Управляющий модуль устройства проверки автоматических выключателей первичным током

Следующим этапом проектирования является разработка электрической принципиальной схемы на основе функциональной.

4. Принципиальная схема управляющего модуля

4.1 Описание компонентов

Принципиальная схема управляющего модуля представлена в приложении Б.

Основой управляющего модуля устройства РЕТОМ-30КА является микроконтроллер LPC2148FBD64 (микросхема DD5).

Микроконтроллер осуществляет измерение действующих значений входных сигналов, осуществляет вывод информации на дисплей, управляет включением/отключением силовой схемы с помощью симмисторного ключа, а также осуществляет управление всеми процессами и обеспечивает взаимосвязь между компонентами модуля через шину SPI.

LPC2148FBD64 оснащен встроенными дополнительными устройствами, которые выполняют определенные функции под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера. К ним относятся устройства памяти, порты ввода/вывода, таймеры, системные часы и др.

Микросхемы типа ADUM1402BRW реализуют гальваническую развязку. В схеме управляющего модуля использовано 3 микросхемы данного типа (DD1, DD2, DD14).

Микросхемами 74HC138D реализованы дешифраторы (DD16, DD17). Дешифратор преобразует входной двоичный код в номер выходного сигнала (дешифрует код). Количество выходных сигналов (и соответствующих им выходов) дешифратора равно количеству возможных состояний двоичного кода (входного кода), то есть 2n, где n - разрядность двоичного кода.

Активным всегда является только один выход дешифратора, причем номер этого выхода (и соответствующего ему сигнала) однозначно определяется входным кодом.

В данной схеме дешифратор применяется для перекоммутации одного входного сигнала на несколько выходов. То есть в данном случае он выступает в качестве демультиплексора входных сигналов, который позволяет разделить входные сигналы, приходящие в разные моменты времени, на одну входную линию.

Микросхемой ADG408BR реализован мультиплексор (DA7). Мультиплексор предназначен для поочередной передачи на один выход одного из нескольких входных сигналов.

Блок USB построен на основе микросхемы FT232BM (DD15). Данная микросхема преобразует поток асинхронных последовательных данных с уровнями 3.3В/5В в поток данных USB. Это идеальное решение для модернизации устройств с интерфейса RS232 в USB.

Микросхема AT25640AN-10SU-1.8 (DD6) реализует запоминающее устройство EEPROM - программируемое постоянное запоминающее устройство с многократным электрическим стиранием и перезаписью информации.

Для реализации АЦП использованы три микросхемы AD7898AR-3 (DA20, DA22, DA24). АЦП применяется для сопряжения цифровых устройств с внешними аналоговыми сигналами. При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы во входные цифровые сигналы, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки или хранения.

Микросхемы типа OP113FS (DA8, DA9, DA10) - прецизионные операционные усилители, они обладают высокой стабильностью параметров при изменении температуры и с течением времени.

Микросхемы типа REF192GS (DA15, DA16, DA17) реализуют источник опорного напряжения.

Микросхемы типа PVT422 (DA3, DA4, DA5, DA6) - оптроны.

Микросхемы типа MAX660CSA (DA21, DA23) - батареи.

Микросхемы типа LM311M (DA11, DA12, DA25) - компараторы общего назначения. Компараторы представляют собой прецизионные операционные усилители, которые используются без отрицательной обратной связи. Они предназначены для сравнения двух аналоговых сигналов, подаваемых на инвертирующий и неинвертирующий входы. Результат сравнения обычно выдается в виде стандартных цифровых сигналов.

Микросхемы AM1P-0505SH30 (DA13, DA14, DA18, DA19) необходимы для преобразования постоянного напряжения. На вход этого преобразователя поступает постоянное напряжение одного уровня (4.5...5.5В), а на выходе - постоянное напряжение другого уровня (5В). При этом осуществляется полная гальваническая развязка между входом и выходом с помощью встроенного трансформатора. На входе имеются две емкости: керамический конденсатор для устранения кратковременных пиков тока, возникающих при переключениях транзисторов, и электролитический - для поддержания входного напряжения постоянным при его медленных колебаниях. На выходе также имеется керамический конденсатор. Стабилизированный источник питания вырабатывает два равных выходных напряжения противоположной полярности с малым уровнем пульсаций.

Микросхемы OP4177AR (DA1, DA2) - операционные усилители.

Микросхемы LTV817 (DA27, DA28) - оптопара. Используется для обеспечения гальванической развязки.

Микросхема MAX809-EUR-T (DA26) осуществляет мониторинг системы.

Микросхема IRU1117-33CS (DA29) - дискретные сигналы.

Микросхема LM79L05ACM (DA30) - негативный линейный стабилизатор напряжения.

Микросхемы 74HC4066D (DD3, DD4) - аналоговые коммутаторы. Эти микросхемы, объединяющие в своем составе 4 канала, строятся на базе КМОП-

транзисторов, которые являются ключевыми элементами.

Микросхемы 74HC165D (DD7, DD8) - сдвиговые регистры.

Микросхемы типа 74HC595D (DD9 - DD12) - сдвиговые регистры.

Микросхемы типа 74HCT244D (DD13) - буфер.

Микросхемы типа 74HC14D (DD18, DD19) - инвертирующий триггер Шмидта. Инвертирующий триггер Шмидта наиболее часто используется в качестве порогового устройства с уменьшенной чувствительностью к сигналам помех. Таким образом, инвертирующий триггер Шмидта усиливает сигнал и увеличивает его помехозащищенность.

Термисторы HP-1-4-8M (R94, R95) предназначены для уменьшения сопротивления при увеличении температуры.

Перечень элементов принципиальной схемы представлен в приложении В.

4.2 Выводы по главе

Электрическая принципиальная схема управляющего модуля построена на основе структурной и функциональной схем. В данной главе описаны элементы схемы и их назначение. На основе электрической принципиальной схемы будет разработана печатная плата управляющего модуля.

5. Программная часть

5.1 Общие сведения

5.1.1 Назначение и условия применения программы

Разрабатываемая программа предназначена для управления микроконтроллером. Программа начинает выполняться при включении устройства. Завершение работы управляющей программы происходит при выключении устройства.

5.1.2 Технические характеристики

Постановка задачи.

Управляющая программа должна быть разработана с учетом исходных данных, описанных в техническом задании к дипломной работе.

Требования к системе

При разработке программы учитывались следующие требования:

как можно более быстрый процессор, с частотой не менее 1000 МГц;

операционная система Windows XP, 2000;

наличие свободного места на жестком диске для выполнения всех операций программы;

ОЗУ 128 Мб.

5.2 Блок-схема алгоритма программы управления микроконтроллером

Блок-схема алгоритма управляющей программы микроконтроллера изображена на рисунке 5.1.

При включении устройства (микроконтроллера) происходит инициализация переменных, портов и периферии микроконтроллера (таймеры, порты ввода/вывода, прерывания), загрузка констант. При генерации прерывания микроконтроллер переходит к выполнению выбранной подпрограммы. Работа микроконтроллера завершается при выключении устройства.

Рисунок 5.1 - Блок-схема алгоритма программы управления микроконтроллером

Переход программы управления может быть осуществлен к одной из пяти подпрограмм: Подпрограмма заполнения буфера АЦП.

Блок-схема алгоритма подпрограммы изображена на рисунке 5.2.

После запуска сигнала на начало преобразования в модуле АЦП производится выбор первого канала АЦП, и актививируется прием данных по шине SPI. Информация с первого канала АЦП считывается и помещается в буфер АЦП. Затем та же последовательность операций совершается последовательно для второго и третьего каналов АЦП. Заполнение буфера происходит до тех пор, пока не будут заполнены все 256 ячеек буфера. Затем заполнение начинается с нулевой ячейки.

Рисунок 5.2 - Блок-схема подпрограммызаполнения буфера АЦП

Подпрограмма подсчета действительного среднеквадратического значения RMS. Блок-схема алгоритма подпрограммы изображена на рисунке 5.3. Через каждые 78 мкс, когда все 256 ячеек буфера уже заполнены микроконтроллер производит подсчет RMS по формуле:

Подпрограмма подсчета временных интервалов внешних контактов.

Блок-схема алгоритма данной подпрограммы изображена на рисунке 5.4. Подсчет временных интервалов внешних контактов необходим для точного определения времени срабатывания электронных расцепителей автоматических выключателей.

Рисунок 5.3 - Блок-схема подпрограммы подсчета RMS

Рисунок 5.4 - Блок-схема подпрограммы подсчета временных интервалов внешних контактов

При замыкании контакта К1 (клеммы запуска счета секундомера) запускается таймер. Остановка таймера происходит при замыкании контакта К2 (клеммы останова счета секундомера). Таким образом, предусмотрена возможность измерения времени срабатывания контактов, времени возврата, подсчета длительности замкнутого или разомкнутого состояния, фиксации разновременности срабатывания и отпускания контактов.

Подпрограмма обслуживания меню.

Блок-схема алгоритма данной подпрограммы показана на рисунке 5.5.

Работа подпрограммы начинается с того, что в программный счетчик загружается указатель текущего пункта меню. Затем происходит выполнение режима работы, соответствующего текущему пункту меню, и обслуживание индикатора. В программный счетчик загружается указатель подпрограммы обслуживания клавиатуры текущего пункта меню и происходит выполнение этой подпрограммы.

Рисунок 5.5 - Блок-схема подпрограммы обслуживания меню

В режиме работы с меню индикатор отображает две строки с пунктами меню. Перемещение указателя по пунктам меню осуществляется кнопками клавиатуры «^» и «v». Кнопка «-» осуществляет выбор выделенного пункта меню и переход в подменю. Выход из подменю в предыдущее меню осуществляется кнопкой «<».

Полный список всех пунктов главного меню приведен в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Список пунктов главного меню

Наименование	Описание
Секундомер
Запуск	Режимы запуска секундомера
От К1	Производится запуск счета секундомера при замыкании контактов клемм К1
От ПУСК	Производится запуск счета секундомера после нажатия кнопки «ПУСК»
Нет запуска	Отключение секундомера
Фиксация	Режимы фиксации счета секундомера
От К2	Производится фиксация счета секундомера при изменении состояния контактов клемм К2: если контакты К2 при запуске секундомера были разомкнуты, то фиксация происходит при замыкании клемм К2 и, наоборот, если клеммы были замкнуты в момент пуска секундомера, то фиксация счета происходит при размыкании клемм К2
По отсечке	Производится фиксация счета секундомера после пропадания выходного тока или при снижении его значения ниже порогового значения
Нет фиксации	Счет секундомера можно остановить только вручную, нажав кнопку Сброс (при этом произойдет не фиксация счета, а его обнуление)
Время выдачи тока
Ручной режим	Подача напряжения на вход трансформаторных блоков начинается при нажатии кнопки ПУСК, и прекращается при нажатии кнопки СТОП
Автоматический режим	Подача напряжения на вход трансформаторных блоков прекращается автоматически, после окончания счета секундомера
100 мс	Выдача тока производится в течение 100 мс
Режим измерения PA1
Режим «1»	Варианты включения обмоток трансформатора: один блок, одна обмотка; один блок, две обмотки параллельно; два блока, все обмотки параллельно.
Режим «2»	Варианты включения обмоток трансформатора: один блок, две обмотки последовательно; два блока, последовательно-параллельно.
Режим «3»	Варианты включения обмоток трансформатора: два блока, все обмотки последовательно
Предел измерения
PA1
3 кА	Пределы измерения тока для килоамперметра PA1
30 кА
PA2
2 А	Пределы измерения тока для амперметра PА2
20 А
PV1
2,5 В	Пределы измерения напряжения для вольтметра PV1
25 В
250 В
500 В
Настройка
Калибровка	Производится калибровка устройства

Для выхода из любого меню выбора параметра служит кнопка «<». Подчеркнутые в списке параметры являются параметрами по умолчанию, которые устанавливаются при включении РЕТОМ-30КА.

Переход индикатора в режим измерения из режима работы с меню осуществляется нажатием кнопки «<» из главного меню. Переход из режима работы с меню в режим измерения, осуществляется нажатием кнопки «-».

Подпрограмма обслуживания клавиатуры.

Блок-схема алгоритма данной подпрограммы показана на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Блок-схема подпрограммы обслуживания клавиатуры

При генерации прерывания таймера происходит чтение физического регистра клавиатуры. Затем обновляется программный регистр клавиатуры.

Клавиатура расположена на лицевой панели регулировочного блока под индикатором. Она содержит 4 кнопки: «^», «v», «-», «<». С помощью них можно осуществить все действия, необходимые при работе с меню.

Для создания программного обеспечения была выбрана интегрированная среда разработки IAR Embedded Workbench ARM 4.40a - удобный инструмент для программирования микроконтроллеров, созданный фирмой IAR Systems. Это отладочная среда, в которую входят компилятор с языка Си, ассемблер, компоновщик и отладчик. Встроенный редактор специально настроен на синтаксис языка Си, имеются дополнительные утилиты и встроенная система помощи, которыеупрощают написание программы.

Исходный код основных модулей программы управления микроконтроллером представлен в приложении Г.

5.4 Выводы по главе

В программной части дипломного проекта был описан алгоритм программы управления для микроконтроллера, приведены его блок-схемы. На основе описанного алгоритма разработано программное обеспечение для микроконтроллера LPC2148. Программа разрабатывалась в интегрированной среде разработки IAR Embedded Workbench ARM 4.40a.

6. Конструкторская часть

6.1 Требования к печатным платам

1. В соответствии с ГОСТ 10317-79 печатная плата должна быть квадратной или прямоугольной, а линейные размеры ее сторон должны быть кратными:

2,5 - при длине до 100 мм;

5,0 - при длине до 350 мм;

10,0 - при длине более 350 мм.

Максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470 мм, а соотношение линейных размеров сторон печатных плат - не более 3:1.

2. Толщина печатной платы должна соответствовать одному из чисел ряда: 0,8; 1,0; 1,5; 2,0. Толщина печатной платы малой площади должна соответствовать числам начала ряда, а большой площади - числам конца ряда. При недостаточной жесткости основания в печатных проводниках могут возникать микротрещины, приводящие в ряде случаев к разрыву электрической цепи.

3. Чтобы печатная плата была технологичной, разработку конструкций следует вести, ориентируясь на конкретный промышленный процесс ее изготовления.

4. Осуществление на печатной плате монтажа высокой плотности при ширине печатных проводников 1-2 мм (зазор между проводниками 0,4-1,0 мм) всегда сопряжено с большими конструкторскими и технологическими трудностями, поэтому следует предпочитать более свободный монтаж.

5. При размещении элементов на печатной плате следует иметь в виду паразитные связи, возникающие через емкости между печатными проводниками и самими элементами. Например, для предотвращения самовозбуждения усилителя элементы его входной цепи желательно располагать как можно дальше от элементов его выходных цепей. При заметном сопротивлении общего для схемы печатного проводника (общая шина) и неправильном выборе точки подключения к аппаратной «земле», а также при заметном сопротивлении шины питания на этих проводниках могут возникать напряжения обратных связей, ухудшающие или даже нарушающие работу электронного устройства.

6. Печатные проводники по возможности следует делать широкими, при этом в проводнике, если он шире 3 мм, предусматривают щелевидные круглые или овальные вырезы, снижающие температурные деформации печатных плат.

7. Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки. При применении элементов с жесткими выводами, имеющими шаг, не кратный шагу координатной сетки, в узлах координатной сетки размещают отвестия, принятые за основные. Остальные отверстия располагают в соответствии с чертежом контактной группы элемента, который помещают на поле чертежа печатной платы. Диаметры монтажных отверстий выбирают из ряда: 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм.

8. Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено контактной площадкой. Для предотвращения отрыва контакной площадки от основания печатной платы в процессе травления или пайки ее минимальный диаметр должен быть не менее трех диаметров отверстий 0,5-0,8 мм и двух диаметров отверстий 1,6-2,0. Во всех случаях зазор между кромкой печатной платы и контакной площадкой должен быть не меньше толщины печатной платы.

9. Минимальный изоляционный зазор между элементами проводящего рисунка при напряжении между ними до 50В и нормальном атмосферном давлении должен быть порядка 0,4 мм. Минимальные зазоры следует устанавливать только в тех местах, в которых физически возможно их увеличить (узкое место).

10. По точности исполнения элементов конструкции печатных плат делят на пять классов точности. Печатные платы 1-го и 2-го классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; для ПП 3 класса точности необходимо использовать высококачественные материалы, более точный инструмент и оборудование; для ПП 4 и 5 классов - специальные материалы, прецизионное оборудование, особые условия при изготовлении. Печатные платы 1-го класса точности применяют при малой и средней плотности размещения дискретных элементов.

6.2 Конструкции и параметры печатных плат

Конструкции печатных плат характеризуются группой параметров:

структурных;

геометрических;

электрических.

К структурным параметрам относятся общее число слоев и их конструкция (односторонние и двусторонние).

Структуру конструкции печатной платы образуют элементы конструкции:

соединительные проводники и зазоры между ними;

контактные площадки и зазоры между ними;

переходные отверстия.

Форма металлизированных отверстий, как правило, выбирается круглая; форму остальных элементов желательно выбирать прямоугольной или состоящей из прямоугольников, соединенных различными способами.

К геометрическим параметрам относятся:

ширина печатных проводников на сигнальных слоях и зазоров между проводниками;

диаметры металлизированного отверстия;

ширина зазора между металлизированными отверстиями и между отверстиями и проводниками;

расстояние между сигнальными и потенциальными слоями, в частности между слоями питания и земли;

шаг сетки и ширина проводников на потенциальных слоях;

толщина печатной платы заданной структуры и ее отклонение от номинала.

К электрическим параметрам относятся:

сопротивление и емкость печатных проводников на сигнальных слоях;

коэффициент связи между печатными проводниками, определяемый уровнем взамных помех.

Электрические параметры определяют требования к трассировке, геометрическим параметрам сигнальных проводников и расположению сигнальных и потенциальных слоев относительно друг друга. При отсутствии требований к электрическим параметрам печатных плат от технологического процесса изготовления печатных плат. При выборе структуры печатных плат устройств среднего и высокого быстродействия наиболее важным является обеспечение электрических параметров. Как правило, в этом случае используют многослойные печатные платы.

Структура многослойных печатных плат может быть рассмотрена как множество отдельных и независимых потенциальных, сигнально-потенциальных и технологических звеньев. Расположение и характер печатного рисунка потенциальных и технологических звеньев практически не влияют на характер сигнальных проводников.

Потенциальные звенья находятся в многослойных печатных платах между сигнально-потенциальными звеньями. Их применяют в конструкциях плат при относительно большом числе источников питания или при необходимости дублирования некоторых потенциальных слоев для увеличения трассировочной площади при больших потребляемых токах. Наличие технологических слоев, располагаемых с наружных сторон многослойной печатной платы, определяется, как правило, особенностями технологического процесса изготовления многослойных печатных плат.

Основными структурными звеньями в многослойных печатных платах являются сигнально-потенциальные. Они могут быть с одним и с двумя потенциальными слоями и двусторонним их расположением относительно сигнальных слоев. Потенциальные слои сигнально-потенциальных звеньев в структуре многослойных печатных плат являются смежными и располагаются рядами. Следовательно, сокращая расстояния между звеньями, можно получить минимальное сопротивление цепей питания.

Число сигнальных слоев в сигнально-потенциальных звеньях не превышает двух, так как во избежание перекрестных помех печатные проводники прокладываются в разных слоях под прямым углом, чтобы не располагаться один непосредственно под другим. В этом случае взаимная емкость сигнальных проводников оказывается минимальной. Минимальна она и при уменьшении ширины печатного проводника, что позволяет развести соединения более сложной схемы в меньшем числе слоев. Однако уменьшение ширины печатного проводника сказывается на требованиях к точности изготовления печатной платы.

По плотности проводящего рисунка и точности изготовления печатные платы и гибкие печатные кабели делятся на три класса.

Первый класс характеризуется наименьшей плотностью проводящего рисунка и наименьшей точностью изготовления. Второй и третий - повышенной и высокой плотностью проводящего рисунка и высокой точностью изготовления. Рекомендуется выполнять платы всех размеров с плотностью проводящего рисунка, соответствующей первому классу. На платах размерами 170280 мм может быть создана плотность проводящего рисунка, соответствующая второму и третьему классам. На одной печатной плате могут располагаться элементы проводящего рисунка разных классов. В этом случае печатная плата относится к более высокому классу.

Печатные проводники, как правило, выполняются одинаковой ширины на всем их протяжении. В виде исключения проводники сужают до минимально допустимых значений на небольшой длине в «узких» местах и в местах перекрестий проводников различных слоев. Рекомендуется не размещать проводники на минимально допустимом расстоянии от других печатных элементов. Если существует возможность, то необходимо использовать проводники максимальной ширины.

6.3 Разработка печатной платы

По конструкции печатные платы с жестким и гибким основанием делятся на типы:

односторонние;

двусторонние;

многослойные.

Для управляющего модуля устройства РЕТОМ-30КА необходимо использовать четырехслойную печатную плату. Многослойная ПП представляет собой коммутационный узел, состоящий из чередующихся проводниковых и изоляционных слоев, в котором проводниковые слои соединены между собой при помощи металлизированных отверстий. Между сигнальными слоями ПП располагаются два слоя: слой «земли» и слой «питания».

Преимущества многослойных печатных плат:

высокая плотность монтажа, что уменьшает габариты и массу аппаратуры, требует уменьшения ширины проводников, расстояний между ними, размеров контактных площадок, увеличивает число слоев и внутренних межслойных переходов, уменьшает длину электрических связей и в результате повышает быстродействие электронной аппаратуры;

устойчивостью к климатическим и механическим воздействиям;

стабильность электрических сигналов, в частности, за счет сокращения количества контактов разъемов;

наличие экранирующих слоев между любыми внутренними слоями или на наружных слоях, которые позволяют экранировать схему от внешних и внутренних воздействий, которые также можно использовать в качестве эффективных теплоотводов и создания специальных структур.

Недостатки многослойных печатных плат:

высокая стоимость;

значительная трудоемкость изготовления и проектирования;

более высокий по сравнению с двуслойными ПП процент брака;

возможность нарушения электрических связей в местах контакта торцев контактных площадок внутренних слоев и столбика меди в отверстиях в процессе эксплуатации;

высокие требования к точности изготовления элементов печатного рисунка.

В соответствии с ГОСТ 2.3751-86 для данного изделия необходимо выбрать 4-й класс точности печатной платы.

В соответствии с требованиями ГОСТ 4.077.000 выбираем материал для платы на основании стеклоткани - стеклотекстолит фольгированный СФ-2-50-1,5 (ГОСТ 10316-78). Толщина 1,5 мм, т. к. печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса. В качестве фольги для фольгирования диэлектрического основания будет использована медная фольга, так как алюминиевая плохо паяется, а никелевая дороже стоит.

На плате не желательно иметь более трех различных диаметров отверстий. Все отверстия, кроме крепежных, должны выполняться металлизированными. Центры всех отверстий на печатной плате должны располагаться в узлах координатной сетки.

Расчет площади печатной платы.

Площадь печатной платы находится по формуле:

,

где S_ПП - площадь печатной платы,

- общая площадь радиоэлементов на плате,

К_З - коэффициент заполнения.

Расчет площади печатной платы представлен в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Расчет площади печатной платы

Обозначение	Количество элементов N	Занимаемая элементами площадь SЭ, мм2
Резисторы R	145	1336
Конденсаторы C	101	1013
Дроссели L	5	395
Диоды VD	38	511
Транзисторы VT	12	602
Аналоговые микросхемы DA	30	3077
Цифровые микросхемы DD	19	4958
Разъемы XP	17	949
Реле K	10	454
Кварц ZQ	3	275
Пьезоизлучатель BA	1	80
ИТОГО:		13650

Выберем коэффициент заполнения 0.65, тогда площадь печатной платы:

21000 мм²

В соответствии с требованиями ГОСТ выбираем необходимый размер печатной платы. Получим плату с размерами 100210 мм. Учитывая размеры других конструкторско-технологических зон, получим плату размером 115230 мм.

Печатная плата представлена в приложении Д.

Спецификация на сборочный чертеж приведена в приложении Е.

6.4 Выводы по главе

В конструкторской части дипломного проекта рассмотрены требования к печатным платам в соответствии с ГОСТ, а именно: требования к форме, линейным размерам, толщине платы, плотности монтажа, размещению элементов на печатной плате и др. Кроме того, рассмотрены конструкции и параметры печатных плат.

Разработана печатная плата управляющего модуля устройства РЕТОМ-30КА. Описаны этапы разработки печатной платы. Представлены основные параметры и характеристики разработанной печатной платы. Произведен расчет площади платы и выбраны линейные размеры ее сторон в соответствии с ГОСТ.

7 Экономическая часть

7.1 Определение себестоимости изделия

Себестоимость изготовления нового изделия определяется точным методом на основе нормативов материальных и трудовых затрат. В основе точного метода расчета лежит использование системы технико-экономических норм и нормативов всех видов текущих затрат.

Исходными данными для проведения этого вида расчета являются:

спецификация основных сборочных единиц и комплектов, входящих в проектируемое изделие;

спецификация основных материалов, покупных изделий и полуфабрикатов, расходуемых на изготовление деталей, сборку, монтаж, настройку и регулировку изделия в целом;

прейскуранты оптовых цен на материалы и комплектующие изделия;

размеры цеховых, общезаводских, внепроизводственных и транспортно-заготовительных расходов;

нормативов отчислений на социальные нужды и дополнительную заработную плату.

7.1.1 Расчет стоимости покупных компонентов

Расчет стоимости покупных компонентов S_ПК, применяемых при изготовлении изделия, производится по формуле:

;

,

где Ц_МИ - цена компонента одного типа, используемого в данном изделии;

C_МИ - стоимость единицы покупных компонентов;

N_МИ - количество компонентов одного типа на одно изделие;

M - количество видов компонентов.

Перечень применяемых компонентов, их цены и необходимое количество приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Перечень применяемых компонентов

Наименование компонента	Количество, шт.	Цена, руб.	Сумма, руб.
Резисторы типа Р1-12	4	11,64	46,56
Диоды типа BZX55C6V2	2	1,71	3,42
Диоды типа LL4148	36	0,28	10,08
Транзисторы BC 807-16	2	3,50	7
Транзисторы BC 817-16	10	1,40	14
Микросхема ADG408BR	1	66,78	66,78
Микросхема AM1P-0505SH30	4	106,01	424,04
Микросхема AT25640AN-10SU	1	13,94	13,94
Микросхема FT232BM	1	67,65	67,65
Микросхема IRU1117-33CS	1	8,56	8,56
Микросхема LM79L05ACM	1	2,01	2,01
Микросхема LTV817	2	4,60	9,2
Микросхема MAX660CSA	2	84,06	168,12
Микросхема MAX809-EUR-T	1	30,09	30,09
Микросхема OP113FS	3	41,01	123,03
Микросхема LM311M	3	8,30	24,9
Микросхема OP4177AR	2	107,91	215,82
Микросхема PVT422	4	62,91	251,64
Микросхема REF192GS	3	35,25	105,75
Микросхема 74HC165D	2	3,96	7,92
Микросхема 74HC4066D	2	3,01	6,02
Микросхема 74HC138D	2	5,30	10,6
Микросхема 74HC595D	4	4,11	16,44
Микросхема 74HC14D	2	5,02	10,04
Микросхема 74HCT244D	1	4,11	4,11
Микросхема AD7898AR-3	3	145,32	435,96
Микросхема LPC2148FBD64	1	254,00	254
Микросхема ADUM1402BRW	3	100,90	302,7
Реле FTR-3GA4.5Z	10	32,61	326,1
Разъем PBS 1,27-10A/BS	1	10,90	10,9
Итого:			2977,4

Стоимость применяемых компонентов на одно изделие равна S_ПК = 2977,4 руб.

7.1.2 Расчет транспортно-заготовительных расходов

Транспортно-заготовительные расходы составляют 15% от стоимости покупных изделий:

S_ТР = 0,15S_ПК = 0,152977,4 = 446,61 руб.

Суммарные затраты будут равны:

S_П = S_ТР + S_ПК = 446,61+2977,4 = 3424,01 руб.

7.1.3 Расчет стоимости материальных затрат

Стоимость материальных затрат определяется следующим образом:

;

,

где Ц_ММ - цена данного материала за норму, расходуемую на единицу изделия:

N_ММ - норма расхода материала на единицу изделия;

С_ММ - цена материала;

М - количество видов материалов.

Расчет стоимости материальных затрат приведен в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Расчет стоимости материальных затрат

Наименование материала	Количество, кг	Цена, руб.	Сумма, руб.
Стеклотекстолит	0,22	120	26,4
Лак УР-231	0,022	190	4,18
Припой ПОС-61	0,4	200	80
Канифоль	0,25	100	25
Спирт	0,2	90	18
Итого:			153,58
Транспортные:			23,037
Всего SИМ:			176,617

7.1.4 Расчет основной заработной платы производственных рабочих

Основная заработная плата производственных рабочих определяется как:

;

,

где Ц_Р - зарплата рабочих по каждому виду работ;

Т_Ф - норма тарифной ставки по каждому виду работ;

Ч - нормо-часы по каждому виду работ;

М - количество видов работ.

Расчет основной заработной платы приведен в таблице 7.3.

Таблица 7.3 - Расчет основной заработной платы

Наименование технической операции	Трудоемкость изготовления
	Норма времени, ч.	Часовая тарифная ставка, руб/ч.	Тарифная заработная плата, руб.
Формовка р/э	0,23	366	84,18
Монтаж	1,9	366	695,4
Промывка	0,06	366	21,96
Настройка	0,1	366	36,6
Тестирование	0,19	366	69,54
Лакировка	0,3	366	109,8
Сборка устройства	0,25	366	91,5
Упаковка	0,4	366	146,4
Итого:			1255,38

7.1.5 Расчет дополнительной заработной платы

Дополнительная заработная плата берется из расчета 10-15% от основной заработной платы:

S_Д = 0,1S_Р = 0,11255,38 = 125,53

7.1.6 Отчисления на социальное страхование

Отчисления на социальное страхование берутся из расчета 35,8% от суммы основной и дополнительной заработной платы:

N_СС = 0,358(S_Р + S_Д)= 0,358(1255,38+125,53) = 494,36 руб.

7.1.7 Цеховые расходы

Цеховые расходы берутся из расчета 120-150% от основной заработной платы:

W_ЦР = 1,2S_Р = 1,21255,38 = 1506,45 руб.

7.1.8 Общезаводские расходы

Цеховые расходы берутся из расчета 60-90% от основной заработной платы:

W_ЗР = 0,6S_Р = 0,61255,38 = 753,22 руб.

7.1.9 Заводская стоимость изготовления

С_З = S_П + S_ИМ + S_Р + S_Д + N_CC + W_ЦР + W_ЗР = 3424,01+176,617+1255,38+125,53+494,36+1506,45+753,22=7735,56 руб.

7.1.10 Внепроизводственные расходы

Внепроизводственные расходы берутся из расчета 2-5% от стоимости устройства:

W_ВР = 0,02С_З = 0,027735,56 = 154,71 руб.

7.1.11 Себестоимость разработки

С = С_З + W_ВР = 7735,56 + 154,71 = 7890,27 руб.

Задаваясь величиной прибыли 25% к полной себестоимости, получаем оптовую цену изделия:

С_Ц = С + 0,25С = 7890,27 + 0,257890,27 = 7890,27+1972,568 = 9862,83 руб.

Результаты расчетов представлены в таблице 7.4.

Таблица 7.4 - Перечень затрат

Статьи затрат	Сумма, руб./изд.
Покупные изделия	3424,01
Основные материалы	176,617
Основная зарплата	1255,38
Дополнительная зарплата	125,53
Отчисления на социальное страхование	494,36
Цеховые расходы	1506,45
Общезаводские расходы	753,22
Заводская себестоимость	7735,56
Внепроизводственные расходы	154,71
Себестоимость разработки	7890,27
Плановая прибыль	1972,568
Оптовая цена	9862,83

Следует отметить, что в показатель себестоимости продукции входят затраты на единицу продукции, включая и накладные расходы. Чем больше выпускаемая партия (крупносерийное или массовое производство), тем меньше себестоимость выпускаемой продукции.

7.2 Расчет затрат на разработку программы

7.2.1 Расчет трудоемкости

Трудоемкость выполнения проекта Т_ПП в целом:

Т_ПП = t_ТЗ + t_ЭП + t_ТП + t_РП + t_В,

где t_ТЗ - трудоемкость разработки технического задания;

t_ЭП - трудоемкость разработки эскизного проекта;

t_ТП - трудоемкость разработки технического проекта;

t_РП - трудоемкость разработки рабочего проекта;

t_В - трудоемкость внедрения.

Трудоемкость разработки технического задания рассчитывается по формуле:

t_ТЗ = Т^З_РЗ + Т^З_РП = t_З К^З_РЗ + t_З К^З_РП =11+21=3 чел.-дни,

где Т^З_РЗ - затраты времени разработчика постановки задач на разработку ТЗ, чел.-дни;

Т^З_РП - затраты времени разработчика программного обеспечения на разработку ТЗ, чел.-дни.

Трудоемкость разработки эскизного проекта рассчитывается по формуле:

t_ЭП = Т^Э_РЗ + Т^Э_РП = t_Э К^Э_РЗ + t_Э К^Э_РП =11+11=2 чел.-дни,

где Т^Э_РЗ - затраты времени разработчика постановки задач на разработку ЭП, чел.-дни;

Т^Э_РП - затраты времени разработчика программного обеспечения на разработку ЭП, чел.-дни.

Трудоемкость разработки технического проекта t_ТП зависит от его функционального назначения, количества разновидностей форм входной и выходной информации и определяется как сумма времени, затраченного разработчиком постановки задач и разработчиком программного обеспечения, т.е.:

t_ТП = (t^Т_РЗ + t^Т_РП) К_В К_Р,

где t^Т_РЗ, t^Т_РП - норма времени, затрачиваемого на разработку ТП разработчиком постановки задач и разработчиком программного обеспечения соответственно, чел.-дни;

К_В - коэффициент учета вида используемой информации;

К_Р - коэффициент учета режима обработки информации.

Значение коэффициента К_В определяют из выражения:

К_В=(К_Пn_П+К_НСn_НС+К_Бn_Б)/(n_П+n_НС+n_Б)=(110+0,725+2,080)/15=0,91

где К_П, К_НС, К_Б - значения коэффициентов учета вида используемой информации для переменной, нормативно-справочной информации и баз данных соответственно; n_П, n_НС, n_Б - количество наборов данных переменной, нормативно-справочной информации и баз данных соответственно.

Таким образом:

t_ТП = (1 + 1) 0,91 1,26 = 2,1 чел.-дни.

Трудоемкость разработки рабочего проекта t_РП зависит от функционального ПП, количества разновидностей форм входной и выходной информации, сложности алгоритма функционирования, сложности контроля информации, степени использования готовых программных модулей, уровня алгоритмического языка программирования и определяется по формуле:

t_РП = К_КК_РК_ЯК_ЗК_ИА (t^Р_РЗ + t^Р_РП),

где К_К - коэффициент учета сложности контроля информации;

К_Я - коэффициент учета уровня используемого алгоритмического языка программирования;

К_З - коэффициент учета степени использования готовых программных модулей;

К_ИА - коэффициент учета вида используемой информации и сложности алгоритма ПП;

t^Р_РЗ, t^Р_РП - норма времени, затрачиваемого на разработку РП на алгоритмическом языке высокого уровня разработчиком постановки задач и разработчиком программного обеспечения соответственно, чел.-дни.

Значение коэффициента К_ИА определяют из выражения:

К_ИА=(К'_Пn_П+К'_НСn_НС+К'_Бn_Б)/(n_П+n_НС+n_Б)=(110+0,485+0,40)/15=0,83

где К'_П, К'_НС, К'_Б - коэффициенты учета сложности алгоритма ПП и вида используемой информации для переменной, нормативно-справочной информации и баз данных соответственно.

Таким образом:

t_РП = 11,3210,83(1 + 1) = 2,3 чел.-дни.

Трудоемкость выполнения внедрения t_В может быть рассчитана по формуле:

t_В = (t^В_РЗ + t^В_РП)К_КК_РК_З = (1+1)11,210,7 = 1,6 чел.-дни,

где t^В_РЗ, t^В_РП - норма времени, затрачиваемого разработчиком постановки задач и разработчиком программного обеспечения соответственно на выполнение процедур внедрения ПП, чел.-дни.

Таким образом, общая трудоемкость составляет:

Т_ПП = 3+2+2,1+2,3+1,6 = 11 чел.-дни.

Затраты на разработку программной продукции могут быть представлены в виде сметы затрат, включающей в себя следующие статьи: материалы, специальное оборудование, основная заработная плата, дополнительная заработная плата, отчисления на социальное страхование, производственные командировки, накладные расходы, контрагентские расходы.

7.2.2 Основная заработная плата

В статью включается основная заработная плата всех исполнителей, непосредственно занятых разработкой данного ПП, с учетом их должностного оклада и времени участия в разработке. Расчет ведется по формуле:

С_ЗО = 8000(11/21) = 4190,47 руб.,

где З_i - среднемесячный оклад i-го исполнителя;

t_i - трудоемкость работ, чел.-дни;

- среднее количество рабочих дней в месяце.

7.2.3 Дополнительная заработная плата

В статье учитываются все выплаты непосредственным исполнителям за время, непроработанное на производстве, в том числе: оплата очередных отпусков, компенсации за недоиспользованный отпуск, оплата льготных часов подросткам и др. Расчет ведется по формуле:

С_ЗД = С_ЗОД =4190,470,2 = 838 руб.,

где _Д - коэффициент отчислений на дополнительную зарплату, 20%.

7.2.4 Отчисления на социальное страхование

В статье учитываются отчисления в бюджет социального страхования по установленному законодательством тарифу от суммы основной и дополнительной заработной платы, т.е.

С_СС = _СС (С_ЗО + С_ЗД)=0,358(4190,47 + 838) = 1800,22 руб.,

где _СС - коэффициент отчислений на социальное страхование, 35,8%.

7.2.5 Накладные расходы

В статье учитываются затраты на общехозяйственные расходы и расходы на управление. Накладные расходы определяют в процентном отношении к основной заработной плате:

С_Н = _Н С_ЗО = 0,44190,47 = 1676,18 руб.,

где _Н - коэффициент накладных расходов, _Н = 0,4.

Результаты расчетов представлены в таблице 7.5.

Таблица 7.5 - Затраты на разработку программной продукции

Наименование статьи	Сметная себестоимость, руб.
Основная зарплата	4190,47
Дополнительная зарплата	838
Отчисления на социальное страхование	1800,22
Накладные расходы	1676,18
Итого:	8504,87

Сложив все затраты на разработку устройства, получим сумму 16395 руб.

7.3 Выводы по главе

В данном разделе была рассчитана полная себестоимость управляющего модуля, она составила 16395 руб. Она включает в себя как затраты на изготовление платы управляющего модуля, так и затраты на разработку программной части.

8. Безопасность и экологичность проекта

Федеральный Закон "Об основах охраны труда в Российской Федерации", принятый 17.07.99 г. № 181-ФЗ, устанавливает гарантии осуществления права трудящихся на охрану труда, на безопасные условия труда.

Согласно этому закону, охрана труда - это система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия.

Основной нормативно-технической документацией по охране труда являются:

системы стандартов безопасности труда;

республиканские стандарты (РСТ);

отраслевые стандарты (ОСТ);

стандарты предприятий;

строительные нормы и правила (СНиП);

санитарные нормы и правила (СанПиН);

правила устройства и безопасности эксплуатации (ПУБЭ);

правила безопасности (ПБ);

инструкции по безопасности (ИБ).

Все многообразие законодательных актов, мероприятий и средств, включенных в понятие охраны труда, направлено на создание условий труда, исключающих воздействие на работников опасных и вредных производственных факторов.

Техника безопасности - система организационных мероприятий и технических средств, предотвращающих воздействие на работающих опасных производственных факторов (ГОСТ 12.0.002-80). Техника безопасности предусматривает обеспечение безопасности производственного оборудования и производственных процессов; внедрение новых машин, механизмов, инструмента, сконструированных с соблюдением всех требований охраны труда; установку оградительных и блокирующих устройств; внедрение автоматической сигнализации, обеспечивающей безопасные условия на рабочих местах; применение средств коллективной и индивидуальной защиты и др.

Производственная санитария - это система организационных мероприятий и технических средств, предотвращающая или уменьшающая воздействие на работающих вредных производственных факторов ( ГОСТ 12.0.002-80 ).

При разработке устройств используются программное обеспечение, установленное на персональном компьютере. Следовательно, говоря о безопасности труда в данном дипломном проекте, следует проанализировать безопасность труда при работе с ПЭВМ в помещении.

8.1 Анализ и оценка опасных и вредных производственных факторов при работе на ЭВМ

В процессе трудовой деятельности при нарушении безопасных условий труда на человека могут воздействовать опасные и вредные производственные факторы.

Опасный производственный фактор - это такой производственный фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья.

Вредный производственный фактор - это такой производственный фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к заболеванию или снижению работоспособности. В зависимости от уровня и продолжительности воздействия вредный производственный фактор может стать опасным.

К вредным производственным факторам относятся: неоптимальный состав и состояние воздуха, неоптимальное освещение, повышенный уровень шума, неправильная организация рабочих мест.

Источником пыли в машинном зале являются трущиеся механические части внешних устройств ЭВМ и недостаточное кондиционирование воздуха. Вредные вещества, хорошо растворяясь в биологических средах, способны вступать с ними во взаимодействия, вызывая нарушения нормальной жизнедеятельности. В результате их действия у человека возникает болезненное состояние - отравление, опасность которого зависит от продолжительности воздействия, концентрации и вида вещества.

Человек постоянно находится в процессе теплового взаимодействия с окружающей средой. При воздействии высокой температуры, интенсивного теплового излучения возможен перегрев организма, который характеризуется повышением температуры тела, обильным потоотделением, учащением пульса и повышением частоты дыхания, резкой слабостью, головокружением, а в тяжелых случаях - появлением судорог или теплового удара. Источником высокой температуры в машинном зале ВЦ являются внешние устройства ЭВМ, а также плохая работа кондиционеров. Работа за компьютером относится к лёгкой категории работ. Для этой категории оптимальной является температура 22?С - 25?С.

Влажность воздуха оказывает большое влияние на терморегуляцию организма. Оптимальная величина относительной влажности составляет 40-60%.

Движение воздуха в помещениях является важным фактором, влияющим на тепловое самочувствие человека. Скорость движения воздуха не должна превышать 0,1 м/с.

Правильно спроектированное и выполненное освещение обеспечивает возможность нормальной производственной деятельности. При освещении производственных помещений используют естественное и искусственное освещение. Недостаток естественного света предусматривает применение системы смешанного освещения.

Недостаточное освещение приводит к напряжению зрения, преждевременной усталости и ослабляет внимание. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света на рабочее место может создать резкие тени, блики и дезориентировать работающего. Это может привести к профессиональным заболеваниям.

Сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы и безопасность на производстве в значительной мере зависят от условий освещения.

Одним из наиболее распространенных факторов внешней среды, неблагоприятно воздействующих на организм человека, является шум.

Источником шума в помещении ВЦ являются механические устройства ЭВМ. Человек, работая при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие сильного шума вызывает общее утомление, может привести к ухудшению слуха, а иногда и к глухоте, нарушается процесс пищеварения, происходит изменение объема внутренних органов. Эти вредные последствия шума тем больше, чем сильнее шум и продолжительнее его действие. Таким образом, шум на рабочем месте не должен превышать допустимых уровней, значения которых приведены в ГОСТ 12.1.003-83.