РЕФЕРАТ
Пояснительнаязаписка к дипломному проекту: 92 страницы, 15 рисунков, 29 таблиц, 24 источника,5 приложений, 3 листа чертежей формата А1.
Объектисследований: разработка светодиодной матрицы.
Предметисследования: светодиодная матрица.
Впервом разделе рассмотрены общие принципы разработки устройств намикроконтроллерах и внедрения их в производство, принцип действия матриц наоснове светодиодов.
Вовтором разделе выполнена разработка структурной, функциональной ипринципиальной схем устройства управления светодиодной матрицей с использованиеммикроконтроллера, разработаны алгоритм и ПО микроконтроллера, осуществлен выборэлементной базы.
Втретьем разделе выполнен экономический расчет себестоимости светодиоднойматрицы, произведено сравнение с устройствами-аналогами.
Вчетвертом разделе проведены расчеты вентиляции, природного и искусственного освещения,уровня шума и полученные значения сопоставлены с нормативными.
АЛГОРИТМ,КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА, СВЕТОДИОД,СВЕТОДИОДНАЯ МАТРИЦА
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬУСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ
1.1Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера
1.1.1Основные этапы разработки
1.1.2Разработка и отладка аппаратных средств
1.1.3Разработка и отладка программного обеспечения
1.1.4Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств
1.2Светодиодные матрицы
РАЗДЕЛ2 РАЗРАБОТКА СВЕТОДИОДНОЙ МАТРИЦЫ
2.1Постановка задачи
2.2Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации
2.3Аппаратные средства микроконтроллеров серии PIC16F628А
2.4Разработка функциональной схемы устройства
Разработкаалгоритма управления
Разработкапрограммного обеспечения микроконтроллера
Выбор,описание и расчеты элементной базы
2.8Разработка схемы электрической принципиальной
3ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА
РАЗРАБОТКИ
3.1 Расчетрасходов на ПО, которое разрабатывается
3.2 Расчетрасходов на создание ПО
3.3Расчет стоимости разработки конструкторской документации и сборки устройства3.4 Расчет расходов на стадиипроизводства изделия
3.5Анализ устройств-аналогов
РАЗДЕЛ4 ОХРАНА ТРУДА
4.1Требования к производственным помещениям
4.1.1Окраска и коэффициенты отражения
4.1.2Освещение
4.1.3Параметры микроклимата
4.1.4Шум и вибрация
4.1.5Электромагнитное и ионизирующее излучения
4.2Эргономические требования к рабочему месту
4.3Режим труда
4.4Расчет освещенности
4.5Расчет вентиляции
4.6Расчет уровня шума
ВЫВОДЫ
ПЕРЕЧЕНЬССЫЛОК
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПЕРЕЧЕНЬУСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
АЦП– аналого-цифровой преобразователь
КМОП– комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник
МК– микроконтроллер
МПС– микропроцессорная система
ОЗУ– оперативное запоминающее устройство
ПЗУ– постоянное запоминающее устройство
ЦПУ– центральное процессорное устройство
ШИМ– широтно импульсная модуляция
ВВЕДЕНИЕ
Микропроцессоры и производные отних — микроконтроллеры — являются широко распространенным и при этом незаметнымэлементом инфраструктуры современного общества, основанного на электронике икоммуникациях. Исследования, проведенные в 2008 году, показали, что в каждомдоме незаметно для нас «живет» около 100 микроконтроллеров и микропроцессоров.
Каждый год продается около четырехмиллиардов подобных изделий, предназначенных для реализации «мозгов»разнообразных «умных» устройств, начиная от интеллектуальных таймеров дляяйцеварок и заканчивая системами управления самолетом. Подавляющее жебольшинство продаж приходится на дешевые микроконтроллеры, встраиваемые вспециализированные электронные устройства, такие как смарт-карты. Причем еслиосновной задачей микропроцессоров является обеспечение собственновычислительной мощности, то во втором случае акцент смещается в сторонуобъединения на одном кристалле центрального процессора, памяти и устройствввода/вывода. Такая интегрированная вычислительная система называется микроконтроллером.
Светодиодныематрицы широко используются в промышленности. Светодиодные матрицы применяютсяв светофорах, устройствах бытового освещения и т.д. Высокие эксплуатационныепараметры светодиодных матриц — оптическая мощность излучения, коэффициентпреобразования электрической энергии в световую, высокая надежность и низкаясебестоимость делают эти источники света весьма перспективными.
Тема дипломной работы «Разработкасветодиодной матрицы», которая будет предметом исследования.
Цель дипломной работы – разработатьсветодиодную матрицу для световых эффектов, которая будет управляться микроконтроллером.
Тема является актуальной, т.к.имеет широкое применение.
РАЗДЕЛ1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ
1.1Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера
1.1.1Основные этапы разработки
Технологияпроектирования контроллеров на базе МК полностью соответствует принципунеразрывного проектирования и отладки аппаратных и программных средств,принятому в микропроцессорной технике. Это означает, что перед разработчикомтакого рода МПС стоит задача реализации полного цикла проектирования, начинаяот разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниямив составе изделия, а, возможно, и сопровождением при производстве. Сложившаясяк настоящему времени методология проектирования контроллеров может бытьпредставлена так, как показано на рис. 1.1.
Втехническом задании формулируются требования к контроллеру с точки зренияреализации определенной функции управления. Техническое задание включает в себянабор требований, который определяет, что пользователь хочет от контроллера ичто разрабатываемый прибор должен делать.
Наосновании требований пользователя составляется функциональная спецификация,которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя послезавершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройствосоответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматовданных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющиедействиями контроллера.
/>
Рисунок1.1- Основные этапы разработки контроллера
Этапразработки алгоритма управления является наиболее ответственным, посколькуошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченногоизделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства.
Приэтом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратныхсредств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера вцелом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемоймощности. Связано это с тем, что увеличение доли аппаратных средств достигаетсялибо путем выбора более сложного МК, либо путем использованияспециализированных интерфейсных схем.
Привыборе типа МК учитываются следующие основные характеристики:
— разрядность;
— быстродействие;
— набор команд и способов адресации;
— требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;
— объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;
— возможности расширения памяти программ и данных;
— возможность перепрограммирования в составе устройства;
— наличие и надежность средств защиты внутренней информации;
— стоимость в различных вариантах исполнения;
— наличие полной документации;
— наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;
-количествои доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.
Списокэтот не является исчерпывающим, поскольку специфика проектируемого устройстваможет перенести акцент требований на другие параметры МК. Определяющими могутоказаться, например, требования к точности внутреннего компаратора напряженийили наличие большого числа выходных каналов ШИМ.
Номенклатуравыпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различныхфирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителяразнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром. Такое структурноеразнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК,не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимостькомплектующих элементов.
Однакодля реализации на практике возможности выбора оптимального МК необходимадостаточно глубокая проработка алгоритма управления, оценка объема исполняемойпрограммы и числа линий сопряжения с объектом на этапе выбора МК. Допущенные наданном этапе просчеты могут впоследствии привести к необходимости смены моделиМК и повторной разводки печатной платы макета контроллера. В таких условияхцелесообразно выполнять предварительное моделирование основных элементовприкладной программы с использованием программно-логической модели выбранногоМК.
Приотсутствии МК, обеспечивающего требуемые по ТЗ характеристики проектируемогоконтроллера, необходим возврат к этапу разработки алгоритма управления ипересмотр выбранного соотношения между объемом программного обеспечения иаппаратных средств. Отсутствие подходящего МК чаще всего означает, что дляреализации необходимого объема вычислений (алгоритмов управления) за отведенноевремя нужна дополнительная аппаратная поддержка. Отрицательный результат поискаМК с требуемыми характеристиками может быть связан также с необходимостьюобслуживания большого числа объектов управления. В этом случае возможноиспользование внешних схем обрамления МК.
Наэтапе разработки структуры контроллера окончательно определяется составимеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена междумодулями, типы разъемов. Выполняется предварительная проработка конструкцииконтроллера.
Возможностьперераспределения функций между аппаратными и программными средствами на данномэтапе существует, но она ограничена характеристиками уже выбранного МК. Приэтом необходимо иметь в виду, что современные МК выпускаются, как правило,сериями (семействами) контроллеров, совместимых программно и конструктивно, норазличающихся по своим возможностям (объем памяти, набор периферийных устройстви т.д.). Это дает возможность выбора структуры контроллера с целью поисканаиболее оптимального варианта реализации.
1.1.2Разработка и отладка аппаратных средств
Послеразработки структуры аппаратных и программных средств дальнейшая работа надконтроллером может быть распараллелена. Разработка аппаратных средств включаетв себя разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтажмакета и его автономную отладку. Время выполнения этих этапов зависит отимеющегося набора апробированных функционально-топологических модулей, опыта иквалификации разработчика. На этапе ввода принципиальной схемы и разработкитопологии используются, как правило, распространенные системы проектированиятипа «ACCEL EDA» или «OrCad».
Автономнаяотладка аппаратуры на основе МК с открытой архитектурой предполагает контрольсостояния многоразрядных магистралей адреса и данных с целью проверкиправильности обращения к внешним ресурсам памяти и периферийным устройствам.Закрытая архитектура МК предполагает реализацию большинства функцийразрабатываемого устройства внутренними средствами микроконтроллера. Поэтомуразрабатываемый контроллер будет иметь малое число периферийных ИС, а обмен сними будет идти преимущественно по последовательным интерфейсам. Здесь напервый план выйдут вопросы согласования по нагрузочной способности параллельныхпортов МК и отладка алгоритмов обмена по последовательным каналам.
1.1.3Разработка и отладка программного обеспечения
Содержаниеэтапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделяхсущественно зависит от используемых системных средств. В настоящее времяресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языкахвысокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурногопрограммирования, разрабатывать программное обеспечение с использованиемраздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоватьсяязыки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспеченияконтролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данныхчасто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентныхфункций.
Внастоящее время самым мощным средством разработки программного обеспечения дляМК являются интегрированные среды разработки, имеющие в своем составе менеджерпроектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускающие подключениекомпиляторов языков высокого уровня типа Паскаль или Си. При этом необходимоиметь в виду, что архитектура многих 8-разрядных МК вследствие малогоколичества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индекснойадресации и некоторых других архитектурных ограничений не обеспечиваеткомпилятору возможности генерировать эффективный код. Для обхода этихограничений разработчики ряда компиляторов вынуждены были перекладывать напользователя заботу об оптимизации кода программы.
Дляпроверки и отладки программного обеспечения используются так называемыепрограммные симуляторы, предоставляющие пользователю возможность выполнятьразработанную программу на программно-логической модели МК.
Загрузивпрограмму в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговомили непрерывном режимах, задавать условные или безусловные точки останова,контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистровсимулируемого МК.
1.1.4Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств
Этапсовместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времениявляется самым трудоемким и требует использования инструментальных средствотладки. К числу основных инструментальных средств отладки относятся:
— внутрисхемные эмуляторы;
— платы развития (оценочные платы);
— мониторы отладки;
— эмуляторы ПЗУ.
ЭмуляторПЗУ – программно-аппаратное средство, позволяющее замещать ПЗУ на отлаживаемойплате, и подставляющее вместо него ОЗУ, в которое может быть загруженапрограмма с компьютера через один из стандартных каналов связи. Это устройствопозволяет пользователю избежать многократных циклов перепрограммирования ПЗУ.Эмулятор ПЗУ нужен только для МК, которые могут обращаться к внешней памятипрограмм. Это устройство сравнимо по сложности и по стоимости с платамиразвития и имеет одно большое достоинство: универсальность. Эмулятор ПЗУ можетработать с любыми типами МК.
Эмулируемаяпамять доступна для просмотра и модификации, но контроль над внутреннимиуправляющими регистрами МК был до недавнего времени невозможен.
Впоследнее время появились модели интеллектуальных эмуляторов ПЗУ, которыепозволяют «заглядывать» внутрь МК на плате пользователя.
Этапсовместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе временизавершается, когда аппаратура и программное обеспечение совместно обеспечиваютвыполнение всех шагов алгоритма работы системы. В конце этапа отлаженнаяпрограмма заносится с помощью программатора в энергонезависимую память МК, ипроверяется работа контроллера без эмулятора.
1.2Светодиодные матрицы
Ещев 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемоекарбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронныхпревращений. В 1923 году наш соотечественник О.В.Лосев отмечал это явление вовремя проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковымидетекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной,что научная общественность до поры до времени всерьез не интересовалась этимфеноменом. Только в 1962 году группа инженеров под руководством Генри Холоньякаиз General Electric продемонстрировала работу первого светодиода, а спустяшесть лет красные светодиоды появились на рынке.
Светодиод– это полупроводниковый прибор с p-n переходом, который излучает фотоны припрямом смещении. Эффект излучения света называется инжектированнойэлектролюминесценцией и происходит, когда неосновные носители зарядарекобинируют с носителями противоположного типа в запрещенной зоне. Длина волныизлучаемого света определяется в основном выбором используемых полупроводниковыхматериалов.
Невсе инжектированные неосновные носители рекомбинируют с излучением кванта светадаже в идеальном p-n переходе. Безизлучательная рекомбинация, вызваннаядефектами и дислокациями в полупроводнике, может дать увеличение разброса в полезнойэмиссии в практически идентичных светодиодах. На практике это означает то, чтовыпущенная партия светодиодов сортируется и разделяется по группам взависимости от интенсивности излучения и других параметров.Светодиодныечипы выращиваются подобно кремниевым интегральным микросхемам и разрезаются накристаллы. Размер кристалла для светодиодов лежит в диапазоне от 0,18 до 1мм(рис. 1.2).
Базоваяструктура светодиодного индикатора состоит из полупроводникового кристалла,рамки с внешними выводами, на которой размещен кристалл, и герметизирующейэпоксидной смолы, которая окружает и защищает кристалл, а также рассеивает свет(формирует диаграмму направленности) (рис. 1.3). Кристалл приклеиваетсятокопроводящей эпоксидной смолой ко дну рамки, называемой лункой. Лункаявляется первичной оптической системой для кристалла и согласует распределениесветового потока от его граней, с последующим преломлением линзы из эпоксиднойсмолы. Верхний контакт кристалла соединен проводом с другим выводом рамки.
/>
Рисунок1.2 — Типичный кристалл AlInGaP
/>
Рисунок1.3 — Типичный светодиод и его конструкция в разрезе
Механическаяконструкция светодиода определяет распределение света и диаграммунаправленности излучения в пространстве. Узкая диаграмма направленности (рис.1.4) обеспечивает большую силу света в осевом направлении, но небольшой уголобзора. Тот же кристалл может быть смонтирован так, чтобы получить широкий уголобзора, но интенсивность в осевом направлении будет ниже пропорционально углуизлучения. Сверхяркие светодиоды с углом обзора от 15° до 30° по уровню 0,5применяются для информационных панелей, расположенных прямо перед наблюдателем,а светодиоды с широким углом обзора применяются в индикаторах для широкогообзора или приборных досках.
/>
Рисунок1.4 — Светодиодный индикатор с узкой диаграммой направленности
Известный7-сегментный цифровой индикатор в действительности является 8-сегментныминдикатором, так как включает в себя десятичную точку. Менее известные«звездочные» алфавитно-цифровые индикаторы таким же образом обозначаются, как14-сегментные и 16-сегментые индикаторы, вновь не учитывая десятичную точку.Эти индикаторы обеспечивают экономичное решение для отображения 26 буквлатинского алфавита в верхнем регистре, а также цифр от 0 до 9. Разница между14-сегментными и 16-сегментными индикаторами лишь в том, что у 16-сегментногоиндикатора верхний и нижний сегмент разбиты на два, улучшая внешний виднекоторых букв (Рис. 1.5).
Светодиоднаяматрица 5х7 является еще более универсальной, позволяя отображать латинскийалфавит в верхнем и нижнем регистре, а также множество символов. Различие вкачестве отображения показано на рис. 7, где сравниваются символы, отображаемыематрицей 5х7 и 16-сегментным индикатором.
/>
Рисунок1.5 — Светодиодные 7-ми, 14-ти и 16-сегментные индикаторы и светодиоднаяматрица 5х7
Светодиоднаяматрица 5х7 является еще более универсальной, позволяя отображать латинскийалфавит в верхнем и нижнем регистре, а также множество символов. Различие вкачестве отображения показано на рис. 1.6, где сравниваются символы, отображаемыематрицей 5х7 и 16-сегментным индикатором.
/>
/>
Рисунок1.6 — Сравнение матрицы 5 x 7 и «звездочного» индикатора
Большинствосветодиодных цифровых и буквенно-цифровых индикаторов в действительностиявляются гибридными, объединяя множество светодиодных индикаторов в одномкорпусе. Некоторые очень маленькие цифровые дисплеи являются действительномонолитными (например калькуляторы с очень маленькими цифрами и линзочкой,которые были популярными в 70-х). В любом из двух случаев, контур каждогосегмента формируется рефлектором и световой трубкой, а не самим светодиоднымкристаллом. Небольшие дисплеи используют один кристалл на сегмент, в то времякак большие дисплеи используют 2 или более кристаллов на сегмент, эффективноизлучая свет и обеспечивая приемлемую однородность яркости по всему сегменту.
Впроцессе производства, кристаллы монтируются либо на рамку, либо на печатнуюплату и соединяются проводами с внешними выводами. Кристаллы монтируются сприменением токопроводящей пасты, так как подложка является одним из двухвыводов диода (рис. 1.7). Внутренняя разводка индикаторов обычно объединяетлибо катоды, либо аноды кристаллов вместе, уменьшая число внешних выводов. Врезультате индикаторы подразделяются на индикаторы с общим анодом и индикаторыс общим катодом (рис. 1.8)
/>
Рисунок1.7 — Установка кристалла для формирования сегмента
Методмонтажа кристаллов на рамке подобен тому, который используется при производствеинтегральных схем. Рамка выполнена из посеребренной стали, обеспечивая хорошийтеплоотвод и светоотражение. Рефлекторный канал, формирующий световую трубкудля каждого сегмента, заполнен эпоксидной смолой, обеспечивая механическуюпрочность и защиту от окружающей среды.
Болеедешевый метод использует печатную подложку вместо рамки. Индикаторы,выполненные по такому методу, используются обычно для производства многоразрядныхдисплеев, например для часов. При использовании этого метода, индикатор незаполняется эпоксидной смолой, что уменьшает стоимость, но приводит кдеградации, вызванной загрязнением.
/>
Рисунок1.8 — Светодиодные цифровые индикаторы с общим анодом и с общим катодом
Электрическиехарактеристики светодиодов подобны другим полупроводниковым диодам. Прямоенапряжение светодиодов различно для различных структур p-n переходов, используемыхдля получения излучения разных цветов (рис. 1.9). Прямое напряжение светодиода обратнопропорционально росту температуры окружающей среды. Подобно всемполупроводниковым приборам, номинальные характеристики светодиодов должны бытьснижены при высоких рабочих температурах.
Оптическиехарактеристики светодиода также сильно зависят от температуры. Во-первых,световой поток, излучаемый светодиодом, падает при повышении температуры p-nперехода. Это происходит из-за возрастания вероятности безизлучательнойрекомбинации дырок и электронов, которая не вносит вклада в излучение света.Кроме того, длина волны излучаемого света также изменяется с температурой, восновном из-за изменения ширины запрещенной зоны.
/>
Рис.1.9 — Изменение прямого напряжения светодиода от тока и излучаемого цвета
Драйверысветодиодных индикаторов – статические и мультиплексные.
Самыйпростой способ управления светодиодами сегментов индикатора – управлять каждымсветодиодом, используя отдельный резистор или управляя прямым током. Этатехника управления называется статической, так как ток, протекающий черезсветодиод, непрерывен. Статическое управление применяется в основном длянебольшого числа светодиодов, например для 2-х 7-сегментных цифр.Высокоэкономичные светодиоды могут управляться током в 2 мА, который может бытьвзят с выходных портов микроконтроллеров.
Еслинеобходимо управлять множеством сегментов, статическое управление становитсянеэкономичным – 1 драйвер на 1 светодиод. Мультиплексное или импульсноеуправление снижает число управляющих соединений, используя стробированиенебольшого числа сегментов (обычно одну цифру). Стробирование происходит сбольшой частотой, так что человеческий глаз воспринимает изображение какнепрерывное. Однако при этом методе управления светодиодам требуется большийток для компенсации рабочего цикла (сохранения яркости).
Преимуществомимпульсного управления является то, что человеческий глаз ведет себя, отчасти,как интегрирующий фотометр, а отчасти как пиковый фотометр. В результатечеловеческий глаз воспринимает быстро пульсирующий свет где-то между пиком исредним значением яркости.
Эффективностьсветодиода обычно возрастает при увеличении прямого тока, при условиипостоянной температуры PN перехода. Но это не всегда так и характеристикисветодиода должны быть тщательно изучены (и сравнены) при выборе оптимальногопикового тока (рис. 1.10).
/>
Рисунок1.10 — Зависимость светового выхода от прямого тока
Встандартном варианте, в режиме мультиплексирования используется отдельный выводобщих катодов для каждой цифры, в то время как все аноды объединены для всехцифр. Число требуемых выводов может быть подсчитано как, 1 – для каждой цифры,плюс 1 — для каждого сегмента цифры. Более экономичная схема использованиявыводов в режиме мультиплексирования основана на том, что используется толькоодин вывод. Поскольку на вывод светодиода попеременно подается сигнал то отцифры, то от сегмента, то n выходов может использоваться для управления nцифрами и n-1 сегментами. Такой подход задан в светодиодном драйвере MaximMAX6951 для управления 8-ю цифрами на всего 9-ти ножках.
РАЗДЕЛ2 РАЗРАБОТКА СВЕТОДИОДНОЙ МАТРИЦЫ
2.1Постановка задачи
Требуетсяразработать светодиодную матрицу, которая будет использоваться в праздничные иторжественные дни, на дискотеках, создавая различные световые эффекты.
Разработкаустройства будет производиться с учётом следующих требований:
— простота схемы (минимальное количество компонентов);
— устойчивость к изменениям напряжения, долговечность;
— многообразие световых эффектов;
— низкое энергопотребление.
2.2Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации
Разработаемструктурную схему светодиодной матрицы для создания световых эффектов (Рисунок2.1).
Функциональнаяспецификация светодиодной матрицы:
1.Входы:
ЭлектропитаниеМК (ИП).
2.Выходы:
Управлениесветодиодной матрицей 5х5 (D1-D25).
3.Функции:
Привключении питания МК по заранее запрограммированной программе последний включаетнабор светодиодов светодиодной матрицы 5х5, создавая различные эффекты.
/>
Рисунок2.1 – Структурная схема светодиодной матрицы
Структурнаясхема имеет следующие условные обозначения:
— ИП – источник питания;
— МК – микроконтроллер;
— СМ 5х5 – светодиодная матрица 5х5.
Дляпроектирования выберем микроконтроллеры серии PIC16F628A. Выбор связанпростотой программирования, относительной дешевизной, надежностью, малым токомпотребления и рядом других признаков о которых будет сказано ниже и вПриложении А.
2.3Аппаратные средства микроконтроллеров серии PIC16F628А
PIC16F628A- Основные характеристики
ХарактеристикаRISC ядра:
Тактоваячастота от DC до 20МГц
Поддержкапрерываний 8-уровневый аппаратный стек
Прямая,косвенная и относительная адресация 35 однословных команд
— все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд ветвления и условияс истинным результатом
Особенностимикроконтроллеров:
Внешнийи внутренний режимы тактового генератора
— Прецизионный внутренний генератор 4МГц, нестабильность +/- 1%
— Энергосберегающий внутренний генератор 37кГц
— Режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора
Режимэнергосбережения SLEEP
Программируемыеподтягивающие резисторы на входах PORTB
Сторожевойтаймер WDT с отдельным генератором
Режимнизковольтного программирования
Программированиена плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)
Защитакода программы
Сброспо снижению напряжения питания BOR
Сброспо включению питания POR
Таймервключения питания PWRT и таймер запуска генератора OST
Широкийдиапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В
Промышленныйи расширенный температурный диапазон
Высокаявыносливость ячеек FLASH/EEPROM
— 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ
— 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных
— Период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет
Характеристикипониженного энергопотребления:
Режимэнергосбережения:
— 100нА @ 2.0В (тип.)
Режимыработы:
— 12мкА @ 32кГц, 2.0В (тип.)
— 120мкА @ 1МГц, 2.0В (тип.)
Генератортаймера TMR1:
— 1.2мкА, 32кГц, 2.0В (тип.)
Сторожевойтаймер:
— 1мкА @ 2.0В (тип.)
Двухскоростнойвнутренний генератор:
— Выбор скорости старта 4МГц или 37кГц
— Время выхода из SLEEP режима 3мкс @ 3.0В (тип.)
Периферия:
16каналов ввода/вывода с индивидуальными битами направления
Сильноточныесхемы портов сток/исток, допускающих непосредственное подключение светодиодов
Модульаналоговых компараторов:
— Два аналоговых компаратора
— Внутренний программируемый источник опорного напряжения
— Внутренний или внешний источник опорного напряжения
— Выходы компараторов могут быть подключены на выводы микроконтроллера
TMR0:8-разрядный таймер/счетчик с программируемым предделителем
TMR1:16-разрядный таймер/счетчик с внешним генератором
TMR2:8-разрядный таймер/счетчик с программируемым предделителем и постделителем
CCPмодуль:
— разрешение захвата 16 бит
— разрешение сравнения 16 бит
— 10-разрядный ШИМ
АдресуемыйUSART модуль
Таблица2.1 – Сравнительная характеристика микроконтроллеров PIC16FPICmicro Память программ (слов) Память данных Портов I/O CCP (ШИМ) USART Компар. Таймеры 8/16 бит ОЗУ (байт) EEPROM (байт) PIC16F627A 1024 224 128 16 1 + 2 2/1 PIC16F628A 2048 224 128 16 1 + 2 2/1 PIC16F648A 4096 256 256 16 1 + 2 2/1
Общийвид микроконтроллера PIC16F628A изображен на рисунке 2.2, а наименованиевыводов на рисунке 2.3.
/>
Рисунок2.2 — Общий вид микроконтроллера PIC16F628A
/>
Рисунок2.3 – Расположение выводов микроконтроллера PIC16F628A
/>
Рисунок2.4 – Структурная схема микроконтроллера PIC16F628A
2.4Разработка функциональной схемы устройства
Знаятип микроконтроллера, согласно п.1.1 разрабатываем функциональную схемусветодиодной матрицы (Рис. 2.5).
/>
/>/>/>/> МК«+»
/> 3,5-5В
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
Д
С
т
б
5
Д
С
т
б
4
Д
С
т
б
3
Д
С
т
б
2
Д
С
т
б
1 />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
ДСтр1
ДСтр2
ДСтр3
ДСтр4
ДСтр5 />/>/>/>/>/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Рисунок2.5 – Функциональная схема светодиодной матрицы:
ДСтр1-ДСтр5 – драйвер строки;
ДСтб1-ДСтб1- драйвер столбца.
2.5Разработка алгоритма управления
Мырассмотрим два случая световых эффектов для светодиодной матрицы.:
1. Эффект 1 — движущиеся строки и столбцы;
2. Универсальная программа дляпрограммирования любых световых эффектов. + пример работы — «вращающийсякрест».
Дляэффекта 1 алгоритм будет иметь вид, представленный на рисунке 2.6.
/>
Рисунок2.6 – Алгоритм программы эффекта 1 для светодиодной матрицы
Теперьсоставим алгоритм для универсальной программы (Рис. 2.7).
/>
Рисунок2.7 – Алгоритм универсальной программы для светодиодной матрицы
Контроллеруправляет драйверами строк и столбцов светодиодной матрицы, в качестве которыхвыступают обычные биполярные транзисторы.
Чтобыподключить строки 1, 2, 3, 4, 5 к шине питания — нужно подать «1» навыходы контроллера RA2, RA3, RA1, RA7, RA6 соответственно, а для того, чтобыподключить столбцы 1, 2, 3, 4, 5 к нулевой шине (к земле) — нужно подать«0» на выходы контроллера RB3, RB4, RB5, RB6, RB7 соответственно.
Дляпервого и второго варианта основная проблема нашей матрицы в том, что на нейневозможно включить несколько произвольных светодиодов одновременно в разныхстроках и столбцах. Однако, в одном столбце (или строке) одновременно включитьнесколько произвольных светодиодов можно. Но! Если мы будем включать нужные намсветодиоды, например, построчно, при этом очень быстро меняя строки, то дляглаза рисунок сольется и будет казаться точно таким же, как если бы мыпроизвольно включили несколько светодиодов в разных строках и столбцах.
Тоесть, фактически, картинка показывается за пять циклов: сначала первая строка,потом вторая, потом третья и так далее до пятой строки, после чего все циклыповторяются, но, за счет очень быстрого переключения строк, мы видим одинстатичный кадр (фрейм) — Рисунок 2.8.
/>
Рисунок2.8 – Пример фрейма
Таккак каждый фрейм у нас состоит из пяти строк, в каждой из которых по пятьстолбцов, то весь фрейм кодируется 5*5 битами. Для удобства будем использоватьодин байт на столбец (старшие три бита использовать не будем), итого получим 5байт на фрейм.
Переключаятакие псевдостатичные картинки (но уже с различимой для глаза скоростью) можнополучить динамическое изображение. Шесть (к примеру) фреймов для нашей матрицызаймут в памяти 5*6=30 байт. Фреймы можно хранить в памяти данных EEPROM. Онаимеет размер 128 байт, то есть позволяет хранить до 25 фреймов. Посчитаем:25*5=125 + 2 байта (для хранения информации о количестве загруженных фреймов ио скорости смены фреймов).
Еслисоединить контроллер с компьютером через USART, то можно будет загружать фреймыпрямо с компьютера.
Светодиодзагорается в том случае, если он подключен и к питанию и к земле.
Внашем примере мы будем загружать фреймы из EEPROM в ОЗУ, причём только внулевой банк, в котором, за вычетом всех пользовательских переменных, на фреймыостается 86 байт, то есть максимум 17 фреймов.
Дляреализации динамической картинки «вращающийся крест» нам понадобится6 фреймов (Рисунок 2.9).
/>
Рисунок2.9 – Реализация картинки «вращающийся крест»
2.6 Разработка программного обеспечениямикроконтроллера
Мырассмотрим программы для двух случаев, как было описано в п.2.4.
Листингпрограммы для первого случая (Эффект-1) приведен в Приложении Б, а для эффекта«Вращающийся крест» в Приложении В.
2.7 Выбор, описание и расчеты элементнойбазы
Рассмотримпринципиальную схему (Приложение Д).
ТранзисторыVT1- VT5 — это драйверы строк (в открытом состоянии они подключают соответствующиестроки к шине питания), VT6 — VT10 — драйверы столбцов (в открытом состоянииони подключают соответствующие столбцы к земле). Когда на базы транзисторовVT1-VT5 подан высокий уровень («1») — они открываются, когда низкий(«0») — закрываются. Для транзисторов VT6 — VT10 все наоборот, — когда на базах высокий уровень («1») — транзисторы закрыты, а когданизкий («0») — открыты. Если светодиод оказывается подключен и кземле и к питанию — через него начинает протекать ток, и, соответственно, онсветится.
Использованиедрайверов обусловлено тем, что максимальный ток порта ввода/вывода ограничен25мА, а при полностью включенной строке или столбце суммарный ток светодиодов порядка50 мА, т.е. мы не можем подключать строки и столбцы непосредственно к выводам контроллера.
Элементы:
R1-R25 = 220 Ом. Эти резисторы являются токоограничивающими (ограничивают токи,протекающие через светодиоды). В общем-то светодиоды бывают разные — у однихноминальный ток 10мА, у других 5 мА, у одних падение 1,5В, у других 2В и т.д.Как в общем случае посчитать номинал токоограничивающего резистора?
RTO=(UПИТ-UD-UTR1-UTR2)/IНОМ, (2.1)
гдеUПИТ — напряжение питания,
UD — падение напряжения на светодиоде,
UTR1 — падение напряжения (коллектор-эмиттер) на открытом транзисторе 1 (драйверстроки),
UTR2 — падение напряжения (коллектор-эмитер) на открытом транзисторе 2 (драйверстолбца),
IНОМ — номинальный ток светодиода.
R26- R35 = 470 Ом. Эти резисторы ограничивают токи баз транзисторов.
R36= 1 кОм. Резистор, подтягивающий -MCLR к питанию.
С1= 0,1 мкФ. Конденсатор, фильтрующий ВЧ помехи по питанию контроллера .
VT1- VT5 = КТ315 (падение напряжения в открытом состоянии 0,4 В);
VT6- VT10 = КТ361 (падение напряжения в открытом состоянии 0,4 В).
Спецификацияэлементной базы приведена в Приложении Ж.
2.8 Разработка схемы электрическойпринципиальной
Поимеющемуся набору данных построим электрическую схему светодиодной матрицы вСАПР Accel Eda (Рис. 2.10).
/>
Рисунок2.10 – Схема электрическая принципиальная светодиодной матрицы в САПР Accel Eda
3ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ
Вданном разделе проводится технико-экономический расчет стоимости светодиоднойматрицы.
Стоимостьустройства будет состоять из стоимости разработки ПО для микроконтроллера,стоимости разработки конструкторской документации (КД) и стоимости сборки ииспытания устройства.
3.1 Расчетрасходов на ПО, которое разрабатывается
Исходныеданные для расчета стоимости разработки ПО, которое разрабатывается приведены втаблице 3.1.
Таблица 3.1 – Исходные данные по предприятию №п/п Статьи затрат Усл. обоз. Ед. изм. Значения
Проектирование и разработка ПО
1 Часовая тарифная ставка программиста
Зпр грн. 8,00
2 Коэффициент сложности программы с коэф. 1,40
3 Коэффициент коррекции программы Р коэф. 0,05
4 Коэффициент увеличения расходов труда Z коэф. 1,3
5 Коэффициент квалификации программиста k коэф. 1,0
6 Амортизационные отчисления
Амт % 10,0
7 Мощность компьютера, принтера
WМ Квт/ч 0,40
8
Стоимость ПЕОМ IBM
Sempron LE1150(AM2)/1GB/TFT
Втз грн. 3200,00 9 Тариф на электроэнергию
Це/е грн. 0,56 10 Норма дополнительной зарплаты
Нд % 10,0 11 Отчисление на социальные расходы
Нсоц % 37,2 12 Транспортно-заготовительные расходы
Нтр % 4,0 Эксплуатация П0
13 Численность обслуживающего персонала
Чо чел 1
14 Часовая тарифная ставка обслуживающего персонала
Зпер грн. 6,00 15 Время обслуживания систем
То час/г 150 16 Стоимость ПЕОМ
Втз грн. 3200,00 17 Норма амортизационных отчислений на ПЕОМ
На % 10,0 18 Норма амортизационных отчислений на ПЗ
НаПО % 10,0 19 Накладные расходы
Рнак % 25,0 20 Отчисление на содержание и ремонт ПЕОМ
Нр % 10,0 21 Стоимость работы одного часа ПЕОМ
Вг грн. 6,5
Первичнымиисходными данными для определения себестоимости ПО является количество исходныхкоманд (операторов) конечного программного продукта. Условное количествооператоров Q в программе задания может быть оценено по формуле:
/>, (3.1)
где у – расчетное количествооператоров в программе, что разрабатывается (единиц);
с –коэффициент сложности программы;
р –коэффициент коррекции программы в ходе ее разработки.
Рассчитанноеколичество операторов в разработанной программе – 500.
Коэффициентс – относительная сложность задания относительноотношения к типичной задаче, сложность которой принята более 1, лежит в границахот 1,25 до 2,0 и выбирается равным 1,30.
Коэффициент коррекции программы р–увеличение объема работ за счет внесения изменений в программу лежит в границахот 0,05 до 0,1 и выбирается равным 0,05.
Подставимвыбранные значения в формулу (3.1) и определим величину Q:
Q= 200∙1,3 (1 + 0,05) = 273.
3.2 Расчетрасходов на создание ПО
Расчетрасходов на ПО проводится методом калькуляции расходов, в основу которогоположена трудоемкость и заработная плата разработчиков. Трудоемкость разработкиПО рассчитывается по формуле:
/> (3.2)
где То– расходы труда на описание задания;
Ти –расходы труда на изучение описания задания;
Та– расходы труда на разработку алгоритма решениязадания;
Тп –расходы труда на составление программы по готовой блок-схеме;
Тотл– расходы труда на отладку программы на ЭВМ;
Тд– расходы труда на подготовку документации.
Составные расходы труда, в свою очередь, можноопределить по числу операторов Q для ПО, которое разрабатывается. При оценкерасходов труда используются:
— коэффициенты квалификации разработчика алгоритмов и программ – k;
– увеличениерасходов труда в результате недостаточного описания задания – Z.
Коэффициентквалификации разработчика характеризует меру подготовленности исполнителя кпорученной ему работе (он задается в зависимости от стажа работы), k = 1,0.
Коэффициентувеличения расходов труда в результате недостаточного описания заданияхарактеризует качество постановки задания, выданного для разработки программы,в связи с тем, что задание требовало уточнения и некоторой доработки. Этоткоэффициент принимается равным 1,3.
Всеисходные данные приведенные в таблице 3.1.
а)Трудоемкость разработки П0 составляет:
Расходы трудана подготовку описания задания То принимаются равными 5 чел/час,исходя из опыта работы.
Расходы трудана изучение описания задания Те с учетом уточнения описания иквалификации программиста могут быть определены по формуле:
/>; (3.3)
Ти=273∙1,3/80∙1 = 5(чел/час)
Расходы трудана разработку алгоритма решения задачи рассчитываются поформуле:
/>; (3.4)
Та=273/25∙1= 11 (чел/час)
Расходы труда на составление программы по готовойблок-схеме Тп рассчитываются по формуле:
/>; (3.5)
/> (чел/час)
Расходы труда на отладку программы на ПЕОМ Тотлрассчитываются по формуле:
- при автономнойотладке одного задания:
-
/>; (3.6)
/> (чел/час)
- при комплексной отладке задания:
/>; (3.7)
/> (чел/час)
Расходы труда на подготовку документации по заданию Тдопределяются по формуле:
/>, (3.8)
где Тдр– расходы труда на подготовку материалов врукописи:
/>; (3.9)
/>(чел/час)
Тдо– расходы труда на редактирование, печать иоформление документация:
/>. (3.10)
/>(чел/час)
Подставляя приобретенных значений вформулу (3.8), получим:
/> (чел/час)
Определимтрудоемкость разработки ПО, подставив полученные значения составляющих вформулу (3.2):
/>
Расчеттрудоемкости и зарплаты приведен в таблице 3.2.
Таблица3.2 – Трудоемкость и зарплата разработчиков ПОНаименование этапов разработки Трудоемкость чел/часов Почасовая тарифная ставка программиста, грн. Сумма зарплаты, грн. Описание задания 5 8,00 40,00 Изучение задания 5 8,00 40,00 Составление алгоритма решения задачи 11 8,00 88,00 Программирование 13 8,00 104,00 Отладка программы 55 8,00 440,00 Оформление документации 25 8,00 200,00 ВСЕГО: 114 8,00 912,00
б) Расчетматериальных расходов на разработку ПО
Материальные расходы Мз, которые необходимыдля создания ПО приведены в таблице 3.3.
Таблица3.3 – Расчет материальных расходов на разработку ПОМатериал Фактическое количество Цена за единицу, грн. Сумма, грн. 1. DVD 2 3,00 6,00 2. Бумага 500 0,10 50,00 ВСЕГО: 56,00 ТЗР (4%) 2,24 ИТОГО: 57,24
в) Расходы наиспользование ЭВМ при разработке ПО
Расходы наиспользование ЭВМ при разработке ПО рассчитываются, исходя расходов одногочаса, по формуле:
/>, (3.12)
где Вг – стоимость работы одного часа ЭВМ, грн.;
Тотл– расходы труда на наладку программы на ЭВМ, чел./час.;
Тд–расходы труда на подготовку документации, чел./час.;
Тп– расходы труда на составление программы по готовойблок-схеме, чел./час.
/> (грн.)
г)Расчет технологической себестоимости создания программы
Расчеттехнологической себестоимости создания программы проводится методом калькуляциирасходов (таблица 3.4).
Таблица3.4 – Калькуляция технологических расходов на создание ПО Наименование Расходы, грн. 1 Материальные расходы 57,24 2 Основная зарплата 912,00 3 Дополнительная зарплата (15,0 %) 136,80 4 Отчисление на социальные мероприятия (37,2 %) 390,15 5 Накладные расходы (25,0 %) 228,00 6
Расходы на использование ЭВМ
составлении программного обеспечения ПО 604,50 7 Себестоимость ПО микроконтроллера 2328,69
Втаблице 3.4 величина материальных расходов Мз рассчитана в таблице3.3, основная зарплата Со берется из таблицы 3.2, дополнительнаязарплата составляет 15% от основной зарплаты, отчисление на социальныепотребности – 37,2% от основной и дополнительной зарплат (вместе), накладныерасходы – 25% от основной зарплаты. Себестоимость разработанной программы СПОрассчитывается как сумма пунктов 1 – 6.
СтоимостьПО для микроконтроллера составляет 2328,69 грн.на единицу продукции. Если организовать массовый выпуск продукции эта стоимостьразделится на количество выпущенных изделий.
3.3Расчет стоимости разработки конструкторской документации и сборки устройства
а)Трудоемкость разработки КД изделия (Т)рассчитывается по формуле:
/>, (3.13)
где Татз – расходы труда на анализ технического задания (ТЗ), чел./час;
Трес– расходы труда на разработку электрических схем, чел./час;
Трк– расходы труда на разработку конструкции, чел./час;
Трт–расходы труда на разработку технологии, чел./час;
Токд–расходы труда на оформление КД, чел./час;
Твидз– расходы труда на изготовление и испытание опытного образца, чел./час.
Данныерасчета заносятся в таблицу 3.5.
Заработнаяплата на разработку КД изделия определяется по формуле:
/>, (3.14)
где /> - почасоваятарифная ставка разработчика, грн.;
/> - трудоемкостьразработки КД изделия.
Таблица3.5 — Расчет заработной платы на разработку КД изделияВиды работ Условные обозначения
Почасовая тарифная ставка
Сст, грн. Факт. расходы времени чел./час; Зарплата, грн. 1. Анализ ТЗ
Татз 6,00 2 12,00 2. Разработка электрических схем
Трес 6,00 4 24,00 3. Разработка конструкции
Трк 6,00 4 24,00 4. Разработка технологии
Трт 6,00 2 12,00 5. Оформление КД
Токд 6,00 2 12,00 6. Изготовление и испытание опытного образца
Твидз 6,00 8 48,00 Всего: å 6,00 22 132,00
б)Расчет материальных расходов на разработку КД
Материальныерасходы Мв, которые необходимы для разработки (создании) КД,приведены в таблице 3.6.
Таблица3.6 — Расчет материальных расходов на разработку КД Материал Обозначение пометь.
Факт. кол.
чество
Цена за ед. грн.
цу, грн.
Сумма,
грн. 1. CD DVD 2 3,00 6,00 2. Бумага 500 0,07 35,00 ВСЕГО: å 41,00 ТЗР (4%) 1,64 Итого:
Мв 42,64
в)Расходы на использование ЭВМ при разработке КД
Расходы,на использование ЭВМ при разработке КД, рассчитываются исходя из расходовработы одного часа ЭВМ по формуле, грн.:
/>, (3.15)
где Вг – стоимость работы одного часа ЭВМ, грн.
Трес– расходы труда на разработку электрических схем, чел./час;
Трк–расходы труда на разработку конструкции, чел./час;
Трт–расходы труда на разработку технологии, чел./час;
Токд–расходы труда на оформление КД, чел./час;
Приэтом, стоимость работы одного часа ЭВМ (других технических средств — ТС) Вгопределяется по формуле, грн.:
/>, (3.16)
где Те/е – расходы на электроэнергию, грн.;
Ваморт– величина 1-ого часа амортизации ЭВМ (ТС), грн.;
Зперс– почасовая зарплата обслуживающего персонала, грн.;
Трем– расходы на ремонт, покупку деталей, грн.;
Стоимостьодного часа амортизации Ваморт определяется по формуле, грн.: (при 40часовой рабочей неделе)
/>, (3.17)
где Втз — стоимость технических средств, грн.
На — норма годовой амортизации (%).
Кт — количество недель на год (52 недели/год).
Гт — количество рабочих часов в неделю (40час/неделя)
Почасоваяоплата обслуживающего персонала Зперсрассчитывается по формуле, грн.:
/>, (3.18)
гдеОкл — месячный оклад обслуживающего персонала, грн.
Крг — количество рабочих часов в месяц (160 часов/месяц);
Нрем- расходы на оплату труда ремонта ЭВМ (6 % Окл).
Расходына ремонт, покупку деталей для ЭВМ Трем определяются по формуле, грн.:
/>, (3.19)
где Втз — стоимость технических средств, грн.
Нрем — процент расходов на ремонт, покупку деталей (%);
Кт — количество недель на год (52 недели/год).
Гт — количество рабочих часов в неделю (36 ¸168 час./неделя)
Расходына использование электроэнергии ЭВМ и техническими средствами Те/еопределяются по формуле, грн.:
/>, (3.20)
где Ве/е – стоимость одного кВт/час электроэнергии, грн.;
Wпот– мощность компьютера, принтера и сканера (за 1 час), (кВт/час.).
Такимобразом, стоимость одного часа работы ЭВМ при разработке КД будет составлять(см. формулу 3.16), грн.:
/>.
Расходына использование ЭВМ при разработке, грн. (см. формулу 3.15):
/>
г)Расчет технологической себестоимости создания КД
Расчеттехнологической себестоимости создания КД изделия проводится методомкалькуляции расходов (таблица 3.7).
Втаблице 3.7 величина материальных расходов Мв рассчитана в таблице3.6, основная зарплата Со берется из таблицы 3.5, дополнительнаязарплата 15 % от основной зарплаты, отчисление на социальные мероприятия 37,2%- от основной и дополнительной зарплаты (вместе). Накладные расходы 25% отосновной зарплаты. Себестоимость разработанной конструкторской документации Скдрассчитывается как сумма пунктов 1–6.
Таблица3.7 — Калькуляция технологических расходов на создание КДизделия
№
п/п Наименование статей Условные обозначения Расходы (грн.) 1 2 3 4 1. Материальные расходы
Мв 42,64 2. Основная зарплата
Зо 132,00 3. Дополнительная зарплата
Зд 19,80 4. Отчисление на социальные мероприятия
37,2%(Зо+Зд) 56,47 5. Общепроизводственные (накладные) расходы предприятия
Ннакл 33,00 6. Расходы на использование ЭВМ при составлении программного обеспечения КД
ВЕОМ 26,60 7. Себестоимость КД изделия
Скд= å (1¸6) 310,51 3.4 Расчет расходовна стадии производства изделия
Себестоимостьизделия которое разрабатывается рассчитывается на основе норм материальных итрудовых расходов. Среди исходных данных, которые используются для расчетасебестоимости изделия, выделяют нормы расходов сырья и основных материалов наодно изделие.
Таблица3.8 -Расчет расходов на сырье и основные материалы на одно изделиеМатериалы
Норма расходов
(единиц) Оптовая цена грн./ед.
Фактические расходы
(единиц)
Сумма
грн. 1 2 3 4 5
Стеклотекстолит СФ-2-35
(лист 1,0 ГОСТ 10316 — 78), кг 0,5 24,00 0,4 9,60 Припой ПОС — 61 (ГОСТ 21930 — 76), кг 0,05 18.00 0,05 0,90 Всего: 10,50 Транспортно-заготовительные расходы (4%) 0,42 Итого: 10,92
Входе расчета себестоимости изделия, как исходные данные, используют спецификацииматериалов, покупных комплектующих изделий и полуфабрикатов, которыеиспользуются при сборке одного изделия (Таблица 3.9).
Расчетзарплаты основных производственных рабочих проводим на основе норм трудоемкостипо видам работ и по часовым ставкам рабочих (таблица 3.10).
Таблица3.9 – Расчет расходов покупных комплектующих изделий и полуфабрикатов№ Наименование Тип, модель Источник Цена за единицу, грн. Количество в изделии, шт. Сумма, грн 1 Микроконтроллер PIC16F628A
www.
elfa-
elektro-
nics.com 33,13 1 33,13 2 Конденсатор К31-11-1Г-22 пФ -«-«-«- 0,14 1 0,14 3 Резистор МЛТ- 0,125 -«-«-«- 0,13 36 4,68 4 Транзистор КТ 315 Г -«-«-«- 0,41 5 2,05 5 Транзистор КТ361Б -«-«-«- 0,41 5 2,05 6 Светодиод АЛС 307Б -«-«-«- 0,24 25 6,00 Всего: 48,05 Транспортно-заготовительные расходы (4%) /> /> /> /> 1,92 ИТОГО 49,97
Таблица3.10 — Расчет основной зарплаты Наименование операции Почасовая тарифная ставка, грн. Норма времени чел./час. Сдельная зарплата, грн. 1 2 3 4 Заготовительная 5,67 1 5,67 Фрезерная 5,67 1 5,67 Слесарная 5,67 1 5,67 Гравировка 5,67 1 5,67 Фотохимпечать 5,67 2 11,34 Гальваническая 5,67 2 11,34 Маркировочная 5,67 1 5,67 Сборка 5,67 2 11,34 Монтаж 5,67 1 5,67 Настройка 5,67 2 11,34 Другие - - - Всего: 14 62,37
Калькуляциясебестоимости и определения цены выполняется в таблице 3.10.
Таблица3.10 — Калькуляция себестоимости и определения цены изделия Наименование статей расходов Расходы грн. 1 2 Сырье и материалы 10,92 Покупные комплектующие изделия 49,97 Основная зарплата рабочих 62,37 Дополнительная зарплата (15%) 9,36 Отчисление на социальные мероприятия (37,2%) 26,68 Накладные расходы (25% ) 15,59 Стоимость КД 310,51 Общая стоимость светодиодной матрицы 485,40
Общаястоимость изделия будет составлять:
Собщ.= С прог. + С баз. Бл. (3.21)
гдеС прог. – себестоимость составления программы для микроконтроллера;
Сбаз. Бл – себестоимость подготовки КД и сборки устройства.
Приединичном изготовлении:
Собщ.= 2328,69+ 485,40 = 2814,09 (грн.).
При производстве 100 единиц продукции:
Собщ.100= 200,51 грн.
Припроизводстве 1000 изделий:
Собщ.1000= 177,53 грн.
Прирасчете не учитывалось снижение цены на покупные комплектующие изделия иполуфабрикаты, т.к. эта величина при оптовой закупке будет зависеть от величиныпартии.
Проведеммаркетинговые исследования аналогичных устройств.
3.5Анализ устройств-аналогов
Прианализе рынка сбыта аналогичных устройств, были выяснены стоимость и функциивыполняемые данными устройствами.
Таблица3.11 – Сравнительная характеристика устройств-аналогов
Название
устройства Выполняемые функции Стоимость устройства, грн. Питающее напряжение Примечания
Без названия
(Китай) Разнообразные сочетания: от звезды до квадрата 160 220
MATRIZA-1
(Германия)
1.бегущие в ряд огни;
2.бегущие крестом;
3.перемещение линиями 120 220
Проектируемое
устройство Выполняет 6 различных функций 177,53
постоянное
12 В
Требуется
дополнительный источник питания
Прианализе устройств-аналогов выяснилось, что характеристики устройств аналогичны,как и выполняемые функции. Достоинство нашего устройства: количествовыполняемых функций больше, чем у аналогов, существует возможность подключенияустройства к сети автомобиля, но для питания от сети потребуется дополнительныйисточник питания, а это дополнительные расходы.
РАЗДЕЛ4 ОХРАНА ТРУДА
Внастоящее время компьютерная техника широко применяется во всех областяхдеятельности человека. При работе с компьютером человек подвергаетсявоздействию ряда опасных и вредных производственных факторов: электромагнитныхполей (диапазон радиочастот: ВЧ, УВЧ и СВЧ), инфракрасного и ионизирующегоизлучений, шума и вибрации, статического электричества и др..
Работас компьютером характеризуется значительным умственным напряжением и нервно-эмоциональнойнагрузкой операторов, высокой напряженностью зрительной работы и достаточнобольшой нагрузкой на мышцы рук при работе с клавиатурой ЭВМ. Большое значениеимеет рациональная конструкция и расположение элементов рабочего места, чтоважно для поддержания оптимальной рабочей позы человека-оператора.
Впроцессе работы с компьютером необходимо соблюдать правильный режим труда иотдыха. В противном случае у персонала отмечаются значительное напряжениезрительного аппарата с появлением жалоб на неудовлетворенность работой,головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненныеощущения в глазах, в пояснице, в области шеи и руках.
4.1Требования к производственным помещениям
4.1.1Окраска и коэффициенты отражения
Источникисвета, такие как светильники и окна, которые дают отражение от поверхностиэкрана, значительно ухудшают точность знаков и влекут за собой помехифизиологического характера, которые могут выразиться в значительном напряжении,особенно при продолжительной работе. Отражение, включая отражения от вторичныхисточников света, должно быть сведено к минимуму.
Длязащиты от избыточной яркости окон могут быть применены шторы и экраны.
Окраскапомещений и мебели должна способствовать созданию благоприятных условий длязрительного восприятия, хорошего настроения.
Взависимости от ориентации окон рекомендуется следующая окраска стен и пола:
окнаориентированы на юг: — стены зеленовато-голубого или светло-голубого цвета; пол- зеленый;
окнаориентированы на север: — стены светло-оранжевого или оранжево-желтого цвета;пол — красновато-оранжевый;
окнаориентированы на восток: — стены желто-зеленого цвета; пол зеленый иликрасновато-оранжевый;
окнаориентированы на запад: — стены желто-зеленого или голубовато-зеленого цвета;пол зеленый или красновато-оранжевый.
Впомещениях, где находится компьютер, необходимо обеспечить следующие величиныкоэффициента отражения: для потолка: 60-70%, для стен: 40-50%, для пола: около30%. Для других поверхностей и рабочей мебели: 30-40%.
4.1.2Освещение
Правильноспроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условиязрительной работы, снижает утомляемость, способствует повышениюпроизводительности труда, благотворно влияет на производственную среду,оказывая положительное психологическое воздействие на работника, повышаетбезопасность труда и снижает травматизм.
Недостаточностьосвещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит кнаступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызываетослепление, раздражение и резь в глазах.
Неправильноенаправление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики,дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастномуслучаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчетосвещенности.
Существуеттри вида освещения — естественное, искусственное и совмещенное (естественное иискусственное вместе).
Естественноеосвещение — освещение помещений дневным светом, проникающим через световыепроемы в наружных ограждающих конструкциях помещений.
Естественноеосвещение характеризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости отвремени дня, времени года, характера области и ряда других факторов.
Искусственноеосвещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удаетсяобеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения(пасмурная погода, короткий световой день).
Освещение,при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняетсяискусственным, называется совмещенным освещением.
Искусственноеосвещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное.Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или комбинированным. Общее- освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещенияравномерно или применительно к расположению оборудования. Комбинированное — освещение, при котором к общему добавляется местное освещение.
СогласноСНиП II-4-79 в помещений вычислительных центров необходимо применить системукомбинированного освещения.
Привыполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размеробъекта различения 0,3…0,5мм) величина коэффициента естественного освещения(КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней точности(наименьший размер объекта различения 0,5…1,0 мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%.В качестве источников искусственного освещения обычно используютсялюминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединяются всветильники, которые должны располагаться над рабочими поверхностями равномерно.
Требованияк освещенности в помещениях, где установлены компьютеры, следующие: привыполнении зрительных работ высокой точности общая освещенность должнасоставлять 300лк, а комбинированная — 750лк; аналогичные требования привыполнении работ средней точности — 200 и 300лк соответственно.
Крометого все поле зрения должно быть освещено достаточно равномерно – это основноегигиеническое требование. Иными словами, степень освещения помещения и яркостьэкрана компьютера должны быть примерно одинаковыми, т.к. яркий свет в районепериферийного зрения значительно увеличивает напряженность глаз и, какследствие, приводит к их быстрой утомляемости.
4.1.3Параметры микроклимата
Параметрымикроклимата могут меняться в широких пределах, в то время как необходимым условиемжизнедеятельности человека является поддержание постоянства температуры телаблагодаря терморегуляции, т.е. способности организма регулировать отдачу теплав окружающую среду. Принцип нормирования микроклимата – создание оптимальныхусловий для теплообмена тела человека с окружающей средой.
Вычислительнаятехника является источником существенных тепловыделений, что может привести кповышению температуры и снижению относительной влажности в помещении. Впомещениях, где установлены компьютеры, должны соблюдаться определенныепараметры микроклимата. В санитарных нормах СН-245-71 установлены величиныпараметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормыустанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса ихарактера производственного помещения (см. табл. 4.1)
Объемпомещений, в которых размещены работники вычислительных центров, не должен бытьменьше 19,5м3/человека с учетом максимального числа одновременноработающих в смену. Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположеныкомпьютеры, приведены в табл. 4.2.
Дляобеспечения комфортных условий используются как организационные методы(рациональная организация проведения работ в зависимости от времени года исуток, чередование труда и отдыха), так и технические средства (вентиляция,кондиционирование воздуха, отопительная система).
Таблица4.1- Параметры микроклимата для помещений, где установлены компьютерыПериод года Параметр микроклимата Величина Холодный Температура воздуха в помещении 22…24°С Относительная влажность 40…60% Скорость движения воздуха до 0,1м/с Теплый Температура воздуха в помещении 23…25°С Относительная влажность 40…60% Скорость движения воздуха 0,1…0,2м/с
Таблица4.2 — Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютерыХарактеристика помещения
Объемный расход подаваемого в помещение свежего воздуха, м3 /на одного человека в час
Объем до 20м3 на человека Не менее 30
20…40м3 на человека Не менее 20
Более 40м3 на человека Естественная вентиляция
4.1.4Шум и вибрация
Шумухудшает условия труда оказывая вредное действие на организм человека.Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытываютраздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышеннуюутомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т. д. Такие нарушения в работеряда органов и систем организма человека могут вызвать негативные изменения вэмоциональном состоянии человека вплоть до стрессовых. Под воздействием шумаснижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляетсяусталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическимнапряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человекаи его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействиеинтенсивного шума [выше 80 дБ(А)] на слух человека приводит к его частичной илиполной потере.
Втабл. 4.3 указаны предельные уровни звука в зависимости от категории тяжести инапряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохранения здоровья иработоспособности.
Таблица4.3 — Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местахКатегория напряженности труда Категория тяжести труда Легкая Средняя Тяжелая Очень тяжелая I. Мало напряженный 80 80 75 75 II. Умеренно напряженный 70 70 65 65 III. Напряженный 60 60 - - IV. Очень напряженный 50 50 - -
Уровеньшума на рабочем месте математиков-программистов и операторов видеоматериалов недолжен превышать 50дБА, а в залах обработки информации на вычислительныхмашинах — 65дБА. Для снижения уровня шума стены и потолок помещений, гдеустановлены компьютеры, могут быть облицованы звукопоглощающими материалами.Уровень вибрации в помещениях вычислительных центров может быть снижен путемустановки оборудования на специальные виброизоляторы.
4.1.5Электромагнитное и ионизирующее излучения
Большинствоученых считают, что как кратковременное, так и длительное воздействие всехвидов излучения от экрана монитора не опасно для здоровья персонала,обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих данных относительно опасностивоздействия излучения от мониторов на работающих с компьютерами не существует иисследования в этом направлении продолжаются.
Допустимыезначения параметров неионизирующих электромагнитных излучений от мониторакомпьютера представлены в табл. 4.4.
Максимальныйуровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора компьютера обычноне превышает 10мкбэр/ч, а интенсивность ультрафиолетового и инфракрасногоизлучений от экрана монитора лежит в пределах 10-100мВт/м2.
Таблица4.4 — Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений(в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96)Наименование параметра Допустимые значения Напряженность электрической составляющей электромагнитного поля на расстоянии 50см от поверхности видеомонитора 10В/м
Напряженность магнитной составляющей электромагнитного
поля на расстоянии 50см от поверхности видеомонитора 0,3А/м
Напряженность электростатического поля не должна превышать:
для взрослых пользователей
для детей дошкольных учреждений и учащихся средних специальных и высших учебных заведений
20кВ/м
15кВ/м
Дляснижения воздействия этих видов излучения рекомендуется применять мониторы спониженным уровнем излучения (MPR-II, TCO-92, TCO-99), устанавливать защитныеэкраны, а также соблюдать регламентированные режимы труда и отдыха.
4.2Эргономические требования к рабочему месту
Проектированиерабочих мест, снабженных видеотерминалами, относится к числу важных проблемэргономического проектирования в области вычислительной техники.
Рабочееместо и взаимное расположение всех его элементов должно соответствоватьантропометрическим, физическим и психологическим требованиям. Большое значениеимеет также характер работы. В частности, при организации рабочего местапрограммиста должны быть соблюдены следующие основные условия: оптимальноеразмещение оборудования, входящего в состав рабочего места и достаточноерабочее пространство, позволяющее осуществлять все необходимые движения иперемещения.
Эргономическимиаспектами проектирования видеотерминальных рабочих мест, в частности, являются:высота рабочей поверхности, размеры пространства для ног, требования красположению документов на рабочем месте (наличие и размеры подставки длядокументов, возможность различного размещения документов, расстояние от глазпользователя до экрана, документа, клавиатуры и т.д.), характеристики рабочегокресла, требования к поверхности рабочего стола, регулируемость элементоврабочего места.
Главнымиэлементами рабочего места программиста являются стол и кресло.
Основнымрабочим положением является положение сидя.
Рабочаяпоза сидя вызывает минимальное утомление программиста.
Рациональнаяпланировка рабочего места предусматривает четкий порядок и постоянстворазмещения предметов, средств труда и документации. То, что требуется длявыполнения работ чаще, расположено в зоне легкой досягаемости рабочегопространства.
Моторноеполе — пространство рабочего места, в котором могут осуществляться двигательныедействия человека.
Максимальнаязона досягаемости рук — это часть моторного поля рабочего места, ограниченногодугами, описываемыми максимально вытянутыми руками при движении их в плечевомсуставе.
Оптимальнаязона — часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемымипредплечьями при движении в локтевых суставах с опорой в точке локтя и с относительнонеподвижным плечом.
Оптимальноеразмещение предметов труда и документации в зонах досягаемости:
ДИСПЛЕЙразмещается в зоне а (в центре);
СИСТЕМНЫЙБЛОК размещается в предусмотренной нише стола;
КЛАВИАТУРА- в зоне г/д;
«МЫШЬ»- в зоне в справа;
СКАНЕРв зоне а/б (слева);
ПРИНТЕРнаходится в зоне а (справа);
ДОКУМЕНТАЦИЯ:необходимая при работе — в зоне легкой досягаемости ладони – в, а в выдвижныхящиках стола — литература, неиспользуемая постоянно.
Нарис. 4.1 показан пример размещения основных и периферийных составляющих ПК нарабочем столе программиста.
Длякомфортной работы стол должен удовлетворять следующим условиям :
— высота стола должна быть выбрана с учетом возможности сидеть свободно, вудобной позе, при необходимости опираясь на подлокотники;
— нижняя часть стола должна быть сконструирована так, чтобы программист могудобно сидеть, не был вынужден поджимать ноги;
— поверхность стола должна обладать свойствами, исключающими появление бликов в полезрения программиста;
— конструкция стола должна предусматривать наличие выдвижных ящиков (не менее 3для хранения документации, листингов, канцелярских принадлежностей);
/>
Рисунок4.1- Размещения основных и периферийных составляющих ПК на рабочем столепрограммиста:
1– сканер, 2 – монитор, 3 – принтер, 4 – поверхность рабочего стола,
5– клавиатура, 6 – манипулятор типа «мышь».
— высота рабочей поверхности рекомендуется в пределах 680-760мм;
— высота поверхности, на которую устанавливается клавиатура, должна быть около650мм.
Большоезначение придается характеристикам рабочего кресла. Так, рекомендуемая высотасиденья над уровнем пола находится в пределах 420-
550мм.Поверхность сиденья мягкая, передний край закругленный, а угол наклона спинки — регулируемый.
Необходимопредусматривать при проектировании возможность различного размещениядокументов: сбоку от видеотерминала, между монитором и клавиатурой и т.п. Крометого, в случаях, когда видеотерминал имеет низкое качество изображения,например заметны мелькания, расстояние от глаз до экрана делают больше (около700мм), чем расстояние от глаза до документа (300-450мм). Вообще при высокомкачестве изображения на видеотерминале расстояние от глаз пользователя доэкрана, документа и клавиатуры может быть равным.
Положениеэкрана определяется:
— расстоянием считывания (0,6 — 0,7м);
— углом считывания, направлением взгляда на 20˚ ниже горизонтали к центруэкрана, причем экран перпендикулярен этому направлению.
Должнатакже предусматриваться возможность регулирования экрана:
— по высоте +3 см;
— по наклону от -10˚ до +20˚ относительно вертикали;
— в левом и правом направлениях.
Большоезначение также придается правильной рабочей позе пользователя.
Принеудобной рабочей позе могут появиться боли в мышцах, суставах и сухожилиях.Требования к рабочей позе пользователя видеотерминала следующие:
— голова не должна быть наклонена более чем на 20˚,
— плечи должны быть расслаблены,
— локти — под углом 80˚-100˚,
— предплечья и кисти рук — в горизонтальном положении.
Причинанеправильной позы пользователей обусловлена следующими факторами: нет хорошейподставки для документов, клавиатура находится слишком высоко, а документы — низко, некуда положить руки и кисти, недостаточно пространство для ног.
Вцелях преодоления указанных недостатков даются общие рекомендации: лучшепередвижная клавиатура; должны быть предусмотрены специальные приспособлениядля регулирования высоты стола, клавиатуры и экрана, а также подставка для рук.
Существенноезначение для производительной и качественной работы на компьютере имеют размерызнаков, плотность их размещения, контраст и соотношение яркостей символов ифона экрана. Если расстояние от глаз оператора до экрана дисплея составляет60-80 см, то высота знака должна быть не менее 3мм, оптимальное соотношение шириныи высоты знака составляет
3:4,а расстояние между знаками – 15-20% их высоты. Соотношение яркости фона экранаи символов — от 1:2 до 1:15.
Вовремя пользования компьютером медики советуют устанавливать монитор нарасстоянии 50-60 см от глаз. Специалисты также считают, что верхняя частьвидеодисплея должна быть на уровне глаз или чуть ниже. Когда человек смотритпрямо перед собой, его глаза открываются шире, чем когда он смотрит вниз. Засчет этого площадь обзора значительно увеличивается, вызывая обезвоживаниеглаз. К тому же если экран установлен высоко, а глаза широко открыты,нарушается функция моргания. Это значит, что глаза не закрываются полностью, неомываются слезной жидкостью, не получают достаточного увлажнения, что приводитк их быстрой утомляемости.
Созданиеблагоприятных условий труда и правильное эстетическое оформление рабочих местна производстве имеет большое значение, как для облегчения труда, так и дляповышения его привлекательности, положительно влияющей на производительностьтруда.
4.3Режим труда
Какуже было неоднократно отмечено, при работе с персональным компьютером оченьважную роль играет соблюдение правильного режима труда и отдыха. В противномслучае у персонала отмечаются значительное напряжение зрительного аппарата споявлением жалоб на неудовлетворенность работой, головные боли,раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, впояснице, в области шеи и руках.
Втабл. 4.5 представлены сведения о регламентированных перерывах, которыенеобходимо делать при работе на компьютере, в зависимости от продолжительностирабочей смены, видов и категорий трудовой деятельности с ВДТ (видеодисплейныйтерминал) и ПЭВМ (в соответствии с САнНиП 2.2.2 542-96 «Гигиеническиетребования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительныммашинам и организации работ»).
Таблица4.5 — Время регламентированных перерывов при работе на компьютереКатегория работы с ВДТ или ПЭВМ Уровень нагрузки за рабочую смену при видах работы с ВДТ, количество знаков Суммарное время регламентированных перерывов, мин При 8-часовой смене При 12-часовой смене Группа А до 20000 30 70 Группа Б до 40000 50 90 Группа В до 60000 70 120
Примечание.Время перерывов дано при соблюдении указанных Санитарных правил и норм. Принесоответствии фактических условий труда требованиям Санитарных правил и нормвремя регламентированных перерывов следует увеличить на 30%.
Всоответствии со САнНиП 2.2.2 546-96 все виды трудовой деятельности, связанные сиспользованием компьютера, разделяются на три группы: группа А: работа посчитыванию информации с экрана ВДТ или ПЭВМ с предварительным запросом; группаБ: работа по вводу информации; группа В: творческая работа в режиме диалога сЭВМ.
Эффективностьперерывов повышается при сочетании с производственной гимнастикой илиорганизации специального помещения для отдыха персонала с удобной мягкой мебелью,аквариумом, зеленой зоной и т.п.
4.4Расчет освещенности
Расчетосвещенности рабочего места сводится к выбору системы освещения, определениюнеобходимого числа светильников, их типа и размещения. Исходя из этого,рассчитаем параметры искусственного освещения.
Обычноискусственное освещение выполняется посредством электрических источников светадвух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп. Будем использоватьлюминесцентные лампы, которые по сравнению с лампами накаливания имеют рядсущественных преимуществ:
— по спектральному составу света они близки к дневному, естественному свету;
— обладают более высоким КПД (в 1,5-2 раза выше, чем КПД ламп накаливания);
— обладают повышенной светоотдачей (в 3-4 раза выше, чем у ламп накаливания);
— более длительный срок службы.
Расчетосвещения производится для комнаты площадью 15м2, ширина которой — 5м, высота — 3 м. Воспользуемся методом светового потока.
Дляопределения количества светильников определим световой поток, падающий на поверхностьпо формуле:
F= E∙S∙Z∙К / n, (4.1)
Где F- рассчитываемый световой поток, Лм;
Е- нормированная минимальная освещенность, Лк (определяется по таблице). Работупрограммиста, в соответствии с этой таблицей, можно отнести к разряду точныхработ, следовательно, минимальная освещенность будет Е = 300Лк;
S- площадь освещаемого помещения (в нашем случае S = 15м2);
Z- отношение средней освещенности к минимальной (обычно принимается равным1,1-1,15, пусть Z = 1,1);
К- коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока лампы врезультате загрязнения светильников в процессе эксплуатации (его значение зависитот типа помещения и характера проводимых в нем работ и в нашем случае К = 1,5);
n- коэффициент использования, (выражается отношением светового потока, падающегона расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп и исчисляется в доляхединицы; зависит от характеристик светильника, размеров помещения, окраски стени потолка, характеризуемых коэффициентами отражения от стен (РС) и потолка(РП)), значение коэффициентов РС и РП были указаны выше: РС=40%, РП=60%.Значение n определим по таблице коэффициентов использования различных светильников.
Дляэтого вычислим индекс помещения по формуле:
I= A∙B / h (A+B), (4.2)
гдеh — расчетная высота подвеса, h = 2,92 м;
A- ширина помещения, А = 3 м;
В- длина помещения, В = 5 м.
Подставивзначения получим:
I=0,642.
Знаяиндекс помещения I, по таблице 7 [23] находим n = 0,22.
Подставимвсе значения в формулу (4.1) для определения светового потока F, получаем F =33750 Лм.
Дляосвещения выбираем люминесцентные лампы типа ЛБ40-1, световой поток которых Fл= 4320 Лк.
Рассчитаемнеобходимое количество ламп по формуле:
N= F / Fл, (4.3)
где N — определяемое число ламп;
F- световой поток, F = 33750 Лм;
Fл-световой поток лампы, Fл = 4320 Лм.
N= 8 ламп.
Привыборе осветительных приборов используем светильники типа ОД. Каждый светильниккомплектуется двумя лампами.
Значиттребуется для помещения площадью S = 15 м2 четыре светильника типаОД.
Расчетестественного освещения помещений
Организацияправильного освещения рабочих мест, зон обработки и производственных помещенийимеет большое санитарно-гигиеническое значение, способствует повышениюпродуктивности работы, снижения травматизма, улучшения качества продукции. Инаоборот, недостаточное освещение усложняет исполнения технологическогопроцесса и может быть причиной несчастного случая и заболевания органов зрения.
Освещениедолжно удовлетворять такие основные требования:
— быть равномерным и довольно сильным;
— не создавать различных теней на местах работы, контрастов между освещеннымрабочем местом и окружающей обстановкой;
— не создавать ненужной яркости и блеска в поле взора работников;
— давать правильное направление светового потока;
Всепроизводственные помещения необходимо иметь светлопрорезы, которые дают достаточноеприродное освещение. Без природного освещения могут быть конференц-залызаседаний, выставочные залы, раздевалки, санитарно-бытовые помещения, помещенияожидания медицинских учреждений, помещений личной гигиены, коридоры и проходы.
Коэфициентестественного освещения в соответствии с ДНБ В 25.28.2006, для нашого III поясасветового климата составляет 1,5.
Исходяиз этого произведем расчет необходимой площади оконных проемов.
Расчетплощади окон при боковом освещении определяется, по формуле:
Sо= (Ln*Кз.*N0*Sn*Кзд.)/(100*T0*r1) (4.4)
где: Ln– нормированное значение КЕО
Кз– коэффициент запаса (равен 1,2)
N0– световая характеристика окон
Sn– площадь достаточного естественного освещения
Кзд.– коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями
r1– коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещении
T0– общий коэффициент светопропускания, который рассчитывается по формуле:
T0= T1 * T2 * T3 * T4 * T5, (4.5)
где T1 – коэффициент светопропускания материала;
T2– коэффициент, учитывающий потери света в переплетах светопроема;
T3– коэффициент, учитывающий потери света в несущих конструкциях;
T4– коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитный устройствах;
T5– коэффициент, учитывающий потери света в защитной сетке, устанавливаемой подфонарями, принимается равным 1;
Теперьследует рассчитать боковое освещение для зоны, примыкающей к наружной стене. Поразряду зрительной работы нужно определить значение КЕО. КЕО = 1,5нормированное значение КЕО с учетом светового климата необходимо вычислить поформуле:
Ln=l*m*c, (4.6)
гдеl – значение КЕО (l=1.5);
m– коэффициент светового климата (m=1);
c– коэффициент солнечности климата (c=1)
Ln=1,5
Теперьследует определить отношение длины помещения Ln к глубине помещенияB:
Ln/B=3/5=0,6;
Отношениеглубины помещения В к высоте от уровня условной рабочей поверхности до верхаокна h1 (в данном случае h1=1,8) :
B/h1=5/1,8= 2,77.
Световаяхарактеристика световых проемов N0=9.
Кзд=1
ЗначениеT0=0,8*0,7*1*1*1=0,56.
Lnдля 4 разряда зрительных работ равен 1,5 при мытье окон два раза в год.
Определяемr1, r1=1,5.
Кз.=1,2.
Теперьследует определить значение Sп:
Sп=Ln*В=3*10=30м2.
Кзд.=1.
Наданном этапе следует рассчитать необходимую площадь оконных проемов:
(Ln*Кз.*N0*Sn*Кзд.) / (100*T0*r1)
Sо= (1,5*1,2*9*30*1)/(100*0,56*1,5)=486/84= 5,78 м2;
Принимаемколичество окон 1 штука:
S1=5,78м2 площадь одного окна
Высотаодного окна составляет – 2,5 м, ширина 2,3 м.
4.5 Расчет вентиляции
В зависимости отспособа перемещения воздуха вентиляция бывает естественная и принудительная.
Параметрывоздуха, поступающего в приемные отверстия и проемы местных отсосовтехнологических и других устройств, которые расположены в рабочей зоне, следуетпринимать в соответствии с ГОСТ 12.1.005-76. При размерах помещения 3 на 5метров и высоте 3 метра, его объем 45 куб.м. Следовательно, вентиляция должнаобеспечивать расход воздуха в 90 куб.м/час. В летнее время следуетпредусмотреть установку кондиционера с целью избежания превышения температуры впомещении для устойчивой работы оборудования. Необходимо уделить должноевнимание количеству пыли в воздухе, так как это непосредственно влияет нанадежность и ресурс эксплуатации ЭВМ.
Мощность (точнее мощностьохлаждения) кондиционера является главной его характеристикой, от неё зависитна какой объем помещения он рассчитан. Для ориентировочных расчетов берется 1кВт на 10 м2 при высоте потолков 2,8 – 3 м (в соответствии со СНиП 2.04.05-86 «Отопление,вентиляция и кондиционирование»).
Для расчета теплопритоков данногопомещения использована упрощенная методика:
Q=S·h·q (4.8)
где: Q – Теплопритоки
S – Площадь помещения
h – Высота помещения
q – Коэффициент равный 30-40 вт/м3(в данном случае 35 вт/м3)
Для помещения 15 м2 ивысотой 3 м теплопритоки будут составлять:
Q=15·3·35=1575 вт
Кроме этого следует учитыватьтепловыделение от оргтехники и людей, считается (в соответствии со СНиП 2.04.05-86 «Отопление,вентиляция и кондиционирование») что в спокойном состоянии человеквыделяет 0,1 кВт тепла, компьютер или копировальный аппарат 0,3 кВт, прибавивэти значения к общим теплопритокам можно получить необходимую мощность охлаждения.
Qдоп=(H·Sопер)+(С·Sкомп)+(P·Sпринт)(4.9)
где: Qдоп – Суммадополнительных теплопритоков
C – Тепловыделение компьютера
H – Тепловыделение оператора
D – Тепловыделение принтера
Sкомп – Количестворабочих станций
Sпринт – Количествопринтеров
Sопер – Количествооператоров
Дополнительные теплопритокипомещения составят:
Qдоп1=(0,1·2)+(0,3·2)+(0,3·1)=1,1(кВт)
Итого сумма теплопритоков равна:
Qобщ1=1575+1100=2675(Вт)
Всоответствии с данными расчетами необходимо выбрать целесообразную мощность иколичество кондиционеров.
Дляпомещения, для которого ведется расчет, следует использовать кондиционеры сноминальной мощностью 3,0 кВт.
4.6Расчет уровня шума
Однимиз неблагоприятных факторов производственной среды в ИВЦ является высокийуровень шума, создаваемый печатными устройствами, оборудованием длякондиционирования воздуха, вентиляторами систем охлаждения в самих ЭВМ.
Длярешения вопросов о необходимости и целесообразности снижения шума необходимознать уровни шума на рабочем месте оператора.
Уровеньшума, возникающий от нескольких некогерентных источников, работающиходновременно, подсчитывается на основании принципа энергетического суммированияизлучений отдельных источников:
∑L= 10·lg (Li∙n), (4.10)
где Li – уровень звукового давления i-го источника шума;
n– количество источников шума.
Полученныерезультаты расчета сравнивается с допустимым значением уровня шума для данногорабочего места. Если результаты расчета выше допустимого значения уровня шума,то необходимы специальные меры по снижению шума. К ним относятся: облицовкастен и потолка зала звукопоглощающими материалами, снижение шума в источнике,правильная планировка оборудования и рациональная организация рабочего местаоператора.
Уровнизвукового давления источников шума, действующих на оператора на его рабочемместе представлены в табл. 4.6.
Таблица4.6 — Уровни звукового давления различных источниковИсточник шума Уровень шума, дБ Жесткий диск 40 Вентилятор 45 Монитор 17 Клавиатура 10 Принтер 45 Сканер 42
Обычнорабочее место оператора оснащено следующим оборудованием: винчестер в системномблоке, вентилятор(ы) систем охлаждения ПК, монитор, клавиатура, принтер исканер.
Подставивзначения уровня звукового давления для каждого вида оборудования в формулу(4.4), получим:
∑L=10·lg(104+104,5+101,7+101+104,5+104,2)=49,5дБ
Полученноезначение не превышает допустимый уровень шума для рабочего места оператора,равный 65 дБ (ГОСТ 12.1.003-83). И если учесть, что вряд ли такие периферийныеустройства как сканер и принтер будут использоваться одновременно, то эта цифрабудет еще ниже. Кроме того при работе принтера непосредственное присутствиеоператора необязательно, т.к. принтер снабжен механизмом автоподачи листов.
Вданном разделе дипломной работы были изложены требования к рабочему местуинженера — программиста. Созданные условия должны обеспечивать комфортнуюработу. На основании изученной литературы по данной проблеме, были указаныоптимальные размеры рабочего стола и кресла, рабочей поверхности, а такжепроведен выбор системы и расчет оптимального освещения производственногопомещения, произведен расчет рационального кондиционирования помещения, а такжерасчет уровня шума на рабочем месте. Соблюдение условий, определяющихоптимальную организацию рабочего места инженера — программиста, позволитсохранить хорошую работоспособность в течение всего рабочего дня, повысит как вколичественном, так и в качественном отношениях производительность трудапрограммиста, что в свою очередь будет способствовать быстрейшей разработке иотладке программного продукта.
ВЫВОДЫ
Впроцессе выполнения дипломной работы было разработано устройство светодиоднойматрицы на микроконтроллере. Актуальностью данной темы являлось то, что впроцессе проектирования ставилась задача спроектировать устройство, которое неимело бы аналогов и отличалось новизной, простотой и дешевизной.
Былоразработано устройство, которое превосходит по выполняемым функциямустройства-аналоги.
Впохожих конструкциях наблюдается отсутствие нескольких функций нашегоустройства, а главным недостатком нашего устройства является отсутствие внутреннегоисточника питания, а это в свою очередь вызовет еще повышение стоимостиустройства.
Впроцессе разработки было изучено множество отечественных и зарубежныхисточников, информация сети Интернет, технические характеристики и принципдействия устройств-аналогов.
Ценарассматривалась при единичном исполнении, цены на комплектующие бралисьсогласно цен интернет-магазинов при покупке одного комплекта, естественно, приоптовом приобретении материалов и комплектующих цена будет ниже.
Впроцессе разработки был составлен алгоритм управления, программное обеспечениемикроконтроллера, произведен расчет элементов электрической схемы, согласносправочных данных.
Вразделе «Охрана труда» был произведен расчет освещения помещения, в которомпроизводятся работы на компьютере, рассчитано кондиционирование помещения, рассчитануровень шума, который образуется при использовании оргтехники.
ПЕРЕЧЕНЬССЫЛОК
1.«Dimmable Fluorescent Ballast» – User Guide, 10/07, AtmelCorporation, www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc7597.pdf
2.ГОСТ13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабженияобщего назначения.
3.G. Howell «Five questions about resistors» // EDN, 9/28/2006,www.edn.com/contents/images/6372835.pdf
4.П. Хоровиц, У. Хилл «Искусство схемотехники» – Изд. 6-е, М.: Мир,2003.
5.J. Israelsohn «Miller on edge: The role of Miller capacitance in nonlinearcircuits» // EDN, 3/29/2007 www.edn.com/contents/images/6426883.pdf
6.C. Hillman «Common mistakes in electronic design» // EDN, 12/14/2007http://www.edn.com/contents/images/6512156.pdf
7.«The Do's and Don'ts of Using MOS-Gated Transistors» – ApplicationNote AN-936, International Rectifier,www.irf.com/technical-info/appnotes/an-936.pdf
8.«TVS/ZenerTheory and Design Considerations» – Handbook, Rev. 0, Jun−2005, OnSemiconductor, www.onsemi.com/pub/Collateral/HBD854-D.PDF
9.«Characterization and Calibration of the ADC on an AVR» – ApplicationNote AVR120, 02/06, Atmel Corporation,www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2559.pdf
10.«TheEye’s Response to Light» – Lutron Electronics, 8/97,www.lutron.com/product_technical/pdf/360-408.pdf
11.«FourGreat Reasons to Dim» – Lutron Electronics, http:// www.lutron.com/dim.htm
12.«Frequentlyasked questions about dimmers» // www
.lutron.com/product_technical/faq.asp
13.«LEDsmove from indication to illumination» // EDN, 8/2/2001http://www.edn.com/contents/images/149134.pdf
14.Л. Н. Кечиев, Е. Д. Пожидаев «Защита электронных средств от воздействиястатического электричества» – М.: ИД «Технологии», 2005.
15.Жидецкий В.Ц., Джигирей В.С., Мельников А.В. Основы охраны труда: Учебник –Львов, Афиша, 2008 – 351с.
16.Денисенко Г.Ф. Охрана труда: Учебн.пособие – М., Высшая школа, 1989 – 319с.
17.Самгин Э.Б. Освещение рабочих мест. – М.: МИРЭА, 1989. – 186с.
18.Справочная книга для проектирования электрического освещения. / Под ред. Г.Б.Кнорринга. – Л.: Энергия, 1976.
19.Борьба с шумом на производстве: Справочник / Е.Я. Юдин, Л.А. Борисов;
Подобщ. ред. Е.Я. Юдина – М.: Машиностроение, 1985. – 400с., ил.
20.Зинченко В.П. Основы эргономики. – М.: МГУ, 1979. – 179с.
21.Методичнівказівки до виконання дипломної роботи для учнів спеціальності «Операторкомп’ютерного набору; оператор комп’ютерної верстки»/ Упоряд.: Д.О. Дяченко, К.О.Ізмалкова, О.Г. Меркулова. – Сєверодонецьк: СВПУ, 2007. – 40 с.
22. Заец Н.И.Радиолюбительские конструкции на PIC- микроконтроллерах. Книга 1 – М.,Солон-ПРЕСС, 2001- 368с.
23. Заец Н.И.Радиолюбительские конструкции на PIC- микроконтроллерах. Книга 2 – М.,Солон-ПРЕСС, 2003- 296 с.
24. Заец Н.И.,Сергеев В.С.Радиолюбительские конструкции на микроконтроллерах. Книга 4 – М.,Солон-ПРЕСС, 2009 — 412с.
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕА
Обзорсемейств микроконтроллеров PIC
Извсего набора выпускаемых сегодня микроконтроллеров PIC выделяются две наиболееразвитые и популярные серии PIC16 и PIC18.
Серия среднего уровня PIC16. Названия микроконтроллеров этой серии начинаютсяс префикса PIC16. Различные типы микроконтроллеров PIC16 могут исполняться вкорпусах, имеющих 14, 18, 28, 40 и более выводов. Это наиболее типичный ряд дляPIC16/PIC18 в DIP корпусах. К серии микроконтроллеров PIC16 можно смело отнестимикроконтроллеры PIC12 — это те же PIC16, только исполнены в 8 выводномкорпусе.
СемействоPIC16 представляет множество недорогих, высокопроизводительных 8-разрялныхмикроконтроллеров, выполненных по КМОП технологии с очень малым потреблениемэнергии и полностью статической архитектурой. Представление о семействе можнополучить, рассмотрев основу системы обозначений и примеры обозначениймикроконтроллеров.
Послепрефикса PIC16, PIC12 или PIC18 следуют обозначение типа (технологии) памяти программ.
Варианты:
— CR — масочное ПЗУ; программируется один раз при изготовлении МК.
— C — EPROM; программируется электрическим способом. Может быть запрограммированатолько один раз.
— F — FLASH ПЗУ (EEPROM); запрограммированная память может быть стерта«электрически» и вновь запрограммирована тысячи раз. FLASHмикроконтроллеры обычно имеют также и DATA EEPROM — FLASH память данных (непутать с ОЗУ!) для хранения «неоперативных данных», таких, какнастроечные параметры, изменяемые константы, тексты.
— JW — ПЗУ стираемое ультрафиолетовым облучением. Корпус таких МК имеет специальноеокошко из кварца (WINDOWED).
— Обозначение типа ПЗУ может начинаться с буквы L, которая означает Low Voltage — расширенный вниз, как правило, до 2В диапазон напряжения питания и, как следствие,пониженная максимальная частота.
— LC или LF — EEPROM или FLASH ПЗУ соответственно, допускающее работу при пониженном(LOW) напряжении питания.
Изучениесемейства PIC16 целесообразно начинать с наиболее перспективных егопредставителей. Если не вдаваться в тонкости, то можно утверждать, чтомасочные, EPROM и FLASH микроконтроллеры практически полностью совместимы покорпусам и выводам, имеют одинаковую архитектуру, электрические и временныехарактеристики, набор команд и порядок их исполнения. С началом массовоговыпуска FLASH микроконтроллеров и снижения цен на них, у однократнопрограммируемых микроконтроллеров стало меньше шансов на популярность срединачинающих специалистов. Учитывая это, есть смысл основное внимание уделитьименно FLASH микроконтроллерам.После префикса PIC16, PIC12 или PIC18 иобозначения типа (технологии) памяти программ следует комбинация из трех цифр,она определяет собственно тип МК.
Здесьпод типом МК понимается комбинация дополнительных свойств МК, как-то: числопортов ввода-вывода, объем памяти программ (ПП), памяти данных (ПД), FLASH ПЗУданных, а главное набор периферийных функций и, следовательно, дополнительныхвозможностей микроконтроллера.
Например.
— PIC12F629 8-выводной МК с аналоговым компаратором.
— PIC12F675 8- выводной МК с аналоговым компаратором и 10-разрядным АЦП.
ПРИЛОЖЕНИЕА (Продолжение)
— PIC16F628 18-выводной МК с аналоговыми компараторами, модулем сравнения/захвата/ШИМи модулем USART (последовательная передача данных по протоколу RS-232C).Стандартный диапазон напряжения питания 3…5,5В, во всем диапазоне тактовойчастоты 0…20МГц.
— PIC16LF628 обратите внимание: тип памяти LF, это значит, что МК имеет расширенныйдиапазон напряжения питания 2…5,5В, при тактовой частоте не более 4МГц, истандартный диапазон напряжения питания 3…5,5В, при тактовой частоте более4МГц.
— PIC16F628A буква в конце обозначения типа микроконтроллера указывает на то, чтоэто вариант PIC16F628 с внесенным незначительным изменением архитектуры илитехнологии, или устраненным замечанием. Если будет еще изменение, то появитсявариант PIC16F628В.
Послетипа МК в его маркировке следуют код -X/XX, где X — температурный диапазон:
-I- индустриальный -40°С…+85°С;
-E- расширенный -40°С…+125°С.
XX- тип корпуса:
— P — пластиковый DIP;
— SO-пластиковый планарный корпус SOIC;
— SS- пластиковый планарный корпус SSOP;
— JW-DIP корпус с окном для УФ стирания;
— И др.
Ввиде числа 04 или 20 может указываться частота под которую оптимизировангенератор МК.
Всемикроконтроллеры семейства имеют одинаковое ядро, систему команд, организациюпамяти программ и памяти данных и порядок взаимодействия ядра с памятью ипериферийными устройствами. А отличаются друг от друга микроконтроллеры тем,что каждый из них оптимизирован под выполнение определенного круга задач иможет отличаться от собратьев количеством выводов, объемом памяти программ ипамяти данных, набором периферийных устройств и ценой.
Все МК имеют
— Диапазон тактовой частоты 0...20МГц.
— Одинаковое ядро.
— 35 простых инструкций.
— Режим энергосбережения SLEEP.
— POR (Power On Reset) — сброс по подаче питания (при достижении Vddmin).
-OST(Oscillator Start-up Timer) — удерживает МК в состоянии сброса на время запускаи стабилизации тактового кварцевого или кристаллического генератора.
— BOD или BOR (Brown-out Detect или Brown-out Reset) — детектор снижения Vdd с настраиваемымпорогом.
— WDT (Watchdog Timer) — сторожевой таймер с настраиваемым периодом.
— Микроконтроллеры PIC16F873…877 могут программировать свою память программ впроцессе работы.
— Все 8-ми и 14-ти выводные МК, кроме режимов генератора, типичных для всехPIC16, имеют встроенный стабильный (1%) тактовый RC генератор.