ЗМІСТ
ВСТУП
1. ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
2. ОГЛЯД ТА АНАЛІЗ АНАЛОГІВ
2.1 Структурна схема охоронногосигналізатора на транзисторах
2.2 Опис принципу роботи охоронногосигналізатора на транзисторах
2.3 Опис принципу роботи електронногоавтосторожа
3. ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙРОЗДІЛ
3.1 Розробка структурної схеми
3.2 Розробка функціональної схеми
3.3 Опис принципу дії
3.4 Електричні розрахунки
4. РОЗРАХУНОК НАДІЙНОСТІ
ВИСНОВКИ
ЛІТЕРАТУРА
ДОДАТКИ
ДОДАТОК 1.
ДОДАТОК 2.
ДОДАТОК 3.
В наші часипотреба захистити автомобіль стає все більш актуальною, оскільки почастішализгідно статистики МВС України кількість крадіжок та зломів на душу населення. Задеякими статистичними даними в світі кожні десять секунд крадуть по автомобілю.Причому вкраденим може бути абсолютно будь-який автомобіль.
Метаохоронної сигналізації – дати знати господарю про можливу спробу викраденняавтомобіля або привернути увагу людей, що знаходяться поряд з машиною, щоповинне налякати викрадачів. Найкращий варіант автосигналізації, коли навіть тілюди, які її створили або встановлювали, не здатні її обійти, так щоб вона неспрацювала.
Длятого, щоб відкрити автомобіль, викрадачі найчастіше користуються наступнимиспособами: підбором ключів, віджиманням або зняттям стекол або ж простимштовханням незачинених дверей, відключенням живлення.
Злодіїчасто використовують пастку, яку називають «розгойдування клієнта», тобтоавтомобіліста вимушують відключити сигналізацію, переконуючи його у тому, щосигналізація несправна. Викрадачі протягом декількох днів настирливодобиваються спрацьовування сигналізації. Такі дії вимушують автомобілістазавагатися в справності сигналізації і відключити її, відкриваючи дорогувикрадачу. Щоб не опинитися в подібній ситуації, автомобільний охороннийсигналізатор на мікроконтролері PIC16F84A створений так що сигналізаціяспрацьовує лише в тому випадку, коли на автомобілі відкриваються двері, капотабо кришка багажника, у такому випадку блокується замок запалення, що не даєзмогу викрадачам завести машину.
Отже, метаданого курсового проекту є розробка системи автомобільного охоронногосигналізатора на мікроконтролері PIC16F84A, завдяки якому наш пристрій схемотехнічно стає дуже простим, економним і надійним. Також додається можливістьвводити нові вузли та змінювати часові відношення, за допомогою корегуванняпрограми мікроконтролера.
ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Розробка будь-якого електронногопристрою або системи повинна починатися із технічних вимог. Автомобільнийохоронний сигналізатор, що розробляється в даному курсовому проекті повинен задовольнятинаступним технічним характеристикам, які фігурують у завданні на курсовийпроект:Напруга живлення, В 12 Максимальний струм споживання, мА 25 Струм споживання в охоронному режимі, мА 3 Напруга живлення мікросхем, В 5 Тактова частота мікроконтролера, МГц 4
Верхня температурна межа, оС 85
Нижня температурна межа, оС -40 Напруга живлення мікроконтролера, В 4…6 Вологість повітря, % 70…90 Умови експлуатації стаціонарні Автофургонні
2. ОГЛЯД ТА АНАЛІЗ АНАЛОГІВ
Перед тим як почати характеризувати розробленумною схему автомобільного охоронного сигналізатора на мікроконтролері, я бхотів описати принцип роботи пристрою, який має подібне функціональнепризначення. Саме він і став основою для розробки моєї схеми. А вона, в своючергу, є його логічним продовженням, оскільки призначення в неї майже такесаме, але функціональні можливості вже набагато ширші і більш пристосовані досучасних умов життя.2.1 />Структурнасхема охоронного сигналізатора на транзисторах
/>
Рис. 2.1. Структурна схемааналога[8]
Структура розглядуваного аналогаскладається з:
– акумулятора (+12В);
– тумблера, який слугує дляввімкнення та вимкнення сигналізації;
– реле звукових сигналів;
– електронного ключа, якийперіодично включає реле звукових сигналів;
– таймера, який контролюєтривалість сигнальних посилок і паузу між ними;
– датчика гойдань, якийвідслідковує, щоб автомобіль стояв на місці;
– мультивібратора.
На рис. 2.1 представленаструктурна схема автомобільного охоронного пристрою на транзисторах. Джереломживлення даного пристрою слугує звичайний автомобільний акумулятор напругою 12В. Вмикається спеціальною прихованою кнопкою.
2.2 Описпринципу роботи охоронного сигналізатора на транзисторах
Автомобільнийохоронний пристрій на транзисторах встановлюється усередині салону автомобіля ізабезпечує включення звукового сигналу при проникненні стороннього вавтомобіль.
Основнітехнічні характеристики пристрою:
· час переходу в режимохорони від 7 до 10 секунд.
· час затримки спрацюваннясигналізації від 5 до 7 секунд.
· тривалість звучаннясигналу тривоги від 60 до 120 секунд.
· тривалість звуковоїпосилки 0,5 секунд.
· тривалість паузи 1,5секунд.
· струм споживання в режиміохорони не більше ніж 3 мА.
Принциповаелектрична схема автомобільного охоронного пристрою на транзисторах приведенана рис. 1.1 (див. Додаток 1).
Розглянемопринцип дії даного пристрою. Перед виходом з автомобіля водій включає тумблерSA1, встановлений в потайному місці. При цьому напругою +12 V, яка йде відакумулятора, через резистор R2 опором 5-10 МОм відбувається заряд конденсатораС1. Час заряду конденсатора С1 приблизно складає 7-10 с. За цей час водійповинен вийти з автомобіля і закрити за собою двері. Після заряду конденсатораС1 відкривається польовий транзистор VT1, і на стік транзистора VT2 поступаєнапруга негативної полярності, оскільки негативна клема акумулятора заземленана корпус автомобіля. На затвор транзистора VT2 подається «замикаючий»позитивний потенціал, який створюється падінням напруги на резисторі R3. Струм,споживаний автомобільним охоронним пристроєм в режимі охорони, складає одиниціміліампер, а саме 3 мА.
При відкриттідверей водія, замикаються контакти вимикача SB1, а при гойданні автомобіляспрацьовує датчик гойдання SB2, при цьому через резистор R1 на затвор транзистораVT2 поступає напруга, що відкриває його. Струм, що протікає через резистор R1,швидко заряджає «запам’ятовуючий» конденсатор С2, який протягом 1-2 хвилинпідтримуватиме транзистор VT2 у відкритому стані, навіть тоді коли розімкнутьсяконтакти вимикача SB1 і датчика SB2. Струм, що протікає через відкритийтранзистор VT2 і резистор R6, заряджає конденсатор СЗ. За час 5–7 секунднапруга на ньому досягає 4 В. Якщо за цей час тумблер SA1 не буде вимкнений, томультивібратор, зібраний на транзисторах VT3, VT4, із загальмованого стануперейде в автоколивальний режим. При цьому електронний ключ на транзисторі VT5періодично включатиме реле звукових сигналів К1. Контактами цього релевключається штатний сигнальний пристрій автомобіля.
При відкриттірешти дверей автомобіля (окрім дверей водія), капота, кришки багажниказамикаються вимикачі SB3 — SBn. При цьому конденсатор СЗ миттєво заряджає донапруги живлення, що приводить до негайного спрацьовування звуковоїсигналізації автомобіля.
Настройкаохоронного сторожа полягає в установці тривалості і періодичності повтореннязвукових сигналів. Час звучання звукової сигналізації після закриття дверейавтомобіля може регулюватися підбором місткості конденсатора С2. Тривалістьсигнальних посилок і пауза між ними визначаються місткостями конденсаторів С4 іС5. Для вказаних на схемі номіналів цих елементів тривалість звучання і паузивідповідно рівні 0,5 і 1,5 секунд.
При монтажісхеми слід користуватися заземленим паяльником, інакше його електростатичнийпотенціал може вивести з ладу польові транзистори VT1 і VT2. У схемі польовітранзистори VT1, VT2 типу КП103 можна замінити на КП301, а транзистор VT5 типуКТ816Б – на КТ818А або КТ837. Всі електролітичні конденсатори в схемі повиннібути з малими струмами витоку. Можна використовувати конденсатори типів К52,К53 з різними індексами. У автомобілях, не обладнаних реле К1, яке дає включеннязвукових сигналів, необхідно встановити додаткове реле типу РС-527,використовуване в ланцюзі включення фар автомобіля, або реле стартера типуРС-507Б.
2.3 Опис принципу роботиелектронного автосторожа
Пропонованийавтомобільний охоронний пристрій, який називають електронним автосторожом, принапрузі живлення 12В споживає від батареї акумуляторів в охоронному режиміструм не більше 180 мкА.
Схемаавтосторожа зображена на рис. 2.2. Після включення живлення тумблером SА1поступає напруга до вузлів сторожа і починається повільна зарядка конденсатораС6 через резистор R11. В цей час на виході інвертора DD1.4 діє низький рівень,конденсатори С3 і С4 розряджені. Йде витримка часу, протягом якої власник автомобіляможе вийти з салону і закрити за собою двері. Через відрізок часу, рівний =0,7*R11*С6 (час — в секундах, якщо опір в мегаомах, а місткість – вмікрофарадах), на виході інвертора DD1.4 встановиться високий рівень і сторожперейде в черговий режим.
Якщо тепервідкрити кришку багажника або капот, замкнуться контакти SF1 або SF2, на виходіінвертора DD1.1 виникне високий рівень і почнеться зарядка конденсатора С4через резистор R6 і діод VD5, а також конденсатора С3 через діод VD8. Зарядкацих конденсаторів відбудеться також при включенні запалення, при цьомувідкриється транзистор VТ1, забезпечуючи низький рівень на вході інвертораDD1.1.
/>
Рис. 2.2. Принципова схема електронного автосторожа[13]
Через короткийчас конденсатори С3 і С4 будуть заряджені і на виході інвертора DD1.3встановиться низький рівень. Далі починає відкриватися транзистор VТ2, що комутуєланцюг реле звукового сигналу автомобіля. Звукові сигнали тривоги повторюютьсяпротягом часу біля 0,7*R9*СЗ. Після цього сторож знову переходить в охороннийрежим.
При відкритихкапоті або багажнику, при включеному запаленні сигнали тривоги подаються до тихпір, поки або не буде знеструмлений сторож тумблером SА1, або не будуть закритікапот, кришка багажника і вимкнено запалення.
Якщо вчерговому режимі будуть відкриті двері салону автомобіля, швидко заряджатиметьсяконденсатор СЗ, а через час 0,7*R10*С4 (7...12 секунд) – конденсатор С4. За цейпроміжок часу сторож повинен бути вимкнений, інакше зазвучить тривожний сигнал.Всі тимчасові витримки можуть бути змінені відповідним вибором номіналів часозатримуючихланцюгів.
ВузолС2R14VD10С7 служить для вирівнювання стрибків напруги в бортовій мережі, щоперевищують 15 В, і для захисту від перешкод. Діод VD1 захищає транзистор VT2від зміни напруги самоіндукції, що може виникати на обмотці реле звуковогосигналу. Діод припаяний до виведень цього реле.
Основна печатна плата та схемарозміщення елементів данного аналога показана на рис.3.1 (див. Додаток 3).
3. ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ
3.1 Розробка структурної схеми
Структурна схема автомобільногоохоронного сигналізатора зображена на кресленні (дивіться графічну частину.Схема електрична структурна) та на рис. 3.1.
/>
Рис.3.1. Структурна схема автомобільного охоронного сигналізатора.
Розглянувши структуру та принципфункціонування аналога, можна зробити висновок, що для побудови автомобільногоохоронного сигналізатора пристрій повинен включати такі основні блоки:
1. мікроконтролер;
2. кварцовий резонатор;
3. світловий сигналізатор;
4. електронний ключ досистеми запалення;
5. електронний ключ до сирени;
6. контакти капот-багажник;
7. датчик до замку запалення;
8. стабілізатор;
9. вмикач;
10. акумуляторна батарея.
На рис. 3.1 зображена структурнасхема автомобільного охоронного сигналізатора. Джерелом живлення даногопристрою слугує звичайний акумулятор автомобіля напругою 12В, від якої напругаживлення на всі інші елементи схеми подається через стабілізатор напруги.
Умовно всі лінійні інтегральністабілізатори напруги можна поділити на декілька груп. До однієї групи можнавіднести стабілізатори з фіксованою вихідною напругою. Всередині цієї групивони ще класифікуються за полярністю сформованої на виході напруги (позитивнучи негативну, відносно загального проводу), за величиною вихідної напруги і помаксимальному струму, що віддається в навантаження. Перераховані параметри єключовими.
Іншу групу представляютьрегульовані стабілізатори, вихідна напруга яких може змінюватись в деякихвизначених межах. Вони також розрізняються за полярністю і по вихідному струму.В самостійну групу виділяють багатоканальні стабілізатори, які формують навиході декілька напруг, а подекуди навіть різної полярності. І ще одна група –стабілізатори з відносно малою потужністю, які нерідко характеризуються мінімальноюрізницею напруг між входом і виходом (впритул до 0,1 В).
В даному приладі стабілізаторомнапруги слугує інтегральний стабілізатор типу KP1157EH502A, який належить допершої групи вищеперерахованої класифікації, і на виході якого формуєтьсянапруга живлення +5В. На рис. 2.1 (див. Додаток 2) приведена схемаінтегрального стабілізатора напруги, зібраної на ІМС типу KP1157EH502A. Вибірінтегрального стабілізатора напруги був обумовлений його перевагами: високоюнадійністю, високим ККД, малими розмірами, низькою вартістю.
Саме в якості пристрою керуваннябуло використано мікроконтролер фірми „Microchip” (США) – PIC16F84А. Вибірданої мікросхеми ґрунтується на тому, що вона володіє високою швидкодією,широкими функціональними можливостями. Вбудований енергонезалежнийзапам’ятовуючий пристрій дозволяє записувати та оперативно змінювати величинупроміжкової частоти цифрової шкали.
Мікроконтролери підгрупи PIC16F8xвідносяться до сімейства 8-розрядних КМОП мікроконтролерів групи PIC16Cxxx, дляяких характерна порівняно низька вартість, повністю статична КМОП-технологія тависока продуктивність. Випускаються у корпусах з 18 та 28 виводами, залежно відтипу, з попередньо заданим типом зовнішнього генератора тактових імпульсів –кварцовим резонатором чи RC-ланкою.
Всі мікроконтролери підгрупиPIC16F8x використовують гарвардську архітектуру з RISC-процесором, яківолодіють наступними основними властивостями:
– використовується тільки 35простих команд;
– всі команди виконуються заодин цикл (400 нс при частоті 10 МГц), крім команд переходу, які потребують двацикли;
– робоча частота 0 Гц… 10МГц (в даному випадку 4 МГц);
– роздільні шини даних (8біт) і команд (14 біт);
– 512 /> 14 або 1024 /> 14 біт пам’ятьпрограм, виконана на постійному запам’ятовуючому пристрої (ПЗП) чи електричноперепрограмованій пам’яті типу „Flash”;
– 15 восьми розряднихрегістрів спеціальних функцій (SFR);
– Восьми рівневий апаратнийстек;
– пряма, непряма і відноснаадресація даних і команд;
– 36 або 68 восьмирозряднихрегістрів загального призначення (GPR);
– 64 /> 8 біт ПЗП з можливістюелектричного перепрограмування (EEPROM) – пам’ять даних з можливістю виконання1 млн. циклів стирання і перезапису;
– чотири джерела переривань:
а) зовнішній вхід RB0/INT;
б) переповнення таймера TMR0;
в) зміна сигналів на лінія портівRB;
г) завершення запису даних впам’ять EEPROM;
– збереження даних в EEPROMна протязі, як мінімум, 40 років.
Основні характеристикимікроконтролера PIC16F84А описані в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1. Основніхарактеристики мікроконтролера
Параметр
Значення Максимальна частота задаючого генератора, Мгц 4 Flash-пам’ять програм, байт 1024 Пам’ять даних, байт 68 Пам’ять даних в EEPROM, байт 64 Таймери TMR0 Число джерел переривань 4 Число ліній вводу/виводу 13 Діапазон напруги живлення, В 2,0 – 6,0 Число виводів, тип корпуса 18 DIP, SOIC
Мікроконтролери підгрупи PIC16F8xволодіють розвинутими можливостями вводу/виводу:
– 13 ліній вводу/виводу зіндивідуальною установкою напрямку обміну;
– високий вхідний/вихіднийструм, достатній для управління, наприклад, світлодіодом;
– максимальний вхідний струм– 25 мА;
– максимальний вихіднийструм – 20 мА;
– 8-бітний таймер/лічильникTMR0 з 8-бітним попереднім подільником.
Спеціалізовані мікроконтролерніфункції мають наступні властивості:
– автоматичний скид при включенні(Power-on-Reset);
– таймер включення при скиді(Power-up Timer);
– таймер запуску генератора(Oscillator Start-up Timer);
– сторожовий (Watchdog)таймер WDT з власним вбудованим генератором, що забезпечує підвищенунадійність;
– економний режим Sleep.
Мікроконтролери підгрупи PIC16F8xрозрізняються між собою тільки об’ємом і типом пам’яті програм. Наявність ускладі підгрупи мікроконтролерів з Flash-пам’яттю полегшує створення і наступнувідладку прототипів промислових зразків.
Спрощена структурна схема мікроконтролерів підгрупиPIC16F8x показана на рис. 3.2.
/>
Рис. 3.2. Структурна схемамікроконтролера підгрупи PIC16F8x[10]
Архітектура ґрунтується наконцепції роздільних шин та областей пам’яті для даних і для команд(гарвардська архітектура). Шина даних та пам’ять даних (ОЗП) – мають ширину 8біт, а програмна шина і програмна пам’ять (ПЗУ) – 14 біт. Така концепціязабезпечує просту, але ефективну систему команд, розроблену так, що бітові, байтовіта регістрові операції працюють з високою швидкістю і з перекриттям за часомвибірок команд та циклів виконання. 14-бітна ширина програмної пам’ятізабезпечує вибірку 14-бітної команди в один цикл.
Двоступеневий конвеєр забезпечуєодночасну вибірку та виконання команди. Всі команди виконуються за один цикл,крім команд переходу. Програмний лічильник мікроконтролера починає працювати знульової адреси пам’яті програм. Мікроконтролер PIC16F84А адресує 1024 /> 14 біт пам’ятіпрограм. Вся пам’ять є внутрішньою.
Мікроконтролер може прямо абонепрямо звертатись до регістрів чи пам’яті даних. Всі регістри спеціальнихфункцій, включаючи лічильник команд, відображаються на пам’ять даних.
Ортогональна (симетрична) системакоманд дозволяє виконувати будь-яку команду над будь-яким регістром ізвикористанням довільного методу адресації. Ортогональна архітектура івідсутність спеціальних виключень дозволяє зробити програмування мікроконтролерівгрупи PIC16F8x простим та ефективним.
Мікроконтролер містить 8-розряднийарифметико-логічний пристрій (АЛП) та робочий регістр W (див. рис. 3.2). АЛПпредставляє собою арифметичний модуль загального призначення і виконуєарифметичні та логічні функції над вмістом робочого регістра і будь-якого зрегістрів контролера. АЛП може виконувати операції додавання, віднімання,зсуву, логічні операції.
Призначення виводівмікроконтролера PIC16F84 приведені в таблиці 3.2.
Таблиця 3.2. Призначеннявиводів
Позначення
Тип
Призначення OSC1 I Вхід кристала генератора, RC-ланки чи зовнішнього тактового сигналу. OSC2 O Вихід кристала генератора. MCLR I/P Сигнал скид/вхід напруги програмування. Скид при низькому рівні. RA0 I/O
Порт А (RA0...RA4) – двонаправлений порт введення-виведення.
RA4/TOCKI може бути вибраний як тактовий вхід таймера/лічильника TMR0. RA1 I/O RA2 I/O RB0 I/O
Порт В (RB0…RB7) – двонаправлений порт введення-виведення.
Можуть бути запрограмовані в режимі внутрішніх активних навантажень на лінії живлення по всім виводам.
Вивід RB0/INT може бути вибраний як зовнішній вхід переривань.
Виводи RB4…RB7 можуть бути програмно налагоджені як входи переривань станів на будь-якому із входів. RB1 I/O RB2 I/O RB3 I/O RB4 I/O RB5 I/O RB6 I/O
Vdd (+U) P Позитивна напруга живлення.
Vss (-U) P Загальний провід (заземлення).
В таблиці використано наступніумовні позначення:
– І – вхід;
– О – вихід;
– I/O – вхід-вихід;
– Р – живлення.
Вибір мікроконтролера для розробкиданого приладу, що проектується ґрунтується на кількох факторах, а саме:
1. легкість створеннязручного інтерфейсу, тобто, способу „комунікації” людини з приладом: керуванняним та індикацією результату, що важливо для будь-якого вимірювального приладу.Підключаємо рідкокристалічний індикатор, кнопки, а далі – все залежить відпрограми. Якщо потрібно щось змінити чи добавити – тільки коректуємо програму;
2. будь-який сучасниймікроконтролер може здійснити те, що на жорсткій логіці реалізується доситьскладно, наприклад, поділити один дріб на інший. В бібліотеці програм длябудь-якого контролера ця функція вже є вбудованою;
3. звісно мікроконтролер вжемістить деякі додаткові вузли, які можна, так чи інакше, використати длярішення поставленої задачі.
Використання кварцового резонаторанайбільш розповсюджений спосіб включення зовнішньої схеми тактового генератора.Ця схема вимагає додатково два конденсатори ємністю від 22 пФ, щоб полегшитизапуск тактового генератора. В нашому випадку, після подачі напруги живлення,вмикається тактовий генератор мікроконтролера з кварцовим резонатором, післячого мікроконтролер починає виконувати програму, записану в йогозапам’ятовуючому пристрої. Також кварцовий резонатор забезпечує стабільнуроботу внутрішнього тактового генератора мікроконтролера.
Фільтром нашого ланцюгу живлення єзвичайні керамічні конденсатори.
Світлодіод використовується длявізуального контролю входження сигналізатора в режим охорони. Він вмикаєтьсяпісля закінчення п’ятнадцяти секундної затримки.
3.2 Розробка функціональноїсхеми
Функціональна схема автомобільногоохоронного сигналізатора зображена на кресленні (дивіться графічну частину.Схема електрична функціональна) та на рис. 3.3.
Вона дозволяє обґрунтувати вибірфункціонально-конструктивних елементів автоматизованої системи, встановитиелектричні зв’язки між ними з врахуванням особливостей функціонування пристроюкерування.
Основнимифункціонально-конструктивними вузлами є :
· пристрій керування(мікроконтролер);
· кварцовий резонатор;
· електронний ключ досирени;
· електронний ключ досистеми запалення;
· датчик до замку запалення.
/>
Рис.3.3. Функціональна схема автомобільного охоронного сигналізатора.
Із схеми можна побачити, що зв’язокміж схемами та мікроконтролером здійснюється по одній електричній лініїз’єднання, що забезпечує мінімальну кількість з’єднань мікроконтролера зпериферійними блоками.
Роботу мікроконтролера забезпечуєвнутрішній RC-генератор з керамічним або кварцовим зовнішнім резонатором, який трактуєтьсясигналами зовнішньої синхронізації.
/>
Рис.3.4. Підключеннякварцового резонатора до мікроконтролера
Найбільш стабільну роботу RC-генераторазабезпечує кварцовий резонатор, який підключається до виводів OSC1 та OSC2як показано на рис.3.4. Ці виводи є відповідно входом і виходом тактовогогенератора.
Ємності конденсаторів С1 і С2, якіпідключаються між виводами резонатора і загальним виводом, залежать від частотиі типу резонатора.
Для забезпечення швидкодіїмікроконтролера, який у нашому випадку обробляє незначні об’єми інформаціїобираємо тактову частоту 4 МГц.
Базовий ланцюг транзистора VT1(датчик до замку запалення) підключають до того контакту системи запалення, наякому при повороті ключа у положення ввімкнено, виникає напруга бортовоїмережі. Для забезпечення блокування системи запалення автомобіля з класичноюсистемою, між «незаземленими» контактами групи К2.1 реле К2 и виводомпереривника потрібно включити конденсатор ємністю 10 мкФ.
Також доцільно розглянутифункціонування електронних ключів до системи запалення та до сирени. Отже,після того як відбудеться замикання хоча б одного із пари контактів SF1 чи SF2,то високий рівень сигналу на вході RB4 заміниться низьким, в результаті чогомікроконтролер у взаємодії з програмою установить високий рівень сигналів навиходах RA0 та RA1. Після цього миттєво відкриються транзистори VT3 і VT4, аконтакти К1.1 та реле К1 ввімкнуть тривожну сирену, також контактами К2.1 тареле К2 заблокується система запалення автомобіля.
Таким чином функціональна схемадозволяє обрати тип мікроконтролера по критеріям кількості необхідних портів ташвидкодії. Детальне обґрунтування вибору функціонально-конструктивних елементівта мікроконтролера, з врахуванням їх електричних параметрів та необхідноїнапруги живлення +5В здійснено в інших розділах.
3.3 Опис принципу дії
Принципова схема автомобільногоохоронного сигналізатора показана на рисунку (дивіться графічну частину. Схемаелектрична принципова). Основою конструкції є мікроконтролер DD1 типу PIC16F84Aфірми MicroChip. Завдяки цьому пристрій стає дуже простим та економним. Також єможливість вносити додаткові вузли, змінювати часові співвідношення, що даєможливість пристосовуватися до рішення нових задач. Це все можливо завдякивільному коректуванню програми мікроконтролера.
Охоронний сигналізатор вохоронному режимі споживає тільки 3 мА струму, причому більша частина цьогоструму протікає через світло діод, який ініціює включення пристрою та перехідйого в охоронний режим.
При відкриванні капота і кришкибагажного відділення автомобіля, а також при спробі завести автомобіль,сигналізатор спрацьовує миттєво. А при відкритті дверей спрацьовуванняпроходить з семи секундною затримкою. Це пов’язано з тим що сигналізаціявмикається скритим кнопковим вмикачем. Тобто протягом цих семи секунд власнихавтомобіля зможе не поспішаючи вимкнути чи ввімкнути сигналізацію, і закрити наавтомобілі дверці.
Принципова схема автомобільногоохоронного сигналізатора на мікроконтролері також приведе на рис. 3.4.
Пристрій включають прихованимкнопковим вимикачем SB1. Діод VD5 захищає мікросхеми DA1 і DD1 від підключеннядо джерела живлення в неправильній полярності. Контролер DD1 живитьсястабілізованою напругою 5В, що знімається з виходу стабілізатора DA1.Конденсатори С1 – С4 це фільтри ланцюга живлення.
/>
Рис.3.4. Принципова схема автомобільного охоронного сигналізатора
Після подачі напруги живленнявключається тактовий генератор мікроконтролера з кварцовим резонатором ZQ1,після чого мікроконтролер починає виконувати програму, записану в йогозапам’ятовуючому пристрої. Всі часові затримки реалізуються програмно і єциклом з відніманням одиниці з константи, що знаходиться в пам'яті контролера.
Після закінчення 15 секундпрограма дозволяє виконання переривань від зміни напруги на виходах 10, 11 і 12– сигналізатор входить в режим охорони. Для візуального контролю входження вцей режим передбачений світлодіод HL1. Він включається у момент закінчення п’ятнадцятисекундної затримки.
У охоронному режиміенергоспоживання мікроконтролера знижується, але зміна напруги на будь-якому звходів RB4–RB6 негайно його активізує. Коли кришка багажника і капот закриті,контакти датчиків-виключателелів SF1 і SF2 розімкнені, на вході RB4 діє високийрівень.
Як тільки відбудеться замиканняхоч би однієї з пар контактів SF1 і SF2, високий рівень на вході RB4 змінитьсянизьким, мікроконтролер відповідно до програми встановить високий рівень навиходах RA0 та RA1, відкриються транзистори VT3 та VT4. В результаті контактамиК1.1 реле К1 включається тривожна сирена і контактами К2.1 реле К2 блокуєтьсясистема запалення автомобіля.
Через одну хвилину всі релеповертаються в початковий стан і контролер перевіряє стан сторожових датчиків.Якщо причина виникнення тривоги усунена, сигналізатор переходить в охороннийрежим, а якщо ні, то через 30 секунд знову включається сирена і блокується системазапалення – цикл повторюється.
Контакти SF1 і SF2 — цемікровимикачі, змонтовані на кришці багажника і капоті. Контакти повиннізамикатися при відкритті. Так само працює і пара контактів SF3 – це контактиякі вмонтовані у дверці автомобіля (на схемі зображений тільки один з них).
Базовий ланцюг транзистора VT1підключають до того контакту замку запалення, на якому при повороті ключа вположення «Увімкнено» з'являється напруга бортової мережі.
3.4 Електричні розрахунки
Проведемо наближений розрахунокспоживаної потужності пристрою. Оскільки основними споживачами електричногоструму є мікросхеми, то наближено розрахувати споживану потужність можна заформулою:
/>, (3.1)
де /> -споживана потужність />-ї мікросхеми.
/> (3.2)
де U — споживана напругаживлення.
де /> -споживаний струм />-ї мікросхеми.
Оскільки потужність дискретнихелементів не є високою, в даному випадку нею можна знехтувати. Проведеморозрахунки лише для інтегральних елементів. В даному пристрої таких елементів 3:інтегральний стабілізатор – DА1, світловий індикатор HL1 та мікроконтролер DD1.
Таким чином, повна формулапотужності матиме вигляд:
/> (3.3)
Вибрані нами інтегральні елементи,за своєю технічною документацією мають потужність споживання: DА1 – 0,4Вт,HL1 – 0.15Вт та DD1 – 0,125Вт. Тому можемо записати, що загальнапотужність споживання буде рівна:
/>Вт (3.4)
4. РОЗРАХУНОК НАДІЙНОСТІ
Надійність апаратури визначаєтьсянадійністю та кількістю використаних в них елементів та умовами їхексплуатації. Так як надійність є одним з основних параметрів виробу, то,проектуючи апаратуру, надійність слід оцінювати поряд з іншими параметрами і наоснові цих розрахунків робити висновки про правильність вибраної схеми таконструкції виробу.
На етапі проектування, коли щеточно не визначені режими роботи схеми, проводиться орієнтовний розрахунок,котрий задається орієнтовними даними, які визначають умови роботи. Такийрозрахунок виконується в даному курсовому проекті. Орієнтовні значеннякоефіцієнтів навантаження приведені як довідникові дані в таблиці 4.4. (див.додаток 4) В таблиці 4.1. (див. додаток 5) приведені значенняінтенсивності відмов елементів схеми при номінальному значенні впливу зовнішніхфакторів. Вплив на надійність апаратури фактичного значення зовнішніх факторіввраховують при розрахунках параметрів надійності, вводячи коефіцієнти впливу (див.таблиці 4.2., 4.3., 4.5. додаток 4).
Якщо отримані в результатірозрахунку параметри надійності не відповідають вимогам, то слід проаналізуватиможливість підвищення надійності за рахунок полегшення режимів або використаннябільш надійних типів елементів. Зазвичай таким методом удається підвищитинадійність виробу не більш, ніж у два – три рази. При проектуванні апаратури,яка містить значну кількість елементів, у ряді випадків розраховане значеннянадійності набагато відрізняється від того, котре задано. В таких випадкахзастосовують резервування. При резервуванні середнє напрацювання на відмову таймовірність безвідмовної роботи буде більшою, ніж в аналогічногонерезервованого виробу, так як при виході з ладу основного пристрою продовжуютьфункціонувати резервні. Надійність апаратури потрібно розраховувати на всіхетапах проектування: по мірі того, як уточнюються дані про кількість та типивикористовуваних елементів, про конкретні умови, в котрих вони працюють,підвищується достовірність отриманих в результаті розрахунку даних.
Інтенсивність відмов і-го елементув загальному випадку виражається формулою
/>, (4.1)
де /> –номінальна інтенсивність відмов, визначається по довідниковим даним;
К1 – коефіцієнт,залежний від тиску, (для наземної апаратури К1 = 1);
К2 – коефіцієнт,залежний від впливу вологості та температури;
К3 і К4– коефіцієнти, залежні від механічних впливів.
/> – коефіцієнт, залежний від температури поверхніелемента Т та коефіцієнта навантаження Кн.
Таблиця 4.1 Значенняінтенсивності відмов елементів№ Найменування і тип елементу
/>1/год
t,
0С
Кн
Nj
/>1/год
/> 1 2 3 4 5 6 7 Мікросхеми: 1 з високою 0,01 40 0,45 1 0,0212868 0,0212868 2 з середньою 0,013 40 0,5 1 0,0276728 0,02767284 3 Конденсатори керамічні 0,15 40 0,7 4 0,319302 1,277208 4 Резистори плівкові 0,03 40 0,6 13 0,0638604 0,8301852 5 Резистори дротяні 0,087 40 0,5 2 0,1851951 0,37039032 6 Запобіжники 0,5 40 0,5 1 1,06434 1,06434 7 Діоди кремнієві 0,2 40 0,55 7 0,425736 2,980152 8 Світлодіоди 0,2 40 0,55 1 0,425736 0,425736 9 Транзистори кремнієві 0,5 40 0,5 4 1,06434 4,25736 10 Резонатор кварцовий 1,1 40 0,6 1 2,341548 2,341548 11 Реле 0,5 40 0,6 2 1,06434 2,12868 12 Кнопка 0,07 40 0,8 1 0,1490076 0,1490076 13 Пайка 0,01 40 0,5 90 0,0212868 1,915812 14 Плата друкована 0,01 40 0,5 1 0,0212868 0,0212868 Згідно таблиці 4.1знаходимо інтенсивність відмов виробу, що проектується:/> 1/год (4.2)
Середній термін часу до першоївідмови
Тсер=1/λвир=/> =/>годин (4.3)
Таким чином,одержане значення безвідмовної роботи (у роках), враховуючи, що рік має365 днів:
Тсер=/>років.
/> (4.4)
Для побудови графіка залежностіекспоненційного закону надійності на проміжку часу tр=0…80тис. годин розбиваємо вісь часу на інтервали по 10 тис. годин. Підставившичислові значення часу в формулу (4.4), проводимо розрахунок ймовірностібезвідмовної роботи. Результати розрахунків зведені в табл. 4.2.
Таблиця 4.2Імовірностібезвідмовної роботи пристрою
Рс(t) 1 0,837 0,706 0,586 0,491 0,410 0,343 0,287 0,241 0,201 t, тис. год. 10 20 30 40 50 60 70 80 90
/>
Рис. 4.1.Імовірність безвідмовної роботи пристрою.
По даним табл. 4.2 побудований графікймовірності безвідмовної роботи, який приведений на рис.4.1.
Висновки
В результаті виконання курсовогопроекту були розроблені структурна, функціональна та принципова електричнісхеми автомобільного охоронного сигналізатора на мікроконтролері PIC16F84A. Буланаведена архітектура використаного мікроконтролера та опис основнихможливостей. Також були описані аналоги пристрою, а саме автомобільнийохоронний сигналізатор на транзисторах та електронний автосторож. На основі циханалогів був створений автомобільний охоронний сигналізатор, на базімікроконтролера, який сприяє збільшенню можливостей пристрою.
Спроектований пристрій має високіексплуатаційні технічні характеристики та показники надійності. Розрахунковийчас безвідмовної роботи складає 6,4 років.
В зв‘язку з високими показникамиспроектованого пристрою порівняно з аналогами його можна рекомендувати длявпровадження у виробництво.
ЛІТЕРАТУРА
1. Энергетическаяэлектроника. Справочное пособие: Пер. с нем./под ред. В.А. Бобунцова.М:Энергоатомиздат, 1978
2. ЯценковВ.С. Микроконтролеры Microchip. Практическое руководство – М.: Горячая линия, 2002–296с., ил.
3. НефедовА.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник.–М.: ИПРадиософт.–512с., ил.
4. ХвощС.Т. Микропроцесоры и микроЭВМ в системах автоматического управления:Справочник.–Л.: Машин остроение,1987–640 с.ил.
5. ПацюраИ.В., Корнейчук В.И,, Довбыш Л.В. Надёжность электронныхсистем.К.: Свит.1988–192с.
6. ГоисД.П. Применение микропроцесоров в измерительной апаратуре. М.: «Радио исвязь»,1990–540с.
7. МагжаровТ.Б. Надёжность больших интегральных схем.М.:«Радио и связь»,1987.–243с.
8. www.prosignalki.ru/p145.html- Практические схемы автомобильных охранных устройств.
9. МішустінВ.О. Методічні вказівки до курсу «Електронні обчислювальні машини тамікропроцесорні системи» УжДІІЕП,1999,38с.
10. Справочникпо среднему семейству микроконтроллеров PICmicroTM. M.: ООО«Микро-Чип», 2002, 601с.
11. www.microchip.ru– ООО «Микро-Чип».
12. http://kazus.ru/articles/294.html– Стабилизаторы напряжения серии КР1157 .
13. http://cxem.net/avto/alarm/alarm19.php
/>ДОДАТКИ
Додаток 1.
/>/>/>/>/>
Рис.1.1. Принципова схема охоронного пристрою на транзисторах.[8]
Додаток2.
/>
Рис. 2.1.Інтегральний стабілізатор на ІМС типу KP1157EH502A.[12]
Додаток 3.
/>
Рис.3.1.Основна печатна плата тасхема розміщення елементів [13].