Розрахунок ефективності охоронної сигналізації в автомобілі

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Системи охоронної сигналізації є найбільш традиційними та поширеними засобами, що використовуються для охорони будинків, квартир, офісів. Основне призначення охоронної сигналізації виявлення несанкціонованого проникнення у взяті під охорону приміщення, і як наслідок, забезпечення цілісності майна.

Охоронна сигналізація дозволяє контролювати і сповіщає про такі процеси що відбуваються в об'єкті, взятому під охорону:

- руйнування вікон, стін, перекриттів;

- відкриття дверей і вікон;

- пересування людей всередині приміщень.

Сьогодні на ринку охоронних сигналізацій представлено безліч різних варіантів, які відрізняються не тільки багатофункціональністю й зовнішнім виглядом, але й ціною.

Види систем охоронної сигналізації:

- охоронна система, яка у випадку спрацьовування будь-якого датчика активує сирену або строб-спалах;

- система сигналізації з підключенням до телефонної лінії. При появі сигналу тривоги по телефонній лінії передається заздалегідь записане голосове повідомлення на запрограмовані телефонні номери;

- система охоронної сигналізації з підмиканням до центру спостереження (пультова охорона). Всі сигнали тривоги надходять на пульт централізованого спостереження. Оператор, отримавши інформацію від охоронної системи, вживає необхідних заходів.

- GSM сигналізація. Охоронна сигналізація при спрацьовуванні датчика відправляє сигнал тривоги як SMS повідомлення на мобільний телефон.

Всім охоронним системам, за винятком останньої, притаманний ряд недоліків:

1) немає можливості оповіщення користувача про тривогу, якщо його немає біля охоронного об'єкта дана система виконує лише «відлякувальну» функцію.

2) система сигналізації з відімкненням до телефонної лінії. Телефонну лінію можна обрізати. Можливі також і інші пошкодження телефонної лінії дана система не автономна.

3) пультова охорона, як і попередня, з'єднується з пультом охорони за допомогою дротів; при пошкодженні дротів система перестає працювати.

Виходячи з цього, розробка засобів контролю за віддаленими об'єктами на основі технології GSM охорони є перспективним і актуальним завданням.

Метою даної роботи є розробка автономного недорогого універсального охоронного пристрою, виконаного на сучасній елементній базі, який призначений для цілодобової охорони об'єктів різного призначення: офісів, дач, квартир, гаражів, складів і т. п.

Завданнями даної роботи є: проведення розрахунків, які підтверджують працездатність пристрою й подальшу його експлуатацію; розробка принципової схеми і друкованої плати; визначення економічних параметрів.

1. Порівняльний аналіз розроблювального пристрою з аналогами

З розвитком послуг стільникового зв'язку все більше розповсюдження отримують GSM сигналізації. Перевага GSM сигналу над звичайним радіосигналом у тому, що радіосигнал є обмеженим по дальності зв`язку, станція випрацювання такого сигналу має великі розміри, а отже, енергоємна і залежить від електропостачання. Разом з тим, GSM джерело має розміри мобільного телефону і може працювати від акумулятора, а дальність поширення такого сигналу обмежується лише можливостями вашого мобільного оператора.

Суть такої охоронної системи полягає у використанні вже наявного GSM каналу будь-якого стільникового оператора для передачі сигналів тривоги у вигляді SMS або голосу на телефон абонента, а можливо і групи абонентів. Велика кількість подібних каналів сигналізації дозволяє довідатися про стан параметрів об'єкта охорони: від активності об'єктів до температури і атмосферного тиску на ділянці охорони.

Принцип роботи охоронної GSM сигналізації: на об'єкті, що охороняється встановлюється комплект охоронної сигналізації, який оснащується GSM модемом або мобільним телефоном. При виникненні ситуації тривоги контрольна панель активізує цей модем, і далі можливі три результати:

1. Передача SMS.

В процесі налаштовування системи в GSM модем заносять sms-повідомлення, які будуть передані на запрограмований номер телефону згідно з заздалегідь визначеними ситуаціями, наприклад, «Тривога», «Відсутність мережного живлення», «Пожежа», «Витік води» і ін.

Причому для кожної події можна запрограмувати своє повідомлення. Отримавши таке sms-повідомлення, власник буде точно знати, що сталося на об'єкті охорони: тривожна ситуація або, наприклад, витік води.

2. Дзвінок на мобільний телефон.

Це мабуть, «найбюджетніший» варіант використання системи. У випадку тривоги, наприклад, відкриття вхідних дверей під час перебування системи в режимі «ОХОРОНА», модем робить дзвінок на Ваш мобільний телефон. На екрані телефону відображається номер абонента, що викликається, яким є охоронна система. Вам відразу стає зрозуміло, що відбулася позаштатна ситуація, але без подальшої деталізації.

Оскільки сьогодні оператори стільникового зв'язка пропонують велику кількість тарифів без абонентської плати, то можна не піклуватися про стан рахунку. Адже немає необхідності піднімати трубку.

3. Голосовий виклик.

Якщо необхідно отримувати голосові повідомлення по спрацьовуванню охоронної системи, то додатково знадобиться голосовий модуль, у який заздалегідь надиктовуються повідомлення про тривогу. При реалізації такої схеми GSM модем буде виконувати функції емалювання дротової телефонної лінії.

GSM - модем працює разом з «класичною» системою охоронної сигналізації, тобто він є доповненням до системи, а це спричиняє додаткові витрати.

Оскільки купівля GSM-Модему вимагає витрат, то замість нього можна використовувати мобільний телефон, який виконує такі ж функції, має менші габарити і доступну ціну.

Система охоронної сигналізація включає:

датчики;

виконавчі пристрої.

Датчик чутливий елемент, що перетворює контрольований параметр в електричний сигнал.

Особливість датчиків для систем охоронної сигналізації та, що вони реєструють, в основному, неелектричні величини. Вимірювання неелектричних величин досить складне завдання і при цьому датчики мусять забезпечувати високу надійність і вірогідність контролю.

Датчики об'єднуються в зони. Під зоною розуміють один або кілька датчиків, що охороняють певний об'єкт або ділянку об'єкта.

У системах типу «охоронна сигналізація» використовуються датчики наступних типів:

пасивні інфрачервоні датчики руху;

датчики розбивання скла;

активні інфрачервоні датчики руху і присутності;

фотоелектричні датчики;

мікрохвильові датчики;

ультразвукові датчики;

вібродатчики;

датчики температури;

датчики наявності пару і газу;

магнітні (герконові) датчики;

шлейфи.

Пульт-Концентратор центральний пристрій системи типу «охоронна сигналізація». Він виконується на базі мікроконтролера. Всі функції системи обумовлюються програмою мікроконтролера. Параметри програми задає користувач, залежно від його повноважень, зі спеціального пульта.

Існують різні способи постановки / зняття охорони: дистанційно, радіо брелоками, електронними ключами Touch Memory, Proximity, магнітними картами, простими кнопками.

Електронні ідентифікатори Touch Memory являють собою мікросхему, розміщену в міцному корпусі із нержавіючої сталі. Аутентифікація (розпізнання) користувача випрацьовується за унікальним і незмінним для кожної карти кодом завдовжки 48 біт.

Недоліки: незважаючи на наявність унікального 48-бітного коду, який

теоретично унеможливлює підробку Touch Memory, в той же час існують програми, що дозволяють у найкоротший строк здійснювати копіювання цього виду електронних ключів. Подібні програми (в поєднанні зі вмонтованою у корпус Touch Memory програмувальною мікросхемою) використовуються сьогодні численними пунктами, які пропонують «виготовити копію електронних ключів».

Магнітні карти є пластиковими картками стандартних розмірів.

Недоліки: чутливі до забруднення, впливу магнітних полів, нагрівання, механічних ушкоджень. При багаторазових зчитуваннях відбувається поступове стирання магнітного шару. Досвід експлуатації виявив слабкість пристроїв для зчитування магнітних карт і карт зі штриховим кодом.

Незважаючи на сучасність і простоту, використання таких ідентифікаторів вимагає додаткових заходів обережності: зберігання має здійснюватися так, як і зберігання звичайного ключа від квартири (з якого можна зняти зліпок) або банківської карти (унікальний код якої можна зчитати).

На відміну від цих методів постановки / зняття охорони, використання звичайної кнопки керування (КК), що розміщується на території, яка охороняється, є досить простим і надійним.

Прокладку дротів від блоку керування до КК слід виконувати прихованою, бо обрив дроту порушує працездатність пристрою. Оскільки обірвати дріт можна тільки перебуваючи усередині охоронного приміщення, що вимагає відкриття дверей, чи вікон моментально спрацює паралельна ланка охоронної сигналізації.

Розроблена охоронна сигналізація є універсальним, недорогим пристроєм і не поступається за своїми функціями й можливостями таким аналогам як: комплект GSM сигналізації «GSA-04 стандарт» і «GSA-04 економ», GSM сигналізація на базі МК PIC16F628A, Сталкер-5 (C60).

2. Розробка структурної схеми сигналізації

Охоронну сигналізацію з GSM-каналом можна розділити на такі структурні блоки, які й будуть складати структурну схему даного пристрою:

- кнопка керування;

- мікроконтролер AT89C 2051-24PI, ATTINY2313;

- датчики;

- перемикачі;

- сирена, зовнішній маяк;

- мобільний телефон з GSM-каналом.

Однократне натискання кнопки керування й утримання протягом 1…2 с запускає систему.

Даний пристрій містить два мікроконтролери, що дозволяє виконувати призначені функції кожним з них, незалежно один від одного.

Мікроконтролер AT89C 2051-24PI виконує основні функції по звіту часу на вхід Т1, на вихід Т2, тривалість звучання сирени Т3.

Ці параметри встановлюються за допомогою перемикача SA 1-4 на платі пристрою.

Два з`єднувальні шлейфи і герконові датчики встановлені на вікнах і вхідних дверях приміщення, що охороняється. При порушенні цілісності одного або кількох шлейфів сигналізації (наприклад, розмикання герконового датчика) приводить до вмикання низькочастотного звукового сигналу і активує другий мікроконтролер, що виконує функцію розсилання sms-повідомлень або робить телефонні дзвінки на запрограмовані номери.

Сирена (звуковий оповісник) ПКІ-1 забезпечує тривалу подачу голосного звукового сигналу (100…105 дБ). Зовнішній світлодіод «Маяк» сигналізує про режими роботи охоронного пристрою (горить безперервно в режимі «Охорона» і перервно у режимі «Тривога»).

2.1 Принцип роботи охоронної сигналізації

Охоронний пристрій забезпечує вмикання низькочастотного звукового сигналу стандартної п'єзокерамічної сирени ПКІ-1 при порушенні цілісності одного або кількох шлейфів сигналізації (розмиканні герконового датчика). Перед початком роботи слід встановити необхідні для користувача часові параметри (час на вхід Т1, час на вихід Т2, тривалість звучання сирени Т3). Ці параметри встановлюють за допомогою перемикача SA 1-4 на платі пристрою відповідно з таблицею 2.1.

Користувач, залишаючи охоронний об'єкт, вмикає систему однократним натискуванням і витримкою протягом 1…2 с кнопки керування КК1. При цьому лунає короткочасний (0,5с) звуковий сигнал, що підтверджує готовність пристрою до роботи (початок постановки в режим «Охорона»). Потім із затримкою на час Т2 (таблиця 2.1) пристрій автоматично переходить в режим «Охорона». Під час затримки пристрій не реагує на стан датчиків шлейфів сигналізації, тому користувач може безперешкодно покинути охоронний об'єкт. По витоку часу Т2 пристрій перевіряє стан шлейфів і, якщо вони перебувають у нормально-замкнутому стані, подає три сигнали сирени (включення режиму «Охорона»).

Якщо хоча б один зі шлейфів розімкнений, пристрій не переходить у режим «Охорона», подаючи поодинокі звукові сигнали. Якщо всі вікна й двері в приміщенні, що охороняється, зачинені пристрій переходить в режим «Охорона», сигналізуючи про це трьома звуковими сигналами.

При розмиканні будь-якого датчика лунає звуковий сигнал протягом 0,5 с. Далі, із затримкою Т1 (таблиця 2.1), пристрій переходить у режим «Тривога» і видає потужний звуковий сигнал з рівнем 100…105 дБ. Під час зазначеної затримки або в режимі «Тривога», користувач може виключити сирену, натискаючи й утримуючи протягом 1…2 с кнопку керування КК1, розташовану в прихованому місці. У цьому випадку лунає двократний сигнал, який свідчить про те, що пристрій знято з режиму «Охорона». Разом із сиреною при спрацьовуванні датчика відбувається відправлення СМС і дзвінок на певний номер.

Таблиця 2.1. Установка режимів роботи

Положення мікроперемикачів	Час Т1 на вхід, сек	Час Т2 на вихід, сек	Час звучання сирени Т3, хв
1	2	3	4
0	0	0	0	10	40	3
0	0	0	1	1	90	3
0	0	1	0	30	40	3
0	0	1	1	30	90	3
0	1	0	0	60	40	3
0	1	0	1	60	90	3
0	1	1	0	90	40	3
0	1	1	1	90	90	3
1	0	0	0	120	40	3
1	0	0	1	120	90	3
1	0	1	0	1	40	5
1	0	1	1	1	90	5
1	1	0	0	30	60	1
1	1	0	1	90	40	5
1	1	1	0	90	90	5
1	1	1	1	120	60	1

Конфігурування телефону:

а) в першій комірці телефонної книги на sim-карті необхідно записати номер, з яким буде працювати охоронна система (відправляти на нього sms, телефонувати, вмикатися і вимикатися при скиданні виклику тільки із цього номера);

б) в комірках з 1-ї по 8-у на sim-карті необхідно записати sms-повідомлення, які будуть відправлятися при спрацьовуванні певного датчика (в першій комірці SMS першого датчика, у другий другого і т.д.).

Якщо спрацьовування датчиків відбулося з вини зловмисників, сигнал тривоги буде тривати встановлений час Т3 (таблиця 2.1).

Оскільки пристрій працює на базі двох МК, які забезпечують незалежну роботу сирени й відправлення sms-повідомлень або телефонних дзвінків, то за відсутності зовнішнього живлення пристрій може продовжувати свою роботу:

живлення МК ATTINY2313 може здійснюватися від кожного із двох джерел: від акумулятора GSM-телефону або від зовнішнього живлення.

При наявності зовнішнього живлення від нього живиться МК і заряджається акумулятор мобільного телефону, а при відсутності зовнішнього живлення МК живиться від акумулятора мобільного телефону. Тому, короткочасні перебої електроенергії (до 2 днів) на роботу GSM сигналізації не впливають. Чим більша ємність акумуляторної батареї, тим довше GSM сигналізація здатна зберігати свою працездатність за відсутності зовнішнього живлення;

МК AT89C2051 що живиться від вбудованого пристрою з постійною напругою 9 В, забезпечує надійну цілодобову роботу пристрою протягом одного-двох місяців без заміни елементів живлення; рівень звукового тиску: 100…105 дБ при напрузі джерела живлення 9 В.

В режимі «Охорона» споживанням струму мале, тому необхідність заміни батарей виникає приблизно через 1…2 місяці експлуатації охоронного пристрою. Пристрій має два вбудованих світлодіоди, які працюють тільки при наявності зовнішнього живлення 12В: світлодіод «Мережа», що сигналізує наявність живлення, і світлодіод «Маяк», що сигналізує про режими роботи охоронного пристрою (горить безупинно в режимі «Охорона» і переривчасто в режимі «Тривога»). Передбачені клеми для підмикання зовнішнього світлодіоду «Маяк».

2.2 Встановлення охоронної сигналізації

Пристрій бажано розміщувати на висоті ~ 2,5 м, щоб зашкодити навмисне виведення його з ладу зловмисниками. При розміщенні звукового блоку зовні охоронного об'єкту, слід унеможливити прямий вплив на нього атмосферних опадів. Мобільний телефон не обов'язково розміщувати поруч із охоронним пристроєм, дроти, що йдуть до телефонного апарату, не слід робити довшими ніж 30 см. Телефон можна помістити в металевому боксі разом із сигналізацією так, щоб власник мав до нього доступ і міг при потребі поміняти або записати новий номер телефону.

Кнопку керування КК1 необхідно помістити в прихованому, але доступному місці. Прокладку дротів від блоку керування до кнопки КН1 необхідно також виконати прихованою, оскільки обрив дротів порушує працездатність пристрою.

Герконові датчики встановлюють на коробках дверей і на віконних рамах, а магніти на дверях і вікнах так, щоб при зачинених дверях (вікнах) відстань між датчиком і магнітом не перевищувала 1…3 мм, а при відчинених ця відстань була більш ніж 2 см. Всі охоронні датчики включаються послідовно.

При необхідності встановлення великої кількості датчиків можна використовувати кінцеві вимикачі, герконові датчики інших типів, тонкого дротового шлейфу, фольги, що працюють «на розрив. Для шлейфу застосовують дріт ПЭВ, ПЭЛ діаметром 0, 05…0,3 мм.

2.3 Умови експлуатації охоронної сигналізації

- температурний діапазон від - 40 до +40 оС;

- вологість не більше 90% при температурі 25 оС.

2.4 Технічні характеристики

напруга живлення: 9 В (батарея типу «Крона»);

споживаний струм у режимі «Охорона»: не більше 200 мкА;

споживаний струм у режимі «Тривога»: не більше 30 мА;

рівень звукового тиску: 100…105 дБ при напрузі джерела живлення 9 В;

тип використовуваних датчиків: геркони;

індикація живлення 12 В «Мережа», індикація режиму охорони й тривоги «Маяк» (тільки за наявності зовнішнього живлення;

GSM-Канал.

3. Розробка принципової схеми сигналізації

3.1 Вибір мікроконтролера

Основним функціональним елементом пристрою є мікроконтролер.

Основні функції, здійснювані мікроконтролером:

відлік часу (для даного пристрою час на вхід, на вихід і на звучання сирени);

приймання команд, що надходять від перемикачів.

Проаналізувавши функції, виконувані мікроконтролером, до нього можна висунути такі вимоги:

тактова частота мікроконтролера повинна бути достатньою для нормальної роботи всієї системи;

вихідні струми й напруги на виводах мікроконтролера повинні бути достатніми для керування індикатором;

загальна кількість виводів мікроконтролера повинна бути достатньою, для забезпечення керування всіма елементами, що входять до складу пристрою, робота яких керується мікроконтролером. [1]

Також мікроконтролер повинен відповідати низці другорядних вимог:

мікроконтролер повинен мати мале енергоспоживання;

об'єм пам'яті програм повинен вміщувати програмний код;

обсяг оперативної пам'яті має бути достатнім для коректної і швидкої роботи пристрою;

Враховуючи всі перераховані вимоги, для використання в нашому пристрої можна розглянути три мікроконтролери це PIC16F84A, AT89C51 і PIC16C505 [2].

Для остаточного вибору мікроконтролера скористаємося методом вибору з використанням матриці нормованих параметрів. Для цього слід обрати основні характеристики, за якими будемо здійснювати порівняння обраних мікроконтролерів. В нашому випадку для порівняння доцільно використовувати такі параметри:

вихідна напруга рівня логічного нуля ;

вхідні напруги рівня логічного нуля ;

число ліній вводу / виводу мікроконтролера ;

вартість.

Складемо таблицю, у якій будуть зазначені значення всіх потрібних параметрів для трьох обраних мікроконтролерів (таблиця 3.1).

Таблиця 3.1 - Основні параметри мікроконтролерів

Серія	Обсяг пам'яті програми, Кб	, B	, В		Вартість, грн
PIC16F84A	2	0,6	0,8	13	10
AT89C2051	2	0,5	0,9	15	8
PIC16C505	1	0,6	0,8	12	8
ATTINY2313	2	0,5	2,5	18	8
Вага.коеф, bj	0,3	0,1	0,1	0,2	0,3

Залежно від значимості того чи іншого параметра, кожному з них присвоюється ваговий коефіцієнт bj. Суми всіх вагових коефіцієнтів повинні дорівнювати одиниці.

Виходячи з таблиці, складемо Y-матрицю, в яку будуть входити ці ж параметри, але з урахуванням позитивного або негативного боку їхніх величин.

Розглянемо параметри і з`ясуємо, до чого веде збільшення їх значень. Якщо збільшення параметра веде до погіршення роботи схеми, то його слід перерахувати в подальших обчисленнях (біля таких поставимо «-»). Якщо збільшення значення параметра несуттєве для роботи схеми, то його в подальших обчисленнях не перераховуємо (біля таких поставимо «+»). Отримаємо:

Таблиця 3.2 Вплив параметрів на роботу схеми

Обсяг пам'яті програми, Кб	, B	, В		Вартість, грн.
+	-	+	+	-

Y-матриця має такий вид:

На основі цієї матриці, запишемо матрицю нормованих параметрів, у якій кожний елемент обчислюється по формулі:

	(3.1)

і отримаємо матрицю А:

Далі за формулою складемо оцінну функцію для кожного мікроконтролера:

	(3.2)

де bj - ваговий коефіцієнт відповідного параметра. Той мікроконтролер, оцінна функція якого виявиться найменшою, найкраще відповідає нашому пристрою.

Виходячи з розрахунків, вибираємо мікроконтролери AT89С51 і ATTINY2313 тому, що їхні оцінні функції виявилися найнижчими. Тому їх найдоцільніше використовувати в нашому пристрої.

Рис. 3.1. Цоколівка мікроконтролера АТ89С2051 [3]

Рис. 3.2 Цоколівка мікроконтролера АТTINY 2313 [4]

3.2 Вибір елементної бази

охоронна сигналізація мікроконтролер

Принципова схема розробленого пристрою представлена на кресленні. Головними елементами є мікроконтролери АТ89С 2051-24PI (DD1) і АТTINY 2313 (DD2).

Максимальна робоча напруга МК АТ89С 2051-24PI становить 6,6 В, а пристрій отримує живлення від мережі з напругою живлення 12 В.

Для підтримки стабільної напруги живлення МК у пристрій введений інтегральний стабілізатор напруги 78L05 (DA1) [5].

Сучасні мікросхеми стабілізаторів напруги випускаються на широкий діапазон вихідних напруг і струмів, вони мають вбудований захист від перевантаження по струму й від перегріву при нагріванні кристалу мікросхеми вище припустимої температури вона закривається й обмежує вихідний струм.

Типова схема включення стабілізаторів напруги наведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3 - Схема ввімкнення стабілізаторів напруги

Вхід стабілізатора «IN»; вихід «OUT»; спільний «GND» (Ground).

До входу (Input), а також до виходу (Output) стабілізатора (безпосередньо біля відповідного виводу або поблизу його), щоб уникнути самозбудження, слід ввімкнути конденсатори ємністю 100мкФ і 30пФ.

Якщо ємність конденсатора на виході стабілізатора надто велика, а струм навантаження малий, то між входом і виходом слід ввімкнути діод. Це гарантує, що напруга на виході буде дуже швидко зменшуватися до величини вхідної напруги.

Для надійної роботи стабілізатора напруга на вході вибирається не менш ніж на 3 В більшою, ніж вихідна напруга.

Таблиця 3.3 Характеристики стабілізатора напруги

Тип	Вхідна напруга, B	Вихідна напруга, B
	min	max
78L05	7,2	30	5

У розроблюваній схемі використовується штирьовий і смд монтаж елементів на плату. Відповідно до розробки вибираємо елементи з урахуванням вимог монтажу.

Використовуємо резистори R 1-R19 типу R 0805-0,125 Вт, конденсатори з малим струмом витоку C1, С3 ECR і керамічні конденсатори C0603 С2, С 4…С12 (служать для зменшення завад у схемі) [6].

До виходів XTAL1 і XTAL2 МК АТTINY2313 підімкнений кварц частотою 1,8432 МГц; дана частота забезпечує безперебійну роботу послідовного порту МК (UART). До роз'єму PLS-6 підмикається послідовний програматор для програмування мікроконтролера. До роз'єму PLS-8 підмикається мобільний телефон. Лінії RXD і TXD телефону підмикаються до відповідних виводів TXD і RXD послідовного порту МК, а виводи CTS, RTS, DTR мобільного телефону до таких же виводів МК.

До виводів PB 0-PB7 МК АТTINY2313 підмикаються датчики. Для запобігання впливу ВЧ завад на шлейфи датчиків установлюються конденсатори C11, C12. Датчики спрацьовують на розрив, при від'єднанні від загального, тим самим можна запобігти можливості перерізати шлейфи датчиків. Діоди VD8, VD9 захищають МК від потрапляння підвищеної напруги зі шлейфів датчиків.

У схемі використовується перемикач SWD 1-4; у таблиці 3.4 наведені його характеристики [7]:

Таблиця 3.4 - Характеристики перемикача SWD 1-4

Тип:	SWD 1-4
Кількість контактних груп:	4
Матеріал контактів:	фосфориста бронза
Робоча напруга, В:	24
Робочий струм, мА:	50
Матеріал корпуса:	Термопластик
Робоча температура, З:	-40…70…70
Електрична надійність (кількість перемикань при робочому навантаженні):	10000
Зусилля при перемиканні не більше, Гс	400
Опір контактів, Ом:	0.1
Крок, мм:	2.54

Враховуючи розміри плати, вибираємо малогабаритну кнопку PS580N/L. Для індикації наявності живлення й режимів роботи охоронного пристрою в схемі використовуються світлодіоди підвищеної яскравості (діаметр 3 мм) GNL-3014 (таблиця 3.5):

Таблиця 3.5. Абсолютні максимальні параметри (при t=25 °C) [8]

Максимальний постійний прямий струм	20 mА
Постійна зворотна напруга	5 V
Постійний зворотний струм (Vr-5V)	10mА
Максимальний прямий струм, tw=1msec, Q=1/20	150mА
Діапазон робочих температур	-40…+80 °С
Умови пайки (5 сек, 1.6 мм від корпуса)	300±5 °С

Інші елементи обрані виходячи з доцільності їхнього застосування в даній розробці.

3.3 Вибір роз'їму

Клемник один зі способів з'єднання проводів. Їх використовують, коли необхідно з'єднати скільки завгодно багато провідників. Клемник виконаний у вигляді мідної планки з отворами і гвинтовими затискувачами. Такий метод з'єднання зручний при прокладці жорстких провідників, але для кріплення м'яких провідників, їх наконечники необхідно опресовувати. Всі кріплення виконуються пайкою в спеціальній коробці. Залежно від типу проводки може використовуватися від двох до трьох штук [9].

Вибираємо клемник на 12 виходів STB 1-12, до якого підмикаються зовнішні прилади: звуковий оповісник, кнопка керування, зовнішній маяк, шлейфи.

Виходячи з габаритів розроблювального пристрою і способу його кріплення (шляхом підвісу), вибираємо роз'єми:

- PLS-6 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x6, пряма;

- RLS-8 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x8, пряма;

- PLS-2 вилка штирова, крок 2.54 мм, 1x2, пряма.

4. Кваліфікаційна частина

4.1 Конструювання друкованої плати

4.1.1 Вибір типу друкованої плати

Для вибору типу друкованої плати (ДП), яка буде надалі використовуватися для проектування й побудови приладу, спочатку розглянемо типи використовуваних ДП [10].

За конструктивним виконанням розрізняють:

- однобічні ДП (ОДП);

- двобічні ДП (ДДП);

- багатошарові ДП (БДП);

- провідникові або комбіновані ДП (ПДП);

- гнучкі ДП (ГДП).

ОДП прості в конструюванні й економічні у виготовленні. Основними перевагами ОДП є:

- можливість забезпечувати підвищені вимоги до точності виконання провідникового рисунку;

- встановлення навісних елементів на поверхні плати з боку, протилежного паянню, без додаткової ізоляції;

- можливість використання перемичок із провідникового матеріалу. Монтажні й трасувальні можливості ДП без металізованих отворів, а також надійність і механічне кріплення низькі, тому для підвищення міцності кріплення елементів такі плати виготовляються з металізацією отворів. Звичайно ОДП застосовуються для монтажу в побутовий ЕОА, у силовій електроніці, у НЧ пристроях [10].

ДДП характеризуються:

- вищою щільністю монтажу порівняно з ОДП;

- хорошою міцністю;

- підвищеною міцністю з'єднання виводів навісних елементів з провідниковим рисунком плати;

ДДП хоча і мають складнішу технологію виготовлення і дорожчі ніж ОДП, та все ж ці показники набагато нижчі, ніж в інших типах ДП [10].

БДП складаються із шарів, що чергуються, ізоляційного матеріалу й провідних рисунків, з'єднаних клейовими прокладками в багатошарову структуру шляхом пресування. Переваги БДП:

- підвищена щільність монтажу;

- високі комутаційні властивості;

- стійкість до механічних і хімічних впливів.

Водночас вони складніші технологічно і конструктивно, а отже і більш високовартісні. Порівняно з ОДП і ДДП у них менша кількість зовнішніх виводів і менші розміри [10].

ПДП (комбіновані) являють собою діелектричну основу, на якій виконують друкований монтаж або його окремі елементи (контактні площинки, шини живлення, шини землі й інші). Необхідні електричні з'єднання здійснюють ізольованими провідниками (діаметром 0,1-0,2 мм). Тришарова провідникова плата еквівалентна за щільністю монтажу 8-шаровій БДП. Такий монтаж дозволяє отримати мінімальну довжину зв'язків, тобто мінімальні паразитні параметри. ПДП дозволяють вносити зміни в схему при незначній зміні монтажу [10].

ГДП мають такі переваги:

- товщина 0,1-0,28 мм, що дозволяє зменшити масу ДП.

- висока ударостійкість.

ГДП складніші технологічно, мають вищу вартість, але вони незамінні при забезпеченні електричного зв`язку між рухомими об'єктами.

Впровадження ДП в техніку електричного монтажу було першим кроком на шляху прогресивних інтегральних процесів і стало поштовхом для створення автоматизованого економічно ефективного масового виробництва. З економічних міркувань краще було б вибрати ОДП, але з огляду на складність виконання розводки схеми без перетинань і додаткових провідників, доцільно взяти ДДП, що дозволить простіше виконати трасування провідників плати [10].

Максимальний розмір ДП, як багатошарової так і одношарової, не повинен перевищувати 470 мм. Це обмеження визначається вимогами механічної міцності й щільності монтажу. Співвідношення сторін ДП, для спрощення компонування блоків і уніфікації розмірів, рекомендується вибирати 1:1; 2:1 (але не більше 4:1). З метою максимального використання фізичного об`єму конструкції доцільно розробити ДП прямокутної форми, не перевищуючи встановлених розмірів для наступних типів:

Вид ДП	Максимальний розмір ДП
особливо малогабаритні	60Ч90 мм
малогабаритні	120Ч180 мм
середньо габаритні	200Ч240 мм
великогабаритні	240Ч360 мм
багатошарові	200Ч240 мм

Розміри ДП вибираються, виходячи з двох типів вимог: функціональних і технологічних. Функціональні вимоги визначаються щільністю монтажу, кількістю ІС, формою корпусу. Технологічні вимоги визначаються обмеженнями типових розмірів з огляду на можливість технологічної реалізації, яка визначається роздільною здатністю фотолітографії і механічною міцністю матеріалу ДП. Виходячи з цього, вибираємо прямокутну ДП з розмірами 60x90 мм, тобто особливо малогабаритну.

Вибираємо ДДП, оскільки застосування її дозволить значно полегшити трасування, зменшити габарити плати, зменшити витрату матеріалу (порівняно з ОДП) та забезпечити надійність з'єднань (порівняно з ПДП).

Як основу плати вибираємо фольгований склотекстоліт, використовуючи мідну фольгу, що нанесена на нього із двох сторін, як екран екран з одного боку, екран з іншого боку добре захищає схему від електричних і магнітних завад, які могли б погіршити роботу схеми (наприклад, помилкові спрацьовування).

4.1.2 Вибір матеріалу друкованої плати

Як основу для виготовлення ДП, використовують шаруваті діелектрики, фольговані електролітичною міддю.

Вимоги до параметрів матеріалу основи ДП:

- висока термостійкість і мала вологопроникність;

- поверхневий опір при 40 °С має бути не меншим МОм;

- чистота міді 99,5%;

- шорсткість не гірше 0,4 мкм.

Таким параметрам відповідають гетинакс і склотекстоліт.

Гетинакс шаруватий пластик на основі паперу й синтетичних смол. Сполучною речовиною найчастіше є феноло-формальдегідні смоли, рідше меламіно-формальдегідні, епоксидно-феноло-аніліно-формальдегідні. Вміст смоли в гетинаксі складає 40-55%. Іноді гетинакс фольгують червоно-мідною електролітичною фольгою, облицьовують бавовняними, скляними або азбестовими тканинами, армують металевою сіткою. Залежно від призначення гетинакс випускають кількох марок.

Гетинакс має високу механічну міцність та хороші електроізоляційні властивості. Наведемо деякі його характеристики: щільність 1,25 г./см3; теплостійкість по Мартенсу 150…160 °С; міцність при розтягуванні 70…100 МН/м2 (700…1000 кг/см2), міцність при статичним вигині (по основі) 80…140 Мн/м2 (800…1400 кг/см2); питома ударна в'язкість 1,3…1,5 кг/м2 (13…15 кг/см2); водопоглинання за 24 години 0,3-0,6 г/дм2; питомий поверхневий електричний опір 1010…1012 Ом; тангенс кута діелектричних втрат при 103 кГц 0,07-0,10 [11].

Склотекстоліт - шаруватий пластик, що складається з шарів склотканини (наповнювач), просякнутих синтетичною смолою (зв'язувальна речовина). Склотканини, що використовуються для виготовлення склотекстоліту, можуть бути одношаровими й багатошаровими, різними за видом плетива (наприклад, кордне, полотняне, сатинове) і складом волокон. При продукуванні склотекстоліту зазвичай використовують кілька шарів склотканин (головно одношарової).

Склотекстоліт застосовують як конструкційний матеріал для виготовлення листів і великогабаритних виробів складної конфігурації, а також як електроізоляційний матеріал в електро- і радіотехніці.

Недоліком цього матеріалу є його низька теплопровідність порівняно з металами, але він дешевий і виробництво ДП на його основі є економічно вигідним, тому зупиняємо вибір на ньому.

Вибираємо фольгований склотекстоліт марки СФ - 2-35-1,5 (С склотекстоліт; Ф фольгований; 2 двобічний (для виготовлення двобічної ДП; 35 - товщина фольги в мікрометрах).

4.1.3 Вибір класу точності друкованої плати

За точністю виконання елементів конструкції ДП діляться на п'ять класів точності. Клас точності вказують на кресленні ДП. Номінальне значення основних параметрів елементів конструкції ДПдля зазначеного місця наведені в таблиці 4.1:

ДП 1-го й 2-го класів точності найпростіші у використанні, надійні в експлуатації і мають мінімальну вартість.

ДП 3-го, 4-го й 5-го класів точності вимагають використання високоякісних матеріалів, інструментів і обладнання, обмеження габаритних розмірів, а в окремих випадках і особливих умов виготовлення.

Виходячи зі сказаного і переглянувши таблицю, приходимо до висновку, що найкраще використовувати 3-й клас точності; він не так складний у виконанні як 4-й і 5-й і має значно кращі параметри, ніж 1-й і 2-й.

Таблиця 4.1 Параметри елементів конструкції ДП

Клас Точності	Щільність монтажу	Мінімальна ширина провідника	Відстань між краями сусідніх елементів	Роздільна здатність	Граничні розміри ДП
1	мала	0,75	0,75	0,6	до 470
2	середня	0,45	0,45	1,2	240
3	середня	0,25	0,25	2	170ч240
4	висока	0,15	0,15	3	170
5	висока	0,1	0,1	5	100ч170

4.1.4 Вибір методу виготовлення друкованої плати

ДП має дві складові: це основа ізоляційний матеріал (несуча частина) і власне друкований монтаж. Друкованим монтажем називають систему плоских провідників, нанесених на ізоляційну основу, які забезпечують необхідні електричні з'єднання всіх елементів схеми. Як основний матеріал для друкованих провідників використається мідь з вмістом домішок не більше 0,05%. Цей матеріал має високу електричну провідність, стійкий щодо корозії, хоча й вимагає захисного покриття. Механічні властивості друкованих провідників досить високі. Провідники ДП виготовляють із матеріалу, що має гарну адгезію до матеріалу основи ДП.

Виготовлення ДП складається з таких етапів:

механічна обробка ДП (різання заготівки, штампування, фрезерування, свердлення);

нанесення друкованих провідників (друковані провідники можна отримувати хімічним (субтрактивним), електрохімічним (аддитивним) і комбінованим методами);

монтаж елементів (пайка);

заключні операції (захисне покриття, лакування і т. п.).

Субтрактивний процес отримання провідникових рисунків шляхом селективного травлення ділянок фольги.

Аддитивний процес отримання провідникових рисунків шляхом селективного осаджування провідникового матеріалу на нефольгований матеріал основи.

Для ДДП на фольгованій основі найбільш технологічним є комбінований позитивний метод.

Цей метод полягає в отриманні провідників шляхом травлення фольгованого діелектрика і металізації отворів електрохімічним способом.

При позитивному процесі діелектрик перебуває в більш сприятливих умовах, тому що фольга оберігає його від дії електроліту. Одначе, в цьому випадку відбувається пассивація поверхні металу всередині отворів при травленні, що утрудняє пайку, оскільки метал не змочується припоєм. Комбінований спосіб доцільніше застосовувати при використанні як основи фольгованого склотекстоліту для отримання ДДП.

До переваг комбінованого методу можна віднести:

поєднує в собі переваги хімічного (субтрактивного) і електрохімічного (аддитивного) методів;

істотно підвищує надійність паяних з'єднань завдяки тому, що припой при відповідному виборі діаметра заповнює весь отвір; при цьому досягається електрична й механічна стабільність при малих діаметрах контактних площадок;

міцність на розрив припаяних виводів перевищує міцність самих виводів [12].

4.2 Конструкторсько-технологічний розрахунок

1. Визначення мінімальної ширини друкованого провідника по постійному струму для ланцюгів живлення й «землі» [13].

	(4.1)

де - максимально припустимий (сумарний) струм, що протікає, по шині живлення і шині «земля»; припустима щільність струму для друкованих плат, виготовлених комбінованим методом.

товщина провідника буде дорівнювати:

	(4.2)

де

товщина шару гальванічно осадженої міді:

- товщина шару хімічно осадженої міді:

Струм споживання в режимі «Охорона» (при живленні від внутрішньої батареї 9В) не більше 200 мкА. Струм споживання в режимі «Тривога» 30 мА.

Розрахунок проводиться для режиму «Тривога», коли схема споживає максимально припустимий струм.

?Iспож=30 мА



2. Визначення мінімальної ширини провідника з урахуванням припустимого падіння напруги на ньому.

	(4.3)

довжина найдовшого провідника на ДП

3. Визначення номінального діаметру монтажного отвору.

	(4.4)

де діаметр виводу елемента; нижнє граничне відхилення від номінального значення діаметру монтажного отвору; різниця між мінімальним діаметром монтажного отвору і максимальним діаметром виводу.

4. Визначення діаметра контактної площадки.

Рис. 4.1

	(4.5)

Мінімальний ефективний діаметр контактної площадки:

	(4.6)

максимальний діаметр просвердленого отвору; ширина поясу навколо контактної площадки; похибка розташування центра отвору відносно вузла координатної сітки; похибка розташування центра контактної площадки щодо вузла кординатної сітки;

	(4.7)

допуск на діаметр отвору;

;

;

;

5. Визначення ширини провідника.

	(4.8)

граничне значення для 3-го класи точності;

6. Визначення мінімальної відстані між провідником і контактною площадкою.

	(4.9)

відстань між центрами елементів (крок координатної сітки); максимальний діаметр контактної площадки; максимальна ширина провідника; похибка розташування центра контактної площадки відносно вузла координатної сітки; похибка зсуву провідника відносно координатної сітки.

Рис. 4.2

7. Визначення мінімальної відстані між двома сусідніми провідниками.

	(4.10)

8. Визначення мінімальної відстані між двома сусідніми контактними площадками.

	(4.11)

;

9. Визначення відстані між провідником і контактною площадкою (у випадку, якщо провідник проходить між двома контактними площадками):

	(4.12)

Розраховане значення більше ніж значення , що визначено третім класом, тому провідник, прокладений між двома контактними площадками, не буде дотикатися жодної контактної площадки.

Розраховані елементи друкованого монтажу відповідають обраному класу точності монтажу. У цьому можна переконатися за даними порівняльної таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 Розраховані параметри

	Розраховане значення	Граничне значення для 3-го класи точності монтажу
bпр	0,35 мм	0,25 мм
Smin	0,21 мм; 0,8 мм; 0,9 мм; 0,33 мм	0,25 мм
bП0	0,1 мм	0,1 мм
Кдт	0,8 мм/1,5 мм = 0,53	0,33

5. Електричний розрахунок друкованої плати

1. Визначимо припустимий спад напруги на друкованому провіднику:

	(5.1)

де ; ; ; ;

2. Визначимо потужність втрат в ДП:

	(5.2)

де оскільки розрахунок ведемо на постійному струму; напруга живлення; - тангенс кута діелектричних втрат.

	(5.3)

діелектрична проникність матеріалу; ; товщина ДП; площа металізації; ;

.

3. Визначимо паразитну ємність між двома сусідніми провідниками, розташованими з одного боку ДП:

а) для випадку, коли обидва провідники перебувають в одному шарі:

Спар = Кп• е? L1	(5.4)

де Кп коефіцієнт пропорційності, пФ/см (в нашому випадку Кп=0,15); е діелектрична проникність середовища (в нашому випадку е =5,5); L1 довжина взаємного перекриття провідників, см (в нашому випадку L1 =5)

Тоді:

Спар = Кп• е• L1 =0,15.5,5.5=4,22 пФ;

б) у випадку, коли два провідники знаходяться в різних шарах:

Спар = Кп• е? L1	(5.5)

де Кп коефіцієнт пропорційності, пФ/см (в нашому випадку Кп=0,2); е діелектрична проникність середовища (в нашому випадку е =5,5); L1 довжина взаємного перекриття провідників, см (в нашому випадку L1 =1,27).

Тоді:

Спар = Кп• е• L1 =0,2.5,5.1,27=1,39 (пФ)

4. Визначимо паразитну індуктивність шини живлення й шини «земля»:

[мкГн]	(5.6)

де lп - довжина максимальної області (довжина шини живлення); bnp = 0,35 мм - ширина провідника; tnp = 0.0965 мм товщина провідника.

Тоді

Таким чином, розроблена ДП задовольняє заданим умовам, оскільки отримані розрахункові значення найважливіших електричних параметрів не перевищують припустимих значень для ДДП.

6. Розрахунок теплового режиму

Метою даного розрахунку є перевірка необхідності використання додаткових елементів (радіаторів) для розсіювання тепла, що виділяється елементами схеми.

Розрахунок теплового режиму для контролера АТ89С2051 і АТTINY2313.

Контролери мають наступні параметри (таблиця 6.1):

Таблиця 6.1 Параметри мікроконтролерів

Контролер	Струм споживання Iспож, мА	Напруги U, В	Припустима температура кристала мікросхеми Tдоп. єС	Тепловий опір пластмасового корпусу Rтепл. пл. єС / Вт
АТ89С2051	25	6,6	85	110
АТTINY2313	20	5,5	85	110

Отже розсювана потужність:

Pроз АТ89С2051= I. U = 6,6.25 = 165 (мВт)

Pроз АТTINY2313= I. U = 5,5.20 = 110 (мВт)

Для розрахунку приймемо максимальну температуру з технічного завдання Tокр..= 40 єС.

Розрахуємо температуру кристала:

Tкр. =Tокр..+ Pрас. Rтепл. пл	(6.1)

Tкр АТ89С2051.= 40 + 0,165 110 = 58,15єС

Tкр АТTINY2313.= 40 + 0,11 110 = 52,1єС

Оскільки Tкр. < Tдоп., то корпус мікросхеми розсіює задану потужність без перегріву і в додаткових засобах тепловідводу потреби немає.

7. Розрахунок на віброміцність

Віброміцність здатність пристрою протистояти протягом терміну служби прискоренням, що виникають при руйнівній дії вібрації в заданих діапазонах частот.

Вібростійкість здатність пристрою виконувати свої функції в умовах вібрації в заданих діапазонах частот і прискореннях, що виникають при цьому.

Визначимо віброміцність спроектованої ДП зі склотекстоліту розміром 80Ч62.5Ч1,5 мм. Вважаємо, що радіоелементи на ДП розміщені рівномірно.

Визначення маси ДП і маси ЕРЕ:

mпп = abдппсст,	(7.1)

де a, b геометричні розміри плати (а = 0,08 м, b = 0,0625 м); дпп - товщина ДП (дст = 1,5 мм); сст - щільність склотекстоліту (сст = 2050 кг/м3);

mпп = 0.0625.0.08.0.0015.2050 =15,4 10-3 кг = 15,4 г.

Конструктивні елементи представлені в таблиці 7.1.

2. Визначимо коефіцієнт впливу Кв, що враховує співвідношення маси ЕРЕ й маси плати:

	(7.2)

3. Визначимо, коефіцієнт б, вважаючи, що ДП шарнірно опирається по контуру:

,	(7.3)

де a, b геометричні розміри плати, а = 0,08 м, b = 0,0625 м

Таблиця 7.1 Розрахунок загальної маси елементів

Найменування елемента	Тип елемента	Кількість, шт.	Маса, г
1	2	3	4
Діоди	1N4007	7	7*0,24 = 1.68
	1N4148	2	2*0,24 = 0,48
Стабілізатор	78L05	1	3
Конденсатори
електролітичні	ECR	2	2*1,2 = 2,4
керамічні	C 0603	10	10*0,3 = 3
Резистори	R 0805-0,125Вт	19	19*0,25=4,75
Мікроконтролер	АТ89С2051	1	4
	ATTINY2313	1	4
Кварцовий резонатор	KX-3Н	1	4
	HC 49U	1	4
Світлодіоди	GNL-014SRD, GNL-3014	2	2*0,15=0,3
Перемикачі	SWD 1-4	1	3
Кнопки	PS580L/N	1	3
Транзистори	2N3904A	2	2*0,35=0,7
	BSS295	2	2*0,35=0,7
Роз'єми	PLS-6	1	2
	PLS-8	1	3
	STB 1-12	1	5
Батарея	Крона	1	10
		У	59,01

4. Визначимо циліндричну жорсткість:

	(7.4)

де Е - модуль Юнга, Е = 3.02.1010 Па;

м коефіцієнт Пуасона, м =0.22.

(Н• м)

5. Визначимо частоту власних коливань:

	(7.5)

де g - прискорення вільного падіння, g=9.8 м/с2;

питома вага 2,05.

(Гц)

6. Визначимо амплітуду вібрації на частоті власних коливань:

,	(7.6)

де n коефіцієнт перевантажень; при n = 8g:

(мм)

Таблиця 7.1

n	2	3	4	5	6	7	8	9	10
A	0,002	0,003	0,004	0,005	0,006	0,007	0,0081	0,0091	0,01

7. Визначимо коефіцієнт динамічності, що показує в скільки разів амплітуда змушених коливань, відрізняється від амплітуди коливань на власній частоті:

	(7.7)

де е коефіцієнт загасання, е = 0.06, f частота вібрації (f = 50 Гц);

8. Визначимо динамічний прогин:

,	(7.8)

При й

(мм)

9. Визначимо еквівалентне рівномірне розподілене динамічне навантаження:

,	(7.9)

де коефіцієнт С1 розраховується за таким виразом:

10. Максимальний розподілений згинальний момент:

,	(7.10)

де коефіцієнт С2 розраховується за таким виразом:

(Н)

11. Визначимо припустиму напругу для ДП із склотекстоліту:

,	(7.11)

де T границя витривалості матеріалу ДП (для склотекстоліту T = 105 МПа); [n] припустимий запас міцності [n] = 2.

МПа

12. Перевіримо виконання умови віброміцності для друкованої плати:

,	(7.12)

МПа < (МПа)

Остаточний розрахунок підтвердив, що ДП не потребує додаткових опор, амортизаторів або інших елементів, необхідних для зменшення перевантажень при вібраціях.

8. Розрахунок основних показників надійності

Надійність це властивість ЕОА виконувати свої функції, зберігаючи експлуатаційні показники протягом необхідного проміжку часу та можливість відновлювати функціонування, втрачене з якихось причини.

Показниками надійності є:

P(t) - ймовірність безвідмовної роботи;

л(t) - інтенсивність відмов;

Тср. середній час напрацювання до першої відмови;

Q(t) - ймовірність відмови.

Розрахунок раптових відмов на основі експоненціальної моделі проводиться за такою послідовністю:

складається перелік елементів за типами;

для кожного елементу за довідковою літературою визначають л у номінальному режимі. Під номінальними умовами розуміють роботу елемента при:

КН=1

t0cp=20±5 °C - температура навколишнього середовища;

F=65±5% - вологість повітря;

Р=760 мм. рт. ст - тиск,

При цьому мається на увазі, що навколишнє середовище не містить пилу, відсутня руйнівна дія газів, солей і на об`єкт не діють удари та вібрації;

визначають коефіцієнт навантаження КН;

із довідкової літератури, залежно від коефіцієнта навантаження, температури, величини зовнішніх впливів, визначають поправочний коефіцієнт і результуючу інтенсивність відмови;

визначають основні показники надійності.

Вихідною характеристикою надійності для елементів конструкції є інтенсивність відмов, яка є функцією режиму роботи елемента, температури навколишнього середовища та зовнішніх впливів.

,

де лВЕ - інтенсивність відмов елемента за оптимальних умов; КН - коефіцієнт електричного навантаження, який дорівнює відношенню робочого навантаження до оптимального ; бt - температурний коефіцієнт, що дорівнює відношенню інтенсивності відмов елемента при даному КН до інтенсивності відмов за номінальних умов ; бB - коефіцієнт, що враховує вплив зовнішніх дій на надійність елемента.

Позначення в таблиці: N кількість елементів; в.е. інтенсивність відмов елементів (1/ч); Кн - коефіцієнт навантаження; at - температурний коефіцієнт; ab - коефіцієнт впливів зовнішнього середовища;

Для обліку впливу режиму роботи на інтенсивність відмов ЕРЕ вводять коефіцієнт навантаження .

Для обліку впливу теплового режиму роботи на інтенсивність відмов ЕРЕ вводять температурний коефіцієнт at.

Вплив умов експлуатації на інтенсивність відмов враховує коефіцієнт ab. Він характеризує відношення інтенсивності відмов ЕА різного призначення до лабораторної інтенсивності відмов.

Згідно з технічним завданням, проектований пристрій відноситься до стаціонарної наземної ЕОА і значення ab = 10.

З таблиці 8.1 визначаємо результуючу інтенсивність відмов:

р = 101,76842·10-7 год-1

Далі визначимо середній час напрацювання до першої відмови:

= 11 років

Таблиця 8.1 Розрахунок інтенсивності відмови елементів

Найменування елемента	Тип елемента	N	ло.е.10-7 1/год	Кн	at	ab	N? ло.е.10-7 Кн• at• ab
1	2	3	4	5	6	7
Діоди	1N4007	7	0,31	0,033	1,1	10	0,78771
	1N4148	2	0,31	0,033	1,1	10	0,22506
Стабілізатор	78L05	1	0,3	0,052	1,2	10	0,1872
Конденсатори
електроліти	ECR	2	0,5	0,6	0,2	10	1,2
кераміка	C 0603	10	0,33	0,313	0,45	10	4,64805
Резистори	R0805	19	0,3	0,2	1,3	10	14,82
Мікроконтролер	АТ89С2051	1	0,2	1	3	10	6
	ATTINY2313	1	0,2	1	3	10	6
Кварцовий резонатор	KX-3Н	1	0,25	1	1	10	2,5
	HC 49U	1	0,25	1	1	10	2,5
Світлодіоди	GNL-014SRD, GNL-3014	2	0,5	0,67	1,2	10	8,04
Перемикачі	SWD 1-4	1	0,2	0,12	1,1	10	0,264
Кнопки	PS580L/N	1	0,2	0,12	1,1	10	0,264
Транзистори	2N3904A	2	0,3	0,052	1,2	10	0,374
	BSS295	2	0,2	0,052	1	10	0,208
Рознімання	PLS-6	1	0,2	1	1	10	2
	PLS-8	1	0,2	1	1	10	2
	STB 1-12	1	0,08	1	1	10	0,8
Друкована плата	СТФ - 2-35-1,5	2	2	1	1	10	40
Пайка виводів	ПОС-60	179	0,005	1	1	10	8,95

Потім визначимо ймовірність безвідмовної роботи протягом 1 року:

Тоді ймовірність відмов Q(t) = 1-1 - 0,9143 = 0,0856

Визначимо ймовірність безвідмовної роботи протягом 10 років і побудуємо таблицю і графік залежності ймовірності безвідмовної роботи від часу:

Таблиця 8.2

t, годин	P(t)	Q(t)
24	0,999756	0,000244194
168	0,998292	0,001708108
720	0,9927	0,007299945
1440	0,985453	0,014546601
2160	0,97826	0,021740356
4320	0,956992	0,04300807
8800	0,914344	0,085656356
17600	0,836024	0,163975701
35200	0,698937	0,301063371
70400	0,488512	0,511487588
140000	0,240595	0,759404938
280000	0,057886	0,942114016
1000000	3,81 E-05	0,999961927

Рис. 8.1 - Графік залежності ймовірності безвідмовної роботи від часу

З графіка видно, що даний пристрій пропрацює 11 років безвідмовно, а подальша експлуатація приладу може призвести до його ремонту, який може перевищити вартість самого пристрою.

9. Проектування друкованого вузла в системі P-CAD

Система P-CAD 2001 призначена для проектування багатошарових ДП електронних пристроїв у середовищі Windows. Вона складається із чотирьох основних модулів: P-CAD Library Manager (або Library Executive), Р-CAD Schematic, P-CAD PCB, P-CAD Autorouters і ряду допоміжних програм [14].

Загальні характеристики системи P-CAD 2001:

32-розрядна база даних;

не більше 20 000 компонентів в одній бібліотеці;

необмежена кількість компонентів у проекті;

не більше 64 000 ланцюгів у проекті;

не більше 999 виводів у компоненті;

не більше 255 секцій у компоненті;

не більше 2000 символів в атрибуті;

не більше 2000 символів у текстовому рядку;

не більше 20 символів в імені виводу, ім'я ланцюга, позиційному позначенні виводу (пропуски, знаки табуляції, крапки й дужки не допускаються);

не більше 16 символів в імені типу компонент (пробіли й знаки табуляції не допускаються);

не більше 30 символів у позиційному позначення компонента (символи кирилиці допускаються, але їх використовувати не рекомендуються; символи двокрапки, пробіли, знаки табуляції, крапка й крапка з комою не допускаються);

мінімальний крок сітки 0,1 мил. в англійській системі й 0,001 мм у метричній системі. Систему одиниць можна змінювати на будь-якій фазі роботи із проектом;

Графічний редактор схем P-CAD Schematic:

не більше 99 листів схем у проект, максимальний розмір листа 60x60 дюймів;

підтримка стандартних форматів А-Е, АО-А4 і форматів, що задаються користувачами;

контроль помилок у принципових схемах;

перехресні зв'язки між Р-САВ Schematic і P-CAD PCB дозволяють для обраної на схемі ланцюга висвітити на ДП відповідний їй провідник і навпаки (так званий гарячий зв'язок);

передача даних програмі моделювання змішаних аналогово-цифрових пристроїв Advanced Sim системи Protel [14].

Графічний редактор ДП P-CAD РСВ:

не більше 99 шарів у базі даних ДП (всіх шарів, включаючи сигнальні шари, шари металізації й допоміжні), з них 11 шарів попередньо визначені;

максимальний розмір ДП 60x60 дюймів;

не більше 6400 типів контактних площадок у проекті;

ширина траси не більше 1 див (394 милий);

не більше 64000 стилів стеків контактних площадок у проекті;

контактні площадки 12 форм: еліпс, овал, прямокутник, округлений прямокутник, полігон, безпосереднє з'єднання із шаром металізації, тепловий бар'єр з 2 або 4-перемичками 2-х орієнтації кожне, перехрестя для свердління (Target), кріпильний отвір (Mounting Hole);