕ

• 1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
• 1.1 ИЗУЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРЫ, ПАТЕНТОВ, НОРМАТИВНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ.
• 1.2 АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
• 1.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА И НАПОЛНЕНИЯ БЛОКА.
• 2. СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 2.1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ.
• 2.2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМОЙ.
• 3. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ. КОМПОНОВКА, ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОКРЫТИЙ.
• 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
• 5. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
• 5.1 РАЗРАБОТКА УЗЛА НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ
• 6. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧАТНОГО УЗЛА
• 7. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
• 8. ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ
• 8.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
• 8.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛИ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММЫ
• 8.3 ВЫБОР ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ И КРОСС - СРЕДСТВ
• 8.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ ДАННЫХ
• 8.5 РАЗБИЕНИЕ НА МОДУЛИ (ФУНКЦИИ)
• 8.6 РАЗРАБОТКА ТЕКСТА ПРОГРАММЫ.
• 9. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 9.1 СЕТЕВОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ
• 9.2 ПОСТРОЕНИЕ СЕТЕВОГО ГРАФИКА
• 9.3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СОБЫТИЙ СЕТЕВОГО ГРАФИКА
• 9.4 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОТ СЕТЕВОГО ГРАФИКА
• 9.5 РАСЧЕТ ПРЕДПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗАТРАТ НА РЕАЛИЗАЦИЮ МЕРОПРИЯТИЙ НИОКР
• 9.6 РАСЧЕТ ТЕКУЩИХ ЗАТРАТ НА СТАДИИ ЕДИНИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
• 9.7 СТОИМОСТНАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ МЕРОПРИЯТИЯ
• 10. ОХРАНА ТРУДА
• 10.1 АНАЛИЗ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ, ИСТОЧНИКОМ КОТОРЫХ ЯВЛЯЕТСЯ ПРОЕКТИРУЕМОЕ УСТРОЙСТВО.
• 10.2 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА.
• 10.3 СООТВЕТСТВИЕ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА ТРЕБОВАНИЯМ БЕЗОПАСНОСТИ.
• 10.4 ЭРГОНОМИКА
• 10.5 ЗАЩИТА ОТ ШУМА
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
• ПРИЛОЖЕНИЯ
• ПРИЛОЖЕНИЕ А. ТЕКСТ ПРОГРАММЫ
• ПРИЛОЖЕНИЕ Б. РУКОВОДСТВО ОПЕРАТОРА
• ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПОСАДОЧНЫЕ МЕСТА ДЛЯ ЭРЭ
• ВВЕДЕНИЕ
• Современные охранные средства все чаще используются для повышения надежности охраны промышленных объектов, мест массового скопления людей, частной собственности. Очень важно, чтобы применяемые приборы были недорогими, надежными и простыми в обслуживании, поскольку от этого зависят стоимость охранного оборудования и качество охраны.
• Очень важным моментом в сфере охранных услуг на сегодняшний день является контроль охранного персонала - как оперативных групп быстрого реагирования, так и постовых охранников, ведь от них напрямую зависит безопасность в таких общественных местах, как вокзалы, аэропорты.

Прибор контроля постовой охраны будет работать в сети стандарта GSM на частоте 800 МГц, 900 МГц, и 1800 МГц. Данное решение намного упрощает способ организации связи объект-пульт. Не требуется дополнительной разработки радиопередающих и радиоприемных устройств, кодеров и декодеров сигналов. А также отпадает потребность в регистрации рабочей частоты. Сети стандарта GSM достаточно распространены по территории Челябинской области, имеют высокую скорость передачи данных, возможность передачи факсимильных сообщений.

Для работы в сети GSM существует множество так называемых GSM-модулей. Эти модули имеют большой набор инструкций, с помощью которых можно управлять работой в сети GSM, передавать различные данные, выходить во всемирную сеть Интернет. Сам GSM модуль управляется микроконтроллером.

Данный прибор является аналогом мобильного телефона. Отличия состоят в том, что у него есть возможность дозваниваться лишь на конкретный заданный номер, и в том, что он устанавливается неподвижно, что гарантирует нам, что охранник в заданное время находится на заданном объекте.

Цель данного проекта - разработка простого, дешевого, экономичного и технологичного прибора контроля постовой охраны. Данное изделие позволит увеличить эффективности работы охранников, улучшить качество охранных услуг.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Разработка прибора контроля постовой охраны в настоящее время является актуальной проблемой, которой занимаются многие отечественные и зарубежные фирмы.

Внедрение данного устройства позволит повысить эффективность работы охранников на охраняемых объектах, соответственно, повысится безопасность в таких общественных местах, как вокзалы, аэропорты. Так же такой прибор необходим для контроля работы охранников на удаленных объектах. Данный прибор устанавливается на охраняемых объектах неподвижно. Через него постовой охранник связывается с диспетчером, который обслуживает пульт охраны. Специальное программное обеспечение контролирует время выхода охранников на связь, и в случае нарушения, немедленно сообщает об этом диспетчеру. Разработка программного обеспечения пульта в данный проект не входит.

В состав прибора входит GSM-модуль, работающий на частотах 800 МГц, 900 МГц, и 1800 МГц. По заданным алгоритмам микроконтроллер вырабатывает сигналы управления GSM модулем в зависимости от нажатой одной из трех кнопок.

Подобный вариант связи охранника с диспетчером не требуется дополнительной разработки радиопередающих и радиоприемных устройств, кодеров и декодеров сигналов.

Питание прибора осуществляется от сети постоянного тока 12В. Прибор предназначен для работы в обычных условиях.

Кроме того, при разработке конструкции прибора нужно учитывать эргономические и эстетические требования, которые включают в себя: габариты корпуса и цвет его окраски, расположение и форму органов управления.

Только используя современную элементную базу и конструкционные технологии возможно уменьшение массы и габаритов устройства.

1.1 Изучение литературы, патентов, нормативной документации

Разработка данного устройства непосредственно связана с программированием микроконтроллера, который в свою очередь, будет управлять GSM модулем. Литературы, посвященной микроконтроллерам, огромное количество. Для разработки данного устройства изучалась книга под названием «практическое программирование микроконтроллеров Atmel ATMEL на языке ассемблера» автора Юрия Ревича. Данная книга подойдет как для опытных пользователей микроконтроллеров, так и для начинающих их изучать. В данной книги описываются микроконтроллеры ATMEL, их технические характеристики, возможности. Рассматриваются примеры программ. Так как программа для прибора пишется на языке С, то литература по данному языку программирования микроконтроллеров «CodeVisionAVR. Пособие для начинающих» Лебедева Михаила. Так же, в книге рассматривается синтаксис работы языка С, и его особенности применения к микроконтроллерам. К сожалению, список литературы по GSM модулям достаточно короток. И поэтому, разработчики изучают литературу, выпускаемую заводом-изготовителем, на английском языке. Также присутствует достаточно большое количество интернет ресурсов, содержащих описание работы различных электронных устройств, обучающий материал, разнообразные форумы разработчиков электронной аппаратуры. К рекомендуемым сайтам можно отнести www.easyelectronics.ru и www.electronix.ru.

1.2 Анализ вариантов технических решений

Анализ вариантов технических решений проводится для того, чтобы оптимизировать конструкцию в отношении стоимости, технологических возможностей производства, и достижения требуемых в техническом задании характеристик устройства.

К любому устройству предъявляются требования технологичности. Под технологичностью понимают изготовление того или иного устройства, элемента конструкции в короткие сроки с минимальными экономическими и материальными затратами. Корпус устройства можно было изготовить методом вырубки-штамповки из листового материала. Существуют ещё такие методы изготовления как: каркасная конструкция, формообразование методом фрезерования и литья.

В настоящее время в сфере GSM оборудования существует множество производителей. Ассортимент продукции варьируется от GSM-камер до GSM-сигналлизаций. Рассмотрим несколько GSM приборов:

Прибор ППКОП "Барьер-GSM" предназначен для централизованной и автономной охраны объектов от несанкционированных проникновений и пожаров, путем контроля состояния 8-ми шлейфов сигнализации с включенными в них охранными или охранно-пожарными извещателями.

Система охранно-пожарного контроля Signal GSM является на сегодняшний день одной из самых "интеллектуальных" среди проводных систем. Существующая статистика показывает, что «Signal GSM» - лидер по показателю надежности в эксплуатации. Основное достоинство этого прибора - законченность исполнения. В отличие от других GSM проводных сигнализаций «Signal GSM» совмещает в себе контроллер, модем промышленного исполнения, источник бесперебойного питания как самого прибора так и периферийных датчиков.

GSM сигнализация КСИТАЛ GSM-12.

С помощью коротких SMS-сообщений система gsm сигнализации информирует о срабатывании на объекте различных датчиков, таких как термодатчики, магнитоконтактные, объемные датчики движения инфракрасные, ультразвуковые или СВЧ, датчики загазованности, задымления, затопления водой и другие.

1.3 Определение состава и наполнения блока

В качестве управляющих элементов могут использоваться микроконтроллеры семейства ATMEGA производства фирмы Atmel, а также микроконтроллеры семейства PIC фирмы Microchip. Для перечисленных устройств разработано достаточное количество средств разработки и отладки.

В качестве GSM модуля возможно использовать модули фирмы Simcom, WaveCom, Motorolla.

Проанализировав готовые варианты GSM устройств, можно сделать вывод, что существует достаточно большой выбор охранных приборов, работающих в сети GSM, но GSM приборов контроля постовой охраны, как таковых, нет. Следовательно, можно говорить о том, что произведенный нами прибор будет пользоваться спросом на рынке охранных приборов. Кроме того, разработки данного прибора будут полезны при разработке собственного охранного прибора, работающего в сетях GSM и интернет.

2. СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка структурной электрической схемы

Структурная схема прибора контроля охраны включает в себя:

- Блок входных цепей (микрофонный вход);

- Блок управления;

- Блок выходных цепей (Аудиовыход);

- Источник питания

- GSM модуль

- Процессорный блок

- Блок индикации

Структурная схема прибора приведена на рисунке 2.1:

Рисунок 2.1 -- Структурная схема прибора

Значение температуры может измеряться от 0 до 40?С. Входным сигналом является сигнал, поступающий с микрофона на GSM модуль.

Блок управления - представляет собой три кнопки (вызов, ответить, завершение вызова).

Процессорный блок - состоит из микроконтроллера и элементов необходимых для его правильной работы. Микроконтроллер считывает информацию, опрашивая кнопки, и в случае нажатия одной из них, выдает соответствующую команду управления GSM модулем.

Блок выходных цепей - предназначен для обеспечения громкой связи с постовым охранником. Громкая связь обеспечивается пассивным динамиком, импедансом равным 8 Ом, а также дифференциальным аудио-усилителем, выполненным в интегральном исполнении, который усиливает аудиосигнал, идущий от GSM модуля и подает его на динамик. Это лишает нас необходимости использовать тангенты и телефонные трубки, которые могут быть повреждены. Благодаря этому конструкция прибора уменьшается в объеме, повышается надежность прибора, и защищенность от вандализма.

Источник питания. От качества работы источника питания напрямую зависит надежность работы всей системы. Анализ статистики отказов различных устройств показывает, что неустойчивая работа и выход из строя приборов зачастую связаны именно со сбоями и помехами в питающей сети. В качестве источника питания для прибора было принято использовать блок источника резервированного питания БИРП-12/4,0, устанавливаемый на охраняемых объектах.

2.2 Разработка принципиальной электрической схемой

В качестве самого сложного и самого дорогого устройства выступает GSM модуль SIM300DZ, производства компании SIMCOM.

SIM300DZ - трехдиапазонный GSM/GPRS модуль, производства SimCom, который предназначен для передачи голоса, данных, SMS сообщений, факсимильных сообщений. Маленькие размеры и высокая функциональность модуля SIM300DZ - идеально подходит для встраиваемых решений, где важны размеры конечного устройства. SMD форм-фактор модуля SIM300D дает возможность интегрировать модуль на автоматической линии в устройство (на печатную плату) без применения дорогостоящего оборудования, дорогостоящих методов проверки припоя по сравнения с BGA корпусом. Встроенный полнофункциональный TCP/IP стек. Возможность контроля и управления зарядом Li-iоn аккумулятора.

Применение GSM/GPRS модуля SIM300DZ сокращает время производства и удешевляет конечное изделие.

Основные сферы применения модуля: коммерческий учет электроэнергии, тепла, газа; охранно-пожарные сигнализации; банковское оборудование и платежные терминалы; носимые устройства GSM связи; мониторинг состояния пациента. Основные характеристики модуля SIM300DZ:

Диапазон частот: GSM-GPRS 900/1800/1900 МГц;

Излучаемая мощность: 2 Вт (900МГц), 1 Вт (1800МГц);

Управление модулем: AT Команды (GSM 07.07, 07.05, SIMCOM);

Передача голоса: Кодеки FR/EFR/HR;

Функции снижения шума: Подавление эха;

Два аудио канала: Трубка, гарнитура;

Наличие встроенного таймера реального времени;

Мониторинг температуры модуля;

Функция заряда аккумулятора;

Ток потребления: В режиме ожидания 23 мА, в режиме передачи <470 мА;

Пиковый ток 2 А;

Напряжение питания: от 3.4 до 4.5 В;

Температура рабочая: от -30 °С до +70 °С ;

Размеры 33 х 33 х 6.2 мм, Вес 7.8 г;

Установка на плату: SMD (пайка).

Центральное место в схеме занимает микроконтроллер ATMEGA8 фирмы ATMEL, который работает под управлением программы записанной во внутреннюю FLASH память. Основные характеристики микроконтроллера ATMEGA8:

130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл, 32 восьмиразрядных рабочих регистра общего назначения, энергонезависимая память программ и данных, 8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash, встроенная периферия, два восьмиразрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения, один шестнадцатиразрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения, программируемый последовательный USART, рабочие напряжения 4,5 - 5,5 В, рабочая частота 0 - 16 МГц.

Расположение выводов микроконтроллера ATMEGA8 в корпусе TQFP представлено на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 -- Расположение выводов ATMEGA8.

Для тактирования микроконтроллера необходим либо резонатор, либо независимый тактовый генератор. Генератор, построенный на основе кварцевого или керамического резонатора, требует некоторого времени на установление колебаний. Во время установления режима генератора процессор не должен работать. Для этой цели имеется встроенный таймер запуска, который после появления уровня логической единицы на выводе MCLR и истечения задержки таймера включения питания в течении 1024 тактов внешнего генератора удерживает процессор в состоянии сброса. Этой задержки достаточно для стабилизации тактового генератора. Конденсаторы С1 и С2 увеличивают стабильность работы кварцевого генератора, но при этом несколько увеличивается время его запуска. Производитель рекомендует между выводами кварцевого резонатора и «землей» устанавливать конденсаторы номиналом около 20пФ. Обмен данными между микроконтроллером и GSM-модулем будет происходить через последовательный асинхронный порт UART на скорости 9600 бит в секунду. Так как ошибка передачи данных по данному порту напрямую зависит от частоты работы контроллера, применим кварцевый резонатор, который работает на частоте 4 МГц. При этом погрешность составляет 0,2%. Рассчитаем значение регистра UBBR, который отвечает за скорость последовательного интерфейса UART:

UBBR= XTAL/(16*baudrate)-1,

Где XTAL-частота кварцевого резонатора в герцах в секунду, baudrate - скорость передачи данных в битах в секунду. Получаем:

UBBR= 4 000 000/(16*9600)-1=25;

Блок выходных цепей организован на микросхеме TDA2003:

Основные характеристики микросхемы TDA2003 представлены в таблице 1:

Таблица 1 -- основные характеристики TDA2003

Pвых max, Вт, при Kг=10 %	4,5
Rнагр, Ом, не менее	2
Kг, %, не более	0,5
Iпот, мA, при Uвх=0	10...80
Uвх, мВ, не более	42
Uпит, В	8,5...16,5

Типовая схема включения микросхемы TDA2003 представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 -- Типовая схема включения микросхемы TDA2003

Вход аудиоусилителя подключается к порту «SPK1N» GSM модуля.

Стабилизаторы напряжения прибора стабилизируют сетевое напряжение 12В до следующих постоянных напряжений:

+4В - для питания GSM-модуля.

+5В - для питания микроконтроллера.

Питание +5В организуется линейным стабилизатором напряжения КР142ЕН5А. Питание модуля +4В требует особого подхода. Простой линейный стабилизатор не подойдет, так как модуль требует возможности пикового тока в 2А, что обычный линейный стабилизатор не способен обеспечить. Вследствие, приходится использовать более дорогой стабилизатор напряжения LM1085. Изображение стабилизатора напряжения LM1085 представлено на рисунке 2.5.

Типовая схема включения стабилизатора напряжения LM1085 представлена на рисунке 2.6.



Рисунок 2.6 -- Типовая схема включения стабилизатора напряжения LM1085

Выходное напряжение модуля рассчитывается по следующей формуле:

(1)

Для выходного напряжения в 4 вольта подбираем номиналы:

R1=5.6 кОм, R2=10 кОм.

Блок индикации. В приборе использована как световая индикация (светодиод), так и звуковая индикация (звуковой излучатель). Типовая схема подключения светодиода к микроконтроллеру представлена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 -- Типовая схема подключения светодиода к микроконтроллеру

При логическом нуле на порту микроконтроллера, через резистор R2 ток не протекает, соответственно транзистор VT1 закрыт. Следовательно, ток в цепи коллектор-эмиттер отсутствует и светодиод не горит. При подаче логической единицы на порт микроконтроллера (пять вольт), на базу транзистора поступает ток, ограничивающийся резистором R2 (обычно около 4 кОм), который открывает транзистор. В цепи коллектор-эмиттер протекает ток, ограничивающийся резистором R1. Светодиод зажигается. Применение транзисторной развязки защищает порт микроконтроллера от короткого замыкания и не зависит от питания микроконтроллера.

Типовая схема подключения звукового излучателя к микроконтроллеру представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 -- Типовая схема подключения звукового излучателя к микроконтроллеру

Логика работы такой схемы включения аналогична логике индикации светодиодом. Отличается лишь тем, что транзистор открывается и закрывается на звуковой частоте, которая может регулироваться широтно-импульсной модуляцией, регулируемой микроконтроллере. Изменяя скважность импульсов, мы изменяем частоту, соответственно, изменяем тональность звука. Но в данном курсовом проекте будем использовать пьезо-излучатель. Управляется так же, но частота регулируется в небольших пределах. Это достаточно для индикации нажатия кнопок.

В данном курсовом проекте все транзисторы используются исключительно в качестве ключей. Так как к транзисторным ключам не предъявляется больших требований, достаточно использовать так называемые цифровые транзисторы - транзисторы, выполненные в корпусе со встроенными токоограничивающими резисторами. Это избавляет нас в необходимости от монтажа дополнительных резисторов на плату, что экономит место на плате, резисторы, а, соответственно, уменьшает стоимость готового изделия. Подключаются транзисторы непосредственно к портам микроконтроллера. Будем использовать в качестве цифрового транзистора BCR108, выполненным в корпусе SOT23. Изображение данного транзистора представлено на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Цифровой транзистор BCR108

Блок управления организован тремя управляющими кнопками. Типовая схема подключения кнопок к микроконтроллеру представлена на рисунке 2.10.



Рисунок 2.10 -- Типовая схема подключения кнопки к микроконтроллеру

При разомкнутой кнопке напряжение на порту становится равным напряжению питания (пять вольт) - логическая единица. При замыкании кнопки напряжение на порту становится равным напряжению земли (ноль волт) - логический ноль.

Так как логические уровни у GSM модуля и микроконтроллера не совпадают (0 и 3.3В у модуля, и 0 и 5В у контроллера, соответственно), необходимо иметь средства понижения сигнлала с 5В до 3.3 вольт, и повышения сигнала с 3.3 вольт.

Понижение сигнала выполним с помощью обычного резистивного делителя. Типовая схема резистивного делителя представлена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 -- Типовая схема резистивного делителя

Резисторы рассчитываются таким образом, чтобы было верным следующее выражение:

, (2)

где R1 - резистор верхнего плеча, R2 - резистор нижнего плеча резистивного делителя.

Для простоты расчетов, примем выходное напряжение как половину входного, так как параметры модуля это позволяют. Следовательно, требуется выполнить резистивный делитель на резисторах одинаковых номиналов. Примем номиналы равными 10 кОм.

Вход резистивного делителя подключается к порту микроконтроллера TX (порт выхода последовательного порта). А выход делителя подключается к порту RX (порт входа последовательного порта модуля GSM).

Повышение уровня сигнала с 3.3 вольт до 5 вольт выполним по схеме усилителя на операционном усилителе LM358P. Схема типового включения неинвертирующего усилителя на ОУ представлена на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 -- Типовая схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Рассчитаем требуемые параметры резисторов, используя известную формулу для коэффициента усиления идеального ОУ с ООС:

Av = 1 + R2/R1, (3)

где R1 и R2 - резисторы указанные на рисунке 2.12.

Схему включения резисторов R1 и R2 смотреть на рисунке 2.11. Коэффициент усиления вычисляется по следующей формуле

Av=5/3,3=1.5 (4)

Следовательно, рассчитаем задающие резисторы:

R2/R1=Av - 1=0.5 (5)

Соответственно, примем R1=1 кОм R2=2 кОм.

К неинвертирующему входу ОУ подключается порт ТХ GSM модуля (выход последовательного порта), а к выходу усилителя подключается порт RX микроконтроллера (вход последовательного порта).

Таким образом, у нас организована двусторонняя связь между микроконтроллером и GSM модулем.

Порт «Reset» подключаем через резистор 10 кОм к питанию 5В. Это подтягивает порт к логической единице, и гарантирует случайный сброс микроконтроллера.

Порт «Netlight» GSM модуля предназначен для индикации сотовой сети. Светодиод индикации сети подключается к порту через транзисторный ключ и диод, что гарантирует стопроцентную развязку порта модуля от питания, и исключает выход порта из строя из-за короткого замыкания, или превышения тока порта. Типовая схема подключения светодиода к порту «Netlight» GSM модуля представлена на рисунке 2.12.



Рисунок 2.12 -- Типовая схема подключения светодиода к порту «Netlight» GSM модуля

Для подключения sim-карты к GSM модулю будем использовать держатель sim-карт ICA-501-006. Держатель устанавливается шестью ножками на печатную плату. Пять выводов из шести используются, а один не подключен. Вывод VCC - вывод питания sim-карты. Подключается к порту Sim-VDD GSM модуля. Также, вывод VCC шунтируется с шиной земли через фильтрующий керамический конденсатор емкостью 200 нФ (емкость рекомендуемая изготовителем. Емкость номиналом ниже ставить не рекомендуется). Вывод держателя RST - вывод сброса сим-карты. Подключается к порту Sim-RST GSM модуля. Вывод держателя CLK - вывод тактирования сим-карты. Подключается к порту Sim-CLK GSM модуля. Вывод держателя GND - вывод заземления сим-карты. Подключается непосредственно к шине земли. Вывод держателя VPP - неиспользуемый вывод. Вывод держателя DATA - вывод данных сим-карты. Подключается к порту Sim-DATA GSM модуля последовательно через резистор номиналом 22 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока и защиты порта GSM модуля от превышения максимально-допустимого тока. Так же необходим подтягивающий резистор номиналом 10 кОм, подключенный к порту Sim-DATA.

К порту ANTENNA GSM модуля подключается GSM - антенна через ВЧ тракт. Волновое сопротивление питающей линии GSM антенны - 50 Ом. В конструкторской части дипломного проекта приводится расчет копланарной линии передачи с волновым сопротивлением 50 Ом.

Порты GND и AGND микроконтроллера и GSM модуля подключаются непосредственно к «земле».

3. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ. КОМПОНОВКА, ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОКРЫТИЙ

Корпус, в котором будет выполнен прибор постовой охраны, должен быть простым, дешевым, и прочным. Для разрабатываемого нами устройства оптимальным является вариант готового универсального корпуса, что экономит силы и средства для разработки и производства собственного корпуса. Особых требований по жесткости и прочности конструкции нет, поэтому в качестве материала корпуса могут выступать различные пластмассы. В настоящее время на рынке представлен широкий выбор готовых пластмассовых корпусов. Выбор пал на универсальный корпус КМ-38 польского производителя из ударопрочного полистирола марки УПМ-0508. Данные корпуса представлены в таблице 2

Таблица 2 - Характеристики УПМ05-08

Рабочий диапазон температур	-40оС…+70оС
Электрическая прочность	20 кВ/мм
Удельная ударная вязкость	До 50 кг *см/см2

Корпус состоит из основания и крышки, по бокам расположены два выступа с отверстиями для крепления к стене. Крышка крепится к основанию винтами М3-6gx8 ГОСТ 10339-80.

Плата прибора контроля постовой охраны является основной платой устройства, на неё коммутируются все функциональные узлы. Плата изготовлена размером 105 х 80 мм. Материал платы - двусторонний фольгированный стеклотекстолит. Плата изготовливается комбинированным негативным методом. Такой метод изготовления позволяет нам использовать металлизированные отверстия. Проводники изготовленной печатной платы покрываются сплавом РОЗЕ МРТУ 6-09-6708-70В. Припой обладает высокими проводящими свойствами. Хорошо защищает проводники от коррозии. Достаточно дешев и распространен.

Прибор управляется тремя кнопками PSW-4016. Изображение кнопок представлено на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 - Кнопки PSW-4016

Кнопки выдерживают напряжение до 125 B и ток до 3A. Сопротивление контактов не более 0,05 Ом, сопротивление изоляции не менее 100 Мом, температурный диапазон: -25…+65 °С.

Для размещения трех кнопок управления прибором, необходимо просверлить в крышке корпуса три отверстия диаметром 11 мм.

Коммутация органов управления (трех кнопок) выполняется припаиванием проводов МГТФЭ 3х0.12 ТУ 16-505.185-71 одним концом к выводам кнопок. В свою очередь, другим концом провода закрепляются в разъемах, расположенных на плате прибора.

В качестве ВЧ разъема для GSM антенны будем использовать разъем SMA-JR, который устанавливается на плату. SMA серия - распространенные разъемы для разнообразных приложений в диапазоне до 18 ГГц.

Разъемы серии SMA характеризуются высокой механической прочностью, долговечностью, надежностью и низким КСВ. Данный разъем представлен на рисунке 3.2.



Рисунок 3.2 - Разъем SMA-JR.

В качестве самой антенны можно использовать вариант двухдиапазонной GSM антенна ADA-0070 с магнитным основанием.

Тип этой антенны 1/4-волны. Частотный диапазон 824-960/1770-1880 МГц. Коэффициент усиления 2 dB, КСВ <1,5. Материал Пластик + магнитная основа. Кабель RG174 u/a (низкие потери).Длина кабеля 2,5 м. Данная антенна представлен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Антенна ADA-0070

Можно использовать другую подходящую GSM антенну, подходящую под требуемые требования.

Используемый микрофон для прибора - конденсаторный микрофон EM-9767.

Рисунок 3.4 - Конденсаторный микрофон EM-9767

Используемый динамик для прибора - 0.25ГДШ-8, сопротивлением 8 Ом.

Рисунок 3.5 - Динамик 0.25ГДШ - 8

Используемые разъемы для подключения кнопок - соединители клеммные серии SH 133 2*5мм.



Рисунок 3.6 - Соединители клеммные серии SH 133 2*5мм

Материал корпуса клеммников: полистирол, усиленный стекловолокном. Материал контактов: латунь. Материал выводов: латунь, покрытая оловом. Температурный диапазон:-30...+120 °C. Сечение проводника 1 мм2, максимальный ток 10А, максимальное напряжение 250В. Клеммники обеспечивают надежное соединение проводов, минимальное переходное сопротивление.

4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Корпус прибора контроля постовой охраны выполнен из ударопрочного полистерола. Все элеметы конструкции жестко закреплены внутри корпуса, поэтому при падении прибора с небольшой высоты выхода из строя не последует.

Наибольшее механическое воздействие при эксплуатации придется на кнопки управления прибором.

5. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Конструирование печатной платы это процесс объединения группы электро-радиоэлементов в функциональный узел с обеспечением требуемых механических и электрических параметров в заданном диапазоне эксплуатационных характеристик при минимальных затратах. Для этого необходимо: выбрать тип печатной платы (ПП), определить класс точности, выбрать способ изготовления ПП, установить размеры и конфигурацию платы, определить тип установки ЭРЭ, разместить ЭРЭ на ПП с учетом электросовместимости и технических допусков, осуществить трассировку, изготовить конструкторскую документацию.

На выбор материала основания и его толщину влияют эксплуатационные характеристики изделия. Материал основания должен обеспечивать стабильность физико-механических и электрических параметров ПП после воздействия механических нагрузок, климатических факторов и агрессивных химических сред. Неплоскостность поверхностей основания платы должна быть не более 0,1 мм на 100 мм. Непараллельность поверхностей основания платы - не более 0,5 мм. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) основания платы должен быть близок к ТКЛР элементов поверхностного монтажа, устанавливаемых на печатную плату.

Выбор фольгированного диэлектрика для печатного узла можно осуществить, учитывая конструктивные особенности применения узла (размеры, механическую прочность, температурные воздействия), а также технологию изготовления печатной платы.

Толщина ПП выбирается из предпочтительного ряда и должна быть увязана с диаметрами применяемых металлизированных отверстий (для качественной металлизации отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы должно быть более 0,33). В качестве материала ПП выбираем теплостойкий фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35Г-1 ТУ 16-503.271-86.

Существует пять классов точности изготовления печатных плат, отличающихся конфигурацией рисунка печатных проводников. Класс плотности выбирается, исходя из плотности монтажа и технологических возможностей производства. Для печатной платы прибора контроля постовой охраны выбран 3 класс точности. Шаг координатной сетки 1,25 мм. Так как предусматривается использовать интегральные микросхемы, выполненные в корпусе для поверхностного монтажа, целесообразно применить двухсторонние ПП с металлизацией сквозных отверстий.

Габаритные размеры, конфигурация и места крепления ПП выбирают в зависимости от установочных размеров, эксплуатационных характеристик и с учетом класса точности. Рекомендуется соотношение сторон для разрабатываемых печатных плат - не более 3:1, размеры не более 470х470 мм. Длину стороны печатной платы выбирают таким образом, чтобы она была кратной: 2,5мм при длине до 100мм; 5мм при длине от 100 до 350 мм; 10мм при длине свыше 350 мм. Все используемые геометрии плат не входящие в этот ряд необходимо обосновывать. Габаритный размер платы составляет 10580мм.

Платы изготавливать комбинированным негативным методом. Шаг координатной сетки 1,25мм. Печатная плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79.

При трассировке проводников на печатной плате, необходимо учитывать следующие требования: минимальная суммарная длина проводников, минимальное число переходных отверстий, расстояния между проводниками в узких местах не менее 0,25 мм, размеры проводников и переходных отверстий должны обеспечивать максимальное число соединений в единице объема;

Цель трассировки печатной платы - провести проводники, соединяющие контактные площадки, при условии минимальной длины, и минимального числа переходов на другие слои с целью устранения пересечений.

Одним из главных элементов конструкции печатных плат являются отверстия. Большинство параметров печатных плат связано именно с размерами этих отверстий, которые могут быть металлизированными, гладкими. По назначению отверстия могут быть монтажными, куда устанавливаются и запаиваются выводы элементов, и переходными, обеспечивающими только электрические соединения между слоями платы. Диаметр отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки ЭРЭ. Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого в него вывода и от толщины платы. Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее половины толщины платы.

На плате ЭРЭ располагаются с обоих сторон. На верхней стороне располагаются GSM модуль, держатель сим-карты, выводные элементы (стабилизаторы напряжения, кварцевый резонатор, клеммники, ВЧ разъем, электролитические и керамические конденсаторы, операционные усилители) и некоторые элементы поверхностного монтажа (чип-резисторы, чип-конденсаторы). На нижней стороне располагаются микроконтроллер и остальные элементы (чип-резисторы, чип-транзисторы). Центры монтажных и переходных отверстий располагаются в узлах координатной сетки.

Расчет печатного монтажа проведем на примере платы индикации.

Исходные данные для расчета:

-- Двухсторонняя печатная плата;

-- Комбинированный негативный метод;

-- Класс плотности - 3;

-- Толщина печатной платы 1,5 мм;

-- Шаг координатной сетки - 1,25 мм;

-- Диаметр выводов dЭ1=0,7 мм.

Минимальный диаметр металлизированного отверстия печатной платы:

(6)

т.к. класс плотности 3-ий, то =0,33 (ГОСТ 23751-86).

Следовательно,

(7)

Номинальное значение диаметра металлизированного отверстия:

, (8)

рассчитанные значения сводят к предпочтительному ряду.

Минимальный диаметр контактной площадки:

(9)

где и - минимальный эффективный диаметр площадки;

- толщина фольги - 35мкм;

- толщина гальванически наращенной меди;

- толщина наращенного металлического резиста.

, (10)

где bм=0,1 мм (ГОСТ 23751-86);

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

(11)

, (12)

где - погрешность расположения отверстия относительно координатной сетки, обусловленная точностью сверлильного станка;

- погрешность базирования плат на сверлильном станке.

Допуск на расположение контактных площадок:

, (13)

где - погрешность расположения контактной площадки относительно координатной сетки на фотошаблоне;

- погрешность расположения контактной площадки при ее экспонировании;

- погрешность расположения базовых отверстий на фотошаблоне;

- погрешность расположения базовых отверстий на заготовке.

Таким образом

(14)

(15)

Максимальный диаметр контактных площадок

(16)

5.1 Разработка узла на печатной плате

Печатным узлом называют печатную плату с навесными элементами.

Разработка узла на печатной плате включает в себя:

1. Компоновку - оптимальное размещение электрорадиоэлементов и других компонентов на печатной плате.

2. Трассировка - прокладка проводников между контактными площадками

3. Оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.

На первом этапе требуется так расположить ЭРЭ на печатной плате, чтобы размещение было равномерным, трассировка была максимально упрощена, вероятность наводок была минимальной. Также требуется максимально далеко расположить входные и выходные цепи. Необходимо также предусмотреть эффективный теплоотвод и ремонтопригодность. Полупроводниковые приборы и микросхемы не желательно располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, таким как усилители или стабилизаторы, на которые устанавливаются радиаторы охлаждения, а также к источникам сильных магнитных полей. Должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты.

На втором этапе разработки печатного узла требуется учитывать следующие требования: минимальная суммарная длина проводников, минимальное количество пересечений проводников, минимальное количество переходных отверстий на плате. Необходимо также разносить друг от друга сигнальные проводники и проводники, которые являются источником сильных наводок. Желательно на одной из сторон печатной платы организовать металлизацию поверхности полигоном, также являющимся общим проводником (землей). Это упрощает трассировку печатной платы, и также является хорошим экраном от сторонних помех.

Компоновка и трассировка печатной платы являются процессы непосредственно связанные друг с другом. В процессе трассировки выявляются ошибки компоновки, и новые, более рациональные решения.

Для каждого вывода ЭРЭ, устанавливаемого на плате было предусмотрено отдельное монтажное отверстие. Для элементов под поверхностный монтаж предусмотрены контактные площадки.

В настоящие системы автоматизированные компьютерные системы проектирования (САПР) позволяют упростить труд разработчика печатных плат, увеличить их качество, увеличить производительность труда. Компоновка и трассировка были выполнены в САПР P-CAD 2006.

В разрабатываемом нами приборе ЭРЭ, установленные на платы не требуют дополнительных способов крепежа, так как обладают небольшой удельной массой и габаритами.

Формовку выводов и установку ЭРЭ на печатную плату следует производить таким образом, чтобы маркировка ЭРЭ просматривалась в процессе контроля.

Необходимо рассчитать копланарную линию передачи для передачи ВЧ энергии от GSM модуля к ВЧ разъему. Расчет будем производить в специальной программе TXLINE AWR v5.52.

Копланарная линия передачи представляет собой следующую линию передачи:

Рисунок 5.1 - Копланарная линия передачи

Копланарная линия передачи в нашем приборе также имеет металлизацию на нижнем слое печатной платы. Для расчета данной полосковой линии передачи, необходимо задать параметры для расчета:



Рисунок 5.2 - Параметры копланарной линии передачи

H - толщина диэлектрика;

?r - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

Т - толщина медного слоя.

G - ширина между центральным и общим проводником в копланарной линии передачи.

Необходимо ввести параметры материала: Тангенс диэлектрических потерь диэлектрика, проводимость меди. Также необходимо ввести волновое сопротивления и электрическую длину линии передачи.

Для нашего случая:

Н=1мм, ?r =5.5, Т=0,035мм, G=1.5мм (равно расстоянию между контактными площадками GSM модуля), тангенс диэлектрических потерь ?=0.035, проводимость меди 5,88?107 см/м, волновое сопротивление 50 Ом, электрическая длина 90°. В результате вычислений, мы получили ширину центрального проводника W=1,5 мм, и длину копланарной линии = 21,3 мм.

Установку элементов производить по ОСТ4 010.030-81 и чертежу.

Меры защиты от статического электричества по ОСТ 92-1615-74. Группа жесткости I по ОСТ 11.073.062-2001.

Маркировка содержит серийный номер платы, наззвание платы и наносится методом фото-литографии шрифтом 3 тип А ГОСТ 2.304-81 в месте, удобном для чтения.

6. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПЕЧАТНОГО УЗЛА

Надежность изделия - это его свойство сохранять все параметры, характеризующие способность выполнения требуемых функций в соответствии с техническими условиями на эксплуатацию, хранение и ремонт в течение определенного времени. Надежность - важнейшая составляющая качества изделия.

Расчет надежности не дает стопроцентно правильных результатов, а носит лишь оценочный характер. Расчет надежности производят, опираясь на ориентировочные данные, которые определяют условия работы. Расчет надежности позволяет предсказать такие параметры, как среднее время наработки на отказ, вероятность отказа прибора за какой-либо промежуток времени. Оценка надежности производится исходя из имеющейся информации о надежности материалов, электрорадиоэлементов и соединений, входящих в состав прибора контроля постовой охраны.

Среднее время наработки на отказ является основным показателем надежности разрабатываемого прибора. Этот показатель характеризует среднее время, в течение которого прибор будет сохранять свои параметры работоспособности в пределах установленных норм.

Для разрабатываемого изделия основным показателем надежности является среднее время наработки на отказ, т.к. изделие работает непрерывно в течении длительного времени. Наработка на отказ для проектируемого изделия должна составлять не менее 5000 часов.

Величину обратную надежности называют интенсивностью отказов:

, (17)

Исходными данными для расчета показателей надежности изделия являются:

принципиальная электрическая схема изделия;

справочные значения интенсивности отказов комплектующих

элементов в нормальных условиях эксплуатации;

характеристики электрических режимов работы элементов;

характеристики условий эксплуатации изделия.

Нижеприведенная методика расчета надежности приведена согласно [11].

Так как интенсивность отказов комплектующих изделие элементов являются сложной многопараметрической функцией, то математическая модель прогностического расчета надежности простого изделия представляется в виде:

, (18)

где - суммарное значение интенсивности отказов модуля изделия;

- коэффициент зависимости от условий эксплуатации (для стационарной аппаратуры равен 1);;

- коэффициент роста надежности комплектующих изделий принимаем 0,85);

- рабочая интенсивность отказов i-го комплектующего элемента;

n - количество комплектующих элементов в изделии (модуле).

Рабочая интенсивность отказов i-го элемента определяется по формуле:

, (19)

где - может быть определен по [прил. 4, 11];

- коэффициент, определяемый по графику [рис. 3.1, 11];

- интенсивность отказов i-го комплектующего изделия, указанного в [прил. 4, 11].

Порядок расчета показателей надежности

Расчет показателей надежности базируется на следующих допущениях:

каждый элемент изделия может быть в работоспособном или неработоспособном состоянии;

отказы элементов - независимые случайные события и образуют простейший поток отказов.

Расчет параметров надежности производится в следующей последовательности.

Анализ влияния работоспособности отдельных элементов и модулей (печатных плат или узлов) на работоспособность изделий. Если отказ элемента (модуля) приводит к отказу изделия, то такие элементы (модули) имеют основное соединение в схеме надежности. Если отказ какого-либо элемента (модуля) не влияет на работоспособность изделия, то они вносятся отдельно и в расчете безотказности изделия не учитываются (это могут быть элементы самоконтроля, вспомогательные чеки и др.).

Составляется перечень элементов (модулей), отказ которых вызывает отказ изделия.

По справочникам находятся интенсивности отказов элементов в нормальных условиях.

Определяются коэффициенты нагрузки тяжело нагруженных элементов. Для остальных элементов изделия рекомендуются усредненные значения :

Резисторы - 0,1;

Полярные конденсаторы - 0,5;

Прочие конденсаторы - 0,2;

Диоды - 0,3;

Транзисторы - 0,4;

Соединители - 0,6;

Прочие - 1.

Учитывается коэффициент тепловой нагрузки по [прил. 4, 11]. По справочным данным находятся поправочные коэффициенты для интенсивности на режимы электрической и тепловой нагрузок.

Вычисляется интенсивность отказов изделия (модуля).

По справочным данным находятся поправочные коэффициенты для интенсивностей отказа на условии эксплуатации изделия (если они не учтены по пункту 3).

Вычисляется интенсивность отказов изделия.

Рассчитываются исходные показатели надежности.

Интенсивности отказов элементов в нормальных условиях, коэффициенты нагрузки, коэффициенты тепловой нагрузки, поправочные коэффициенты для интенсивностей отказа на условия эксплуатации изделия определены по справочнику.

В качестве показателей надежности могут использоваться:

- ? - суммарное значение интенсивности отказов изделия;

- T0 - среднее время наработки изделия на отказ;

- p(t) - вероятность безотказной работы изделия в течение времени наработки t.

Для определения интенсивности отказов всего устройства примем последовательную модель надежности, то есть отказ одного элемента приводит к отказу всего устройства.

Составляем перечень элементов участвующих в расчете показателей надежности.

По справочникам находим интенсивности отказов элементов в нормальных условиях.

Расчет суммарной интенсивности отказов всех компонентов устройства приведен в таблице 3.

Суммарная интенсивность отказов всего устройства определяется как сумма интенсивностей отказов всех групп ЭРЭ:

? = ? ?Гi. (20)

Таблица 3 - Интенсивность отказов элементов блока.

Состав изделия	Режим работы	Интенсивность отказов	Поправочные коэффициенты
Элемент или группа элементов	Количество элементов группы			, 1/ч	1/ч			, 1/ч
Резисторы постоянные непроволочные	23	0,52	0,1	0,01	0,00052	1	0,85	0,01017
Конденсаторы керамические	9	0,08	0,12	0,014	0,00013	1	0,85	0,00103
Конденсаторы электролитические	9	0,51	0,25	0,01	0,00128	1	0,85	0,00975
Диоды кремниевые	2	0,135	0,14	0,1	0,00189	1	0,85	0,00321
Транзисторы	3	0,28	0,23	0,3	0,01932	1	0,85	0,04927
светодиоды	2	0,25	1	0,85	0,2125	1	0,85	0,36125
ATMEGA8	1	1	1	0,8	0,8	1	0,85	0,68
SIM300DZ	1	1	1	0,8	0,8	1	0,85	0,68
TDA2003	1	1	1	0,4	0,4	1	0,85	0,34
Микросхемы стабилизаторы напряжения	2	1	1	0,4	0,4	1	0,85	0,68
НЧ соединители	11	2,4	0,6	0,25	0,36	1	0,85	3,366
ВЧ соединители	1	1,28	0,6	0,25	0,192	1	0,85	0,1632
Пьезоизлучатели	1	1,6	1	0,01	0,016	1	0,85	0,0136
Микрофон	1	1	1	0,3	0,32	1	0,85	0,025
Динамик	1	1	1	0,3	0,32	1	0,85	0,025
Кабельные изделия монтажные низковольтные с пленочной изоляцией Ф	12	16	1	0,25	4	1	0,85	27,2
Кабельные изделия высокочастотные с изоляцией ПЭ	1	10,32	1	0,25	2,58	1	0,85	2,193
Кварцевый резонатор	1	1,6	1	0,52	0,832	1	0,85	0,7072
Кнопки	3	0,5	0,13	0,5	0,0325	1	0,85	0,08288
Итого:	36,54

Используя данные таблицы 1 получаем ? = 36,54·10-6 ч-1. От сюда по формуле определяем среднюю наработку на отказ.

(21)

Полученное в результате число больше того, которое задано в техническом задании, что говорит о высоком уровне надежности и об удовлетворении требованиям задания.

7. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

печатный узел программный прибор контроль

Для расчета тепловых режимов блока реальная конструкция схематизируется тепловой моделью, состоящей из тепловыделяющих элементов и теплорассеивающих деталей конструкции. Такая модель служит для расчета температуры элементов и выбора конструктивных мероприятий, обеспечивающих их нормальный тепловой режим.

В любой радиоэлектронной лишь часть подводимой мощности расходуется на полезную работу, а остальная часть выделяется в виде тепловой энергии - нагревание элементов, инфракрасное излучение. Приходится предусматривать охлаждение, которое предотвратит выход элементов из строя вследствие их нагревания. Но это приводит к увеличению веса и габаритов.

Комплекс мероприятий, направленный на снижение температуры, связан с дополнительными материальными затратами, поэтому в процессе разработки РЭА необходимо уделять внимание экономически обоснованному решению конструкции при приемлемом перепаде температур. В разрабатываемом устройстве по соображениям экономичности, прежде всего, необходимо стремиться к естественному охлаждению.

В конструкциях РЭА при нормальных климатических условиях и естественном охлаждении около 70% тепла отводится за счет конвекции, приблизительно 20% - за счет излучения и 10% - за счет теплопроводности.

Расчет теплового режима проводится для того чтобы определить необходимость дополнительного теплоотвода от компонентов и узлов прибора. Для этого необходимо определить те узлы и компоненты, наиболее подверженные перегреву.

Прибор контроля постовой охраны состоит из корпуса и печатной платы. Основным и единственным тепловыделяющим элементом является печатная плата.

Особенности электрической принципиальной схемы таковы, что по цепям не протекают большие токи, все компоненты находятся в нормальном тепловом режиме.

Основными источниками выделения тепла в блоке питания и в блоке управления являются:

Микроконтроллер ATMEGA8, стабилизатор напряжения КР142ЕН5А, стабилизатор напряжения LM1085, GSM модуль SIM300DZ, аудио усилитель TDA2003.

Приведенные выше элементы обладают следующими характеристиками:

Таблица 4 - Тепловые характеристики элементов устройства.

Элемент	Максимальная Выделяемая мощность, Вт	Площадь выделяемой поверхности одного элемента, см2	Кол-во элементов	Суммарная площадь выделяемой поверхности, см2	Суммарная максимальная выделяемая мощность, Вт
ATMEGA8	0,2	2,4	1	2,4	0,2
КР142ЕН5А	1	1,5	1	1,5	1
LM1085	4	1,5	1	1,5	4
SIM300DZ	1	10,0	1	10,0	1
TDA2003	4	1,5	1	1,5	4
Итого	16,9	10,2

Допустимая температура нагретых зон внутри блока tдоп=70С; температура окружающей среды tc=20С. Габаритные размеры устройства, L1хL2xL3, мм: 152х115х89.

Удельная мощность, приходящаяся на единицу поверхности устройства 2:

, (22)

где ?Рi - суммарная мощность источников тепла внутри блока;

L1,L2,L3 - габаритные размеры устройства.

Рисунок 7.1 - Диаграмма для приближенной оценки теплового режима РЭА при воздушном охлаждении

Используя диаграммы применения способов конвективного охлаждения в зависимости от плотности теплового потока и перегрева, определяем, что найденная точка лежит выше линии «а». В этом случае возможна герметичная конструкция блока.

Для данного устройства оптимальным будет естественное воздушное охлаждение.

Дополнительно рассмотрим режим работы стабилизатора питающего напряжения - КР142ЕН5А, который преобразует внешнее питание 12В в 5В, стабилизатора LM1085, который преобразует внешнее питание 12В в 4В для работы GSM-модуля и усилителя TDA2003, который является аудио-усилителем для внешнего динамика. Рассчитаем рассеиваемую мощность:

Основные потребителями энергии от стабилизатора КР142ЕН5А - это микроконтроллер ATMEGA8, два светодиода и девять резисторов: два резистора номиналом 300 Ом ограничивают напряжение и ток светодиодов, семь номиналом 10 кОм являются резисторами подтяжки.