Розробка системи автоматичних дзвінків в установі освіти

МІНІСТРЕТСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Установа освіти "Гомельський державний дорожньо-будівельний технікум ім. Ленінського комсомолу Білорусії"

Відділення: "Електронні обчислювальні засоби"

Спеціальність: лютий 1940 Лютий 2002, група ЕВС-41

Допущена до захисту

В.о. завідуючою відділенням

Глухова І.В.

"___"___________ 2007

Пояснювальна записка до дипломного ПРОЕКТУ

Тема: "Розробка системи автоматичних дзвінків в установі освіти"

ДП Т100300.041.002 ПЗ

Учень групи ЕВС-41

Р.А. Бегляк

Керівник Д.С. Мінін

Консультант з економічного розділу

О.В. Ісакович

Гомель, 2007

ЗМІСТ

Введення

1. Розрахунково-проектувальний розділ

1. Призначення і область застосування проектованого пристрою

2. Розробка структурної схеми

3. Розробка функціональної схеми

4. Розробка принципової схеми

1.4.1 Розрахунок вузлів та блоків

1.4.2 Вибір елементної бази

1.4.3 Опис принципу дії

1.4.4 Розрахунок споживаної потужності

5. Розробка програмного забезпечення

2. Конструкторсько-технологічними розділ

2.1 Розробка друкованої плати

2.2 Вибір способу виготовлення друкованої плати

2 .3 Розробка компонування пристрою

2.4 Пошук і усунення несправностей

3. Економічний розділ

4. Охорона праці

5. Енерго-і матеріалосбереженіе

6. Охорона навколишнього середовища

Висновок

Список використаних джерел

Додаток А

ВСТУП

Дипломне проектування є завершальним етапом підготовки спеціаліста техніка-електроніка. Учні приступають до цього етапу лише, пройшовши весь лекційний і практичний курс, будучи вже, по суті, готовими фахівцями. Дипломне проектування є останнім контрольним етапом, в ході якого, перевіряються всі отримані в процесі навчання знання, вміння і навички. Починаючи від елементарних навичок пайки при практичному виготовленні відповідного пристрою, закінчуючи розрахунком економічної ефективності даного пристрою або запропонованого рішення.

У процесі дипломного проектування перед учням ставляться такі завдання:

- Вирішити конкретну проблему, шляхом її автоматизації

- Продемонструвати всі отримані в процесі навчання знання

- Підтвердити свою кваліфікацію як спеціаліста.

1. Розрахунково-проектувальних РОЗДІЛ

1.1 Призначення і область застосування пристрою

Пристрій призначений для автоматизації подачі дзвінків у навчальних закладах.

Пристрої для вирішення цього завдання не виробляються серійно. На даний момент, налагоджено лише виробництво безпосередньо самих дзвінків, а подача самого сигналу - як правило, закріплюється за вахтерами. Така організація має ряд недоліків. Перший і очевидний - вахтери інколи схильні забувати цей свій обов'язок. Другий недолік - необхідність платити зарплату вахтеру за здійснення даного виду робіт. Крім того, кнопки подачі дзвінків часом перебувають у легкодоступному місці і можуть бути об'єктом неадекватної поведінки учнів.

Деякі навчальні заклади, зокрема БелГУТ, вирішили дану проблему за допомогою мікропроцесорної системи на базі процесора Intel 8080. Це рішення забезпечує не тільки автоматизацію процесу, але надання дзвінків більш приємного для людини звучання. Однак і у цього рішення є свої недоліки. Серед яких:

1. Складність і висока вартість самого пристрою. Використання процесора Intel 8080 передбачає також наявність зовнішньої ПЗП і ОЗУ. Крім того, їх необхідно підключити до процесора.

2. Необхідність заміни самих дзвінком на динаміки. Абсолютно ясно, що це витратний захід.

3. Необхідність проектування і виготовлення підсилювача, так як вихід мікросхеми не може дати необхідну потужність.

4. Складність програмного алгоритму. Реалізація більш дружнього звучання дзвінка вимагає значного ускладнення використовуваного обладнання та програмного забезпечення для його виконання.

Моє рішення даної проблеми позбавлене цих недоліків. За рахунок використання мікроконтролера відпала необхідність використовувати зовнішню пам'ять, так як пам'ять вже вбудована в сам контролер. Мій пристрій повністю сумісне з існуючою системою подачі дзвінків і його впровадження не зажадає істотних витрат матеріальних ресурсів і робочого часу. Відпадає необхідність використання підсилювачів і складних програмних алгоритмів. З перепрошиванням мікроконтролера, за наявності відповідного обладнання впорається навіть другокурсник. Крім того, пристрій значно дешевше і дуже просто у виготовленні. Воно компактно, економічно (тому що використовує мікросхеми КМОП серії), має мінімум регулювань, що значно спрощує освоєння та використання даного рішення.

1.2 Розробка структурної схеми

Перш ніж приступати до розробки схеми пристрою, необхідно чітко визначити цілі і задачі, призначення проектованого пристрою. Це дозволить уникнути невиправданого ускладнення схеми і значно спростить завдання розробки пристрою.

Отже, проектоване пристрій повинен подавати дзвінки згідно з розкладом. При цьому заздалегідь відомо, що даний розклад змінюється вкрай рідко. Цей факт дозволяє відмовитися від використання можливості налаштування системи та розкладу оператором пристрою. Якщо цей розклад змінюється раз на 5-10 років, це було б невиправданою витратою ресурсів. Далі уважно проаналізуємо саме розклад дзвінків:

Будні:

^{15 серпня,} 9 ^{00, 9} жовтня, 9 ^{55, 10} травня 1910 ^{50, листопад} 2000, 11 ^45, 11 ^55, 12 ^40, 12 ^50, 13 ^35, 13 ^45, 14 ^30, 14 ^{40, 1525,} 15 ^35, 16 ^20, 16 ³⁰ 17 ^15, 17 ^{25, 18} жовтня

Субота:

^{15 серпня,} 9 ^{00, 9} жовтня, 9 ^{55, 10} травня 1910 ^{50, листопад} 2000, 11 ^45, 11 ^55, 12 ^40, 12 ^50, 13 ^35, 13 ^45, 14 ^30, 14 ^{40, 1525,} 15 ^35, 16 ^20, 16 ³⁰ 17 ^15, 17 ^{25, 18} жовтня

У передсвяткові дні третя і четверта пара зазвичай проводиться лише по одному уроку.

Уважно вивчивши розклад, очевидно, що воно ідентичне в будь-який день тижня, крім, зрозуміло, неділі, коли дзвінки взагалі не повинні подаватися. Цей факт дозволить відмовитися і від використання такого параметру як день тижня, так як дзвінки фактично від нього не залежать. Замість нього використовуємо лічильник, який відключить дзвінки в неділю.

Уважно проаналізувавши всі викладені вище міркування, я вирішив використовувати таку структурну схему:

Рис. 1 Структурна схема

1.3 Розробка функціональної схеми

Для реалізації необхідних функцій і вище наведеної структурної схеми пропоную використовувати мікроконтроллер виробництва ATMEL як самий простий і доступний з представлених на ринку. Крім того, його використання дозволить істотно спростити процес проектування самого пристрою, зробити його виготовлення дуже простим завданням.

Зважаючи на використання такого рішення, пропоную наступну схему розподілу функцій по компонентах системи:

Рис. 2 Функціональна схема

Вважаю, що дана функціональна схема буде оптимальною для вирішення поставленого завдання.

1.4 Розробка принципової схеми

1 .4.1 Розрахунок вузлів та блоків

Для мікросхем використовуються стандартні підключення. Зокрема, для мікросхеми К176 для не задіяних виходів використовуються резистори номіналом 1 кому. Входи мікроконтролера, відповідно до документації, захищені обмежують резисторами R 8 - R 16, R 18 - R 24.

При цьому номінал резистора R 8 становить 500 кОм, всіх інших - 100 кОм. Зрозуміло, що струм при такому включенні буде незначний, тому не потрібно включення обмежує резистора в ланцюзі транзистора VT 1.

Розрахуємо обмежує резистор в ланцюзі транзистора VT 2. Максимальний струм для транзистора - 30 мА. Виходячи з цього, виберемо робочий струм 20 мА. Тоді за законом Ома:

R = U / I = 5 / 0,02 = 250 Ом.

При цьому струмі виділяється потужність складе:

P = UI = 5 * 0,02 = 0,1 Вт.

У ланцюзі харчування, паралельно мікроконтролеру повинен бути включений керамічний конденсатор номіналом 0,1 мкФ.

Далі, у відповідності зі стандартним підключенням.

R 2 = 22 МОм, 0,125 Вт

R 3 = 510 кОм, 0,125 Вт

ZQ 1 = 32 кГц

С1 = 62 пФ

С2 = 3 .. 15 пФ

С3 = 4 .. 20 пФ

С4 = 12 пФ

ZQ 2 = 1 МГц.

1.4.2 Вибір елементної бази

Вибір мікроконтролера був продиктований його функціональними можливостями, які є оптимальними для системи, що розробляється, а також його порівняно низькою вартістю.

Вибір мікросхеми К176ІЕ12 був обумовлений тим, що вона містить всі необхідні моїй системі компоненти в максимально інтегрованому вигляді.

Вибір реле був продиктований рівнем напруги, що управляє і коммутируемой потужністю. Останній параметр був значний, і чим вище він був, тим краще. Тим більше дзвінків можна було підключити. Я використовував реле з максимальним струмом в 5 А, що на мій погляд більш ніж достатньо навіть для великої кількості дзвінків.

Всі конденсатори повинні витримувати напругу 10 В. Резистори, крім R 17, потужність 0,125 Вт. R 17 - 0,25 Вт.

Як ZQ 1 використовується спеціальний часовий резонатор підвищеної точності. ZQ 2 - кварцовий резонатор звичайної точності частотою 1 МГц.

Ключ SA 1 - з фіксацією в обох положеннях.

Ключ SA 2 - кнопка без фіксації в натиснутому стані або ключ. Повинна витримувати напругу 220 В і струм 5 А.

1.4.3 Опис принципу дії

При розробці принципу дії даного пристрою, я вирішив відмовитися від використання реального часу і контрольних точок. Розробка пристрою з цього шляху була б невиправдано складною і витратною. Тому я вирішив використовувати принцип таймера і реалізувати схему з використанням мікроконтролера AT 90 S 1200.

Принцип дії запропонованого пристрою наступний: мікросхема К176ІЕ12 представляє собою два лічильники. Перший - з коефіцієнтом ділення 2 ¹⁵ с підключається зовнішнім кварцовим резонатором. Він використовується для генерації секундних імпульсів. Другий - з коефіцієнтом розподілу 60. Використовується для генерації хвилинних імпульсів. Лічильники з'єднані так, що секундний сигнал з виходу першого надходить на вхід другого.

З огляду на те, що мікросхеми мікроконтролера і лічильника побудовані на різних типах логіки, для узгодження по струму і напрузі, я використовував транзистор VT 1. Це транзистор з індукованим каналом, отже, мікросхеми безпосередньо не з'єднані один з одним. Вихідний сигнал лічильника лише комутує харчування на вхід мікроконтролера. Для цього можна використовувати майже будь-транзистор з індукованим каналом n-типу. У режимі відсічення на вході мікроконтролера буде 0, в режимі насичення - 1. В якості цього транзистора пропоную використовувати КП303А. Цей же транзистор пропоную використовувати як ключ для включення реле.

Мікроконтролер за допомогою програми обробляє вхідний хвилинний сигнал та видає імпульс дзвінка, який комутує харчування на реле за допомогою транзистора VT 2.

Реле в свою чергу комутує напругу 220 В на дзвінки.

1.4.4 Розрахунок споживаної потужності

Згідно з документацією, споживаний мікросхемою К176ІЕ12 струм складає 25 мкА. При напрузі живлення 9 В. Розрахуємо споживану потужність:

P = UI = 9 * 0,000025 = 0,000225 Вт

Споживаний струм мікроконтролера, у відповідності з технічною документацією, в робочому режимі становить 0,3 мА. При напрузі живлення 5 В. Розрахуємо потужність:

P = UI = 5 * 0,0003 = 0,0015 Вт

Струм на резисторах R 1 - R 16, R 18 - R 24 незначний, тому приймемо споживану ними потужність лише 0,05 Вт

Як було пораховано вище, споживана потужність на резисторі R 17 становить 0,1 Вт.

Разом споживана потужність схеми:

P = 0,05 + 0,000225 + 0,0015 + 0,1 = 0,151725 Вт

1.5 Розробка програмного забезпечення

Для розробки програмного забезпечення був використаний Асемблер мікроконтролерів ATMEL серії AT 90 S, всі команди якого викладені в Додатку 1.

Початковим етапом створення програмного забезпечення стала розробка блок схеми майбутньої програми.

Рис. 3 Схема алгоритму програми

Для реалізації заданого алгоритму, пропоную використовувати наступний текст програми:

ORG 0

JMP reset

RETI

reset: LDI R16, 00h

LDI R17, 00h

M1: CPI R17, 06h

BREQ M2

LDI R18, 01h

OUT PINB, R18

LDI R18, 05h

OUT TCCR0, R18

LDI R18, 00h

M3: IN R19, TCNT0

CPI R19, E0h

BRPL M3

LDI R19, 00h

OUT TCNT0, R19

INC R3

BRSH M3

LDI R18, 00h

OUT PINB, R18

M2: LDI R18, 06h

OUT TCCR0, R18

LDI R18, 00h

OUT TCNT0, R18

M4: IN R18, TCNT0

CPI R18, 45d

BRNE M4

CPI R17, 06h

BREQ M5

LDI R18, 01h

OUT PINB, R18

LDI R18, 05h

OUT TCCR0, R18

LDI R18, 00h

M7: IN R19, TCNT0

CPI R19, E0h

BRPL M7

LDI R19, 00h

OUT TCNT0, R19

INC R3

BRSH M3

LDI R18, 00h

OUT PINB, R18

M5: LDI R18, 06h

OUT TCCR0, R18

LDI R18, 00h

OUT TCNT0, R18

M6: IN R18, TCNT0

CPI R18, 10d

BRNE M6

INC R16

CPI R16, 10d

BRNE M1

LDI R16, 00h

LDI R19, 00h

LDI R18, 06h

OUT TCCR0, R18

LDI R18, 00h

OUT TCNT0, R18

M8: IN R18, TCNT0

CPI R19, 03h

BRNE M9

CPI R18, 77d

BREQ M10

M9: CPI R18, FFh

BRNE M8

INC R19

LDI R18, 00h

OUT TCNT0, R18

JMP M8

M10: INC R17

CPI R2, 07h

BRNE M1

LDI R2, 00h

JMP M 1

2. КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ

2.1 Розробка друкованої плати

Друкована плата була розроблена на основі принципової схеми за допомогою програми RuLay. Нижче наведено її малюнок:

Рис. 4 Друкована плата

Реальний розмір плати 10х10 см.

2.2 Вибір способи виготовлення друкованої плати

Друковані плати являють собою діелектричну основу з нанесеним на неї струмопровідним малюнком (друкованим монтажем) та отворами для монтажу елементів.

Друкований монтаж - це нанесення на ізоляційне підставу тонких електропровідних покриттів (друкованих провідників), що виконують функції монтажних проводів для з'єднання елементів схеми.

Друковані плати служать для розміщення та закріплення елементів пристрою на одній підставі, а друкарський монтаж забезпечує зв'язок між цими елементами відповідно до принципової схемою пристрою.

Поряд з традиційним провідним монтажем друковані плати є основним етапом у підготовці пристрою до виробництва і мають ряд переваг, тобто вони дозволяють:

• Збільшити щільність монтажних з'єднань і можливість мініатюризації компонування радіоелементів і блоків всередині пристрою;

• Організувати виготовлення друкованих провідників та електрорадіоелементів в одному технологічному циклі;

• Гарантована стабільність і повторюваність електричних характеристик;

• Підвищена стійкість пристрою до кліматичних та механічних впливів;

• Провести уніфікацію конструкторських і технологічних рішень;

• Збільшити надійність;

• Організувати комплексну автоматизацію робіт з виготовлення пристрою;

За конструктивним виконанням всі друковані плати можна підрозділити на: односторонні, двосторонні, одношарові і багатошарові.

Односторонні друковані плати являють собою діелектричне підставу, на одній стороні якого виконаний друкований монтаж, а на іншій стороні розміщуються елементи пристрою.

У двосторонніх друкованих плат друкований монтаж виконаний на двох сторонах, а перехід струмопровідних ліній здійснюється металізованими контактними отворами. Таке виконання друкованої плати дозволяє забезпечити велику щільність розміщення друкованих провідників.

Багатошарові друковані плати складаються з чергуються шарів матеріалу з проводять малюнком, з'єднаних клейовими прокладками в монолітне основу шляхом пресування. Таке виконання друкованої плати дозволяє забезпечити найбільшу щільність і надійність друкованого монтажу, що в свою чергу дозволяє зменшити габаритні розміри друкованої плати.

Тепер розглянемо більш детально методику нанесення струмопровідного малюнка на підкладку друкованої плати. Існує кілька способів:

1 хімічне травлення;

2 Електрохімічне осадження;

3 Комбінований.

Найбільш поширеною з цих методів є метод хімічного травлення.

Організація процесу хімічного травлення фольгированного матеріалу здійснюється за допомогою спеціально виготовлених для цих цілей хімічних складів. Існує широка номенклатура таких реактивів, більшість з яких досить легко можна виготовити навіть у домашніх умовах. Найбільш простими способами травлення фольгированного матеріалу в процесі виготовлення друкованої плати є:

1 Ділянки фольги, які на отриманому малюнку повинні залишитися у вигляді провідників, покривають нітролаком, або клеєм БФ, підфарбованим декількома краплями чорнила. Після висихання фарби малюнок перевіряють на відповідність кресленню і при необхідності корегують його. Потім у склянці холодної води розчиняють 4 - 6 таблеток перекису водню і обережно додають 15 - 25 мл концентрованої сірчаної кислоти. Розчин виливається в скляну або керамічну ємність, у яку міститься плата. Час травлення у цьому розчині приблизно 1 годину.

2 Розчин хлорного заліза у воді: у 200 мл води розчиняють 150 г хлорного заліза в порошку. Для приготування хлорного заліза беруть 9%-ву соляну кислоту і дрібні залізні ошурки. На 25 об'ємних частин кислоти беруть одну частину ошурки. Тирса засипають у відкриту судину з кислотою і залишають на кілька днів. Через 5 - 6 днів розчин забарвиться в жовто-бурий колір, що означає готовність розчину до застосування.

3 Травлення плати в концентрованому розчині азотної кислоти займає 1 -5 хвилин, але вимагає обережності. Після травлення плату ретельно промивають водою з милом.

Існує також механічний спосіб виготовлення друкованої плати без застосування хімікатів. Даний процес здійснюється наступним чином: необхідних розмірів плату вирізують з фольгированного матеріалу, свердлять всі необхідні отвори і наносять на неї малюнок друкованого монтажу. Контури обводять гострим шилом. Фольгу з там, де це необхідно знімають за допомогою різака. Для виготовлення плати середньої складності наведеним способом витрачається 1,5 - 2 години. При застосуванні цього методу незначно погіршує якість плати.

Для виготовлення друкованої плати, я буду використовувати метод травлення в хлорному залозі. Цей метод обраний з-за своєї доступності і простоти виконання. Нанесення малюнка доріжок буде здійснено шляхом переносу тонера з роздруківки на термобумаге. Це дозволить істотно підвищити якість виготовлення друкованої плати, в порівнянні з методом ручного перенесення.

2.3 Розробка компонування пристрою

Пристрій можна виконати у вигляді коробки габаритними розмірами 13х11х8 см. На кришці пропоную розмістити кнопки. У корпусі слід передбачити отвір для підключення блоку живлення і можливість установки елементів живлення для мікросхеми К176ІЕ12. В якості такого елемента живлення можна використовувати батарейку типу "Крона". Нижче наводжу приблизний малюнок компонування пристрою.

Рис. 5 Компонування

2.4 Пошук і усунення несправностей

У цьому пристрої використовується мінімум елементів, схильних до старіння, чиї характеристики погіршуються з плином часу. Це є фактором, що істотно підвищує надійність системи.

У місці з тим, з метою здешевлення і спрощення пристрою, я відмовився від індикації. Це дещо ускладнює процес пошуку несправностей, якщо вони все ж таки виникнуть. Тому для того, щоб виявити несправність з великою часткою ймовірності буде потрібно осцилограф.

У число деталей, схильних до старіння, входять конденсатори, які в цій системі здебільшого входять у стандартне підключення кварцового резонатора.

Їх старіння може призвести до зниження точності відліку часу. Для усунення цього ефекту можна користуватися будівельних конденсаторами, для компенсації втраченої ємності.

Під час пошуку та усунення несправностей, пропоную користуватися наступною таблицею:

Табл. 1 Можливі несправності та методи їх усунення

3. ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗДІЛ

У даному розділі буде розрахована вартість виготовлення пристрою для автоматичної подачі дзвінків у навчальних закладах. Для цього буде складена калькуляція собівартості виготовлення даного виробу в умовах підприємства РУП "Гомель ОТІ". Для розрахунків використано дані та норми витрат матеріалів цього підприємства. Ціни на покупні комплектуючі - роздрібні.

1. Розрахунок витрат на сировину й матеріали:

См = S Н i * Ц i,

де См - вартість сировини і матеріалів, руб.;

Н i - норма витрати i-го матеріалу, в натуральних показниках;

Ц i - ціна за одиницю виміру i-го матеріалу, грн.

Табл. 2 Витрати на сировину і матеріали

2. Розрахунок витрат на покупні комплектуючі вироби та напівфабрикати:

Ск = S (К i * Ц i,)

де Ск - вартість покупних комплектуючих виробів та напівфабрикатів на один пристрій, руб.

До i - кількість комплектуючих виробів та напівфабрикатів i-го найменування на один пристрій, шт.

Ц i - ціна за одиницю, крб.

№ N / n	Найменування комплектуючих виробів та напівфабрикатів	Кількість на 1 пристрій	Ціна за одиницю, (Руб.)	Сума, (Руб.)
1	2	3	4	5
1	Кварцовий генератор часовий	2	1000	2000
2	Конденсатор постійної ємності	3	200	600
3	Мікросхема К176ІЕ12	1	2000	2000
4	Мікроконтролер AT90S1200	1	15000	15000
5	Роз'єми для мікросхем	2