Автоматизированная система защиты и контроля доступа в помещения

Произведем системный расчет.

В начале произведем стойкость шифра электронного идентификатора. Стойкость шифра определяется по формуле:

W=V*T/2

где

W -- время стойкости шифра

V -- количество комбинаций, чтобы раскрыть код

Т -- время одной операции или время набора одного кода

Шифр считается стойким если W>10 лет.

Пусть время одной операции будет равно максимальному времени передачи кода от идентификатора к микроконтроллеру, то есть 8,64 мсек. Количество комбинаций определим как 2⁶⁴=1,84*10¹⁹. Тогда

W=1,84*10¹⁹*0,00864/2=7,9*10¹⁶ лет.

Следовательно можно с уверенностью сказать, что шифр является вполне стойким.

Теперь определим вероятность подбора кода, при заданной 10^-6. Вероятность подбора вычисляется по формуле

P=1/(n+1-i)

где

Р -- вероятность подбора

n -- количество комбинаций ( 2⁶⁴=1,84*10¹⁹)

i -- число попыток раскрытия кода

Предполагается, что число пользователей обслуживаемых системой будет в среднем около 1000 человек. Но возьмем предполагаемый максимум 10000 пользователей (хотя может быть и больше). Тогда количество комбинаций соответственно уменьшается в 10000 раз. То есть n равно

n/10000=1,84*10¹⁵

Число попыток (i) будет равно 1. Так как после того как система считает идентификационный код и проверит его по базе данных и не найдет кода в таблице авторизации, сработает сигнализация. Тогда

Р=1/(1,84*10¹⁵+1-1)=5,42*10^-16

Следовательно в плане подбора кода проектируемая система достаточно устойчива.

Рассчитаем дальность радиосвязи при известной чувствительности радиомодема-приемника и максимальной мощности радиомодема-передатчика по следующей формуле [ ].

где R -- дальность непосредственной радиосвязи;

P_u -- мощность излучения радиомодема;

G_u -- КНД излучающей антенны. Предполагается использовать штырьевую антенну с КНД=0,5;

G_прм -- КНД приемной антенны;

l -- длинна волны несущей;

P₀ -- мощность сигнала на входе радиомодема-приемника.

Тогда

При условии, что система будет эксплуатироваться в зданиях, что внесет затухание сигнала, радиосявзь будет надежной в радиусе 500 метров. Это вполне достаточно для проектируемой системы.

4.Разработка принципиальной схемы

При проектировании системы защиты и контроля доступа в помещения разрабатывалась принципиальная схема контроллера шлюза (см. чертеж “Принципиальная схема”). Она построена в соответствии со структурной схемой. Дальнейшее описание будет происходить с сылками на структурную схему.

Микроконтpоллеp. В качестве контpоллеpа выбpан однокpистальный микpопpоцессоp AT89C51-20PI серии 80С51 (наш аналог КМ1816ВЕ51). Этот микpоконтpоллеp обладает значительными функционально-логическими возможностями и пpедставляет собой эффективное сpедство автоматизации и контpоля доступа на объект. Так как для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевскими переменными (истина/ложь), реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями, то очень важной особенностью МК51 является его способность опеpиpовать не только байтами, но и битами. Отдельные пpогpаммно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях.

Основу структурной схемы микроконтроллера образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все основные узлы и устройств: резидентную память, арифметико-логическое устройство, блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода/вывода (см. приложение ).

Цоколёвка корпуса AT98C51-20PI и наименования выводов показаны на рис.4.1.

Р1.0	--	1		40	--	VCC
Р1.1	--	2		39	--	Р0.0
Р1.2	--	3		38	--	Р0.1
Р1.3	--	4		37	--	Р0.2
Р1.4	--	5		36	--	Р0.3
Р1.5	--	6		35	--	Р0.4
Р1.6	--	7		34	--	Р0.5
Р1.7	--	8		33	--	Р0.6
RST	--	9		32	--	Р0.7
RXD	--	10		31	--	ЕА/VPP
TXD	--	11		30	--	ALE
INT0	--	12		29	--	PSEN
INT1	--	13		28	--	Р2.7
T0	--	14		27	--	Р2.6
T1	--	15		26	--	Р2.5
WR	--	16		25	--	Р2.4
RD	--	17		24	--	Р2.3
XTAL2	--	18		23	--	Р2.2
XTAL1	--	19		22	--	Р2.1
VSS	--	20		21	--	Р2.0

Рис. 4.1. Цоколёвка корпуса AT98C51-20PI

AT98C51-20PI выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющим 40 внешних выводов. Для работы микроконтроллера требуется один источник электропитания +5 В. Через четыре программируемых порта ввода/вывода AT98C51-20PI взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ-схем с тремя состояниями выхода.

Корпус микроконтроллера (МК) имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы МК, и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограмированны на выполнение специализированных функций обмена информацией со средой.

Синхронизация МК. Опорную частоту синхронизации определяет кварцевый резонатор РГ-05 с типом корпуса М, добротностью 2000х10³, статической ёмкостью менее 9пФ, допустимым отклонением рабочей частоты 10х10-⁶. Кварцевый резонатор имеет гибкий тип выводов, предназначенные для соединений пайкой, миниатюрный плоский корпус, хорошо компонуется в современной аппаратуре. Он подключается к выводам XTAL1 и XTAL2 (рис.4.2). По рекомендации изготовителей микроконтроллера конденсаторы C9 и С10: КД-1 ёмкостью 20пФ каждый.

Системный сброс AT98C51-20PI по рекомендации изготовителей осуществляется путём подачи на вход RST сигнала 1. Для уверенного сброса этот сигнал должен быть удержан на входе RST по меньшей мере в течение двух машинных циклов (24 периода резонатора). Время, необходимое для полного заряда ёмкости, обеспечивает уверенный запуск резонатора и его работу в течение более чем двух машинных циклов.

Связь микроконтроллера с датчиками и исполнительными механизмами обеспечивается через все имеющиеся выходные порты. Из-за низкой нагрузочной способности выходов МК для всех исполнительных механизмов и датчиков потребуются усилители мощности и согласователи уровней напряжений. Произведем их расчет.

Расчет индикаторов. В качестве светодиодов VD1, VD2 применим светоизлучающий диод АЛ336К красного цвета свечения с силой света не менее 40 мкд, а в качестве VD3, VD4 светоизлучающий диод АЛ336Г зеленого цвета свечения с силой света не менее 15 мкд. Для задания тока через светодиоды, последовательно с ними включим резисторы R1,R2,R3,R4. Для согласования микроконтроллера со светодиодами и его защиты будем подключать их через буферные формирователи. Выберем микросхему ТТЛ К155ЛП9 (DD1). Она содержит шесть буферных формирователей с открытым коллектором и повышенным коллекторным напряжением. Ее параметры:

U0вых, не более	U1вых, не менее	I0вх, не более	I1вх, не более	Iпот, не более
В	В	мА	мА	мА
0,4	2,4	-1,6	0,04	50

Определим номиналы резисторов.

При прямом падении напряжении на светодиоде 2 В и токе свечения 10 мА сопротивление каждого резистора:

R = [Uпит - Uпр]/Iпр =[5-2]/0,01=300 Ом. (4.1)

Рассеиваемая мощность резистора определяется исходя из тока, протекаемого через него по формуле

P = RI² = 300х0,01² = 0,03 Вт. (4.2)

Таким образом сопротивление резисторов R1,R2,R3,R4 равно по 300 Ом каждый. В качестве номиналов выберем C2-33H-0,125-300Ом-10%.

Рассчитаем схему связи микроконтроллера с компьютером, которая включает в себя приемник и передатчик. Схема представляет из себя традиционную схему включения транзисторных ключей с буферными элементами [ ].Узел сопряжения с локальной сетью при передаче собран на DD4.2 и транзисторе VT₂ совместно с портом Р3.1 (выход TXD -- используется как универсальный асинхронный приемопередатчик). Резистор R₉ выбирается исходя из тока в линии связи. Приемный узел сопряжения собран на DD4.1 и VT₁ с использованием порта Р3.0 (вход RXD -- вход данных универсального асинхронного приемопередатчика). Конденсаторы С1,С2,С3,С4 используются для повышения помехоустойчивости. Резисторы R₆ и R₇ задают рабочую точку ключа , собранного на транзисторе VT₁. Нагрузкой каскада является резистор R₅.

В качестве буферных элементов используется интегральная микросхема К1533ЛН5, которая представляет из себя шесть буферных логических элементов НЕ. Причем выходы с открытыми коллекторами. Параметры микросхемы:

U0вых, не более	U1вых, не менее	I0вх, не более	I1вх, не более	Iпот, не более
В	В	мА	мА	мА
0,7	2,4	-1,6	0,04	77

Проведем расчет элементов узла.

Задаемся током линии в передающем каскаде I_л = 20 мА [ ] и E_п = 12В, находим R_к (R_к=R9).

R_к = E_п / I_л = 12/0,02=600 Ом ; ( )

Определим мощность выделяемую на резисторе.

Р=I²*R_к=0,02²*600=0,24 Вт; ( )

R_б = В х R_к =100х600=60 кОм ; ( )

где В = 100 - коэффициент усиления транзистора в ключевом режиме.

Задаемся током коллектора транзистора в приемном каскаде I_к = 1 мА и E_п = 5 В , определяем R_к(R_к=R5)в приемном каскаде.

R _к = E_п / I_к = 5/0,001=5 кОм ; ( )

Резистор R_б (R_б=R6) в базе находим через В.

R_б = В х R_к = 50 кОм. ( )

Резистор R7 задает рабочую точку транзистора в каскаде , так чтобы он не уходил в область глубокого насыщения и находился на границах активного режима . Он рассчитывается исходя из U_бэ = 0.7 В , U_пор = 6 В.

I_б = U_пор / R_б =6/50000= 0.12 мА ; (4.7)

R7 = U_бэ / I_б =0,7/0,00012= 5.8 кОм.

По цепям питания ставим помехоподавляющие конденсаторы. C1 и С3 выбираются 10n [ ]. Они служат для подавления ВЧ составляющих помех. Конденсаторы С2,С4 выбираются равными 100мк х 16В [ ]. Они служат для подавления НЧ-компонент по питанию. Тогда выберем из [ ] номиналы конденсаторов:

С1,С3 -- К10-17 10n+20%

C2,C4 -- К50-16 100мк ^х16В

Выберем номиналы резисторов. Так как при самом большем токе мощность выделяемая на резисторе R9 (R9=R_к) равна 0,24 Вт, тогда R9 выбираем МЛТ- 0,25-5,1кОм10%. На остальных резисторах выделяется мощность меньше 0,125Вт. Тогда выберем [ ]:

R5 -- C2-33H-0,125-5,1кОм-10%;

R6 -- C2-33H -0,125-51кОм-10%;

R7 -- C2-33H -0,125-5,6кОм-10%;

R8 -- C2-33H -0,125-56кОм-10%;

В качестве транзисторов VT1,VT2 выберем мощный переключающий транзистор КТ972 [ ]. Кроме того в схеме предполагается применить импульсные диоды с малым временем переключения VD5,VD6 -- КД521А. Диоды служат для защиты входных каскадов от высоких статических напряжений и импульсных выбросов.

Для питания схемы используются два стабилизированных источника напряжения : + 5 В , + 12 В.

Рассчитаем схему звукового сигнализатора.

На транзисторе VT₄ собран блок выдачи сигнала тревоги ,представляющий собой электронный транзисторный ключ , подключенный к порту Р.3.4. Элементы ключа рассчитываются исходя из следующих параметров :

U_бэ = 0.7 В , U₁= 3.5 В , I_б = 1 мА.

R₁₄ = U_бэ / I_б = 750 Ом ;

R₁₃ = U₁ - U_бэ / I_б = 2,7 кОм.

Нагрузкой каскада является динамическая головка В1 типа 2ГДШ - 4.

Опишем схему считывателя кода идентификатора. Эта схема включения рекомендуется предприятием-изготовителем электронного идентификатора.

На логических элементах DD4.3 и DD4.4 , а также транзисторе VT₃ собрано приемно - передающее устройство электронного ключа . Параметры каскада и элементов , рекомендуются изготовителем ключа фирмой “ Touch memory “. Приемная часть передает сигнал на порт Р.3.2 , а передаются управляющие команды с порта Р.3.5. Конденсаторы С₅ и С₆ служат фильтрами по питанию : С₆ - по низким частотам , а С₅ - по высоким частотам. Резистор R₁₁ предназначен для защиты схемы от короткого замыкания на входном гнезде. Диоды VD₇ и VD₈ предназначены для защиты входного каскада от электростатических разрядов. Будем использовать диоды КД521 , как диоды с большим быстродействием , основанным на эффекте Шотки.

Такая же схема применена во втором считывателе кода идентификатора, с тем отличием, что второй считыватель кода подключается к портам Р3.3 и Р3.7 соответственно.

Рассчитаем схему подключения датчиков контроля положения дверей. В схеме используется описанная выше микросхема К1533ЛП9 выполняющая роль буферных элементов (DD2, DD3.1, DD3.2). В качестве датчиков предлагается использовать кнопочные выключатели с самовозвратом. Рассчитаем резисторы R18_R25. Нагрузочный ток выберем равным 5 мА. Тогда

R=U/ I=5/ 0,005=1 кОм. ( )

Мощность рассеиваемая резистором будет равна:

Р=I²*R=0,005²*1000=0,025 Ом.

Из [ ] выберем для R18_R25 следующие номиналы: C2-33H - 0,125 - 1кОм +10%.

Теперь произведем расчет для схемы управления электродвигателем. Так как микроконтроллер должен быть связан с мощным потребителем энергии, нужно предусмотреть в схеме управления гальваническую развязку между микроконтроллером и электродвигателем. Электромотор включается подачей логической единицы на порт Р1.6.(выключается нулем). В связи с этим предлагается применить оптронную развязку со схемой рекомендуемой предприятием-изготовителем. Оптрон типа -- твердотельное реле 5П19Т. Его параметры: I_вх=25мА; U_ком=+400В; t_cраб,max=0,01мс; I_{вх и}=10мА; I_вых=1 А; тип корпуса 37х24х11 мм. Оптрон связан с микроконтроллером через буферный элемент НЕ и резистор R26 сопротивлением 360 Ом. Такая же схема включения идет на второй электродвигатель(порт Р1.7).

Для задания направления вращения электродвигателя предлагается использовать электромагнит(“1”-- вращение по часовой стрелке; “0”--вращение против часовой стрелки).Электромагнитный замок собран на транзисторе VT₆ и подключен на порт Р.1.4. Резистор в базе рассчитывается исходя из тока коллектора транзистора. Диод VD₁₁ предназначен для защиты транзистора во время включения и выключения , так как катушка электромагнита является индуктивной нагрузкой. Из [ ] выбираем диод КД226.

Расчет схемы контроля датчика физической массы пользователя. Так как для контроля массы в шлюзе предполагается использовать в качестве датчика массы обычные весы с аналоговым сигналом на выходе, то необходимо применить аналого-цифровой преобразователь. Для оцифровки этого напряжения необходимо использовать АЦП, который должен удовлетворять следующим требованиям: легко сопрягаться с микроконтроллером и требовать минимум внешних элементов для сиоей работы. Таким требованиям удовлетворяет микросхема К1113ПВ1 [ ]. Это функционально-законченный АЦП, основные технические характеристики которого следующие:

диапазон изменения входных напряжений -- от -5 до +5 вольт;

разрядность -- 10 бит;

время преобразования -- 30мксек;

логические выходные сигналы -- ТТЛ.

Работает схема следующим образом. При поступлении на вход “Запуск” АЦП сигнала низкого уровня запускается его внутренний генератор, и начинается процесс преобразования величины напряжения, присутствующего на выводе 13, в цифровую форму. Через 30 мксек. этот процесс заканчивается и на выходы D1_D10 выдается цифровой код. О том, что данные поступили на выход, АЦП сообщает выдачей сигнала низкого уровня на выводе 17 (“Готовность”). Во время преобразования выходные линии данных находятся в Z-состоянии. Уровень логического нуля на выводе 15 определяет работу АЦП в режиме преобразования однополярного входного напряжения. Питается схема двуполярным напряжением +5В и -15В.

Так как высокой точности определения положения R₂₉ не требуется, то ограничимся разбиением всего диапазона положений на 128 уровней. Тогда для представления номера каждого уровня потребуется log₂128=7 двоичных разрядов. Поэтому задействованы будут выходы D1_D7 АЦП. Определим теперь диапазон входных напряжений, которые необходимо снимать с датчика для получения на выходе АЦП кодов от 0 до 128 (от 0000000 до 1111111 в двоичном представлении). При работе с однополярными входными сигналами диапазон входных напряжений составляет от 0 до 10 вольт. Им соответствует выходные двоичные коды от 0 до 1023 ( т. е. от 0000000000 до 1111111111). Таким образом, вес младшего разряда составляет 10/1023 В - т.е. приблизительно 10мВ. Тогда для получения кода “1111111” необходимо подать входное напряжение 10*128=1,28 В. При перемещении движка реостатного датчика R₂₉ в верхнее по схеме положение, напряжение на входе АЦП составит:

U=5*R₂₉/(R₂₉+R₂₈) ( )

Приравнивая его к 1,28 , находим требуемое сопротивление резистора шкалы R₂₈:

R₂₈=3,9*R₂₉

Резистор R₂₈ выбран переменным для возможности подстройки под конкретный тип датчика. Итак, для обработки сигналов от датчика массы потребуется девять линий связи с микроконтроллером: семь линий данных и две линии управления (запуска и готовности).

5.Разработка алгоритма управляющей программы

При проектировании системы в основу данной разработки блок-схемы алгоритма (БСА) была положена та же процедура модульного проектирования, которая традиционно используется разработчиками аппаратурных средств. Алгоритм управляющей программы составлен для контроллера шлюза и ориентирован на микроконтроллер AT89C51-20PI (см. чертеж “Блок схема алгоритма”).

Алгоритм имеет разветвленную структуру и дальнейшее его описание будет происходить в строгом соответствии с каждым символом-блоком действий.

Запрос прерывания. Алгоритм начинается с проверки условий запроса прерывания. Имеется в виду прерывание по портам P3.2 (INT0) и P3.3(INT1). Инициатором прерывания являются электронные идентификаторы. Регистор масок прерываний устанавливается в “разрешение внешних прерываний”. От внешних прерываний (если пользователь прикоснулся идентификатором считывателя кода) устанавливаются флаги IE0 или IE1 в регистре TCON, которые инициируют вызов соответствующей подпрограммы обслуживания прерывания. Флаги опрашиваются аппаратно в каждом машинном цикле. Внешние прерывания INT0 и INT1 вызываются переходом сигнала из 1 в 0 на входах МК51. То есть проверка запроса прерывания заключается в проверке условий: установлен флаг IE0 (или IE1) или нет. Если флаг установлен, значит есть запрос прерывания и программа переходит к обслуживанию ввода 64-ех битного кода идентификатора пользователя. Если флаг не установлен (то есть нет запроса прерывания), тогда программа переходит к блоку обработки -- “Опрос датчиков”.

Ввод кода. После того как обнаружено прерывание, происходит переход к вводу идентификационного кода, который заключается в комбинациях минизадержек и опросов порта P3.2 (или P3.3). Задержка организуется запуском таймера (105 мксек), в течении которой опрашиваются входные порты. Инициатором запуска таймера выступает микроконтроллер, который выдает “стробирующие импульсы” на выход порта P3.5( или Р3.7) и переходит в режим ожидания ответа от идентификатора в течении задержки. Считывая код, микроконтроллер каждый бит заносит в резидентную память данных. Программа считывания кода с идентификатора приведена в приложении 3.

ИК1=1; ИК2=1. После того как код считан и занесен в РПД, программа переходит к следующему блоку. В данном случае блок индикации. Контроллер настраивает порты Р1.0 и Р1.1 на вывод логических нулей, для того чтобы “зажечь” красные светодиоды на обеих сторонах шлюза. Красные светодиоды сигнализируют пользователю, что код считан и система обрабатывает полученные данные, причем внешние прерывания от идентификаторов игнорируются. Затем программа переходит к блоку передачи кода в моноканал.

4) Вывод кода. Вывод кода в моноканал для передачи его на пульт управления происходит следующим образом. МК51 переходит в режим ожидания запроса от пульта управления. Имеется в виду следующее.

В регистре специальных функций SCON микроконтроллера имеется управляющий бит SM2, который в режиме 3 УАПП позволяет относительно простыми средствами реализовать обмен информацией в локальной сети между контроллерами и пультом управления (компьютером). Механизм обмена информацией через последовательный порт МК51 построен на том, что в режиме 3 программируемый девятый бит данных при приеме фиксируется в бите RB8. УАПП программируется таким образом, что при получении стоп-бита прерывание от приемника будет возможно только при условии RB8=1. Это выполняется установкой управляющего бита SM2 в регистре SCON. Компьютер в протокольном режиме “широковещательной” передачи (всем ведомым контроллерам) выдает в моноканал слово-адрес микроконтроллера, которое отличается от слов-данных только тем, что в его девятом бите содержится 1. Программа реализации протокола сетевого обмена информацией построена таким образом, что при получении слова-адреса, МК51 сверяет полученный адрес со своим адресом и в случае совпадения выдает в моноканал слово подтверждающее запрос адреса. Затем сбрасывает свой управляющий бит SM2 и готовится к подтверждению ответа от компьютера. После подтверждения микроконтроллер переходит к передаче кода-идентификатора в моноканал и заканчивает передачей кода “конец связи”. Передача ведется в режиме 3 УАПП.

Ожидание1. “Ожидание1” является подпрограммой обслуживающей обмен данными между компьютером и контроллером. Когда МК51 передает данные в моноканал он затем переходит в режим ожидания от компьютера. Это реализуется аппаратурной реализацией временного интервала на основе таймера задержки длительностью 2мсек.

В задачу ожидания также входит определение момента прихода ответа от компьютера. Для этого каждые два цикла микроконтроллера опрашивается регистор SCON.0( или бит RI). Бит RI устанавливается аппаратно в единичное состояние для фиксации приема байта в регистре SBUF. (Флаг прерывания приемника RI устанавливается аппаратурно в середине периода стоп-бита в режиме 3. Подпрограмма обслуживания прерывания должна сбрасывать бит RI). То есть если обнаружено, что в течении ожидания RI=1, значит пришел ответ от компьютера.

Ввод ответа. В течении ожидания приходит ответ от компьютера, который заносится в РПД. А в резидентной памяти программ (РПП) хранятся коды правильных и неправильных кодов-ответов (см. Таблицу5.1)

Таблица 5.1

адрес РПП	информационный код	назначение
0CH	00001111	пользователь идентифицирован
0DH	11110000	пользователь неидентифицирован
0EH	00011111	подлиность подтверждена
0FH	11100000	подлиность неподтверждена

Сверяя полученные ответы с хранящимися кодами, МК51 принимает соответствующее решение о переходе на ту или иную подпрограмму.

Опрос датчиков. Контроллер обрабатывает информацию снимаемую с датчиков. Эта задача реализуется обращением к порту P.0 и сравнении снятого кода с таблицей кодов положения дверей хранящихся в РПП (см. таблицу 5.2)

Таблица 5.2

	положение дверей
	закрыто	нейтрально	открыто
д1.1	1	0	1
д1.2	1	0	0
д1.3	1	0	0
д1.4	1	0	1
д2.1	1	0	1
д2.2	1	0	0
д2.3	1	0	0
д2.4	1	0	1

Таблица 5.3

адрес РПП	информационный код	назначение
05H	00001001	двери1 открыты
06H	00001111	двери1 закрыты
07H	10010000	двери2 открыты
08H	11110000	двери2 закрыты

В таблице 5.3 хранятся коды соответствующие возможным положениям дверей шлюза. В нейтральном положении на входе порта Р.0 присутствуют все нули (т. е. 00000000). В зависимости от считанного кода порта Р.0 принимается соответствующее решение о переходе на соответствующую подпрограмму.

Кроме того опрашивается порт Р.2 , который предназначен для считывания кода с АЦП, в котором содержится информация о физической массе. Если масса равна нулю и двери закрыты происходит переход на начало программы. В случае не выполнения этих условий запускается подпрограмма инициализации запуска тревоги, которая заключается в передаче соответствующего кода на пульт управления.

Микроконтроллер переходит в режим ожидания запроса адреса от компьютера (См. блок “Вывод кода”). Установив связь с компьютером МК сбрасывает в регистр SBUF байт соответствующей определенному виду тревоги. Т.е. если масса не равна нулю то в SBUF записывается 01011000 (что говорит о присутствии в шлюзе нарушителя), если двери открыты, то в SBUF записывается 00001001 или 10010000 (что говорит о саботаже работы дверей). Запись в SBUF означает автоматическую передачу кода в моноканал.

Звуковая сигнализация. После выдачи в моноканал кода-тревоги, МК инициирует подпрограмму включения звуковой сигнализации, которая предупреждает нарушителя о саботаже работы системы. Длительность звуковой сигнализации -- 5 секунд. После чего программа снова возвращается к опросу датчиков. Еще раз опросив датчики и если условие m=0, d=0 (т.е. масса =0, двери закрыты) программа возвращается в начало.

ИК1=0, ИЗ1=1. Если пользователь идентифицирован программа переходит к следующей операции: погасить красный светодиод на входе в шлюз (на выходе красный остается включенный), включить зеленый. Для этого на порт P.1.0. подается 1, на порт Р.1.2 подается 0. Если пользователь не идентифицирован происходит переход на подпрограмму запуска звуковой сигнализации, а затем в начало программы.

После того как пользователь идентифицировался запускается подпрограмма открывания сдвижных дверей (см. приложение 3) и переход в режим ожидания. Ожидание заключается в аппаратно-программной задержке на 10 секунд для того, чтобы дать пользователю время войти в шлюз. Если по истечении этого времени он не войдет, двери автоматически закрываются. В течении задержки программа постоянно (каждые 10 циклов) опрашивает датчик массы. Как только не выполняется условие m=0, происходит переход к следующему блоку программы. А именно -- закрытие дверей1. Закрытие дверей заключается не только в подаче кода-закрытия на Р.1.6. и Р.1.4. Попутно с запуском подпрограммы задержки (на время закрытия двери) происходит опрос датчиков для обнаружения возможного факта нарушения регламента работы сдвижных дверей. Т.е. если во время задержки двери не будут закрыты, поступит команда на их повторное открывание (ситуация -- пользователь не спел войти в шлюз). Если по истечении одной минуты конфликтная ситуация не разрешится с компьютера поступит код-сигнал блокировки дверей до прихода службы безопасности. Если пользователь находится в шлюзе (m не равна 0, т.е. код на порте Р.2.1-Р2.7 не равен 0) программа переходит к ожиданию кода своего сетевого адреса на входе УАПП (см. ввод кода). После установки связи контроллер выдает в моноканал код соответствующий массе пользователя после чего переходит в режим ожидания1 (см. приложение 3) ответа от компьютера. Полученный код сверяется с адресом 0СН в случае совпадения -- переход к подпрограме “открытия двери”.

Основные подпрограммы приведены в приложении 3

6.Разработка конструкции печатной платы

Под конструктивным расчетом печатной платы понимается расчет геометрических размеров платы, компоновка радиодеталей на плате, выбор материала платы и др.

В данном дипломном проекте необходимо произвести расчет платы контроллера шлюза. В начале произведем расчет предполагаемой площади и геометрических размеров, затем выберем материал печатной платы, и произведем трассировку. Для расчета площади платы необходимо подсчитать количество компонентов каждого класса, определить геометрические размеры этой платы.

По размещению проводящего рисунка печатные платы делятся на односторонние, двусторонние и многослойные.

Односторонняя печатная плата проста по конструкции и несложна в изготовлении, но при существующих системах трассировки на ней практически невозможно выполнить сложные схемы. Поэтому была произведена автоматическая трассировка платы в системе PCCARDS на две стороны. Высокая плотность проводников, полученная при трассировке, позволяет выполнить монтаж платы с высокой плотностью, что экономит материал платы.

В качестве основного материала для печатных плат используется фольгированные и нефольгированные листовые диэлектрики. Исходными для изготовления фольгированных диэлектриков могут быть бумага или стеклоткань, пропитанные синтетическими смолами или полимерные пленки из лавсана, фторопласта. На поверхность этих материалов приклеивается металлическая фольга.

В качестве материала для печатной платы выберем стеклотекстолит фольгированный СТФ - 2 со следующими параметрами: толщина фольги 35 мкм, толщина материала с фольгой 2 мм, прочность сцепления 450 гс/3 мм.

Размещение элементов конструкции печатной платы регламентируется условной координатной сеткой из двух взаимно перпендикулярных систем параллельных линий, расположенных на одинаковом ( 2.5 мм или 1.25 мм) расстоянии друг от друга. Центры монтажных отверстий и контактных площадок под выводы навесных радиоэлементов располагают в узлах координатной сетки.

Расчет размеров печатной платы произведем по формуле:

Sэ = k*(S1 + S2) (6.1)

где Sэ-суммарная площадь элементов;

S1-площадь малых элементов;

S2-площадь больших элементов; k - коэффициент плотности.

Для определения суммарной площади определим количество элементов.

Таблица 6.1.

НАИМЕНОВАНИЕ	КОЛ-ВО ЭЛЕМЕНТОВ	ПЛОЩАДЬ ЭЛЕМЕНТА
РЕЗИСТОРЫ	31	0.7
КОНДЕНСАТОРЫ	10	0.3
ДИОДЫ	8	0.4
КВАРЦ	1	5.5
ТРАНЗИСТОРЫ	5 4	0.8 0.6
ОПТРОНЫ	2	3.8
МИКРОСХЕМЫ	5 1 1	1.5 4.6 2.1

S1 = Sк + Sд = 10*0,3 + 8*0,4 = 6,2 см²

S2= Sр + Sмс + Sкв + Sтр + Sоп = 0,7*31+5,5*1+0,8*5+0,6*4+3,8*2+1,5*5+4,6*1+2,1*1 = 58.7 см²

К=8 , (Монтаж двухсторонний при средней плотности)

Sэ = 8*(6,2 + 58,7) = 519,2 см²

Печатная плата разведена автоматически, элементы размещались на площади 150:150 мм. Соотношение сторон выбрано 1:1. После разводки элементы удалось разместить более компактно получили 140х140 мм соответственно.

В результате конструктивного расчета получили, что контроллер шлюза будет располагаться на двухсторонней стеклотекстолитовой фольгированной плате размерами 130х140 мм.

Вид печатной платы со стороны деталей изображен на чертеже “Конструкция печатной платы”.

Печатная плата разведена при помощи пакета PCAD (Personal CAD System) версии 4.50. Расстановка элементов на печатной плате и трассировка электрических связей производилась автоматически при помощи интеллектуального графического редактора PCCARDS. Использовались также программы автоматического размещения элементов (PCPLACE) и трассировки электрических связей (PCROUTE) в виду относительной сложности схемы и, соответственно, печатной платы.

7 Технико-экономическое обоснование

Характеристика проекта

В качестве основного аргумента при проектировании системы защиты и контроля доступа в помещения является экономическая целесообразность проекта. Реализация системы поможет в пресечении противоправных действий, уменьшит причиняемый гражданам вред.

В виду того, что для развертывания системы не требуется какихлибо дорогих и дефицитных комплектующих деталей, предполагается, что производство изделия будет носить массовый характер.

На начальном этапе в г.Минске может быть установлено в одних только административных зданиях около 1500 систем. Можно сказать, что для развертывания производства потребуется сравнительно небольшие затраты (оборудование, комплектующие, кадры). Исходя из этого, предполагаем физический объем выпуска 2000 систем в год. В качестве расчетного периода берем срок три года. Вследствии того, что система состоит из нескольких блоков и способна к наращиванию, произведем расчет для одного блока -- контроллера.

Выбор методики расчета годового экономического эффекта

В мировой практике по вопросам инженерной экономики рассматриваются многочисленные методы инвестиционных расчётов, среди которых выделяются как наиболее широко применяемые:

чистая приведённая величина дохода;

срок окупаемости капиталовложений;

“внутренняя” норма доходности;

рентабельность;

безубыточность.

Указанные показатели отражают один и тот же процесс сопоставления распределенных во времени выгод от инвестиций и самих инвестиций.

Чистая приведенная величина дохода характеризует конечный эффект инвестиционной деятельности. В отечественной практике под чистой приведенной величиной дохода понимают экономический эффект за расчетный период времени (Э):

Э = Р - З , (7.2.1)

где:

Р -- стоимостная оценка результата от внедрения мероприятия за расчётный период, руб.

З -- стоимостная оценка затрат на реализацию мероприятия, руб.

Определение себестоимости товара и оптовой цены проектируемого изделия

В радиоэлектронных отраслях промышленности все затраты, включаемые в себестоимость продукции принято делить на прямые и косвенные. К прямым статьям относятся такие затраты как:

сырьё и основные материалы (за вычетом отходов);

комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты;

основная заработная плата производственных рабочих.

Остальные статьи затрат являются косвенными и рассчитываются по нормативам, установленным в процентах либо к основной заработной плате производственных рабочих, либо к производственной себестоимости продукции.

В статье “Комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты” учитываются затраты, связанные с приобретением со стороны готовых комплектующих изделий и полуфабрикатов, подвергающихся на предприятии монтажу и обработке, транспортно заготовительные расходы на их приобретение и доставку сторонним транспортом.

Одним из важнейших показателей, характеризующих изделие как объект производства, является его себестоимость. Она включает сумму затрат в сфере производства на его изготовление.

Расчёт себестоимости единицы проектируемой техники (С) производится по всем статьям затрат в соответствии с “Основными положениями по планированию, учёту, калькулированию себестоимости на промышленных предприятиях”. Расчёт затрат на комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты сведён в таблицу 7.1.

Таблица 7.1 -- Расчёт затрат на комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты (руб.).

№	Наименование комплектующих изделий и полуфабрикатов	Количество на единицу изделия, шт.	Цена за единицу, руб.	Сумма затрат, руб.
1	Микросхемы: AT89С51-20PI 155ЛП9 155ЛН5 К1113ПВ1	1 3 2 1	60000 2000 1500 15000	60000 6000 3000 15000
2	Резисторы: МЛТ- 0,125	31	100	31000
3	Конденсаторы: К73-16 К50-35	6 7	1000 800	6000 5600
4	Диоды: КД521В Д226	6 2	1000 4000	600 8000
5	Светодиоды: АЛ336Г АЛ336К	2 2	3000 3000	6000 6000
6	Динамические головки: 2ГДШ4	2	40000	80000
7	Оптронный 5П19T	2	30000	60000
8	Выключатели КМ2-I	8	5000	40000
9	Кварцевый резонатор	1	13000	13000
10	Плата	1	14300	14300
11	Транзисторы: КТ814А КТ972А КТ315А	1 4 2	3000 3000 2000	3000 12000 4000
13	Соединители	3	3000	9000
Итого:	410000
Расходы на транспортировку 2%	8000
Итого:	418000

Определив величину затрат по какой-либо одной из статей прямых затрат (в данном случае это статья “Комплектующие изделия и полуфабрикаты”) можно рассчитать затраты по всем остальным статьям проектируемого изделия, а затем определить себестоимость.

Величину по статье “Сырье и основные материалы” можно рассчитать по формуле:

М = М_к , руб, (7.3.1)

где Ум - удельный вес затрат на сырье и материалы в полной себе

стоимости, Ум = 1%;

Ук - удельный вес затрат на комплектующие изделия и покупные

полуфабрикаты, Ук = 48%.

Отсюда: М= руб.

Величина затрат по статье “Основная заработная плата производственных рабочих” определяется по формуле.

З_О= М_К х(У_З/У_К),руб, (7.3.2)

где:

У_З - удельный вес затрат по статье “Основная зарплата производственных рабочих” в полной себестоимости продукции: У_З =1%,

З_О=418000х1/48 = 88000 руб.

Выше рассчитаны прямые статьи затрат. Косвенные статьи затрат рассчитываются по нормативам, установленным в %, либо к основной зарплате производственных рабочих, либо к производственной себестоимости продукции.

Таблица 7.2.-- Проценты косвенных расходов.

№	Наименование статей	Условное обозначение	Величина, %
1	Возмещение износа специнструмента	НИЗ	20
2	Расходы на эксплуатацию инструмента	НСЭ	50
3	Цеховые расходы	НЦ	50

Таблица 7.3 -- Расчет себестоимости и оптовой цены единицы продукции (руб.).

№	Наименование статей затрат	Услов- ное обозна- чение	Методика расчета	Сумма
1	Материалы (за вычетом стоимости возвратных отходов)	М	смотри формулу 7.3.1.	8700
2	Покупные полуфабрикаты и комплектующие изделия	МК	смотри таблицу 7.2.	418000
3	Основная заработная плата основных производственных рабочих	ЗО	смотри формулу 7.3.2.	8700
4	Дополнительная заработная плата основных производственных рабочих	ЗД	ЗД= НД - процент дополнительной заработной платы(10%)	870
5	Заработная плата (основная и дополнитель-ная) остальных категорий ППП	ЗПК	ЗПК=(ЗО+ЗД)КЗП КЗП - коэффициент заработной платы остальных категорий ППП (0,2)	1910
6	Отчисления в фонд социальной защиты населения	ЗФС	ЗФС= НФС -процент отчисления в фонд социальной защиты населения (36%)	4200
7	Износ специнструментов и приспособлений целевого назначения	РИЗ	РИЗ=	1740
8	Расходы на эксплуатацию инструмента	РСЗ	РСЗ=	4350
9	Цеховые расходы	РЦД	РЦ=	4350
Итого цеховая себестоимость изделия: СЦ=М+МК+ЗО+ЗД+ЗПК+ЗФС+РИЗ+РСЭ+РЦ	453000
10	Общезаводские расходы	РОЗ	РОЗ= НОЗ=100%	8700
11	Отчисления в бюджет и во внебюджетные фонды, включаемые в себестоимость: -чрезвычайный налог в фонд Чернобыля - 8% -на финанси- рование расходов по содержанию вневедомственных дошкольных учреждений (ДДУ)- 5%	РБВ	РБВ= НБВ=13%	15000
12	Прочие производственные расходы	РПР	РПР= НПР=1% С*ПР -- производственная себестоимость без учета прочих производственных расходов С*ПР=СЦ+РОЗ+РБВ= 4908500.	4632
Итого производственная себестоимость изделия	СПР	СПР=С*ПР+РПР	467830
13	Внепроизвод-ственные рас-ходы	РВ	РВ= НВН=0.3%	14000
Итого полная себестоимость изделия	СП	СП=СПР+РВ	481864
14	Нормативная прибыль на единицу изделия	П	П= УРИ-уровень рентабель-ности изделий (20%)	96373
15	Добавленная стоимость	ДС	ДС=ЗО+ЗД+ЗПК+ЗФС+ +АО+П АО-амортизационные отчисления на полное восстановление ОПФ предприятия АО= НАО-процент амортизационных отчислений на полное восстановление ОПФ предприятия (12%)	113000
16	Налог на добавленную стоимость	РДС	РДС= НДС=20%	22600
17	Отчисления в спецфонды (на содержание дорог, ведомственного жилого фонда, в фонд поддержки производителей сельскохозяиствен-ной продукции)	ОСФ	ОСФ= НСФ-процент отчислений в спецфонды (2,5%)	15020
18	Свободная отпускная цена	Ц	Ц=СП+П+РДС+ОСФ	615800

Определение сметной стоимости НИОКР

Сначала определим основную заработную плату сотрудников, учавствующих в НИОКР:

Таблица 7.4 -- Расчёт основной заработной платы.

Исполнители	Количество	Количество человеко-дней	Средняя заработная плата в день, руб.	Сумма основной заработной платы, уб.
Научный сотрудник	1	20	100000	2000000
Инженер	1	20	60000	1200000
Итого	3200000

Теперь определим затраты на приобретение спецоборудования для НИОКР:

Таблица 7.5 -- Затраты на приобретение оборудования.

Показатели	Количество, шт.	Отпускная цена, руб.	Затраты, руб.
Осцилограф	1	3000000	3000000
Транспортно-заготовительные расходы (5%)	150000
Итого	3150000

Определим затраты, необходимые для разработки программного обеспечения системы (табл 7.6.).

Таблица 7.6 -- Стоимость программного средства.

Показатель	Единицы	Значение
Трудоёмкость разработки ПС	чел.--дн.	40
Тарифная стоимоисть одного часа машинного времени	руб./час.	2000
Итого стоимость:	руб.	40х8х2000=640000

Смета затрат на проведение научно-исследовательской работы включает несколько статей. Произведем расчёты в табличной форме (табл. 7.7.).

Таблица 7.7 -- Смета затрат на проведение НИОКР (руб.).

№	Наименование статей затрат	Услов ное обозначение	Методика расчета	Сумма
1	Покупные полуфабрикаты и комплектующие изделия	МК	смотри таблицу 7.1.	418000
2	Основная заработная плата сотрудников НИОКР	ЗО	смотри таблицу7.4.	3200000
3	Затраты на спецобору-дование	ЗСО	Смотри таблицу 7.5.	3150000
4	Дополнитель-ная заработная плата сотрудников НИОКР	ЗД	ЗД= НД - процент дополнительной заработной платы(10%)	320000
5	Отчисления в фонд социальной защиты населения	ЗФС	ЗФС= НФС -- процент отчисления в фонд социальной защиты населения (36%)	1267200
6	Отчисления в бюджет и во внебюджетные фонды.	РБВ	РБВ= НБВ=13%	457600
7	Стоимость машинного времени	УСТ	Смотри табл. 7.6.	640000
8	Итого SНИОКР:	9453000

Расчёт единовременных затрат

Единовременные затраты в сфере производства включают предпроизводственные затраты (К_ППЗ), капитальные вложения в производственные фонды завода - производителя (К_ПФ):

К_П= К_ППЗ+К_{ПФ .} (7.5.1)

Предпроизводственные затраты определяются по формуле:

К_ППЗ= S_НИОКР+К_ОСВ, (7.5.2)

К_ОСВ -- затраты на освоение производства.

Капитальные вложения в сфере производства новой техники определяются следующим образом:

К_ПФ = Ц_ОБ + К_ТР + К_М + К_ЗД + К_ОС + К_{ПР .} (7.5.3)

Пусть оборудование, необходимое для изготовления новой техники, уже является нашей собственностью (внесено в уставный фонд или безвозмездно передано в пределах одного собственника) и не требует особых капиталовложений. Тогда ценой оборудования ( Ц_ОБ ), затратами на транспортировку и монтаж (К_ТР,К_М) можно пренебречь.

При условии предоплаты на сумму начисленной годовой арендной платы (расходы будущих периодов), исходя из стоимости 2000000 руб./мес., можно найти стоимость переданной в аренду без права выкупа производственной площади:

К'_ЗД = 2000000х12 =24000000 руб.

Но так как в течение срока аренды вся сумма начисленной арендной платы включается в себестоимость изделия, то:

К_ЗД = 0.

Капитальные вложения в оборотные фонды определяются по формуле:

К_ОС = К_ОС^М + К_ОС^ПРИС + К_ОС^Д, (7.5.4)

где К_ОС^М - капитальные вложения в образование постоянных нормативных запасов основных и вспомогательных материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий в расчёте на годовую программу, руб.;

К_ОС^ПРИС - капитальные вложения в образование постоянного запаса малоценных приспособлений и инструментов в расчете на годовую программу, руб.;

К_ОС^Д - капитальные вложения в образование постоянных заделов деталей и узлов в расчете на годовую программу, руб.

Можно пренебречь расчётом К_ОС^ПРИС и К_ОС^Д ввиду их незначительной величины и ограничиться расчётом К_ОС^М по следующей формуле:

К_ОС^М = , (7.5.5)

где S_мi - цена едницы материала i - го вида, руб./над.ед.;

N_мi - годовая потребность в материале i - го вида, нат.ед./год;

Т_Н - количество дней работы предприятия в год, дн./год;

Т_НЗ - норма запасов материалов, дней.

В нашем случае:

К_ОС^М = 418000х2000х0.1/300 = 280000 руб.

Итак, пренебрегая прочими капитальными вложениями К_ПР:

К_ПФ = 280000 руб.

Затратами на освоение производства К_ОСВ можно пренебречь, т. к. при изготовлении, наладке и испытании изделия не требуется специальной техники и высококвалифицированных кадров. Итак, единовременные затраты:

К_П = 9453000 + 280000 = 1225000 руб.

Расчёт экономического эффекта

На основе расчётов, приведённых ранее, определим целесообразность внедрения инженерного проекта. Теперь у нас есть все данные для

расчёта ЭЭ. Определение экономического эффекта удобно провести в табличной форме (таблица 7.8.).

Таблица 7.8 -- Расчёт экономического эффекта по годам.

Показатели	Единицы измерения	Расчетный период
		1997	1998	1999
РЕЗУЛЬТАТ: 1.Прогнозируемый физический объём производства	шт.	2000	2000	2000
2.Прогнозируемый объём продаж	млн.руб.	1231,5	1231,5	1231,5
3.Полная себестоимость продукции	млн. руб.	963,7	963,7	963,7
4.Чистая прибыль	млн. руб.	192,75	192,75	192,75
5.То же с учётом фактора времени	млн.руб.	192,75	289,125	433,68
ЗАТРАТЫ: 6.Предпроизводственные затраты	млн.руб.	9,453
7.Капитальные вложения	млн. руб.	0,28
8.Итого единовременных затрат	млн. руб.	1,225
9.То же с учётом фактора времени	млн. руб.	1,225	1,837	2,756
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ: 10.Превышение результата над затратами (п.5 - п.9)	млн. руб.	181,792	287,28	430,924
11.Экономический эффект нарастающим итогом	млн. руб.	181,792	352,688	883,569
12.Коэффициент приведения к расчётному году		0,44	0,66	1

ВЫВОДЫ:

При данном объёме выпуска изделия (2000 шт./год) мы уже в первом году получим прибыль, при условии продажи всей партии. Конкурентноспособность изделия обеспечивается широкими функциональными возможностями и более низкой ценой, по сравнению с аналогами.

Экономический эффект от внедрения и изготовления проектируемого изделия составит: (1999г.) 883,569млн. руб.

8.Охрана труда и экологическая безопасность

Оценка электробезопасности:

В проектируемой системе с точки зрения экологической безопасности одним из самых опасных факторов влияющих на жизнедеятельность человека, является опасность поражения электрическим током.

Оценка опасности поражения заключается в расчёте протекающего тока через человека или напряжения прикосновения U_ПР и сравнения этих величин с предельно допустимыми в зависимости от продолжительности воздействия тока. Эта оценка проводится как в нормальном режиме работы электроустановки, так и в аварийном. Оценка опасности электропоражения позволяет определить необходимость применения способов и средств защиты, а фактические и предельно допустимые значения U_ПР и I_К служат исходными данными для их проектирования и расчёта.

Ввиду того, что проектируемая система может иметь различную конфигурацию по количеству контролируемых пунктов, месту их размещения и расстояния между ними и центральным пультом управления, будем исходить из следующего. СЗКДП пусть будет иметь пять контролируемых пунктов и один центральный пульт управления, расположенные в одну линию, (рис.8.1).

Контролируемый пункт представляет собой систему шлюза с двумя сдвижными дверями которые управляются электродвигателем питающимся от однофазной сети. Электродвигателем управляет микропроцесорное устройство. Работу контроллируемых пунктов (КП) контролирует центральный пульт управления (ЦПУ) выполненный на базе IBM PC совместимого компьютера. Каждый КП и ЦПУ запитываются от однофазной сети переменного тока. Расстояние между контролируемыми пунктами выбирается равным 10 метрам.

Исходя из выше сказанного ясно, как важно оценить потенциальную опасность электропоражения. В системе предполагается использовать заземляющие устройства на базе искусственных и естественных заземлителей, о чем будет описано ниже. Но прежде производится расчет возможных токов поражения. Фактические значения напряженияприкосновения Uпр и протекающего тока через человека Iк могут быть определены расчетным путем или эксперементально.

При расчете Iк необходимо знать сопротивление в цепи человека Rск, которое включает в себя сумму сопртивлений тела человека Rк, обуви Rоб и основания Rос, на котором стоит человек, то есть

Rск = Rк + Rоб + Rос (8.1)

Сопротивление тела человека Rк принимается равным 1кОм. Сопротивление обуви принимается равным 1,5кОм [ ].

Электрическое сопротивление основания Rос зависит от материала и степени влажности пола. Так как очень часто в качестве материала для пола используется бетон, будем сопротивление считать для бетона, считая, что пол мокрый (худший случай). Тогда из таблицы [ ] ,берем:

Rос=0,1кОм

Следовательно сопротивление в цепи человека

Rск=1+1,5+0,1=2,6кОм

Расчитаем Iк для случая с заземленным проводом (прикосновение к незаземленному проводу)

I_к=U/(Rск+r₀) , (8.2)

где U -- напряжение сети, равное 220В;

г₀ -- сопротивление заземления провода, равное 10 Ом.

Тогда

I_к=220/(2600+10)=0,0843А

Теперь рассчитаем Iк для случая с заземленным проводом (прикосновение к заземленному проводу). При прикосновении к заземленному проводу человек оказывается под воздействием напряжения Uпр, равного потере напряжения в заземленном проводе на участке от места его заземления а до места касания в:

Uпр= I_нг* r_ав (8.3)

где I_нг -- ток нагрузки;

r_{ав ----} сопротивление провода на участке ав.

В нормальных условиях Uпр невелико. Наибольшее его значение соответствует прикосновению человека к точке в непосредственной близости с нагрузкой и составляет не более 5% напряжения сети. То есть

Uпр=220*0,05=11В (худший случай),

тогда

I_к=U_пр/R_ск=11/2600=0,0042А

При коротком замыкании между проводами ток резко возрастает и потеря напряжения в проводах достигает почти 100%U. Напряжение прикосновения возрастает практически пропорционально увеличению тока в проводе и при коротких замыканиях может достигать опасных для человека значений, особенно вблизи нагрузки, тогда

I_к=220/2600=0,085А

Подведя итоги можно сделать вывод, что наиболее опасный случай для человека возникает при прикосновении к проводу при коротком замыкании, когда ток равен 85мА. Неопасным для человека является ток равный 4,2мА [ ] при прикосновении к заземленному проводу при нормальном режиме работы.

При выборе средств защиты работающих от электропоражения необходимо учитывать особенности производства и условия эксплуатации оборудования, потребляющего электрическую энергию. Согласно правилам и условиям электробезопасности для обеспечения электробезопасности объекта в случае повреждения изоляции следует применять, по крайней мере, один из следующих способов защиты: защитное заземление, зануление, защитное отключение, разделительный трансформатор и другие.

В проектируемой системе в качестве основного способа защиты выбираем защитное заземление. Оно применяется в электроустановках, питающихся изолированными от земли выводами источника однофазного тока, что применительно к нашему случаю.

В системе предусматривается автономная шина заземления технических средств для подключения корпусрв устройств, экранов кабелей и подключения логических нулей цепей элементов схем. Основным требованием к автономному заземлению является то, чтобы сопротивление заземляющего устройства между клемой земли контролируемых пунктов, центрального пульта управления и землей (грунтом) не превышало 4 Ом в любое время года [ ].