Микропроцессорная система экологического мониторинга вредных газовых выбросов

Основные критерии для параметрического поиска ОУ: предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, низкое энергопотребление и низкий уровень шума.

Таким характеристикам удовлетворяют прецизионные и низковольтные ОУ, такие как AD707, MAX4289, КР140УД12, К140УД14А, 140УД24. Окончательно был выбран ОУ MAX4289, имеющий ультранизкий уровень напряжения с малым потребляемым током, что делает MAX4289 идеальным для применения в системах с автономным питанием, даже от одного щелочного элемента. Также ОУ имеет широкий диапазон входного синфазного сигнала, и размах выходного сигнала, который практически равен диапазону напряжения питания, что позволяет использовать почти всю энергию питания в выходном сигнале.

Отличительные особенности:

- Низкое рабочее напряжение: гарантировано от 1.0 В до 5.5 В;

- Диапазон входных сигналов: от 0 до (V_CC - 0.2 В);

- Ультранизкое энергопотребление: 9 мкА (типичное);

- Оптимизирован для работы с источником питания из одного элемента;

- Совместимость с однополярными источниками питания 3.0 В и 5.0 В;

- Низкое напряжение смещения: 0.2 мВ;

- Низкий входной ток смещения: 5 нА;

- Высокий коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи: 90 дБ;

- Выходной уровень сигнала питания и выходное сопротивление 5 кОм;

- Выпускается в миниатюрном корпусе 6-Pin SOT23 (3x3мм).

В схеме подключения ОУ с датчиками значения сопротивлений RG и RL подбираются для каждого сенсора индивидуально. Заявленная производителем величина RL нагрузки для любого датчика выбирается из диапазона 10-47 Ом. Для всех цепей примем его за 10 Ом, в целях удобства расчетов. В ОУ резисторы RG и RL образуют делитель, падении напряжения на резисторе RG равняется Uвых, а падение напряжения на RL равно Uвх. Тогда можно записать:

, (7.2)

или коэффициент усиления по напряжению:

, откуда (7.3)

. (7.4)

Uвх можно определить исходя из максимальной концентрации газа и чувствительности датчика:

Uвх=макс. концентр. газа (ppm) * чувствительность (нА/ppm).

Окончательно формула выглядит так:

. (7.5)

Пример для расчета датчика угарного газа CO-AE:



макс.концентр.газа (ppm)= 100.000, чувствительность (нА/ppm)= 20, тогда

25 кОм.

Аналогичные расчеты проведем и для других преобразователей, после чего занесем их в таблицы характеристик сенсоров, приведенные в приложении Б.

7.4 Моделирование в среде EWB

Проведем моделирование ОУ с датчиком в среде EWB. Так как нижний предел току в программе - 1 мкА, поэтому будем использовать его как заменитель нА. Для наглядности примем RG = 10 кОм, RL = 1 кОм, что соответствует усилению в 10 раз. Создадим разность потенциалов между вспомогательным и индикаторном электроде, подключив малый источник тока. То же самое сделаем между электродами сравнения и индикаторным, но в этом случае источник тока будит моделировать малый входной ток для датчика. Результаты моделирования представлены ниже на рисунках 7.4 и 7.5.

Моделирование показало, что ОУ с заданными параметрами успешно проходит тестирование: коэффициент усиления пропорционален делителю напряжения RG и RL, а значит и концентрации газа на выходе датчика пропорционально его количеству.



Рисунок 7.4 - Результат моделирования датчика №1

Рисунок 7.5 - Результат моделирования датчика №2



7.5 Модуль динамической индикации

Взаимодействие сложного прибора с пользователем осуществляется с помощью элементов управления и отображения информации.

Результат измерений должен быть представлен в удобной форме для человека. Такой системой счисления является десятичная. Для отображения единиц измерения ЖКИ должен обладать и алфавитной формой представления. Вывод служебной информации для пользователя требует дополнительных единиц знакомест. Минимальное количество отображаемых знакомест от 10 (концентрация газа плюс размерность величины). Поддержка русскоязычных символов. Размер экрана - для переносного устройства требуется компактный ЖКИ. Режимы отображения ЖКИ - днем без подсветки даже при ярком свете (темные сегменты на сером фоне), ночью - с подсветкой, метод - трансфлективный, позитивный.

Собственно подсветка может быть реализована несколькими способами: с помощью электролюминесцентной панели и люминисцетной лампой с холодным катодам (все работают в повышенном напряжении) и третий вариант - подсветка на основе светодиодной матрицы.

Последняя не требует высоковольтного источника (прямое падение напряжения составляет 4,2 В) и при использовании несложного источника тока позволит производить питание от источника с напряжением 5 В. Кроме того, светодиодная подсветка имеет значительно большее (в десятки раз) время наработки, а также только она допустима к эксплуатации в расширенном диапазоне температур (-20°С...+70°С).

Энергопотребление для переносной системы должно находится на минимальном уровне - от 5 до 25 мкА при 5 В (на кв. дюйм). Искусственная подсветка или требуют дополнительной энергии, использование которой предусматривает редкие случаи.

Следуя вышеперечисленным требованиям, наиболее подходящим ЖКИ являются: DV-16230S2FBLY/R ЖКИ 16х2, англо-русский; DV-16210S1FBLY/R ЖКИ 16х2, англо-русский; MT-16S2S; MT-16S2D; MT-16S2H; MT-16S2J.

По габаритным и ценовым характеристикам был выбран отечественный ЖКИ MT-16S2J, общее описание:

- Разрешение: 2 строки по 16 символов;

- Напряжение питания: 3.0 В; 5.0 В;

- Габаритные размеры, мм: 85,0 x 30,0 x 13/9.5;

- Размеры видимой области, мм: 62,0 x 19,0;

- Размер знакоместа, мм: 2,96 x 5,65;

- Типы ЖК-панели: STN-gray, STN-yellow, FSTN-positive, FSTN/STN negative;

- Рабочий диапазон температур: от -30 до +80 градусов Цельсия;

- Подсветка с нижним свечением: янтарная, желто-зеленая;

- Тип контроллера: KS0066.

Интерфейс подключения - параллельный. Для соединения индикатора с микроконтроллером используется 11 или 7 линий -- три линии управления и 8-ми или 4-ми битная шина данных (задается при инициализации). Линия RS служит для сообщения контроллеру индикатора о том, что именно передается по шине: команда или данные (RS = 1 -- данные, RS = 0 -- команда). По линии Е передается строб-сигнал, сопровождающий запись или чтение данных: по переходу сигнала на линии E из 1 в 0 осуществляется запись данных во входной буфер микроконтроллера индикатора. Запись информации в ЖКИ происходит по спаду этого сигнала. Потенциал на управляющем выводе R/W (Read/Write) задает направление передачи информации, при R/W = 0 осуществляется запись в память индикатора, при R/W = 1 - чтение из нее. Еще три линии предназначены для подачи питающего напряжения (VDD, GND) и напряжения смещения, которое управляет контрастностью дисплея.

Индикатор может управляется по параллельному 4х или 8ми битному интерфейсу. В итоге выбор будет осуществляться по наличию свободных портов В/В на МК.

Диаграмма обмена данными по 4-ми и 8-ёх битному интерфейсу с микроконтроллером показана на рисунке 7.6, 7.7.

Рисунок 7.6 - Диаграмма обмена по 4_х битному интерфейсу

В каждом цикле обмена необходимо передавать (читать или писать) все 8 битов -- два раза по 4 бита. Передача старших 4х битов без последующей передачи младших 4х битов не допускается.

Рисунок 7.7 - Диаграмма обмена по 8_ми битному интерфейсу



7.6 Обзор модулей GSM/GPRS

Для передачи данным через GSM-сеть применяют специальные передающие устройства - GSM/GPRS-модули, выполненные в отдельным конструктивном исполнении. Для полноценной реализации законченного передающего устройство необходимо наличие так называемой «обвязки», в нашем случае - это держатель SIM-карты и антенна. Чтобы микроконтроллер связывался с модулем, необходимо наличие общего интерфейса. В общем GSM/GPRS-модулю для работы в составе газоаналитической переносной системы предъявляются следующие требования:

- Поддержка минимум двух диапазонов, это GSM: 900/1800 МГц;

- Встроенный TCP/IP/UDP/DNS стек для установки соединения с сервером;

- Стандартный интерфейс RS-232 (UART) с поддержкой АТ-команд;

- Питание не более 5 В, низкий ток потребления;

- Компактные размеры и вес;

- Расширенный температурный диапазон;

- Минимум внешних компонентов, поддерживающих работу модуля;

- Невысокая цена.

Этим требованиям удовлетворяет множество устройств: SIM300C, Enfora Enabler II-G GSM0108, Nfora Enabler II-G GSM0116, Cinterion BGS3, WAVECOM Q2686, GSM-модуль WISMO 228 (таб.7.2). При равных аппаратных характеристиках, выбор был сделан в пользу последней модели, представляющей квадратную микросборку 25х25 мм с низким током потребления в режиме ожидания (1,3 мА/Idle Mode Paging 9). К тому же весьма важным преимуществом является невысокая цена устройства.



Таблица 7.2 - Технические характеристики WISMO 228

Передача данных	GSM, CSD, SMS, FAX, GPRS class10
Память	Встроенная
Радиочасть	QUAD Band
Чувствительность	-108 dBm
Выходная мощность	33 dBm ±2 dB (2 W)
Питание	3,2 ... 4,8 В
Потребление	1,3 мА (Idle), 36 мкА (выкл.)
Кодеки	HR, FR, EFR, AMR, quality VDA2A
Аудио интерфейс	1 аналоговый звуковой канал
Эхоподавление	Да
Декодер DTMF	Да
Интерфейс управленя	1 UART
Аналоговые интерфейсы	1 ADC, 1 DAC, 3 PWM
Цифровые интерфейсы	11 GPIO, 1 SPI, 1 I2C
Корпус	46 краевых контактов, размер 25 x 25 x 2.5 мм
Температура	-40...+85 oC
Сертификаты	CE, GCF, China RTE, R&TTE

Передача команд и приём ответов осуществляется по шине UART на скорости 115,2 кбит по умолчанию. AT-команда состоит из ASCII-кодов латинских символов, и завершается символом возврата каретки <CR> (значение 0x0D, последовательность \r в Си). Обмен по шине полудуплексный, т. е. отправлять команду модулю можно только после принятия от него последнего байта ответа, в противном случае переданная команда будет проигнорирована.

7.7 Измерительные преобразователи влажности и температуры

Влияние окружающей среды неизбежно вносит неопределенность в рабочие параметры системы. Для учета этих факторов необходимо скомпенсировать взаимное влияние температуры и влажности.

Датчики влагосодержания можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:

- емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;

- резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;

- пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;

- датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;

- оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.

Каждой из используемых технологий свойственны определенные достоинства и недостатки (точность, долговременная стабильность, время преобразования и т.д.). Из вышеописанных ИП, технологически подходят датчики двух типов: емкостные и резистивные.

Наиболее важные технические параметры, которые необходимо просмотреть при выборе датчика влажности для газоанализатора, это:

- стойкость к загрязнению;

- точность;

- линейность;

- время отклика;

- габариты и стоимость;

- питание.

Дополнительными фактора для рассмотрения могут стать стоимость замены, калибровка, сложность конструкции, надежность усилителя сигнала, схемы обработки данных, тип выхода - емкостный, по напряжению или цифровой.

По всем критериям, в том числе и по распространенности, лидирует емкостный тип датчиков, уступая по стоимости резистивным. Выходной сигнал любого (емкостного или резистивного) абсорбционного датчика влажности представляет собой функцию от температуры и влажности, поэтому для получения высокой точности измерения в широком диапазоне рабочих температур, требуется температурная компенсация характеристики преобразования. Некоторые модели имеют встроенный терморезистор или термистор.

Рассмотрим предъявляемые требования к датчикам температуры для нашей системы:

- устойчивость к химическим воздействиям;

- линейность выходных характеристик;

- малое время отклика;

- низкий дрейф;

- диапазон измеряемых температур;

- высокая точность.

Также существующие виды: термопары, термисторы, терморезистивные и полупроводниковые датчики. Каждый из них предназначен для решения специфических задач, и выбирается из соответствующих условий.

В целях уменьшения стоимостно-габаритых характеристик и сложности подключения, были выбраны комбинированные цифровые датчики влажности-температуры в одном корпусе: SHT11, SHT15.

Точность последнего датчика выше, чем предыдущего 1% и 0.1 ^оС, а стоимость больше на 30 %. Для калибровки ПП газов, эта точность не столь важна, поскольку у газовых сенсоров незначительный разброс в температуре и влажности не регистрируются.

SHT15 - имеет цифровой интерфейс I2C. CMOS датчики имеют низкое рабочее напряжение 5 В и выпускаются в SMD корпусах. Точность измерения температуры не превышает 0.3^оС, а влажности - 2%.

7.8 Организация элементов управления

Органы управления газоанализатора выведены на лицевую панель корпуса. Всего используются 9 кнопок, 5 из них для выбора анализируемого газа. Начало преобразования АЦП начинается с нажатия кнопки «Пуск». Для выбора диапазона измерения газовой пробы предусмотрено две кнопки - «Высокое разрешение» и «Низкое разрешение», что соответствуют двум диапазонам измерения для трех газовых проб. Передача данных по сети GSM кнопкой - «Отправить». Включение и выключение питания осуществляется переключателем - «Пит».

Чтобы реализовать заданные коммутационные функции, микроконтроллеры неплохо приспособлены для работы с кнопками. Каждый из выводов каждого порта имеет специальные средства, облегчающие подключение внешних контактов.

На рисунке 7.8 показан типовой способ подключение пары контактов к порту микроконтроллера, где любой из выводов любого порта может работать в одном из двух режимов: либо как вход, либо как выход.

Рисунок 7.8 - Способ подключения контактов



В нашем случае соответствующий вывод должен быть переведен в режим входа. В этом режиме имеется возможность программным путем при необходимости подключать к любой внешней линии внутренний резистор нагрузки. На рисунке 7.8 этот резистор обозначен R. Для подключения остальных клавиш применяем матричное подключение всего порта PORTx1 и одну линию порта PORTx0. Все выводы порта PORTx1 переводятся в режим входов и включаются внутренние нагрузочные резисторы, PORTx0переводится в режим выхода. Процедура считывания подразумевает чтение байта из порта PORTx1, при этом на выходе PORTx0 должен присутствовать логический ноль.

7.9 Выбор микроконтроллера

Выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений, от которых зависит успех или провал всего проекта. Необходимо учесть и оценить большое количество факторов. За основу последовательности продуманных действий, приводящих к окончательному решению, сформулируем план приоритетов.

Прежде чем приступить к постановке задачи выбора МК, примем некоторые допущения. Из микроконтроллеров фирм Microchip (PIC-контроллеры), Motorola и Atmel (AVR) предпочтения отдаются последнему, ввиду его знакомству разработчику, кроме того, Atmel хорошо зарекомендовала себя в производстве широкого спектра микросхем.[16].

Процесс поиска начнем с вопроса - что должен делать МК. В самых общий чертах МК должен выполнять следующие функции:

1) выбор адреса (номера) датчика;

2) преобразование информации с датчика;

3) расчет погрешностей, перевод в другие единицы измерения;

4) работа с ЖКИ;

5) вывод информации в последовательный порт (связь с беспроводным модулем);

6) регулирование работы насоса и нагревателя.

Далее перечислим системные требования, учитывающие особенности нашей газоаналитической системы:

- Так как у нас система с автономным питанием, требования к пониженному энергопотреблению выходят на первый план;

- Данное измерительное устройство, исходя из технического задания, не требует больших объемов вычислений (расчет матожидания и стандартного отклонения), и влияние такого фактора, как производительность, не так существенна, как энергопотребление. Если сэкономить на кварце, можно использовать внутреннюю RC-цепочку. Минимальное значение встроенного тактового генератора AVR - 1 МГц. Это значение приближенное и изменяется в зависимости от величины напряжения питания и температуры корпуса;

- Количество портов ввода/вывода определяет число подключенных внешних устройств, при недостатке которых МК не сможет выполнить работу, а в случае избытка цена будит слишком высокой. Подсчет занимаемых портов приведен ниже;

- Определим необходимые внутренние периферийные устройства. Для работы датчиков газа необходимо: наличие аналогово-цифрового преобразователя, интерфейс UART (GSM/GPRS-модуль), цифровой датчик влажности/температуры требует интерфейс I2C, таймер-счетчик (организация задержек и т.д.), поддержка внешних прерываний (например, опрос матричной клавиатуры), сторожевой таймер и устройство сброса по включению питания (непредвиденные ситуации, разряженная батарея).

- Необходимый объем оперативной памяти (ОЗУ) выбирается с учетом требований к количеству измерений (точности измерения). Ниже рассчитаем минимальный объем памяти.

- Мобильность прибора подразумевает ограничения на массогабаритность МК.

Выполним необходимый расчет для определения точных характеристик МК:

1) Количество портов В/В для МК: количество датчиков газа - 8(3 дл расширенного диапазона). Все занимают 1 порт АЦП: ЖКИ - вместе с управляющими 11 или 7, примем 7; матричная клавиатура размером 3х3 - выводов 6; GSM-модуль - 2 вывода TxD и RxD; датчик влажности/температуры - интерфейс I2C; схемы управления нагрузкой - 2 вывода (микрокомпрессор и нагреватель). Общая сума - минимум 26 выводов.

2) Рассчитаем количество требуемой памяти:

Так как АЦП 10-разрядный, то результат после преобразования сохраняется в 2-ух регистрах ADCH и ADCL, которые вместе занимают 2 байта.

Пусть количество циклов считывания N=100, тогда для 5 газов:

N_ram=2*100*5=1000 байт, округляем до 1 кб.

Для долговременного хранения результатов преобразования можно использовать EEPROM-память, организованную в виде стека. Преобразованные значения величин газов имеют вещественный тип, для хранения которого выделяется тип float, размерностью 4 байта, плюс 2 байта для записи метаданных (число, месяц, время измерения). Чтобы хранить, как минимум 10 измерений для каждого газа потребуется:

N_EEPROM=10*6*5=300 байт.

В соответствии с вышестоящими характеристиками, наиболее подходящие МК: ATmega162, ATmega164P, ATmega164PA, ATmega16A. У МК ATmega164PA оказался самый низкий то потребления (плюс один UART), у ATmega16A ток чуть выше, но цена ниже (19 грн. против 28 грн.).

По критерию наилучшей цены и незанятой периферии был выбран ATmega16A (таблица 7.3).

Таблица 7.3 - основные технические характеристики ATmega16A

Ядро	AVR
F, МГц	от 0 до 16
Flash, кБ	16
RAM, кБ	1
EEPROM, кБ	0.5
I/O (макс.), шт.	32
8-бит, шт	2
16-бит, шт	1
Каналов ШИМ, шт	4
RTC	Да
UART, шт	1
SPI, шт	1
I2C,шт	1
Разрядов АЦП, бит	10
Каналов АЦП, шт	8
Быстродействие АЦП, kSPS	15
Аналоговый компаратор, шт	2
VCC, В	от 2.7 до 5.5
ICC, мА	7
TA,°C	от -40 до 85
Корпус	DIP-40 MLF (VQFN) 44 TQFP-44

Окончательный вид микропроцессорной сборки приведен на чертеже 2010.М52.08.04.



8 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ

8.1 Подпрограмма перевода единиц измерения

Кратко ознакомимся с теорией. Основной задачей газового анализа является определение вида газов, присутствующих в многокомпонентной газовой смеси, и значений их содержаний, т. е. нахождение спектра содержаний.

На рисунке 8.1 по оси абсцисс отложены номера i соответствующих компонентов газовой смеси, по оси ординат - содержания Хi этих компонентов. Содержания компонентов газовой смеси могут выражаться различными физическими величинами.

Рисунок 8.1 - Спектр содержаний многокомпонентной газовой смеси

Наиболее распространенными из них являются: массовая концентрация, массовая доля, объемная доля.

При необходимости можно переходить от одних единиц к другим, воспользовавшись известными формулами. Массовая концентрация с может быть пересчитана в объемную долю ? и обратно по формулам:

с = 0,16 ?M р/Т, г/м3 , (8.1)

? = - сT /0,16 pM , %, (8.2) 

где p - давление газа, мм рт. ст.; Т - абсолютная температура, К.

Формулы (8.1) и (8.2) справедливы только для идеального газа, однако они остаются достаточно точными для реальных газов при обычных температурах и давлениях.[9].

Программа, выполняющая перевод величин приведена в приложении Г.

8.2 Подпрограмма статистической обработки

Обработка результатов наблюдений при прямых измерениях.

Измерения не могут быть выполнены абсолютно точно. Всегда имеется некоторая неопределенность в значении измеряемой величины. Нашей задачей является найти оценку отклонения истинной величины от измеренной. Погрешности физических измерений принято подразделять на систематические, случайные и грубые. Нас же интересуют случайные, проявление которых неодинаково в каждом измерении и не может быть учтена. Закономерности, описывающие поведение случайных величин, изучаются теорией вероятностей.[17].

При статистической обработке результатов наблюдений выполняются следующие операции:

1) Находим среднее арифметическое всех n измерений x_i , где i принимает значения от 1 до n:

где n ? число результатов наблюдений; Xi ? i-ый результат наблюдения.

2) Оцениваем дисперсию (среднеквадратичная погрешность - отклонение от среднего - СКО)



3) Находим случайную абсолютную погрешность прямого измерения:

,

где t(n,p) - коэффициент Стьюдента, который зависит от числа измерений n и вероятности p, с которой мы хотим указать погрешность ?x_сл( половина доверительного интервала для среднего арифметического). Полученные значения сравниваются с погрешностью градуировки прибора и, если они различаются на порядок и более, то берется наибольшее из них. Если они сравнимы по величине, то полную погрешность вычисляют как корень квадратный из суммы квадратов этих погрешностей.[18].[9].

4) Находим относительную погрешность прямого измерения:

,

5) Выводим результат в виде:

.

Программа приведена в приложении Д.

8.3 Описание программных модулей

Для удобства работы с модулями они выполнены в виде отдельно подключаемых заголовочных файлов.

Описание константных величин (малярных масс газов, температуры и давления), объявление структуры погрешности, состоящей из двух полей, вынесены в отдельных файл. Приложение В.

В приложении X1 функции перевода требуют подключенного constant.h, передаваемые параметры - название газа и единица измерения.

В приложении X2 выполняется статистическая обработка результатов измерения в соответствии с вышеперечисленными формулами. Значения измерений берутся из стека, и вынимаются поадресно. Там же имеется функция вычисления адреса.



9 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

9.1 Быстродействия системы

Быстродействие разрабатываемого информационно измерительной системы складывается из быстродействия интегральных микросхем, входящих в него и времени обработки информации.

Выведем в таблицу 9.1 известные и рассчитанные временные задержки.[19].

Таблица 9.1 - Быстродействия элементов системы

Т1 АЦП	Время преобразования 100 измерений все 5 газов	650 нс
Т2 Работы	Время обработки данных (выполнение программы)	1515 мкс
T3 EEPROM	Время записи в EEPROM	8,8 мс
T4 GSM	Время отправки 512 байт	500 мс
T5 ЖКИ	Время вывода на ЖКИ	40 мкс

Рассчитаем время работы элементов преобразования без учета отклика ПП:

T_общ = Т_АЦП + + Т_обраб + Т _EEPROM + Т_индик+ Т_ЖКИ , тогда:

T_общ = 650 нс + 1515 мкс + 8,8 мc + 40 мкс + 500 мс = 510,31 мс.

Из расчетов видно, что наибольшая задержка времени работы системы связана с передачей результатов по сети, а также времени статистической обработки.



9.2 Расчёт мощности потребляемой микропроцессорной системой

Таблица 9.2 - Мощности, потребляемые элементами системы (без учета пробоотборной системы)

Р Операционного усилителя		45 нВт
Р Микроконтроллера на 1 МГц (в работе)	9мВт
Р АЦП микроконтроллера		1,4 мкВт
P ЖКИ (без подсветки)		5 мВт
Р GSM (в режиме передачи)		800 мВт

Р_общ = 45*10^-9+9*10^-3+1,4*10^-6+5*10^-3+800*10^-3=0,814 Вт.

Максимальная мощность, потребляемая разработанной информационно-измерительной системой:

Р_общ = 0,814 Вт.

9.3 Расчет надежности микропроцессорной системы

Один из основных параметров ЭВМ - надежность - зависит как от надежности использования элементной базы, так и от принятых схемотехнических и конструкторских решений. Учитывая значимость современных ЭВМ в хозяйственной деятельности человека, требования к ее надежности постоянно повышают.

Надежность ЭВМ - свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, утраченного по тем или иным причинам. Однако не каждая неисправность приводит к невыполнению ЭВМ заданных функций в отношении основных параметров. Поэтому для оценки надежности систем введены понятия:

Работоспособность - состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание вычислительных процессов.

Наработка - объем работы объекта.

Отказ - событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы. В основе полных, отказов лежат короткие замыкания и обрывы в тех или иных частях ИС, а в основе постепенных отказов - медленные изменения электропроводности и других электрофизических свойств отдельных участков ИС. Обрывы могут возникать как под действием механических сил (вибраций, ударов), так и в результате электрохимических и химических процессов. В каждом конкретном случае в качестве показателя надежности необходимо выбрать те, которые наилучшим образом характеризуют надежность объекта с точки зрения его целевого назначения.

Если объект характеризуется постоянством интенсивности отказов, тогда в качестве надежности целесообразно использовать ее значение л. Этот показатель используется для характеристики невосстанавливаемых электронных узлов (ИС и БИС).

л - средняя частота или интенсивность отказов, характеризует вероятность отказа в единицу времени. (1/ч).

Зная величину л, можно оценить вероятность безотказной работы ИС в течении заданного времени эксплуатации

Р = е ^-лt (9.1)

Из выражения (9.1) следует, что какой бы малой ни была величина л, с течением времени вероятность безотказной работы приближается к нулю.

Средним временем безотказной работы или средний срок службы прибора принято считать величину, получаемую из условия лt=1:



Т=1/л, значит (9.2)

P(t)=e-t/T.

Приведенные показатели интенсивности отказов рассмотрены в таблице 9.3.

Таблица 9.3 - Интенсивности отказов для элементной базы

Наименование	Интенсивность отказов
Датчики газа	50*10-6
Операционные усилители	1*10-6
МК	6*10-6
Пайка	0,01*10-6
Конденсаторы	0,001*10-6
Резисторы	0,0001*10-6
ЖКИ	1*10-6

Тогда суммарная интенсивность отказов элементов платы

л_общ = 58,01*10^-6,

Среднее время наработки на отказ элементов платы:

Т = 17238 ч.

Тогда по Р(t)=е^-t/T рассчитываем вероятность безотказной работы разработанного модуля. Надежность системы:

Таблица 9.4 - Надежность системы

Т/час	100	1000	2000	4000	10000	20000	30000	40000
Рбезот. сиc.	0.994	0.944	0.89	0.793	0.56	0.313	0.175	0.098



10 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

За последние несколько десятилетий в эволюции приборов газового анализа произошли значительные изменения. От аналоговых каталитических газоанализаторов мы перешли к цифровым микропроцессорным устройствам, способных считывать массу показателей из окружающей среды. И, хотя качественный переход уже можно считать завершенным - можно утверждать, что цифровые устройства в этом секторе практически вытеснили аналоговые, тем не менее, количественные характеристики еще далеки от совершенства.

В большинстве случаев наиболее важными целями является уменьшение габаритных размеров и потребляемой мощности устройства при сохранении или улучшении таких параметров как количество и качество измеримых компонентов.

Аппаратно-программный комплекс, предложенный к разработке, состоит из следующих основных компонентов: устройство пробоподготовки, предназначенный для забора, транспортирования, очистки, осушки, прокачки анализируемой смеси через измерительные цилиндры, устройства сбора информации - датчики газа, влажности, температуры и т.д., устройства обработки информации - микроконтроллера, передатчик GSM и других схемотехничных решений, и подсистемы выходного прибора, обеспечивающий вывод информации на требуемый приемник. При этом газоанализатор должен обладать сверхмалыми размерами и необходимой точностью измерений в различных диапазонах.

Основная цель данной работы - провести маркетинговые исследования проектируемого комплекса, определить затраты на проектирование, сформировать цену предложения продукта, рассчитать капитальные затраты и эксплуатационные расходы, а также оценить эффективность проектирования данного комплекса.

После проведения подобного анализа можно делать выводы о целесообразности проектирования и производства данного комплекса, а также вывода его на потребительский рынок.

10.1 Маркетинговые исследования проектируемого комплекса

Маркетинг - комплексная система организации производства и сбыта продукции, ориентированная на удовлетворение потребностей конкретных потребителей и получение прибыли на основе исследования и прогнозирования рынка, изучения внутренней и внешней среды предприятия-экспортера, разработки стратегии и тактики поведения на рынке с помощью маркетинговых программ.

Для оценки уровня спроса на рынке возникает потребность в проведении маркетинговых исследований, задачей которых и является определение уровня спроса на предлагаемый товар, что дает основу для построения стратегии продвижения товара на рынке.

10.1.1 Исследование проектируемого продукта

10.1.1.1 Назначение комплекса

Основным компонентом комплекса является аппаратная часть сбора, обработки, передачи и хранения измеренных данных. Программное обеспечение (ПО) играет сопутствующую роль.

Назначением газоанализатора является измерение вредных компонент в газовой смеси и последующим инспектированием по нормам ПДК, а также передача обработанных данных по сети GSM в заинтересованные службы.

Назначением ПО является обеспечение связи между ПК и газоанализатором на программном уровне, связи между приемником мобильной связи и компьютером соответствующей службы контроля.



10.1.1.2 Основные свойства комплекса

Свойства, которыми обладает рассматриваемый продукт:

- простота установки и использования;

- наглядность предоставляемой информации;

- удобный интерфейс пользователя.

10.1.1.3 Основные потребительские свойства

К потребительским свойствам проектируемого продукта относятся такие особенности, как:

К потребительским свойствам проектируемого газоанализатора относятся такие параметры, как:

- миниатюрные размеры и вес устройства;

- продолжительное время автономной работы;

- простота управления;

- возможность варьирования соотношения диапазонов измерения;

- передача результатов измерений в реальном времени на компьютер оператора заинтересованных служб.

К потребительским свойствам проектируемого ПО относятся такие параметры, как:

- удобный, интуитивно понятный пользовательский интерфейс с возможностью выполнения всех операций, как с клавиатуры, так и посредством манипулятора «мышь»;

- невысокие требования к оборудованию, на котором осуществляется работа ПО;

- обеспечение многоязычного интерфейса.

10.1.1.4 Требования к функциональным характеристикам комплекса

Газоанализатор должен обладать следующими функциональными возможностями:

- Цифровая индикация концентрации измеряемого компонента;

- Введение термо- и влагокомпенсации, что значительно повышает стабильность показаний;

- Учет взаимных влияний измеряемых компонентов для многоканального прибора;

- Самодиагностика с выдачей результатов на дисплей;

- Выдача информации о концентрации измеряемых компонентах в цифровом виде по интерфейсу USB или по каналу GSM.

ПО должно обладать следующей функциональностью:

- работать под управлением следующих операционных систем: Microsoft Windows XP, Windows Vista, Widows 7 на ПК типа IMB PC AT и совместимых с ними;

- осуществлять взаимодействие с пользователем посредством интерфейса, стандартного для вышеперечисленных операционных систем;

- отображать содержимое памяти газоанализатора при непосредственному подключению к ПК;

- взаимодействовать с GSM модулем и ПК.

10.1.1.5 Требования к надежности комплекса

Основной характеристикой надежности газоанализатора является его время наработки на отказ, т.е. усредненное время, при котором газоанализаторы данного типа сохраняют свои эксплуатационные характеристики без заметных ухудшений.

Требуется обеспечить время наработки на отказ не менее 2 лет для электронной схемы. Для обеспечения работоспособности прибора в течение данного срока при изготовлении необходимо использовать материалы, из которых изготавливаются печатные платы и корпус, а также комплектующие с показателями, превышающими данный срок, по меньшей мере на 50%.

Помимо этого, поскольку наименее надежным узлом газоанализатора являются датчики газа, которые непосредственно контактируют с измеряемой воздушной средой, необходимо наличие проверки всех исполнимых устройств, и в случае сбоя одного из них выдать результат проверки на экран.

Надежность ПО выражается в том, что оно должно функционировать в течение всего срока эксплуатации газоанализатора. Для обеспечения этого ПО должно удовлетворять следующим требованиям:

- использовать только те функции операционной системы, которые остаются неизменными независимо от версии операционной системы, а следовательно, являются наиболее проверенными на наличие ошибок и сбоев;

- осуществлять дополнительный контроль над получаемыми от газоанализатора данными;

- автоматически устранять возникшие ошибки, если данные ошибки подлежат исправлению и были предусмотрены алгоритмом;

- в случае возникновения ошибок, автоматическое устранение которых не предусмотрено или невозможно, подробно проинформировать пользователя об ошибке;

- в случае неверной операции пользователя сообщить пользователю о причине и предложить варианты для исправления данной ситуации.

10.1.1.6 Требования к условиям эксплуатации комплекса

Условия эксплуатации газоаналитического прибора должны удовлетворять требованиям, указанным в технических характеристика.

Для нормальной работы ПО требуется IBM PC AT-совместимый компьютер с наличием по меньшей мере одного порта USB 1.1 и операционной системой семейства Windows с поддержкой USB. Остальные требования к аппаратной конфигурации ПК должны соответствовать минимальным требованиям установленной операционной системы.



10.1.1.7 Конкурентоспособность

Конкурентоспособность разрабатываемого комплекса, несмотря на наличие большого числа предложений как стационарных так и переносных газоанализаторов от всемирно известных производителей, заключается, прежде всего в миниатюрных размерах и сверхмалом потреблении, т.е. большом сроке автономной работы без замены (подзарядки) элементов питания.

По сравнению с газоанализаторами массового производства с аналогичными характеристиками измеряемых компонентов, разрабатываемый прибор имеет существенно меньшие габаритные размеры, потребление и стоимость.

Основным минусом данного комплекса является необходимость применения специализированного ПО для снятия показаний прибора через канал GSM, в то время как газоанализаторы массового производства зачастую позволяют использовать средства, предоставляемые операционной системой.

10.1.1.8 Оценка рыночной направленности

Проведем оценку шансов и рисков проектируемого комплекса по таблице:

Таблица 10.1 - Оценка шансов и рисков проектируемого программного продукта

Показатели	Баллы
	Опасность	Нейтрально	Шансы
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Объем рынка						+
Рост рынка					+
Финансовый потенциал						+
Число конкурентов			+
Поведение конкурентов					+
Осведомленность потребителей								+
Возможность повышения цен						+
Изменение конъюнктуры рынка				+
Возможность замещения продукта					+
Потенциал сервиса							+

Определим среднеарифметическую величину оценки этих показателей по формуле (10.1):

(10.1)

где К_э.оц.- среднеарифметическая величина экспертной оценки;

Б_i - балл по i-тому показателю, 10 - количество показателей.

_.

Так как рыночная направленность продукта превышает значение 5, то исследуемый программный продукт будет иметь шансы на рынке.

10.1.2 Определение рынка сбыта проектируемого комплекса

10.1.2.1 Сегментирование рынка

Сегментация рынка - разбивка рынка на четкие группы покупателей, для каждой из которых могут потребоваться отдельные товары и комплексы маркетинга.

Комплекс маркетинга включает в себя товар, цену, методы распространения, методы стимулирования товара (реклама).

Принципы сегментации:

- географический (город, округ, плотность населения, климат);

- психографический (общественный класс, образ жизни, тип личности);

- поведенческий (повод для покупки, статус пользователя, интенсивность потребления, степень готовности покупателя к восприятию товара, отношению к товару);

- демографический (возраст, пол, размер семьи, этап жизненного цикла семьи, уровень доходов, род занятий, образование);

- операционный (технология, статус пользователя, объем требуемых товаров/услуг).

Этапы процесса сегментации:

- Формирование критериев сегментации (способ оценки обоснованности выбора того или иного сегмента рынка для предприятия).

- Выбор метода осуществления сегментации рынка: метод группировок по одному или нескольким признакам; метод статистического анализа.

- Интерпретация полученных сигналов. Интерпретация - описание профилей групп потребителей.

- Выбор целевых рыночных сегментов. Целевой сегмент рынка - один или несколько сегментов, отображаемых для маркетинговой деятельности предприятия. Цели предприятия могут быть заданы количественно или качественно, они могут касаться ввода новых товаров или проникновения известных на новые сегменты рынка. При этом сегмент должен иметь достаточный потенциал спроса, чтобы выбрать его в качестве целевого.

Стратегии целевого сегмента:

- Стратегия массового маркетинга - недифференциальный маркетинг. Главная цель - максимальный сбыт товара, рассчитана на крупные сегменты рынка.

- Дифференциальный маркетинг - по вариантам. Максимизация сбыта, выпуска товара и его разновидности, охват нескольких сегментов требует значительных ресурсов для производства и маркетинга.

- Концентрированный маркетинг - концентрация усилий и ресурсов предприятия на одном или нескольких сегментах рынка. Максимум прибыли.

- Выбор позиции товара.

Позиционирование товара - логическое продолжение нахождения целевых сегментов. Убеждает потребителя в том, что ему предлагается именно тот товар, который он хотел бы приобрести. Включает в себя комплекс маркетинговых элементов, с помощью которых потребителю внушается, что речь идет о товаре, созданном специально для него, чтобы он идентифицировал предлагаемый товар со своим идеалом. При этом существуют следующие подходы и методы:

- позиционирование на базе определенных преимуществ товаров;

- на основе удовлетворения специфических потребностей или специфического использования товара;

- через определенную категорию потребителей, уже купивших этот товар;

- позиционирование путем сравнения;

- с помощью устойчивых представлений о товаре.

В разделе плана маркетинга следует выделить следующие элементы:

- схема распространения товара;

- ценообразование (методика определения цен на товары, ожидаемый уровень рентабельности);

- реклама;

- методы стимулирования продаж.

В данном случае выбраны географический принцип сегментации по городам и соответствующему климату, а также операционный принцип по технологии. Выделены следующие сегменты:

- государственные структуры, специфика которых требует использование соответствующих приборов контроля воздушной среды, способных измерять до 3-х компонент одновременно и работать в непрерывном режиме ;

- коммерческие структуры, выполняющие похожие задачи;

- частные лица, имеющих необходимость измерять параметры воздушной среды.

Среднее распределение продукта по сегментам выглядит следующим образом:

- государственные структуры: 45%;

- коммерческие структуры: 35%;

- частные лица: 20%.

Данное распределение проиллюстрировано диаграммой на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1 - Распределение продукта по сегментам

Данное соотношение для разных стран может изменяться: например, в странах СНГ будет преобладать сегмент государственных структур, поскольку коммерческие структуры такого рода недостаточно развиты; а в США соотношение между ними будет примерно одинаковым.

В качестве стратегии выбран дифференциальный маркетинг, наибольший упор делается на государственные и коммерческие структуры.

10.1.2.2 Анализ тенденции рынка

Данный продукт, в принципе, решает проблему, которая с успехом решалась и до сих пор. Однако, продукт имеет отличительные особенности, специфические для выбранных сегментов рынка, а именно: миниатюрные размеры; большое время автономной работы; простоту управления в сочетании с гибкостью выбора параметров измерения, наличие коротковолнового передатчика результатов обработки измерений на станцию мониторинга. Помимо всего прочего, конкурентоспособность продукта повышает еще и тот факт, что целевые сегменты занимают крайне малую часть мирового рынка, что делает данные сегменты малопривлекательными для крупных мировых производителей подобного типа устройств.

10.1.2.3 Предпочтительный потребитель

Покупателем является предприятие любой формы собственности или частное лицо, находящееся в одной из 27 стран (в т.ч. большинство стран СНГ), где имеются фирмы, с которыми заключены дилерские соглашения.

Канал распределения - прямой маркетинг. Форма оплаты - любая.

10.1.2.4 Возможные причины финансовых неудач

Основными причинами финансовых неудач могут быть следующие:

- низкая осведомленность потребителей;

- изменение тенденции рынка;

- законодательная база, запрещающая или затрудняющая использование средств передачи информации по данному волновому диапазону;

- потребительская стоимость продукта будет ниже установленной;

10.1.3 Итоги маркетинговых исследований

В результате проведенных маркетинговых исследований продукта были изучены все основные потребительские свойства продукта, а именно:

1) миниатюрные размеры и вес устройства;

2) продолжительное время автономной работы;

3) простота управления;

4) возможность варьирования соотношения диапазонов измерения;

5) передача результатов измерений в реальном времени на компьютер оператора заинтересованных служб;

6) удобный, интуитивно понятный пользовательский интерфейс ПО с возможностью выполнения всех операций как с клавиатуры, так и посредством манипулятора «мышь»;

7) невысокие требования к оборудованию, на котором осуществляется работа ПО;

8) обеспечение многоязычного интерфейса ПО.

Изучена конкурентоспособность товара, определена рыночная направленность, определен портрет потребителя.

Проведена сегментация рынка в соответствии с потенциальными потребителями - продукт предназначен для организаций, которым требуются легкое переносное устройство, способное измерять количество основных вредных газов и передача результатов по мобильной связи в центр санпин станции. В данном случае выбраны географический принцип сегментации по городам и соответствующему климату, а также операционный принцип по технологии.

10.2 Определение затрат на проектирование программного продукта

Затраты на проектирование продукта включают в себя следующие направления:

- заработная плата проектировщиков (включая социальные отчисления);

- стоимость отладки аппаратной и программной части;

- накладные расходы.



10.2.1 Вычисление трудоемкости

Расчет трудоемкости аппаратной части проекта.

Трудоемкость стадий разработки устройства приведена в таблице 10.2.

Таблица 10.2 - Трудоемкость стадий разработки устройства

Стадия разработки	Трудоемкость, чел-дней
Техническое задание	10
Эскизное проектирование	25
Схемотехническое проектирование	17
Рабочее проектирование	74
Внедрение	37
Всего	163

Общая трудоемкость разработки

чел-дней.

Исходя из трудоемкости Т_общ и количества исполнителей, рассчитываем срок разработки по формуле:

(месяцев), (10.2)

где Ф - среднее количество рабочих дней в месяце, равное 21,8 дней;

Ч - численность разработчиков [чел], равное 1.

С_р = 163 / (1 * 21,8) = 7,5 месяцев.

Расчет трудоемкости программной части проекта

Трудоемкость программной части проекта определяем, исходя из данных об используемых функциях ПП.

Список функций приведен в таблице10.3.

Таблица 10.3 - Каталог функций программных средств вычислительной техники

Наименование (содержание) функции	Объем функций, тыс. УМК
Организация ввода/вывода информации в интерактивном режиме	2,700
Обработка входного заказа и формирование таблиц	3,260
Управление внешними устройствами и объектами	3,850
Обработка ошибочных и сбойных ситуаций	6,86
Система генерации ПС ВТ	5,350
Вспомогательные и сервисные программы	0,850
Всего	22,87

Общий объем разрабатываемого продукта определяется по формуле:

/p, (10.3)

где V_i - объем i- ой функции; n- общее число функций.

Принимаем р=5.

В данном случае V₀ = (2,7+3,26+3.85+6,86+0,85)/5 =4,574 тыс. УМК.

Затраты труда (T_р) определяются в зависимости от объема V₀ по нормам времени в человеко-часах (выбираем группу 3).

Для данного случая T_р = 30,6 человеко-дней.

Общую трудоемкость T_о рассчитаем по формуле:

Т_о = Т_р Ч К_сл (10.4)

В свою очередь коэффициент сложности ПП (К_сл) рассчитывается по формуле:



, (10.5)

где К_i _ коэффициент, учитывающий уровень повышения сложности по дополнительным характеристикам продукта; n - количество дополнительных характеристик продукта.

Дополнительные характеристики продукта: интерактивный доступ.

Поскольку в данном случае присутствуют дополнительные характеристики, то коэффициент уровня повышения сложности равен 0,08.

Таким образом, получаем:

K_сл = 1 + 0,08 = 1,08;

Т_о = 30,6 * 1,08 = 33 чел-дней.

Теперь требуется разбить полученную общую трудоемкость на соответствующие стадии разработки: технического задания (ТЗ), эскизного проектирования (ЭП), технического проектирования (ТП), рабочего проектирования (ТП), рабочего проектирования (РП), внедрения (ВН). Расчет осуществляется по формулам:

Т₁ = L_тз Ч К_н Ч Т_о -трудоемкость стадии ТЗ;

Т₂ = L_эп Ч К_н Ч Т_о -трудоемкость стадии ЭП;

Т₃ = L_тп Ч К_н Ч Т_о -трудоемкость стадии ТП;

Т₄ = L_рп Ч К_н Ч Т_о Ч К_т -трудоемкость стадии РП;

Т₅ = L_вн Ч К_н Ч Т_о -трудоемкость стадии ВН.

где L - удельный вес трудоемкости соответствующей стадии разработки в общей трудоемкости; Кн - поправочный коэффициент, учитывающий степень новизны ПП; Кт - поправочный коэффициент, учитывающий степень использования в разработке типовых (стандартных) программ ПП.

Значение L и поправочных коэффициентов К_т и К_н определяют по соответствующим таблицам.

Степень новизны данного продукта определяется как «ПС ВТ, являющиеся развитием определенного параметрического ряда ПС ВТ», при этом не требуется использования новой ЭВМ и новой ОС (Код степени «В»), соответствующее значение К_н = 0,7.

Значения коэффициентов удельных весов трудоемкости стадий в общей трудоемкости разработки представлены в таблице 10.3.

Таблица 10.3 - Значения коэффициентов удельных весов трудоемкости для каждой стадии

Стадия разработки	В
Техническое задание	0,09
Эскизное проектирование	0,07
Схемотехническое проектирование	0,07
Рабочее проектирование	0,61
Внедрение	0,16

Степень охвата реализуемых функций ПС ВТ типовых (стандартных) программ в данном случае находится в пределах 40-60%, соответствующее значение К_т = 0,7.

Рассчитаем трудоемкость каждой стадии разработки:

Т₁ = 0,09 * 0,7 * 33= 2,079 чел-дней;

Т₂ = 0,07 * 0,7 * 33 = 1,617 чел-дней;

Т₃ = 0,07 * 0,7 * 33 = 1,617 чел-дней;

Т₄ = 0,61 * 0,7 * 33 * 0,7 = 9,86 чел-дней;

Т₅ = 0,16 * 0,7 * 33 = 3,696 чел-дней.



Уточненная общая трудоемкость ПП (Т_ут.общ.) в человеко-днях определяется как сумма трудоемкостей каждой стадии разработки. (10.6)

где Тi - трудоемкость разработки i-той стадии, N - число стадий разработки.

Т_ут.общ. = 2,079+1,617+1,617+9,86+3,696 = 18,87 чел-дней.

Исходя из трудоемкости Т_{ут. общ.} и количества исполнителей, рассчитываем срок разработки по формуле:

(месяцев), (10.7)

где Ф - среднее количество рабочих дней в месяце, равное 21,8 дней; Ч - численность разработчиков [чел], равное 1.

С_р = 18,87 / (1 * 21,8) = 0,86 месяцев.

Общий срок разработки является суммой срока разработки аппаратной и программной части.

Таким образом,

С_{р общ.} = 7,5 + 0,86 = 8,36 месяцев.

10.2.2 Расчет бюджета рабочего времени