close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Полный

код для вставкиСкачать
Содержание
Введение9
1. Обзорный раздел11
1.1 Обзор существующих средств исследований параметров термоэлектрических модулей13
1.2 Параметры термоэлемента17
1.3 Параметры термоэлектрического модуля26
2. Техническое задание28
2.1. Наименование объекта проектирования28
2.2. Основание для разработки28
2.3. Назначение и цель28
2.3.1. Назначение28
2.3.2. Цель28
2.4. Требования к ИИС29
2.4.1. Требования к объекту проектирования29
2.4.1.1. Требования к структуре29
2.4.1.2. Требования к функциям30
2.4.1.3. Требования к техническим параметрам31
2.4.1.4. Требования к средствам защиты от внешних воздействий31
2.4.1.5. Требования по эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению32
2.4.1.6. Требования к маркировке и упаковке32
2.4.1.7. Требования к транспортировке и хранению33
2.4.1.8. Требования к документированию33
2.4.1.9. Требования к надежности34
2.4.1.10. Требования к метрологическому обеспечению34
2.4.1.11. Требования к безопасности34
2.4.1.12. Требования по эргономике и технической эстетике35
2.4.1.13. Требования к патентной чистоте35
2.4.2. Требования к видам обеспечения35
2.4.2.1. Требования к программному обеспечению35
2.4.2.2. Требования к организационному обеспечению36
2.5. Стадии и этапы разработки36
3.1 Описание электрической структурной схемы37
3.1.1 Узел коммутации и усиления напряжения с термоэлектрических модулей39
3.1.2 Узел генератора тока40
3.1.3 Узел стабилизированного источника питания БИ42
3.1.4 Держатели модулей43
3.2 Описание электрической функциональной схемы47
3.2.1 Узел коммутации и усиления напряжения с термомодулей47
3.2.2 Узел генератора тока в термомодулях48
3.2.3 Узел коммутации термодатчиков49
3.3 Основные технические параметры системы50
4. Выбор и расчет элементов принципиальной схемы51
4.1 Расчет времени срабатывания51
4.2 Выбор термодатчика52
4.3 Узел коммутаторов52
4.4 Узел усиления и аналого-цифрового преобразования52
4.5 Генератор тока управляемый напряжением54
4.6 Узел индикации потока USB данных55
4.7 Расчет потребляемой мощности57
5. Разработка конструкции системы, расчет конструктивных параметров59
4.1. Выбор и обоснование конструкции печатной платы59
5.1.1. Выбор и обоснование типа печатной платы59
5.1.2. Выбор и обоснование класса точности59
5.1.3. Выбор габаритных размеров и конфигурации ДПП60
5.1.4. Выбор материала основания печатной платы60
5.1.5. Выбор защитного покрытия печатной платы62
5.1.6. Расчет элементов печатного монтажа62
5.2 Разработка конструкции системы.69
6. Расчёт надёжности и погрешности системы72
6.1 Расчет надежности72
6.1.1 Общие понятия72
5.1.2 Исходные данные для расчёта надежности изделия74
6.2 Расчет инструментальной погрешности системы78
6.3 Расчет абсолютной погрешности84
7. Разработка ПО микроконтроллера91
7.1. Семейство микроконтроллеров XMEGA A91
7.2. Выбор языка программирования94
7.2.1. Ассемблер94
7.2.2. С/С++95
7.2.3. Pascal96
7.2.4. BASIC97
7.2.5. Визуальные языки98
7.2.6. Обобщение99
7.3. Математическое описание задачи100
7.4. Разработка алгоритма102
7.5. Блок схема алгоритма105
8. Организационно-экономическая часть109
8.1 Технико-экономическое обоснование объекта проектирования109
8.2 Организационная часть112
8.2.1 Состав конструкторской группы разработчиков и их заработная плата112
8.2.2 Перечень этапов и работ опытно-конструкторской разработки опытного образца113
8.3 Экономическая часть117
8.3.1. Расчет сметы затрат на проведение ОКР117
7.3.2 Затраты на основные и вспомогательные материалы119
7.3.3 Затраты на покупные и комплектующие изделия120
8.3.4 Расчёт заработной платы производственных рабочих123
8.3.5 Расчёт затрат по содержанию и эксплуатации механического измерительного оборудования124
8.3.6 Расчёт накладных расходов124
8.3.7 Калькуляция себестоимости опытного образца проектируемой системы измерения125
8.3.8. Расчет оптовой цены проектируемого изделия125
8.4 Вывод126
9.2. Опасные и вредные факторы при работе с ПЭВМ128
9.3. Характеристика объекта исследования131
9.4. Обеспечение требований эргономики и технической эстетики133
9.4.1.1. Планировка помещения и размещение оборудования133
9.4.1.2. Эргономические решения по организации рабочего места пользователей ЭВМ135
9.4.1.3. Цветовое оформление помещения137
9.4.2. Создание рационального освещения137
9.4.2.1. Расчет искусственного освещения139
9.4.3. Обеспечение оптимальных параметров воздуха рабочих зон141
9.4.3.1. Нормирование параметров микроклимата141
9.4.3.2. Нормирование уровней вредных химических веществ142
9.4.3.3. Нормирование уровней аэроионизации145
9.4.4. Расчет воздухообмена в рабочей зоне146
9.4.5.Защита от шума149
9.4.6. Обеспечение режимов труда и отдыха150
9.4.7. Обеспечение электробезопасности151
9.4.8. Защита от статического электричества151
9.4.9. Обеспечение допустимых уровней электромагнитных полей152
9.4.10. Обеспечение пожаробезопасности153
9.4.10.1. Обеспечение безопасной эвакуации персонала154
9.4.10.2. Средства извещения и сигнализации о пожаре154
9.4.10.3. Способы и средства тушения пожара155
9.4.11. Молниезащита объекта155
9.4.12. Мероприятия и средства по защите окружающей среды156
9.5 Заземление здания159
10. Перечень графических материалов163
Заключение164
Список литературы165
Введение
В данном дипломном проекте разрабатывается система измерения параметров термоэлектрических модулей. Система предназначена для измерения сопротивления и термоэлектрической эффективности термоэлектрических модулей (ТЭМ). Возможность использования термоэлектрических модулей в режиме охладителя/нагревателя позволяет создавать устройства с плавным изменением и поддержанием заданной температуры. На их основе возможно создание как специального оборудования (приемники излучения, лазеры, медицинские криогенные инструменты), так и бытовых приборов универсального назначения (автомобильных холодильников, стационарных и переносных бытовых приборов для охлаждения и подогрева питания; боксов для медикаментов и т.д.).
Перспектива применения термоэлектрических охлаждающих устройств обусловлена рядом их достоинств: экологической чистотой;
отсутствием промежуточных газообразных и жидких хладагентов; отсутствием компрессора, нагревателя и реле их включения и выключения; высокой надежностью и практически неограниченным ресурсом работы; независимостью от ориентации в пространстве; бесшумностью; возможностью создания миниатюрных устройств; переходом из режима охлаждения в режим нагревания за счет реверсирования тока и т.п.
Массовое производство термоэлектрических модулей непрерывно возрастает. Это связано с тем, что термоэлектрическое охлаждение завоевало широкое признание во многих отраслях современной техники. Наряду с ростом объемов производства совершенствуются параметры и качество этих изделий. Учитывая области применения термоэлектрических модулей, их параметры должны строго контролироваться. Важную роль при этом играют информационно-измерительные системы измерения и контроля качества термоэлектрического материала, термоэлектрических модулей (ИИС ТЭМ). 1. Обзорный раздел
Экологические проблемы в мире заставили обратиться к способам охлаждения без использования фреона в быту и промышленности. Эти тенденции придали дополнительный импульс в развитии термоэлектрических охладителей и охлаждающих систем на их основе. Возможность использования термоэлектрических модулей в режиме охладителя/нагревателя позволяют создавать устройства с плавным изменением и поддержанием заданной температуры; на их основе возможно создание как специального оборудования (приемники излучения, лазеры, медицинские криогенные инструменты), так и бытовых приборов универсального назначения: автомобильных холодильников, способные не только сохранять продукты питания, но и разогревать их в пути, стационарных и переносных бытовых приборов для охлаждения и подогрева питания; боксов для медикаментов и т.д. Перспектива применения термоэлектрических охлаждающих устройств обусловлена рядом их достоинств: экологической чистотой; отсутствием промежуточных газообразных и жидких хладоагентов; отсутствием компрессора, нагревателя и реле их включения и выключения; высокой надежностью и практически неограниченным ресурсом работы; независимостью от ориентации в пространстве; бесшумностью; возможностью создания миниатюрных устройств; переходом из режима охлаждения в режим нагревания за счет реверсирования тока и т. п.; Среди отечественных предприятий, занимающихся производством термоэлектрических модулей, следует отметить ГНПП "Квант", СКТБ "Норд" (www.sctbnord.com), "Криотерм" (www.kryotherm.spb.ru). Массовое производство термоэлектрических модулей непрерывно возрастает. Это связано с тем, что термоэлектрическое охлаждение завоевало широкое признание во многих отраслях современной техники. Сравнение с традиционными охлаждающими устройствами по энергетическим и массогабаритным характеристикам выявляет области, где преимущества применения термоэлектрического охлаждения неоспоримы: радиоаппаратура и компьютерная техника; микроэлектронные компоненты;
медицинское, фармацевтическое, научное и лабораторное оборудование;
военная, космическая и авиационная техника, автомобильный транспорт;
лазерная техника;
химическая, биологическая и биохимическая отрасли;
бытовая техника, в т. ч. портативные холодильники и воздушные кондиционеры для автомашин, офисов и т. д.;
Наряду с ростом объемов производства совершенствуются параметры и качество этих изделий. Учитывая области применения термоэлектрических модулей их параметры должны строго контролироваться. Важную роль при этом играют автоматизированные системы измерения и контроля качества.
1.1 Обзор существующих средств исследований параметров термоэлектрических модулей
Среди существующих аналогичных разработок можно привести измерительные тестовые TS-серии фирмы TE Technology (www.tetech.com). Это оборудование предназначено для прецизионных измерений параметров ТМ модулей и включает следующие модели:
Модель TS-101. Автоматическая измерительная система тестирует слитки и термоэлектрические модули небольшого размера в вакууме при температуре -50° ... +60°C. Система предназначена для измерения следующих параметров ТМ модулей как функции температуры:
Удельного сопротивления;
Коэффициента Зеебека;
Коэффициента теплопроводности;
Эффективности;
Основные характеристики:
Тестирование слитков n- или p- типа или комбинированных; Полностью автоматизированная система измерений, не требующая обслуживания; Вмонтированный вакуумный датчик в месте расположения образца с индикатором на передней панели;
Система включает вакуумный стенд, панель управления, плату для сбора и обработки данных для установки в PC и ПО;
Вакуумная станина включает прозрачный колпак и ребристый жаростойкий корпус. Встроенный термоэлектрический модуль обеспечивает охлаждение или нагрев образцов до выбранной температуры. Вычисление максимально возможного перепада температуры, холодопроизводи-тельности и других параметров;
ПО включает мощный графический блок для отображение определенных зависимостей необходимых при выборе термоэлектрических модулей при проектировании устройств на их основе;
Требуется IBM - совместимый компьютер, работающий в DOS - режиме;
Модель TS-205. Тестирование до пяти ТМ модулей одновременно. Две системы TS-205 могут быть объединены в TS-210 для тестирования десяти ТМ модулей на одном компьютере. Система включает:
Тестовую консоль;
Многофункиональную АЦП плату для сбора и обработки сигналов; ПО с документацией;
Основные характеристики:
Измерение менее чем за две минуты: сопротивления на переменном токе, коэффициента Зеебека, теплопроводности, эффективности, удельного сопроти-вления, максимально возможного перепада температуры, холодопроизводи-тельности и других параметров;
Легкость установки и использования. Возможность подключения температурных датчиков;
Тестирование ТМ слитков (требуется держатель TS-302), модулей и устройств на их основе; Возможно использование при контроле качества выходной продукции;
A/D плата устанавливается в свободный слот DOS компьютера;
ПО системы позволяет строить графики для различных функциональных зависимостей; Model TS-107. Автоматическая система тестирования слитков (TE Ingot Tester). Максимальный диаметр тестируемого слитка составляет 35 мм, длина - 600 мм. Система тестирования слитков предназначена для измерение термо-э.д.с., удельного сопротивления и температуры вдоль слитка. АО "ФОТОН" (г. Киев)
Модель TS1.1 предназначена для измерения термоэлектрической эффективности и сопротивления по переменному току термоэлектрических модулей и батарей. TS1.1 применяют для аттестации термоэлектрических модулей и батарей, их отбраковки по заданным критериям, учета качества модулей в партии (серии). Предусмотрена возможность создания на базе АРМ локальной вычислительной сети и управления базы данных в рамках предприятия. АРМ предназначено для работы в нормальных климатических условиях при температуре окружающей среды 2010 С;
Основные характеристики:
Количество одновременно измеряемых модулей - 12;
Максимальный ток, устанавливаемый через модули - 0...20 мА;
Погрешность измерения:
Сопротивления - не более 0,5%;
Термоэлектрической эффективности - не более 1,5%;
Температуры воздуха - не более 1%;
Средняя производительность измерения - 70 модулей/час;
Потребляемая мощность платы измерительного интерфейса от источника питания ПК - не более 5 Вт;
В состав АРМ входят:
Плата измерительного интерфейса;
Держатель ТЭМО со съемным кожухом;
Соединительный кабель.
Инсталляционная дискета с ПО;
Техническое описание и инструкция по эксплуатации.
ООО "РМТ", Москва.
Модель Z-метр DX4190. Автоматическая система позволяет осуществлять измерения следующих параметров термоэлектрических (ТЭ) модулей (одновременное измерение максимум десяти (10) идентичных ТЭ модулей):
Сопротивление AC (R);
ТЭ добротность (Z);
Максимальную разность температур (ΔTmax);
Константу времени (t).
Используя Z-метр, можно проводить измерения различных типов одно- и двухкаскадных ТЭ модулей.
Можно оценивать качество ТЭ модулей с числом каскадов больше, чем два, с помощью измерения электрического сопротивления модуля.
Измерения проводятся при температуре окружающей среды. Прибор позволяет пересчитывать сопротивление и максимальную разность температур к другому значению температуры.
Z-метр управляется с помощью компьютера, работающего под управлением операционной системы MS Windows одной из версий: 98/2000/XP/Vista/7.
Программа "Z-Meter" поставляется вместе с прибором. Для ее работы необходимо:
Свободный порт USB
20 MB - свободного места на жестком диске (дополнительное место может потребоваться позднее, по мере роста базы данных)
Мышь или совместимое указывающее устройство.
Комплектация прибора :
Блок накопительный;
Блок испытательный;
Кабель соединительный;
Термодатчик;
Зажим измерительный;
Кабель питания;
Кабель USB;
CD или USB Flash накопитель (программное обеспечение, описание).
1.2 Параметры термоэлемента
Работа термоэлектрического модуля (ТЭМ, рис. 1.2.1) основана на эффекте, открытом Жаном Пельтье в 1834 году. Эффект заключается в выделении или поглощении тепла на границе проводников с проводимостью n- и p-типа при пропускании электрического тока. Впервые задача о техническом использовании эффекта Пельтье на металлических проводниках была поставлена в 1910 году Альтенкирхом. В 1930 году академик А. Ф. Иоффе указал на целесообразность применения для термоэлектрических устройств полупроводниковых материалов. Рис.1.2.1. Полупроводниковый ТЭМ. В результате длительной работы (1930 - 1950 г.г.) им была создана теория энергетического применения полупроводников, устанавливающая условия и указывающая пути создания высокоэффективных преобразователей на основе использования специальных полупроводниковых материалов. В последнее время особое внимание специалистов приковано к созданию и экспериментальному исследованию тонкопленочных термоэлектрических устройств. Для изображенного ТЭМ эффект проявляется в поглощении тепла на холодном (верхнем) спае и выделение тепла в теплоотводе. Для эффективной работы и увеличению холодопроизводительности необходимо обеспечить беспрепятственное рассеивание тепловой мощности. Для этого используется теплообменник (радиатор). Если охлаждающая способность одного модуля недостаточна, то применяют "каскадную" схему компоновки нескольких модулей (рис. 1.2.2.).
Рис. 1.2.2. Каскадное соединение термоэлементов
Конструктивно ТЭМ изготавливается виде последовательно соединенных полупроводниковых ветвей n- и p-типа, заключенных между двумя керамическими пластинами. При подаче постоянного напряжения на выводы ТЭМ происходит поглощение тепла на одной пластине и выделение тепла на другой. Разница температур на обкладках ТЭМ может достигает 70 0С. Существуют ТЭМ различной формы, размеров и рассчитанных на различный рабочий ток. ТЭМ чрезвычайно надежны благодаря их твердотельному состоянию. Хотя надежность и зависит от области применения ТЭМ, проведенные испытания показывают возможность их использования в течение 200 - 300 тыс. часов при комнатной температуре. Повышение температуры до 80 0С уменьшает срок до 100 тыс. часов. По данным компании Melcor (www.melcor.com), являющейся крупнейшим производителем ТЭМ различных модификаций, за последние десять лет было возвращено 0,1% элементов от числа проданных. Из них 90% имели механические повреждения и получили дефекты из-за перегрева, и только оставшиеся 10% оказались бракованными. Таким образом, правильное использование и соблюдение температурного режима может практически исключить вероятность выхода элемента из строя. При проектировании охлаждающих систем на основе термоэлектрических модулей необходимо определить набор входных параметров по которым выбирают соответствующий тип модуля - температуру окружающей среды , температуру охлаждаемого объекта , холодопроизводительность , холодильный коэффициент , а также тепловое сопротивление между охлаждаемым объектом и модулем и тепловое сопротивление между окружающей средой и модулем :
, , ,
где: - холодопроизводительность, т. е. тепло, поглощаемое на холодной стороне модуля;
- тепло, выделяющееся на горячей стороне модуля;
- мощность, потребляемая модулем;
В качестве первого приближения можно принять, что тепловое сопротивление на холодной стороне равняется нулю. Если определено как будет осуществляться передача тепла от объекта к модулям, то следует ввести суммарную величину теплового сопротивления выбранных радиаторов. Также следует определить, каким способом будет охлаждаться горячая сторона системы. Теплопередача от горячей стороны термоэлектрических модулей может осуществляться путем естественной или вынужденной конвекции, а также при помощи потока жидкости. Проще всего использовать воздушное охлаждение, однако, при таких условиях перепад температуры на радиаторе может оказаться значительным и эффективность работы модулей уменьшится. Среди потребительских параметров термоэлектрических модулей наиболее важны:
- максимально возможная разность температур между сторонами модуля;
- ток, при котором достигается ;
- напряжение, соответствующее и = 0 ;
- холодопроизводительность, соответствующее и ;
Для своей работы ТЭМ не использует газы и жидкости, не имеет подвижных частей, как в привычных охладительных устройствах на основе фреона, а является твердотельным элементом. Тем не менее для него вполне применимы основные законы термодинамики, используемые для описания обычных "тепловых насосов" - переносчиков тепловой энергии.
При пропускании тока через рассматриваемый термоэлемент в направлении, указанном стрелкой (рис. 1.2), на n-p-переходе (холодном спае) поглощается, а на p-n-переходе (горячем спае) выделяется тепло Пельтье согласно зависимости:
Q_П=П∙I (1.2.1) где: - коэффициент Пельтье.
При этом охлаждаемый спай имеет температуру , а нагреваемый . Если температуру нагреваемого спая поддерживать постоянной за счет теплоотвода, то между спаями возникает стационарная разность температур: . Тепловая нагрузка на холодный спай состоит из теплоты , обусловленной источником тепла, находящимся внутри термостатируемого объема, и теплоты, поступающей в термостатируемый объем из окружающей среды . Таким образом, величина холодопроизводительности есть полная тепловая энергия, поглощаемая на холодном спае термоэлемента. Кроме того, по ветвям термоэлемента вследствие их теплопроводности от горячего спая к холодному передается тепло Фурье:
Q_T=k∙∆T (1.2.2)где: k - удельное количество тепла, протекающего через термоэлемент, и приблизительно половина теплоты Джоуля, выделяющейся в объеме ветвей термоэлемента:
, где: r - омическое сопротивление термоэлемента.
Уравнение теплового баланса для холодного спая может быть записано в виде:
Q_T+0,5∙Q_Дж+Q_0=Q_П (1.2.3) где: . При изменении направления тока места выделения и поглощения тепла взаимно меняются. Решая (1.2.3) относительно перепада температур на концах термоэлемента, получим выражение вида:
Т_г-Т_х=∆Т=((ПI-0,5I^2 r-Q_(0.) ))/k (1.2.4) Анализ зависимости (1.2.4) показывает, что при прочих равных условиях максимальный перепад температур может быть получен при нулевой тепловой нагрузке на холодном спае. Если для дальнейших рассуждений использовать введенный А. Ф. Иоффе параметр эффективности термоэлемента: z_r=(a_r^2)/rk (1.2.5) где: a т - коэффициент термо-э.д.с. термоэлемента, то (1.2.4) можно записать в виде:
Q_0=П∙I-0,5∙I^2 r-(a_T^2)/(rz_T )∙∆T (1.2.6) ∆T=z_T/(a_r^2 )∙r∙(П∙I-0,5∙I^2∙r-Q_0) (1.2.7) С повышением параметра эффективности максимальная разность температур спаев растет. А с увеличением расширяется сфера возможного применения термоэлектрических устройств. Разработка термоэлектрических материалов привела к повышению параметра эффективности материалов от 1,5 .10 -3 град -1 до 3,5.10-3 град-1. В настоящее время лучшими материалами, освоенными производством, являются твердые растворы на основе теллурида висмута Bi2Te3 + Bi2Se3 - для отрицательной n-ветви и Bi2Te3 + Sb2Te3 - для положительной р-ветви термоэлемента. Основные параметры термоэлектрических материалов сведены в таблицу 1.1.
Потребляемая термоэлементом мощность Рт расходуется на преодоление омического сопротивления и термо-э.д.с. , т.е.:
P_T=I∙(a_T∙∆T+I∙r)=I∙(U_Ta+U_Tp )=I∙U_T(1.2.8)где: - коэффициент термо-э.д.с. термоэлемента из ветвей n-и р-типа;
- напряжение, идущее на преодоление омического сопротивления термоэлемента;
- напряжение, идущее на преодоление термо-э.д.с.;
- полное падение напряжения.
Для холодильного коэффициента можно написать уравнение:
.
Коэффициент Пельтье выражен через термо-э.д.с. термоэлемента:
,
где: - температура холодного спая, К.
Таблица 1.1. Основные параметры термоэлектрических материалов.
ПараметрыРазмерностьПоложительная ветвьОтрицательная ветвьПараметр эффективностиград -1(3,0 - 3,2) .10 -3(2,6 - 2,8) .10 -3Коэффициент термо-э.д.с.мкв/град180 - 220180 - 210Электропроводность1/ом . см1100 - 13001000 - 1400Коэффициент теплопроводностивт/см .град(11 - 14) .10 -3(12 - 15) .10 -3Максимально допустимая температура0С300250 - 300 Анализ термоэлектрических соотношений приводит к рассмотрению двух оптимальных режимов работы термоэлемента:
Режим максимального холодильного и отопительного коэффициентов, являющийся наиболее экономичным с точки зрения потребления энергии;
Режим максимального тепло- и холоднопроизводительности, при котором термоэлектрическое устройство имеет наименьшие габариты. Однако при этом потребляемая мощность возрастает по сравнению с первым режимом в 2 - 3 раза. Режим максимального тепло- и холоднопроизводительности наиболее приемлем для использования в системах термостатирования незначительных объемов, специфических для радиоэлектроники и приборостроения;
1.3 Параметры термоэлектрического модуля
Полупроводниковый термоэлектрический модуль представляет собой электрическую цепь из последовательно соединенных термоэлементов. Основные параметры модуля можно записать уравнениями, аналогичными для термоэлемента.
Коэффициент термо-э.д.с.: a=a_T∙N (1.3.1) Омическое сопротивление: R=N∙(r+4∙r_0+2r_k) (1.3.2)где: - количество соединенных термоэлементов;
- контактное сопротивление ветви термоэлемента и коммутационной пластины;
- сопротивление коммутационной пластины, определяемое ее электропроводно-стью , сечением и приведенной длиной ;
- ширина ветви;
- расстояние между ветвями;
Удельное количество тепла Фурье модуля:
K=N∙(k+k_из) (1.3.3) где: - удельное количество тепла Фурье, протекающего в изоляции между термоэлементами. Вводя параметр эффективности модуля аналогично параметру эффективности термоэлемента, получим: Z=a^2/RK (1.3.4) 2. Техническое задание
2.1. Наименование объекта проектирования
Измерительный блок системы измерения Z и R термоэлектрических модулей.
2.2. Основание для разработки
Основанием для разработки является задание на дипломный проект.
2.3. Назначение и цель
2.3.1. Назначение
Система параметров термоэлектрических модулей, предназначена для использования в серийном производстве при входном и выходном контроле качества термоэлектрических модулей. 2.3.2. Цель
Целью создания является расчет и обоснование выбора элементов электрической принципиальной схемы измерительной системы параметров термоэлектрических преобразователей, а так же анализ погрешностей этой схемы. Измеряемыми параметрами являются: термоэлектрическая эффективность модулей, приведенная к температуре 25С, сопротивление на постоянном положительном, отрицательном и переменном токах.
2.4. Требования к ИИС
2.4.1. Требования к объекту проектирования
2.4.1.1. Требования к структуре
Расчет термоэлектрической эффективности должен осуществляться на стабилизированном переменном, постоянном положительном и отрицательном токах по формуле:
(2.4.1)где:
,
v - коэффициент заполнения модуля, представляющий отношение площади поперечного сечения всех ветвей в модуле к площади теплоперехода модуля;
N - количество ветвей;
S - площадь поперечного сечения ветви [мм²];
- площадь меньшего теплоперехода, задаваемого в виде , [мм²];
a, b - стороны теплоперехода, [мм];
, k - теплопроводность воздуха и материала ветвей модуля соответственно, [Вт/мК];
, , - сопротивление модуля постоянному положительному, отрицательному и переменному току соответственно;
- температура окружающей среды.
Структура аппаратного обеспечения для поверки системы параметров термоэлектрических модулей, определяемая проектируемой методикой поверки, должна содержать образцовые средства измерения, сертифицированные для проведения поверок средств измерения, исходя из основной погрешности измерения термоэлектрической эффективности ИИС не более 2,5 %, сопротивления не более 0,5%.
2.4.1.2. Требования к функциям
Программно-аппаратные средства системы параметров термоэлектрических модулей обеспечивают:
- Измерение сопротивления модулей на переменном токе, постоянном прямом и обратном, приведенного к температуре 25С в автоматическом и ручном режиме (выбирается оператором);
Измерение термоэлектрической эффективности методом Хармана;
Тестирование измерительной цепи и проверку работоспособности системы;
Формирование и вывод результатов измерений и сертификата качества на экран, диск и принтер;
Пользовательский интерфейс ПО поддерживает русский и английский язык.
Сервисные программы, входящие в состав ПО, позволяют производить:
Тарировку канала измерения температуры; Просмотр осциллограмм измерительных каналов;
Обработку баз данных измеренных значений;
Конвертирование баз данных в формат DBASE;
Тестирование многофункциональной платы АЦП и блока измерений.
2.4.1.3. Требования к техническим параметрам
Технические параметры, определяются основными техническими характеристиками ИИС:
Количество одновременно измеряемых модулей, шт. - 20;
Производительность при измерении ТЭМ - не более 300 модулей/час (зависит от типа ТЭМ);
Диапазон изменения тока в измерительной цепи, мА - 5128;
Время одного цикла измерения, мин - 110;
Погрешность измерения термоэлектрической эффективности, % - не более 2,5;
Диапазон измерения сопротивления, Ом - 0,05 5;
Погрешность измерения сопротивления, % - не более 1;
Время непрерывной работы - 18 часов.
Более подробно функции и характеристики системы описаны в руководстве пользователя.
2.4.1.4. Требования к средствам защиты от внешних воздействий
Защита ИИС от влияния внешних воздействий должна осуществляться в рамках общих организационно-технических мероприятий по обеспечению безопасности и физической защите на объектах.
2.4.1.5. Требования по эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению
Система параметров термоэлектрических модулей предназначена для работы в нормальных климатических условиях в помещениях с температурой окружающей среды от 15 до 32С, и относительной влажности от 20 до 80%. Потребляемая мощность измерительного блока не более 50 Вт, питание 220 Вт 5%, частота 50-60 Гц. Поверка системы должна проводиться в тех же условиях, что должно быть отражено в методике поверки.
2.4.1.6. Требования к маркировке и упаковке
Система должна маркироваться в соответствии с пунктами:
наименование изделия;
наименование предприятия-изготовителя;
год выпуска.
Транспортная маркировка на таре должна содержать манипуляционные значки: "Осторожно, хрупкое", "Беречь от сырости", основные, дополнительные и информационные надписи должны соответствовать ГОСТ 14192-77.
Свободное пространство в упаковке должно быть заполнено распорными материалами, исключающими возможность какого - либо перемещения системы внутри упаковки.
2.4.1.7. Требования к транспортировке и хранению
В упакованном виде система может транспортироваться речным, воздушным, автомобильным и железнодорожным транспортом;
Транспортировка должна производиться в соответствии с требованиями, изложенными в следующих документах: "Правила перевозки грузов", "Руководство по грузовым перевозкам на внутренних воздушных линиях", "Общие правила перевозки грузов автотранспортом", "Правила перевозки грузов".
Транспортировка железнодорожным транспортом должна производиться в крытых вагонах, при этом перевозка грузов должна производиться в соответствии с "Техническими условиями погрузки и крепления грузов".
Погрузочно-разгрузочные работы необходимо производить в соответствии с ГОСТ 12.3.009-76.
2.4.1.8. Требования к документированию
Содержимое пояснительной записки должно соответствовать всем предъявляемым требованиям и должно содержать следующие разделы:
введение;
техническое задание;
разработка структурных и функциональных схем;
выбор и обоснование элементной базы;
разработка конструкции;
расчет надежности и погрешностей;
безопасность и экологичность проектных решений.
К измерительному блоку должны прилагаться следующие документы:
электрическая структурная схема;
электрическая функциональная схема;
электрическая принципиальная схема;
сборочный чертеж печатной платы;
чертеж печатной платы.
2.4.1.9. Требования к надежности
Вероятность безотказной работы - не менее 0,9 за 1 год.
2.4.1.10. Требования к метрологическому обеспечению
Техническая документация должна соответствовать ГОСТ 2.105 - 95 "Общие требования к текстовым документам".
Измерения должны производиться с требуемой точностью в широком интервале температур (от 0 до 50С). Погрешность измерений определяется точностью установки тока, пульсацией и стабильностью тока в цепи термоэлектрических модулей.
Погрешность определения термоэлектрической эффективности, % - не более 2;
Погрешность измерения сопротивления, % - не более 1.
2.4.1.11. Требования к безопасности
Все средства измерения, задействованные в ИИС, и сама система, должны быть оснащены клеммой заземления, быть заземлены. Персонал, допускаемый к системе, должен быть ознакомлен с техникой безопасности и иметь допуск к работе с электрооборудованием.
2.4.1.12. Требования по эргономике и технической эстетике
Оформление должно быть выполнено в соответствии с требованиями эргономики и технической эстетики ГОСТ 12.2.03-74. Приборы должны располагаться компактно, удобно для пользования при проведении поверки системы.
2.4.1.13. Требования к патентной чистоте
Не предъявляются.
2.4.2. Требования к видам обеспечения
2.4.2.1. Требования к программному обеспечению
Система параметров термоэлектрических модулей является автоматизированной, содержит ПЭВМ и для её функционирования используется общее программное обеспечение - Windows XP и специальное программное обеспечение - рабочая программа (более подробно программа описана в руководстве пользователя).
2.4.2.2. Требования к организационному обеспечению
Инструкция пользователя.
Инструкция инженеру по ремонту и эксплуатации.
Инструкция по работе с оборудованием.
2.5. Стадии и этапы разработки
Техническое задание.
Технический проект.
Рабочая документация.
Оснащение и внедрение.
3. Анализ и синтез электрических структурной и функциональной схем
Система предназначена для измерения сопротивления и термоэлектрической эффективности термоэлектрических модулей (ТЭМ). Система применяется для выходного контроля параметров ТЭМ при серийном производстве предприятиями изготовителями, для аттестации ТЭМ и их отбраковки. Предприятия изготовители устройств на базе ТЭМ применяют систему для входного контроля приобретаемых ТЭМ.
Систему могут применять производители термоэлектрических модулей, для их аттестации, отбраковки по заданным критериям, учета качества, создания баз данных параметров модулей, получения оперативной информации по модулям различными службами предприятия;
Систему могут использовать производители устройств на базе ТЭМ для входного контроля термоэлектрических параметров модулей и выборе термоэлектрических модулей при проектировании устройств на их основе;
Система может использоваться для определения времени выхода модуля на рабочий режим, а также для исследования параметров модулей при различных режимах измерений (изменение величины тока, направления тока, частоты переменного тока) с помощью визуального представление на экране ПК в режиме осциллографа падения напряжения на выбранном модуле.
3.1 Описание электрической структурной схемы
Схема электрическая структурная отображает принцип работы системы измерения в самом общем виде. На схеме изображают все основные функциональные части проектируемой системы, а также основные взаимосвязи между ними. Система состоит из программно-аппаратного комплекса, который включает:
Управляющая и обрабатывающая ПЭВМ IBM-PC с процессором Intel Celeron 2.4 Ггц, 2 Гб ОЗУ, HDD 500 Гб, принтер;
Программно-управляемый измерительный блок;
Два держателя ТЭМ. В каждом держателе размещаются: модули (от 1 до 20), два датчика температуры (терморезисторы 50ё100 Ом) и четыре эталонных сопротивления (от 0.1 до 4 Ом). Держатель имеет защитный металлический корпус, реализован 4-х проводный метод измерения;
Программное обеспечение системы измерений "Программа измерения Z и R термоэлектрических модулей" (версии для операционных систем семейства Microsoft Windows).
Более подробно остановимся на программно-управляемом измерительном блоке (БИ), который состоит из следующих основных узлов:
узел коммутации и усиления напряжения с термоэлектрических модулей;
-узел генератора тока;
узел питания блока.
Все узлы БИ, кроме трансформатора питания, размещены на печатной плате с размерами 150 х 100 мм. Плата блока заключена в корпус из алюминия. На боковой панели блока размещен выключатель сетевого питания. На передней: светодиодные индикаторы питающего напряжения платы +15 В; -15 В +3,3 В; индикатор работы USB . На задней панели блока размещены разъем сетевого кабеля и держатель предохранителя 0,15 А, разъем USB. Кабели связи БИ с держателем модулей (потенциальные, токовые, температурные кабели связи) выведены на боковую панель БИ.
3.1.1 Узел коммутации и усиления напряжения с термоэлектрических модулей
Общие технические данные.
Аналоговые входы:
количество каналов - 48 дифференциальных;
автоматическое сканирование каналов;
программно управляемый коэффициент усиления (1, 10, 100, 1000).
Функции узла коммутации и усиления.
Узел обеспечивает подключение входного измеряемого аналогового сигнала (напряжения на эталонных сопротивлениях, модулях), усиление сигнала и передачу на АЦП для измерения его значения. Выбор каналов осуществляется программно. Коды на переключение входных каналов поступают с микроконтроллера на управляющие входы аналоговых коммутаторов. Каналы подключаются программой последовательно. Первоначально измеряется напряжение на выбранном эталонном сопротивлении (каналы 2124). Зная точное значение эталонных сопротивлений (0.14 Ом), вычисляется значение тока в цепи. Выбор пары сопротивлений зависит от типа модулей. Коммутация 2 эталонных элементов осуществляется через реле, которое встроено в держатель. После измерения тока в цепи термоэлектрических модулей подключаются каналы для измерения напряжения на модулях. Измерение (при тестировании) эталонных сопротивлений и сравнение с номинальными позволяет контролировать работоспособность системы. Количество подключаемых модулей задается пользователем (от 1 до 20 для каждого держателя). Зная ток через модуль и напряжение на модулях, вычисляется сопротивление модуля. Входной сигнал усиливается высокоточным дифференциальным усилителем. Коэффициент усиления устанавливается программно (1, 10, 100, 1000), диапазон аналогового сигнала АЦП составляет 2,5 В.
3.1.2 Узел генератора тока
Общие технические характеристики:
Стабилизированный ток 5 - 128 мА;
Форма тока: переменный ,положительный постоянный, отрицательный постоянный;
Величина тока: два режима задания тока в измерительной цепи (выбираются пользователем при вводе параметров измерений);
задается пользователем числовое значение и устанавливается программно, частота переменного тока задается пользователем (от 55 до 1000 Гц);
ток рассчитывается программно и устанавливается программно.
Функции узла генератора и регулятора тока.
Узел предназначен для обеспечения стабилизированного тока в измерительной цепи, состоящей из эталонных сопротивлений и последовательно соединенных модулей. Измерительная цепь конструктивно расположена в держателе модулей (рис. № 3.1). Рис. №3.1 Измерительная цепь.
Форма тока в цепи (рис. № 3.2) зависит от сигнала поступающего с ЦАП.
Знакопеременный токПостоянный положительный токПостоянный отрицательный ток Рис. № 3.2 Формы тока, выдаваемые в измерительную цепь генератором тока БИ.
Выбор держателя модулей и формы тока осуществляется программно.
Величина тока в измерительной цепи (5128 мА) задается программно.
3.1.3 Узел стабилизированного источника питания БИ
Узел выполняет следующие функции:
преобразование уровней напряжения;
выпрямление;
фильтрация;
стабилизация.
Преобразование уровней напряжения выполняется с помощью трансформатора. Трансформатор преобразует переменное напряжение сети 220 В в переменное напряжение 15 В. На плату БИ с разъема поступает переменное напряжение 15В.
Для стабилизации напряжения используется стабилизатор, обеспечивающий стабилизированное напряжение +15 В , -15 В. Горящие светодиодные индикаторы на передней панели БИ свидетельствуют о наличие питающего напряжения платы +15 В и -15 В.
3.1.4 Держатели модулей
Держатель модулей предназначен для работы в составе системы и является устройством для размещения испытуемых модулей, их коммутации, обеспечения температурных условий при измерениях. Конструкция держателя модулей реализует 4-хпроводную схему измерений. Разработаны два варианта держателей модулей:
с горизонтальным размещением испытуемых модулей;
с вертикальным размещением испытуемых модулей.
Держатель модулей с горизонтальным размещением испытуемых модулей.
Конструктивно этот держатель модулей представляет собой основание, с размещенными на нем откидывающейся крышкой-корпусом, двумя лотками с разделителями для размещения 10 модулей, панели контактов, потенциальных и токовых кабелей связи с измерительным блоком. Общие технические данные количество одновременно размещаемых модулей, шт.................от 1 до 20
максимальный размер размещаемых модулей............................40х40 мм.
величины 4-х встроенных эталонных резисторов, Ом.....................0.33; 1; 2; 3.88 + 0,5%
количество датчиков температуры, шт.............................................2
длина потенциальных, токовых, температурных кабелей связи, мм...1200
габаритные размеры:
длина, мм...............................................................................260
ширина, мм.............................................................................515
высота, мм...............................................................................95
вес, кг.....................................................................................5,2
Металлическое основание держателя является основным несущим компонентом. Для обеспечения температурного режима во время проведения измерений (т.е. отсутствие свободных потоков воздуха, попадания прямого солнечного излучения, теплового излучения от источников тепла) держатель оборудован металлическим, откидывающимся на петлях, корпусом-крышкой с окном из дымчатого органического стекла. На основании слева и справа укреплены угловые упоры для лотков, предотвращающие смещение их во время установки измеряемых модулей и проведения процесса измерений.
Лотки для размещения модулей также выполнены из органического стекла, имеют боковые ограничительные стенки и внутренние разделительные перегородки, позволяющие разместить до 10 модулей. Во время работы лотки размещаются один над другим.
Панель контактов выполнена из листового текстолита и закреплена на основании вертикально. На панели вертикально расположены 10 нажимных 4-х контактных клеммных колодок. При установке нижняя пара контактов служит для присоединения одного модуля из нижнего ряда, а верхняя пара - одного модуля из верхнего ряда.
Держатель модулей с вертикальным размещением испытуемых модулей.
Общие технические данные количество одновременно размещаемых модулей, шт.................от 1 до 20
максимальный размер размещаемых модулей, мм. .................................
величина встроенного эталонного резистора, Ом......................2.0 + 0,5%
количество датчиков температуры, шт. .............................................2
длина потенциальных, токовых, температурных кабелей связи, мм...1200
На металлическом основании держателя крепится на откидывающихся петлях металлический корпус-крышка и панель контактов. Панель контактов изготовлена из листового текстолита и закреплена на основании вертикально. На панели вертикально расположены 10 нажимных 4-х контактных клеммных колодок. Каждая пара контактов пронумерована. Контакты имеют черный и красный цвет. При установке модулей необходимо сохранять полярность (красный контакт положительный вывод модуля, черный - отрицательный). Модули устанавливаются вертикально в гребенку, конструктивно выполненную в виде двух металлических гребенок с зажатой внутри пористой резиной, имеющей вырез для установки модулей. Гребенка закрепляется на основании с помощью штифтов.
Подключение потенциальных, токовых, температурных кабелей связи держателя модулей к блоку измерений (для 1-ого и 2-ого варианта держателя).
Коммутация колодок произведена медными шинами на тыльной стороне панели контактов, согласно структурной схеме, и образует вместе с включенным последовательно эталонным и калибровочным резистором последовательную измерительную токовую цепь.
Токовые выводы с блока измерений подводятся к первому измеряемому модулю в цепи и эталонному сопротивлению, которое стоит последним в измерительной цепи, 4-х жильными ленточными кабелями, снабженными разъемами типа WF-4.
Каждый контакт, а также резисторы, имеют потенциальные отводы, обеспечивающие 4-х проводную схему измерений и соединенные с потенциальным кабелем связи.
Потенциальный кабель связи выполнен в виде 60-жильного ленточного кабеля, снабженного разъемом типа FC-60P и служит для связи потенциальных выводов колодок и резисторов размещенных в держателе с блоком измерений.
На внутренней стороне защитной планки панели контактов (в противоположных ее концах) закреплены датчики (терморезисторы) для контроля температуры внутри держателя во время измерения. При измерении менее 20 модулей (N-модулей) для обеспечения тока в измерительной цепи предусмотрено использование проволочной перемычки с плоскими наконечниками. При использовании перемычки один наконечник вставляется в свободную от модуля клемму N+1, а второй в клемму для 20 модуля.
3.2 Описание электрической функциональной схемы
На схеме электрической функциональной изображены функциональные части измерительной системы (элементы, устройства и функциональные группы) и связи между ними.
Устройство состоит из нескольких функциональных узлов, предназначенных для коммутации входных сигналов и генерации стабилизированного тока в последовательную цепь из модулей. Помимо схемы коммутации сигналов и генерации тока устройство содержит элементы, осуществляющие прием и передачу цифровой информации в ЭВМ.
3.2.1 Узел коммутации и усиления напряжения с термомодулей
Узел состоит из мультиплексоров DA1 и DA2, осуществляющих подключение одного из термомодулей к измерительному блоку. Мультиплексор DA1 подключает положительный потенциал напряжения термодуля, а DA2 - отрицательный.
Для управления коммутацией модулей используется шесть цифровых разрядов управляющего кода. Модули объединены в три группы, по равному количеству штук в каждой.
При этом три разряда выбирают один из модулей в одной группе, а три других разряда выбирают одну из трех групп. Напряжение низкого уровня (логический ноль) в разряде выбора одной из групп отключает все модули данной группы.
Снимаемое с термомодулей напряжение коммутируются в DA1 и DA2. При этом оно имеет амплитуду, недостаточную для подачи на вход АЦП. Для усиления напряжения используется усилитель с программируемым коэффициентом усиления КU = 1,10, 100, 1000. Выбор одного из коэффициентов усиления осуществляется с помощью двух цифровых разрядов управляющего кода. Чем меньше сопротивление датчиков или амплитуда измерительного тока, тем больший коэффициент усиления необходимо установить. Усиленный сигнал с выхода усилителя поступает на нулевой канал АЦП, после чего его оцифрованные значения могут быть обработаны программно.
3.2.2 Узел генератора тока в термомодулях
Для задания стабилизированного тока в последовательную цепь модулей служит стабилизированный генератор тока, управляемый напряжением. Для задания типа тока используются ЦАП входящий в состав микроконтроллера DD2. ЦАП позволяет выдавать заранее заданное напряжение с заранее заданной частотой от 50 до 1000 Гц. Форма сигнала - прямоугольная.
Для задания регулируемой амплитуды тока обеих полярностей необходимо, чтобы напряжение с выхода ЦАП было также биполярным и коммутировалось поочередно на генератор тока с помощью коммутаторов DA9 и DA10. Для этих целей в структуре блока предусмотрен усилитель напряжения с коэффициентами усиления КU = -1.
Генератор тока реализован на ОУ DA11 и DA12, по определению ток в отрицательной обратной связи у операционного усилителя, стабилен и не зависет от сопротивления обратной связи.
Сопротивление обратной связи образуется последовательной цепью из двадцати модулей и четырех образцовых сопротивлений. Образцовые сопротивления необходимы для контроля тока и их номинал должен иметь тот же порядок, что и номинал сопротивления модулей.
Поскольку нагрузочной способности операционного усилителя не достаточно для задания требуемой величины тока в цепи термомодулей, то вводится усилитель тока, который согласует выход операционного усилителя с сопротивлением последовательной цепи нагрузки.
3.2.3 Узел коммутации термодатчиков
Связь с термодатчиками осуществляется по однопроводному интерфейсу 1-Wire. Поскольку данный интерфейс является последовательным то 4 датчика могу быть подключены к 1 проводнику. Каждый датчик имеет свой уникальный ID код на который откликается при опросе. Питание датчиковосуществляется от стабилизированного источника питания DA3.
3.3 Основные технические параметры системы
Количество одновременно измеряемых модулей, шт. 1ё20;
Количество держателей модулей, шт. 2;
Диапазон изменения тока в измерительной цепи, мА. 5±128;
Время одного цикла измерения, мин. 1ё10;
Производительность при измерении ТЭМ, до 300 модулей/час (зависит от типа ТЭМ);
Погрешность измерения термоэлектрической эффективности, % не более 2;
Диапазон измерения сопротивления, Ом. 0.05ё10;
Погрешность измерения сопротивления, % не более 1;
Погрешность измерения температуры воздуха внутри держателя, °С не более ±1°С;
Время непрерывной работы, 18 часов;
Система предназначена для работы в нормальных климатических условиях при температуре окружающей среды от 15 до 32°С, и относительной влажности от 20 до 80%;
Питание 220В ±10%, частота 50ё60 Гц.
4. Выбор и расчет элементов принципиальной схемы
4.1 Расчет времени срабатывания
Одним из важных элементов расчета которые считаются в первую очередь - время работы схемы. Здесь необходимо произвести расчет промежутка времени в котором будет производится опрос АЦП и передача данных по USB. В цепи 2 канала с модулями. в каждом канале по 20 модулей + 4 эталона. Т.к. эталоны во время измерения не будут задействованы, то необходимо рассчитать время для 40 модулей соответственно. Максимальная частота импульсов составляет 1 кГц. Частота дискретизации АЦП определяется по теореме Котельникова и она будет равна 1∙2=2 кГц. Т.к. всего модулей 20 получается что минимальная частота дискретизации будет составлять 2∙20=40 кГц. АЦП позволяет получить более высокую частоту дискретизации до 100 кГц. Для более быстрого опроса и облегчения задачи программирования можно повысить частоту до 100 кГц. Подсчитаем время опроса 1 канала в 20 элементов 1/40000 *=25 мкс. Время для 1 цикла измерения будет составлять 25 мкс. Частота работы микроконтроллера составляет 16 МГц это соответствует времени 1 такта: 62,5 нс. Т.к. Большая часть команда микроконтроллера выполняется за 1-2 такта, по этому для программы имеется место объемом минимум в 200 строк. Если повысить частоту дискретизации в 2 раза, то количество кода будет составлять - 100 строк. Следовательно можно задать 2 режима дискретизации: 40 кГц и 80 кГц соответственно.
4.2 Выбор термодатчика
Измерение температуры внутри держателя будет производить цифровой термодатчик с точностью измерения температуры в ±1оС и подключенный к шине 1-Wire, сейчас почти все цифровые датчики меряют температуру с точностью до ±0,5 оС, этому условию удовлетворяет выводной датчик DALLOS DS-18B-20. Данный датчик имеет однопроводной интерфейс и может быть запитан от напряжения равным 3.3 В. Для корректной работы датчика требуется установить подятигивающий резистор, номиналом 4,7 кОм, с линии питания на линию данных.
4.3 Узел коммутаторов
Для коммутации 48 выводов потребуется использовать коммутаторы которые имеют питание ±15 В и могут быть активированы логическим уровнем 3,3 В. Этим условиям удовлетворяет коммутатор ADG408BRZ. Данный коммутатор может коммутировать 8 входов. Для коммутации 2 каналов по 48 элементов, потребуется 12 микросхем.
4.4 Узел усиления и аналого-цифрового преобразования
При измерении термоэлектрической эффективности на модулях с минимальной величиной сопротивления, амплитуда сигнала будет крайне малой и будет составлять - 0,01 В. Что бы корректно оцифровать данное значение понадобится усилитель. В качестве дифференциального усилителя подойдет любой операционный усилитель, но т.к. амплитуда для каждого модуля будет разной, то понадобится использовать программируемый операционный усилитель с коэффициентом усиления не менее 100, напряжением питания ±15 В. Таким условиям удовлетворяет прецизионный операционный усилитель PGA204. Перед входом усилителя необходимо поставить фильтр верхних частот, для фильтрации высокочастотных помех. Расчет фильтра ведется по формуле 4.3.1.
C=1/(2∙π∙f_в R_н ) (4.3.1)где: π - число пи;
f_в - частота среза;
R_н - сопротивление нагрузки.
Подставим значения в формулу и посчитаем ёмкость конденсатора.
С=1/(2∙3,14∙1∙〖10〗^6∙10)=0,0796 мкФ
Т.к. такого конденсатора в номинале нет, используем самый ближайший номинал 0,068 мкФ.
Что бы осуществить преобразование из аналоговой величины в цифвровую потребуется биполярный АЦП, с разрядностью 12 бит и частотой дискретизации минимум 5 кГц. Из всех имеющихся преобразователей не так много тех которые могут осуществлять такое преобразование. Один из простых и не дорог АЦП является AD7893ARZ-3, его стоимость составляет порядка 500 рублей. Данный АЦП использует последовательное приближение, может измерять в диапазоне -2,5÷2,5 В, имеет частоту дискретизации 200 кГц. Для данного АЦП потребуется источник опорного напряжения величиной 2,5 В. Ряд таких источников широк, но для схемы измерения потребуется самая точная технология XFET запатентованная Analog Device. Из этой серии выбираем источник опорного напряжения ADR291BRZ.
4.5 Генератор тока управляемый напряжением
Для задания стабилизированного тока в модули, используется генератор тока управляемый напряжением, для каждого держателя.
В схеме имеется 2 идентичных генератора тока. Первый генератор тока реализован на элементах DA15, транзисторах VT1, VT2, и резисторах R9. Второй источник тока на операционном усилителе DA16, транзисторах VT3, VT4 и резисторе R10.
Последовательная цепь модулей включается в цепь обратной связи. Рассмотрим работу схемы стабилизатора тока на примере элементов схемы для первого держателя. Можно записать, что ток протекающий через модули будет равен:
I_мод=U_вхDA15/R9 (4.4.1) Напряжение на входе DA15 максимально составляет 2,5 В.
Необходимая по заданию величина тока, должна соответствовать 128 А, от сюда следует:
R9=U_вхDA15/I_мод (4.4.2) R9=2,5/0,128=19,53 Ом.
Т.к. в продаже сопротивление 19,53 Ом нет, то воспользуемся сопротивлением 18 Ом.
Рассчитаем мощность:
P_R9=I_мод^2∙R9 (4.4.3) P_R9=0,128∙18=0,295 Вт
Данным требованиям удовлетворяет проволочный резистор MO-50, обладающий высокой стабильностью и низким ТКС.
Для согласования выходных токов ОУ и тока Iмод, выход ОУ включается с последовательной цепью термоэлектрических модулей, через эммиторный повторитель VT1 и VT2, по двухтактной схеме.
Транзисторы выбираются из условия максимально потребляемого тока 0,128 А. Данным условиям удовлетворяют транзисторы КТ817 и КТ 816, имеющие следующие характеристики:
h21≥20
Uкэ= 25 В
Iк=3 A.
Для задания стабилизированного тока в модули, используется генератор тока, управляемый напряжением для каждого держателя.
4.6 Узел индикации потока USB данных
Узел индикации данных реализован по схеме ждущего мультивибратора на микросхеме D3 которая содержит 4 элемента ИЛИ-НЕ, резисторах R11, R12, R13, конденсаторе C6, светодиоде H1, транзисторе VT5. Первая особенность линии заключается в том что сама шина данных инверсная, по этому что бы индикатор постоянно не светился, требуется поставить 1 инвертор, таким образом задействуем 1 из элементов ИЛИ-НЕ. Второй особенностью данного устройства является то, что скорость передачи данных составляет 10 МГц. Минимальное время мигания светодиода для человеческого глаза составит 20 мс. Время срабатывания мультивибратора рассчитывается по формуле зарядки RC цепочки.
τ=R∙C (4.5.1) Определим значение конденсатора при времени в 20 см и номинале резистора 1 кОм
С=τ/R=0,02/1000=0,00002 Ф
Переведем величину фарада в мкФ и получим емкость в 20 мкФ. Для ждущего мультивибратора требуется еще 2 логических элемента. Итого из 4 элементов остается 1 не задействованный КМОП элемент. Что бы элемент ложно не срабатывал и не вывел из строя всю микросхему подключим его к питанию. Для работы в данной цепи был выбран элемент CD4001BCM он отвечает требованиям частоты и напряжения питания, так же количеству логических элементов.
Корректная работа индикатора светодиода возможна при токе не более 22 мА. Т.к. максимальный ток с элемента D3 может составлять до 12 мА потребуется усилитель. В качестве усилителя используется эмиттерный повторитель. Рассчитаем резистор для ограничения тока проходящего через светодиод Н1. В качестве транзистора VT5 используем маломощный КТ315А. R=(U_пит-U_(кэ.нас.)-U_свд)/I_э (4.5.2) Посчитаем номинал резистора R13 по формуле 4.5.2.
R13=(5-0,4-2,5)/0,02=105Ом
4.7 Расчет потребляемой мощности
В схеме присутствует питание +5В, +3,3В, +15В.
К цепи +5В подключен АЦП и логический элемент CD4001BCM
потребляемая мощность CD4001BCM - 0,5Вт
АЦП - 0,45 Вт
Цепь с транзистором рассчитывается как 5х0,02=0,1ВТ
суммарная мощность = 0,5+0,45+0,1=1,05 Вт. Максимальная мощность которую можно нагрузить на USB составляет 2,5 Вт. Превышение отсутствует.
Цепь 3,3 В к ней подклчючен микроконтроллер и ИОН
микроконтроллер при напряжение 3,3 В имеет ток до 180 мА, мощность составляет при этом максимум 0,6 Вт
Ион ADR291 максимальный ток 15мкА при напряжение в 3,3 В.
Для питания микроконтроллера и ион успешно подойдет стабилизатор LM2937ES-3.3. Напряжение на выходе 3,3В максимальный ток 0,5А, не требует установки стабилизатора.
Линия +15В к ней подключены 12 комутаторов ADG408BR мощность 1 микросхемы 0.6 Вт, максимальный ток до 40 мА. для 12 микросхем максимальная мощность 7,2 Вт, максимальный ток до 480 мА. Комутатор ADG419 имеет мощность 0,6 Вт максимальный ток в 40 мА, установлено 2 микросхемы всего мощность 1.2 Вт макс ток 80 мА.
Операционный усилитель PGA204 - при 15 Вольтах ток потребления может составлять до 5 мА, как положительной так и отрицательной полярности. Это соответстует мощности в 0,75 Вт.
Операционный усилител AD711JR при питании в 15 В ток составляет 2.5 мА, что соответствует мощности в 0,037 Вт. всего импользуется 3 ОУ
НаименованиеПотребляемый токНапряжение питанияПотребляемая мощность Количество штукAD711JR2,5 мА150,0373PGA2045 мА150,75 Вт1ADG41940 мА150,6 Вт2ADG408BR40 мА150,612 Макисмальный ток на 15 В составляет сумму токов в цепи. 0,005+0,0075+0,08+480+0,4=0,972 А. Такому току удовлетворяет стабилизатор КР142ЕН8В и КР1162ЕН15А. Округлим максимальный ток до 1А. При 30 вольтах биполярного питания потребляемая мощность не превысит 30 Ватт. 5. Разработка конструкции системы, расчет конструктивных параметров
4.1. Выбор и обоснование конструкции печатной платы
5.1.1. Выбор и обоснование типа печатной платы
Необходимо выбрать двустороннюю печатную плату (ДПП), исходя из следующих соображений:
На ДПП печатные проводники располагаются с обоих сторон платы, что при отсутствии ограничений на размеры позволяет реализовать практически любую схему. Использование ДПП позволяет повысить плотность монтажа с 1,5 ЭРЭ/см2 у односторонних печатных плат до 2 ЭРЭ/см2 у ДПП.
Использование ДПП позволяет увеличить ожидаемое количество осуществленных связей, что позволит при трассировке печатных проводников воспользоваться САПР Altium Designer 10. Благодаря этому значительно упростится и ускорится процесс проектирования ПП. 5.1.2. Выбор и обоснование класса точности
При трассировке печатной платы понадобится прокладывать печатный проводник между ножками ИС, а так как минимальное расстояние между их ножками 1,27 мм, то необходим 4-класс точности печатного монтажа, который по ГОСТ 23751-86 имеет следующие параметры:
1.Расстояние между соседними элементами проводящего рисунка не менее 0,15 мм
2.Ширина проводника не менее 0,15 мм
3.Отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине печатной платы не менее 0,25
4.Гарантийный поясок 0,05 мм.
5.Предельное отклонения диаметра ∆d отверстия для 4 класса составляет +0, -0,1 для отверстий с металлизацией без оплавления диаметром менее 1мм. Для отверстий свыше 1 мм +0,05, -0,15.
6.Предельное отклонение ширины печатного проводника ∆t, мм, для 4 класса ±0,05 с учетом покрытия.
7.Значение позиционного допуска расположения осей отверстия - 0,05мм.
8.Значение допуска расположения центров контактных площадок TD, 0,1 мм
9.Значение позиционного допуска расположения печатного проводника T1, 0,03 мм.
5.1.3. Выбор габаритных размеров и конфигурации ДПП
Выбор габаритных размеров ДПП осуществлялся по ГОСТ 10317-79. Исходя из вышеизложенного и результата трассировки платы, выбираем размер платы равным 150х100 мм.
5.1.4. Выбор материала основания печатной платы
В качестве материала для изготовления печатной платы выбираем стеклотекстолит с двусторонним фольгированным слоем и толщиной печатного проводника, равной 35 мкм, - СФ-2-35 - для изготовления двусторонних печатных плат.
В данное время стеклотекстолит - наиболее распространенный материал для изготовления печатных плат, имеет хорошие технологические и эксплуатационно-технологические свойства, среди которых:
- широкий диапазон рабочих температур - (-60...+105°С),
- низкое водопоглощение - (0.2...0.8 %),
- большое объемное и поверхностное сопротивления - (1010...1013 Ом),
- стойкость к короблению,
- повышенная жесткость и прочность.
Толщину печатного проводника выбираем равной 35 мкм по ряду причин:
1. Между толщиной печатного проводника и его шириной существует тесная зависимость. Если уменьшать толщину, то соответственно будет увеличиваться ширина проводника, а вместе с ней и размеры всей печатной платы.
2. Необходимо, чтобы печатный проводник выдерживал токи, текущие в схеме, что также зависит от толщины печатных проводников. Чем меньше толщина фольги, тем меньше расход материала и ниже стоимость печатной платы.
СФ-2-35-1 обладает следующими характеристиками по ГОСТ 10316-78:
Удельное поверхностное сопротивление ρS = 1010...1011 Ом;
Удельное объемное сопротивление ρV = 1011...1013 Ом·см;
Диапазон рабочих температур -60...+105°С;
Диэлектрическая проницаемость ε = 6;
Прочность отделения 3-х мм полоски фольги от диэлектрического основания σ = 4Н.
Предпочтительные толщины для стеклотекстолита по ГОСТ 10316-78: 1.0; 1.5; 2.0 мм.
5.1.5. Выбор защитного покрытия печатной платы
Сухая пленочная защитная паяльная маска (Dry Film Solder Mask (DFSM)) является водообрабатываемой, сухой пленочной фотополимерной защитной паяльной маской. Защитная маска имеет диэлектрическую прочность 500В постоянный ток. Сопротивление изоляции в 5∙〖10〗^8 Ом.
Маски Dynamask Серии 5000 являются прозрачными, высоко блестящим материалом цвета лесной зелени, поставляемым толщиной 75 мкм и 100 мкм. Пленка поставляется в рулонах разной ширины и различной длины. Подобно большинству других сухих пленочных продуктов фотополимер расположен между полиэфирной пленкой основы толщиной 25 мкм и полиэтиленовой снимаемой пленкой толщиной 25 мкм.
5.1.6. Расчет элементов печатного монтажа
1.Минимальный диаметр переходного отверстия
Оценим необходимую ширину проводника сигнальной цепи по формуле 5.1
Расчет диаметра переходного отверстия:
D_пп=I/(0,75∙π∙h∙A) (5.1) где :I - масимальная сила тока в цепи,(1 А)
h - толщина гальванической меди(0,035 мм)
А - допустимая токовая нагрузка(предельная величина составляет 250А/мм2 для наружных проводников по ГОСТ 23.751-86)
D_пп=1/(0,75∙3,14∙0,035∙250)=0,048 ≈0,05 мм
Т.к. в ГОСТ 10317-79 величина диаметра переходного отверстия равная 0,05 отсутствует примем минимальную величину диаметра отверстия, которая составляет 0,4 мм.
2.Оценим толщину проводника для сигнальных цепей
b_пр>((L∙ρ∙I))/((h_ф∙U_п∙0.01)) (5.2) где:ρ - удельное сопротивление проводника
L - максимальная длина проводника
I - максимальный ток в проводнике
hф - толщина проводника
Uп - напряжение питания
Параметры: ρ = 0.0175 Ом*мм2 / м, L = 10 см(взято с избытком) , I = 20 мА, hф = 0.035 мм, Uп = 2.5 В.
b_пр>((100∙0.0000175∙0.02))/((0.035∙0.035∙0.01))=0.04 мм
Для IV-го класса точности оптимальная ширина проводника 0.2 мм, а следовательно удовлетворяет условию bпр = 0.2 > 0.149.
Теперь необходимо определить порог срабатывания АЦП. Рассчитаем минимальное напряжение срабатывания АЦП при питании 2.5В. 12 бит АЦП соответствует 4096 значениям. Т.к. Учтем что АЦП биполярный, рассчитаем минимальный уровень срабатывания как 2,5\2048 = 0,00122 В или 1,22 мВ. АЦП имеет входной сопротивление 4 кОм,
Найдем максимальный ток на входе АЦП по закону Ома(5.3)
I=U/R (5.3) I=2,5/4000=0,000625=625 мкА
Максимальное сопротивление проводника определяется отношением мнимального напряжения срабатывания к максимальному току (формула 5.4) R=U/I (5.4) R=0,00122/0,000625≈2 Ом
По ГОСТ 23751-86 из таблицы 9 применив материал СФ-1-35-1 сопротивление проводника без покрытия при толщине дорожки 0.2 мм составляет 1,6 -Ом, при 0,5мм - 0,52 Ом, при 1 мм -0,32 Ом
Печатные платы должны удовлетворять 4 классу точности.
При расстоянии между проводниками в 0,5мм максимальная величина напряжения может составлять до 350 В согласно ГОСТ 23751-86.
Из-за использования импортных радиоэлементов шаг координатной сетки будет сотавлять 0,635 мм согласно ГОСТ Р 51040-97.
Оценим необходимую ширину проводника для цепей земли и питания по формуле 5.2.
b_пр>((150∙0.0000175∙1,5))/((0.035∙15∙0.01))=1 мм
Из полученного значения видно, что выбранная ранее величина соответствует расчетной bпр = 1 > 0,75 мм.
Оценим необходимую ширину проводника для цепей шин данных:
b_пр>((150∙0.0000175∙0.02))/((0.035∙3.3∙0.01))=0,045 мм
Из полученного значения видно, что выбранная ранее величина соответствует расчетной bпр = 0,1 > 0,045 мм. Т.к. будут использоваться транзисторы, разъемы IDC, USB то для их монтажа потребуются расчет монтажных отверстий. 3.Расчет диаметра монтажных отверстий для выводов порта IDC: D_МО=d+r+|〖∆d〗_НО |
где, d - максимальный диаметр монтажного отверстия;
r - разность между минимальном значением отверстием и максимальным диаметром вывода установленного элемента(при ручной сборке данная величина составляет 0,2 мм);
|〖∆d〗_НО | -Нижние предельное отклонение диаметра отверстия.
D_МО=0,64+0,1+0,1=0,94 мм
Согласно ГОСТ 10317-79 диаметр монтажного отверстия будет составлять 1 мм.
Диаметр для резисторов МО-50 составляет 0,6 мм..
D_МО=0,6+0,2+0,1=0,9 мм
Взяв значение из ГОСТ 10317-79 получим те же 0,9 мм.
Диаметр для стабилизаторов составляет 0,95
D_МО=0,95+0,2+0,1=1,25 мм
Взяв значение из ГОСТ 10317-79 получим те же 1,3
Диаметр для разъемов типа WF составляет 0,92 мм
D_МО=0,92+0,2+0,1=1,22 мм
Взяв значение из ГОСТ 10317-79 получим те же 1,3
Диаметр для транзисторов КТ816, КТ817 0,88 мм
D_МО=0,88+0,2+0,1=1,13 1,2
Диаметр для транзистора КТ315 составляет 0,8
D_МО=0,8+0,2+0,1=1,1 по гост 1,1
4. Рассчитаем минимальный диаметр контактной площадки для монтажного отверстия IDC:
D=(d+∆d_во )+2b+〖∆t〗_ВО+2∆d_тр+(T_d^2+T_D^2+〖∆t〗_но^2 )^(1/2)
где, d - диаметр монтажного отверстия(1);
b - 0,05
∆d_во - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия(0);
∆d_тр - величина подтравливания диэлектрика в отверстии, принимается равной 0,03 мм;
T_d - позиционный допуск расположения осей отверстия(0,05)
TD - позиционный допуска расположения центров контактных площадок(0,1);
〖∆t〗_ВО - Верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки(0,05);
〖∆t〗_НО - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки(0,05)
D=1+0+2∙0,05+0,05+2∙0,03+(0,025+0,01+0,025)^(1/2)=1,45
Величина контактной площадки составляет 1,5 мм.
Для WF-4, кт816 -d=1,2
∆d_во- 0,05 мм.
Для кт 315
D=1,1+0,05+2∙0,05+0,05+2∙0,03+(0,025+0,01+0,025)^(1/2)=1,6
Для стабилизаторов
D=1,3+0,05+2∙0,05+0,05+2∙0,03+(0,025+0,01+0,025)^(1/2)=1,8
По ОСТ 4.010.022-85 диаметр контактной площадки будет составлять 0,9 мм.
Оптимальный диаметр 1,8
Оптимальный диаметр 2 по ОСТ 4.010.022-85
Для переходного отверстия D=0,4+0+2∙0,05+0,05+2∙0,03+(0,025+0,01+0,025)^(1/2)=0,85
Согласно ОСТ 4.010.022-85 диаметр контактной площадки будет составлять 0,9 мм.
Диаметр контактной площадки для резисторов МО-50.
D=0,9+0+2∙0,05+0,05+2∙0,03+(0,025+0,01+0,025)^(1/2)=1,35
Согласно ОСТ 4.010.022-85 диаметр контактной площадки будет составлять 1,4 мм.
Результаты расчет сведены в таблицу 5.1.
Таблица 5.1.
Наименование РЭДиаметр вывода РЭДиаметр отверстияДиаметр контактной площадкиIDC-60; IDC-06; PLS-20,6411,5КТ3150,81,11,6WF-2; WF-60,921,31,8Стабилизатор0,951,31,8Транзисторы0,881,21,7Резисторы0,60,91,4Конденсатор0,81,11,6Переходное отверстие0,40,850,9 5.2 Разработка конструкции системы.
Разработка конструкции системы будет выполняться согласно схемы электрической принципиальной, показанной в графической части лист Э3. Исходными данными для расчета площади платы служат значения следующих параметров: площадь основания микросхем, разъемов, резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов. Значения площади сведены в таблицу 5.2. Таблица 5.2. Расчетные площади радиоэлементов.
Наименование комплектующихДетальРазмерКоличествоМикросхемыATxMEGA128A4U12.3x12.31LM2937ES-3.316x111ADG408BR10x412ADR2915x41PGA20410х41AD711JRZ5х43ADG4195x42КР1162ЕН15А11х51КР142ЕН8В11х51AD7893ARZ-35х41CD4001BCM8х41Диодный мостDB157S8х8,51ДиодDO-214AC5х31РазъемыIDC-6084x92IDC-022,5*51IDC-0611x91Mini USB16х121WF-66x161WF-26x52РезисторыSMD типоразмер 12103x2,52SMD типоразмер 1206 3x23SMD типоразмер 08052x1,254керамические МО-5014х32Подстрочный 3314J-1-103E4,5х4,53Построечный 3314G-1-204E4,5х4,51Конденсаторытипоразмер 06031,5х11SMD типоразмер 08052x1,2511SMD типоразмер 12063x22тантатоловые тип А -3,2х1,23,2х1,26Полярный 3300мкФ16х162Кварцевый резонатор16.000 МГц HC-49U5,3х11,51ТранзисторыКТ816А11х52КТ817А11х52КТ315В7,2х31Общая площадь, мм2:3158,59 Площадь занимая элементами не превышает размеров печатной платы и остается довольно много пространства для расстановки радио элементов.
При описании конструкции необходимо рассмотреть основные характеристики материалов используемых при установлении печатной платы, а также основные моменты, которые необходимо учитывать при монтаже. Изготовление печатных плат осуществляется комбинированным позитивным методом. Для получения защитного рисунка используют метод фотопечати. Монтажные отверстия необходимо сверлить сверлами диаметром менее 0,1мм чем установленный в таблице монтажных отверстий. Так как печатная плата двухсторонняя, то связь между ИМС, дискретными элементами осуществляется с помощью металлизации отверстий (для контактных площадок - поясок меди не менее 50мкм). Величина выступающей части вывода с обратной стороны платы 0,5-1мм. Монтаж осуществляется с помощью припоя ПОС61 ГОСТ 21931-76. Технические требования по объемному монтажу по ОСТ 410.054. 6. Расчёт надёжности и погрешности системы
6.1 Расчет надежности
6.1.1 Общие понятия Все данные и формулы для расчёта надежности были взяты из нормативного документа РТМ 18.96.046-85. Расчёт надёжности изделий с применением полупроводниковых элементов и микросхем с учетом многочисленных воздействующих факторов является очень трудоемким и сложным процессом.
В нашей практике мы значительно упрощаем этот процесс, используя статистические данные надежности примененных нами элементов.
Наиболее удобными показателями для количественного выражения надежности электронных приборов являются вероятность безотказной работы Р в течении заданного интервала времени и интенсивность отказов λ, под которой понимаются отношение числа отказов приборов в единицу времени к числу исправно работающих приборов: (6.1) где: n - количество отказавших приборов за время t;
N - общее количество работающих приборов.
Под вероятностью безотказной работы понимают вероятность того, что в заданный промежуток времени не произойдёт ни одного отказа. На практике пользуются приближенным значением этого показателя Р :
(6.2) Интенсивность отказов и вероятность безотказной работы приборов связаны соотношением:
при (6.3)
Надежность изделий изменяется со временем. Интенсивность отказов в начальный период работы приборов несколько увеличивается, затем уменьшается и остается практически постоянной. В конце срока службы приборов λ резко возрастает.
Типичная зависимость интенсивности отказов от времени показана на рис. 6.1, приведенном ниже.
Рис. 6.1
Увеличенная интенсивность отказов в начальный период работы приборов (интервал 0 - t1) связана с недостатками в технологии их производства и скрытыми дефектами (приработка приборов).
Длительный интервал времени с низкими и постоянным уровнем интенсивности отказов (интервал t1 - t2) свойственен приборам, изготовляемым в условиях хорошо отлаженного производства с установившимися технологическими процессами. Увеличение интенсивности отказов, отраженное последним участком кривой, связано с наступлением периода износа приборов.
В технических условиях на электронные элементы обычно приводятся данные по надежности этих элементов, чаще всего это интенсивность отказов, например: интенсивность отказов микросхем серии К561 в течении наработки 50000 и не более .
Таким образом, можно составить таблицу интенсивности отказов всех входящих в изделие элементов, а по интенсивности отказов из формулы 6.3 можно определить вероятность безотказной работы приборов или так называемую надёжность Р.
5.1.2 Исходные данные для расчёта надежности изделия
Полагаем, что нас удовлетворяет показатель надежности, рассчитанный из условий конструктивной разработки изделия.
Изделие будет эксплуатироваться в нормальных климатических условиях (НКУ), в отсутствии механических воздействий (вибраций, ударов, ускорения) и специальных воздействий (радиации, электромагнитных полей и т.п.).
Полагаем, что общим отказом изделия будет отказ любого элемента в структурной цепочки для расчета надежности изделия, в том числе и в любом из шести каналов проверки микросхем, а также выхода из строя любой из шести проверяемых микросхем.
В этом случае расчет надежности определяется последовательной линейной цепочкой всех входящих в изделие элементов, а также участков паек, проводников.
Структурная схема для расчета надежности изделия приведена на рис. 6.2. Поскольку в задании по дипломному проекту требования по надежности на стенд отсутствуют, зададимся реальными требованиями, например: надежность стенда должна составлять 0,95 за 400 часов.
Расчёт ведется в соответствии с РТМ 18.96.046 - 85 с целью определения вероятности безотказной работы изделия согласно принятой циклограмме применения рис. 6.1.
Исходными данными для расчета являются:
Техническое задание;
Схема электрическая принципиальная системы.
Данные по надежности элементов приведены в таблице № 6.1.
Таблица № 6.1
№Перечень элементовNiλ_i^p∙〖10〗^(-6)N_i∙λ_i^p∙〖10〗^(-6)1Конденсатор ECAP 1206(0,068мкФ)10,010,01Конденсатор ECAP 1206(20 мкФ)10,010,01Конденсатор ECAP 0805(0,1 мкФ)110,010,11Конденсатор ECAP тант. Тип А(10 мкФ)40,050,2Конденсатор ECAP тант. Тип Е(470мкФ)20,050,1ECAP 3300мкФ40,52Резисторы SMD 0,125 Вт80,010,08Резисторы SMD 0,25 Вт10,020,02Резисторы SMD 0,5 Вт50,050,25Резистор MO-5010,070,07Подстроенный резисторы 3314G10,020,02Подстроечные резисторы 3314J20,020,04Транзистор КТ81720,20,4Транзистор КТ81620,51Транзистор КТ31510,30,3Кварцевый резонатор HC-49U10,020,02Интенсивность отказов будет равна: λ_1^P=4,63∙〖10〗^(-6)2Разъемы IDC - 60MR20,070,14Разъемы PLS-2 10,020,02Разъемы miniUSB10,060,06Разъемы WF - 610,010,01Разъемы WF - 220,030,06Разъемы IDC-06C10,050,05Интенсивность отказов будет равна: λ_2^P=0,34∙〖10〗^(-6)3Мост DB157S10,010,01Диод STTH4R02S20,0150,03Диод F1(RS1A)10,070,07Светодиод KPH-1608PBC-A10,10,1Светодиод KPH-1608MGC20,10,2Светодиод KPH-1608SYC10,10,1Интенсивность отказов будет равна: λ_3^P=0,51∙〖10〗^(-6) где^ - интенсивность отказов одного элемента;
- количество элементов.
Cсуммарная интенсивность отказов находим по формуле: ∑_k^m▒〖λ_j^P=(λ_1^P+λ_2^P+λ_3^P ) 〗
∑_1^3▒〖λ_j^P=(4,61+0,34+0,51)∙〖10〗^(-6)=5,48∙〖10〗^(-6) 〗
где: m - количество блоков.
Наработка на отказ системы определяется по формуле: Т_ср=1/(∑_1^3▒λ_j^P )=1/(5,46∙〖10〗^(-6) )=182400 (часов)
Данные по надежности микросхем приведены в таблице № 6.2.
Таблица № 6.2
МикросхемаADG408BRZ0,067ADG419DY0,06AD7893ARZ-30,055AD711JRZ0,065PGA2040,102ATXmega128A4U-AU0,03ADR2910,025LM1084-IT3.30,055КР1162ЕН15А0,067КР142ЕН8В0,063CD4001BCM0,085 Интенсивность отказов 11 микросхем:
λ_МС^P=λ_МС1^P+λ_МС2^P+λ_МС3^P+λ_МС4^P+λ_МС5^P+λ_МС6^P+λ_МС7^P+λ_МС8^P+λ_МС9^P+λ_МС10^P+λ_МС11^P≅0,4∙〖10〗^(-6)
где: - интенсивность отказов микросхем.
Общая интенсивность отказов всей системы находим из суммы интенсивности отказов первых 3х блоков и 8 микросхем:
∑_1^(3+МС)▒〖λ^P=(5,486+0,674)∙〖10〗^(-6) 〗=6,16∙〖10〗^(-6)
Если учитывать установку в колодки гнездовые всех шести микросхем для их проверки с данными интенсивности отказов, то наработка стенда на отказ будет:
T_cp=1/(∑_1^(3+МС)▒λ_K^P )=1/(6,16∙〖10〗^(-6) )=162300(часов)
Вероятность безотказной работы системы
P(t)=e^(-[(λ_1^P+λ_2^P+λ_3^P+λ_MC^P)∙t^P])
где: tP - заданное время наработки.
Подставляя исходные данные в формулу, получим:
P(t)=e^(-[6.16∙〖10〗^(-6)∙4000])=0,976, что превышает вероятность безотказной работы системы заданными в реальных требованиях 0,950.
6.2 Расчет инструментальной погрешности системы
Инструментальная погрешность системы определяется погрешностью измерения эффективности термоэлектрического модуля. Поскольку АЦП установленное в ПЭВМ измеряет (преобразовывает) напряжения, то считаем что значения напряжений, осуществляют прямыми измерениями, а установленного рабочего тока, сопротивления на переменном, постоянном прямом и обратном токе и термоэлектрической эффективности - косвенными измерениями. Косвенным называют измерение, при котором искомое значение физической величины находят на основании известной функциональной зависимости между измеряемой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
Термоэлектрическая эффективность рассчитывается по формуле:
.
Измеряемая величина Z является функцией от , т.е. .
В общем случае для функции абсолютную погрешность результата косвенных измерений определяют как сумму случайных погрешностей:
Относительная погрешность .
Рассчитаем частные производные погрешности измерения термоэлектрической эффективности. При вычислении производной по одной переменной все остальные величины считаются постоянными.
Найдем частную производную по переменной . Сначала преобразуем формулу расчета термоэлектрической эффективности, отделив слагаемое, в котором находится :
.
Так как производная от постоянной равна нулю, то запишем:
.
Таким же образом рассчитаем производные по остальным переменным:
.
Величина называется частной погрешностью косвенного измерения.
Не все частные погрешности косвенного измерения играют одинаковую роль в формировании итоговой погрешности результата и отдельные составляющие могут не оказывать никакого влияния на суммарную погрешность. Если , то k-ой частной погрешностью можно пренебречь. Это условие называется критерием ничтожных погрешностей, а сами погрешности, отвечающие этому условию, называются ничтожными. Использование критерия ничтожных погрешностей позволяет выявить те величины, повышение точности измерения которых уменьшает суммарную погрешность результата, и те величины, точность измерения которых нет смысла повышать. Эти составляющие погрешность можно не учитывать.
Сопротивление термоэлектрического модуля рассчитывается по формуле:
, где - температурный коэффициент,
- нормальная и измеряемая температура.
Таким образом, измеряемая величина R является функцией от , т.е. .
В общем случае для функции абсолютную погрешность результата косвенных измерений определяют как сумму случайных погрешностей:
Рассчитаем частные производные погрешности измерения сопротивления термоэлектрического модуля.
Рассчитаем инструментальную погрешность измерения термоэлектрической эффективности и сопротивления, взяв модуль с сопротивлением Ом, номинальным током А и термоэлектрической эффективностью . Характеристики материала и геометрия элементов термоэлемента П-130-2 представлены в табл. 6.3.
Таблица 6.3
Параметр
Термоэлемент
П-130-2 Высота ветви L [мм] 1,6Ширина ветви b [мм] 1,4Количество ветвей N [шт] 270Площадь теплоперехода S [мм²] 40х40Электропроводность ветвей σ [Ом¹см¹] 980Теплопроводность материала ветвей k [Вт/мК] 1,45Максимально возможный перепад температур для термоэлемента ∆Тmax [К] 45 Измерительный ток равен 1% от номинального рабочего тока модуля, А.
Отсюда напряжение на модуле на переменном токе В.
Рассчитаем напряжение на модуле на постоянном токе. Формулу расчета термоэлектрической эффективности можно записать следующим образом (без учета поправочного коэффициента ):
При равенстве прямого и обратного измерительного тока по величине принимаем . Тогда можно записать:
Поскольку максимальная эффективность, заложенная в технические характеристики системы равна и считая, что система должна быть способной измерить такую эффективность на всех модулях, можно записать:
.
Отсюда найдем :
.
Для данного модуля найдем В.
Рассчитаем абсолютные погрешности измерения напряжений, тока и температуры, исходя из абсолютной погрешности каждого функционального узла принципиальной схемы. 6.3 Расчет абсолютной погрешности
Абсолютная погрешность измерения напряжения, как на постоянном так и на переменном токах будет одинаково и определяется абсолютной погрешностью программного усилителя DA13, реализованного на PGA204.
Для этой микросхемы характерно максимальное напряжение смещения Uсмещ=50 мкВ (считаем его аддитивной погрешностью), и относительная погрешность коэффициента усиления , при Кu=10, 100 (считаем ее мультипликативной погрешностью).
Найдем абсолютную погрешность коэффициента усиления из ее относительного значения при коэффициенте усиления из ее относительного значения при коэффициенте усиления Кu=1.
;
Найдем суммарную погрешность усилителя напряжения на выбранном ранее модуле. Поскольку для данного модуля Uпост=0,283 В, то согласование входного напряжения АЦП (±2,5 В), выбираем коэффициент усиления Кu=1.
Считаем, что найденная абсолютная погрешность характерна при измерении постоянного положительного, положительного отрицательного так и переменного напряжения.
.
Найдем погрешность источника стабилизированного тока, управляемого напряжением.
Расчетная формула для Iмод выглядит следующим образом:
; ;
.
UвхD17 формируется напряжением с ЦАП.
Найдем ΔUвхDA22, как ΔUстаб стабилитрона 2С191Ф. Для него температурный коэффициент стабилизации:
.
Рассчитаем :
;
от куда
Согласно ТЗ система должна эксплуатироваться при температуре окружающей среды от 15 до 32 0С
Найдем ΔR9, в качестве которого использован резистор MO-50. Для них ТКС=100*10-6 1/оС, с другой стороны Найдем ΔR19=ТКС*R19*Δt
∆R9=100∙〖100〗^(-6)∙18∙17=0,0306 ОМ
A
Поскольку для задания постоянного положительного, постоянного отрицательного и переменного тока используется один и тот же узел генератора тока, то будем считать:
ΔI+=ΔI-=ΔI~=5,98*10-4 А
По этой же причине посчитаем составляющие погрешности узла измерения температуры. Так, как эта погрешность является незначительной, исключаем ее из формулы для расчета суммарной погрешности z. Кроме того не будем учитывать коэффициент поправки на вакуум Кν, который является характеристикой геометрических свойств термоэлектрических модулей, задается программным путем и никак не влияет на работу и точность измерительного блока.
Окончательно можно записать:
;
;
;
;
;
.
Частной составляющей погрешности обусловленной узлом измерения температуры можно пренебречь. По заданию верхний диапазон температуры окружающего воздуха составляет от 0 до 35 0С. При расчете схемы мы принимаем диапазон измерения температуры от 0 до 50 0С, следовательно:
.
Если узел измерения температуры будет иметь относительную погрешность 5%, получим,
При такой абсолютной погрешности узла измерения температуры, частная составляющая относительной погрешности по температуре будет равна:
Полученная частичная составляющая погрешности много меньше остальных, следовательно мы ей пренебрегаем.
Окончательно относительная погрешность измерения Z подучается
Погрешность абсолютная, т.е. безразмерная.
7. Разработка ПО микроконтроллера
Программное обеспечение микроконтроллера должно управлять всеми процессами, протекающими в данной ИИС.
ПО должно осуществлять:
Выбор рода тока.
Проверку текущего тока по эталонным резисторам.
Установку Кус программируемого операционного усилителя.
Поочередную коммутацию участков на двух держателях модулей
Снятия показаний с термодатчиков.
Осуществлять обмен данными с ПК, используя интерфейс USB.
7.1. Семейство микроконтроллеров XMEGA A
XMEGA A - семейство экономичных, высокопроизводительных и с обширным набором УВВ 8/16-битные КМОП микроконтроллеров, выполненных по улучшенной RISC-архитектуре AVR. МК XMEGA A выполняют большинство своих инструкций за один цикл синхронизации. Благодаря этому, производительность МК блика к 1MIPS/МГц, а разработчики получают возможность оптимизировать соотношение энергопотребления и производительности.
ЦПУ AVR сочетают обширный набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико-логическому устройству (ALU), что позволяет осуществлять одной инструкции доступ к двум разным рабочим регистрам, а также выполнять такую инструкцию за один цикл синхронизации. В конечном счете, данная архитектура отличается более эффективным кодом программы и позволяет достичь производительности во много раз превышающей производительность обычных микроконтроллеров с одним аккумулятором или CISC-микроконтроллеров.
Микроконтроллеры XMEGA A интегрируют следующие ресурсы: внутрисистемно-программируемая Flash-память с возможностями чтения во время записи, внутренние EEPROM и SRAM, четырехканальный DMA-контроллер, восьмиканальная система событий и программируемый многоуровневый контроллер прерываний, до 78 линий ввода-вывода общего назначения, 16- или 32-битный счетчик реального времени (RTC), до 8 универсальных 16-битных таймеров-счетчиков с режимами сравнения и возможностями широтно-импульсной модуляции (ШИМ), до восьми интерфейсов USART, до четырех I2C- и SMBUS-совместимых интерфейсов TWI, до четырех интерфейсов SPI, ускорители криптографических алгоритмов AES и DES, до двух 8-канальных 12-битных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП, ADC) с опциональным дифференциальным входным усилительным каскадом с программируемым усилением, до двух 2-канальных 12-битных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП, DAC), до четырех аналоговых компараторов с оконным режимом, программируемый сторожевой таймер с отдельным внутренним генератором, точные внутренние генераторы с функциями фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL) и предделения частоты, а также программируемый супервизор питания (BOD).
Кроме того, в МК входят два интерфейса, которые могут использоваться для программирования МК и доступа к встроенной отладочной системе: 2-проводной быстродействующий интерфейс PDI и IEEE 1149.1-совместимый интерфейс JTAG.
МК XMEGA A поддерживают пять программно-выбираемых экономичных режима работы. В режиме IDLE останавливается ЦПУ, но, при этом, продолжают работать SRAM, DMA-контроллер, система событий, контроллер прерываний и все УВВ. В режиме POWER-DOWN сберегается содержимое SRAM и регистров, а все прочие функции, вследствие остановки генераторов, прекращают работу до следующего прерывания модуля TWI, прерывания по изменению состояния выводов или сброса МК. В режиме POWER-SAVE, продолжает работу асинхронный счетчик реального времени, оставляя активной функцию счета времени, а остальная часть МК бездействует. В режиме STANDBY, отключены все ресурсы МК, кроме кварцевого генератора.
В режиме EXTENDED STANDBY, остаются в работе и основной генератор, и асинхронный таймер. Добиться дальнейшего снижения энергопотребления можно путем отключения синхронизации неиспользуемых УВВ в активном режиме работы, а также в режиме IDLE.
Микроконтроллеры выпускаются с использованием разработанной Atmel технологии высокоплотной энергонезависимой памяти. Программирование Flash-памяти можно выполнить внутрисистемно посредством интерфейса PDI или JTAG. Программирование Flash-памяти можно также выполнить под управлением исполняемой ядром AVR программы загрузчика, которая для приема кода программы может использовать любой из интерфейсов. Программа загрузчика хранится в загрузочном секторе Flash-памяти и продолжает выполняться даже во время обновления сектора прикладной программы Flash-памяти, таким образом, добиваясь истинной поддержки возможности чтения во время записи. Благодаря сочетанию 8/16-битного ЦПУ RISC и внутрисистемно-самопрограммируемой Flash-памяти, микроконтроллеры XMEGA A являются универсальным и выгодным в ценовом плане инструментом для решения многих задач встраиваемого управления.
Микроконтроллеры XMEGA A поддерживаются полным набором программных и аппаратных средств для проектирования, в т.ч. Си-компиляторы, макро-ассемблеры, программные отладчики/симуляторы, программаторы и оценочные наборы.
7.2. Выбор языка программирования
Языки программирования микроконтроллеров по своей структуре мало отличаются от классических языков для компьютеров. Единственным отличием становится ориентированность на работу со встроенными периферийными устройствами. Архитектура микроконтроллеров требует, например, наличия битово-ориентированных команд. Последние позволяют выполнять работу с отдельными линиями портов ввода/вывода или флагами регистров. Подобные команды отсутствуют в большинстве крупных архитектур. Даже ядро ARM, активно применяемое в микроконтроллерах, не содержит битовых команд, вследствие чего разработчикам пришлось создавать специальные методы битового доступа.
7.2.1. Ассемблер
Ассемблер является языком самого низкого уровня. При этом он позволяет наиболее полно раскрыть все возможности микроконтроллеров и получить максимальное быстродействие и компактный код. В некоторых случаях альтернативы ассемблеру нет, но тем не менее он имеет множество недостатков. Несмотря на получаемую компактность машинного кода, программа, написанная на языке Ассемблер, громоздка и труднопонимаема. Для ее создания требуется отличное знание архитектуры и системы команд микроконтроллеров.
Ассемблер отлично подходит для программирования микроконтроллеров, имеющих ограниченные ресурсы, например 8-ми битных моделей с малым объемом памяти. Для больших программ и тем более 32-разрядных контроллеров, лучше использовать другие языки, отличающиеся более высоким уровнем. Это позволит создавать более сложные и при этом понятные программы.
7.2.2. С/С++
Язык программирования С/С++, относится к языкам более высокого уровня, по сравнению с Ассемблером. Программа на этом языке лучше понятна человеку. Достоинством С/С++ является огромное число программных средств и библиотек, позволяющих просто создавать необходимый код. Фактически, С/С++ сегодня стал основным языком разработки управляющих программ. Компиляторы данного языка реализованы практически для всех моделей микроконтроллеров. Стандартный язык дает возможность переноса программ с одной платформы на другую. Теоретически, используя разные компиляторы, можно преобразовать любую программу в команды микроконтроллера нужного типа. На практике дополнительно требуется учитывать архитектуру микроконтроллера каждого типа. Язык С/С++ имеет достаточно сложную для изучения структуру. Получаемый программный код конкретной задачи, имеет больший объем, чем код той же задачи, реализованной на Ассемблере. Тем не менее язык С/С++ следует признать единственным правильным выбором для профессионального программирования микроконтроллеров.
// Пример программы на языке С
// Мигание встроенным светодиодом Arduino
void setup() { pinMode(13, OUTPUT); // Инициализация выхода 13
}
void loop() {
digitalWrite(13, HIGH); // Зажечь светодиод
delay(1000); // Задержка
digitalWrite(13, LOW); // Зажечь светодиод
delay(1000); // Задержка
} 7.2.3. Pascal
Язык Pascal еще более удобен для восприятия и изучения. Тем не менее, он не имеет такого распространения как C/C++, особенно при программировании микроконтроллеров. Некоторые отдельные фирмы поддерживают данный язык, с целью упрощения перехода на контроллеры с больших ПК. В частности вариант языка под названием MicroPASCAL входит в состав поставки отладочных средств фирмы Mikroelektronika.
// Пример программы на языке MicroPASCAL
// Мигание светодиодом
program LED_Blinking;
begin
PORTC := 0; // Инициализация PORTC
TRISC := 0; // Настройка PORTC
while TRUE do // Начало бесконечного цикла
begin
PORTC := not PORTC; // Инвертирование PORTC
Delay_ms(1000); // Задержка
end;
end. 7.2.4. BASIC
Старинный язык первоначального обучения программированию, в настоящее время в основном сохранился в виде реализации Visual BASIC от Microsoft. Используется он и для программирования микроконтроллеров. Реализаций этого языка гораздо больше, чем того же Pascal. Связано это в первую очередь с простотой языка. BASIC часто выбирают разработчики программно-аппаратных платформ, нацеленных на упрощенную разработку электронных устройств. Можно назвать такие проекты, как PICAXE, Amicus18, microBASIC и некоторые другие. Недостатком BASIC является плохая структурированность кода. Этот язык не стоит выбирать для первоначального изучения с целью дальнейшего перехода на С/С++. Программирование микроконтроллеров на BASIC можно рекомендовать любителям, не нацеленным на создание, в основном, простых устройств. ' Пример программы на ProtonBASIC
' Мигание светодиодом на PORTB.0 Amicus18. While 1 = 1 ' Начало бесконечного цикла
High RB0 ' Включить PortB.0
DelayMS 500 ' Задержка полсекунды
Low RB0 ' Выключить PortB.0
DelayMS 500 ' Задержка полсекунды
Wend ' Закрытие цикла 7.2.5. Визуальные языки
Пример программы FlowCodeВ отличие от классических языков программирования, визуальные языки позволяют разрабатывать программы в виде изображений. Среди таких языков можно выделить FlowCODE или Scratah. Достоинством визуальных языков является хорошо воспринимаемая структура алгоритма. Это позволяет просто разобраться в его функционировании любому человеку, знающему основные символы языка. Перевод структурных схем в команды микроконтроллера, как правило, выполняется не сразу. Вначале алгоритм транслируется в команды ассемблера или какого-либо языка высокого уровня. Только затем, все преобразуется в машинный код. Такая схема, несмотря на свою сложность, позволяет использовать наиболее удобные компиляторы разных разработчиков.
Рис. 7.2.5.1. Пример визуального языка. Еще одним достоинством визуального программирования становится простота изучения, поэтому подобные языки часто используются для обучения детей. Недостатком визуального подхода является громоздкость исходных материалов. Тем не менее, подобные языки программирования нашли очень большое распространение для решения специальных задач.
7.2.6. Обобщение
Выбор того или иного языка программирования зависит от множества факторов. В первую очередь необходимо определиться с типом решаемых задач и необходимым качеством кода. Если не требуется разработка объемных и сложных программ, то можно использовать практически любой язык. Для обеспечения компактности кода подойдет Ассемблер, а если ставятся серьезные задачи, то альтернативы С/С++ практически нет. Для нашего МК наиболее доступной является реализация на языке С/С++. Данная реализация позволяет решать любые задачи, а также позволяет использовать связку с Ассемблером, что делает эту реализацию наиболее универсальной.
7.3. Математическое описание задачи
При первоначальной инициализации МК необходимо настроить его порты в соответствии с их назначением.
Для настройки коммутации мультиплексоров необходимо записать в массив маску согласно таблице 7.3.1.
Таблица 7.3.1
Модуль, №Номер портаПорт для канала 1Порт для канала 21-PA3PA62PA0PA3PA63PA1PA3PA64PA0; PA1PA3PA65PA2PA3PA66PA0; PA2PA3PA67PA1; PA2PA3PA68PA0; PA1; PA2PA3PA69-PA4PA710PA0PA4PA711PA1PA4PA712PA0; PA1PA4PA713PA2PA4PA714PA0; PA2PA4PA715PA1; PA2PA4PA716PA0; PA1; PA2PA4PA717-PA5PC018PA0PA5PC019PA1PA5PC020PA0; PA1PA5PC0Э1PA2PA5PC0Э2PA0; PA2PA5PC0Э3PA1; PA2PA5PC0Э4PA0; PA1; PA2PA5PC0 В результате наложения маски получим массив двумерный массив со значениями:
{0b00000000,0b00000100,0b00000010,0b00000110,0b00000001,0b00000101,0b00000011,0b00000111};
Для подключения порта С требуется использовать команду или с маской 0b11111111, для обнуления использовать команду и с маской 0b01111111.
Для подключения реле переключающие эталоны требуется накладывать маску или 0b00000110, для снятия маску и с адресом 0b11111001.
Что бы переключать полярность необходимо задовать код операцией или 0b00011000 и соответственно код 0b11100111.
Подключение коэффициента усиления осуществляется с помощью наложения маски на порт С, предварительно обнулив коды усиления командой и с маской 0b11111001. Сама маска приведена в таблице 7.3.2.
Таблица 7.3.2
КусКод10b0000000000b000000101000b0000010010000b00000110 7.4. Разработка алгоритма
Из-за соображения удобства написания программы и удобства рисования алгоритма, программу следует разбить на несколько подпрограмм.
Функция "Установка ЦАП"
Содержит информацию о частоте дискретизации в переменной СК и информацию о амплитуде в переменной Ampl. Вызывается для запуска ЦАП.
Функция "Остановка ЦАП"
Вызывается однократно что бы остановить работу ЦАП. Содержит в себе код остановки.
Функция "Переключение реле"
Вызывается 1 раз что бы переключить реле внутри держателя модулей.
Функция "Измерение температуры"
Содержит данные о адресе термодатчика и данные о температуре. По вызову функции требуется указать номер датчикаTermAdr, после чего считать значение температуры и передать их на ПК.
Функция "Калибровка тока"
После вызова данной подпрограммы дополнительно считывается байт данных с USB, в котором определены переменные для опроса. После вызова данной подпрограммы происходит выполнение запуска ЦАП. Далее в цикле считывается информация с модулей или эталонов. После считывания информация передается в ПК и работа ЦАП прекращается.
Функция "Измерение тока"
После вызова функции чтение частоты дискретизации АЦП. По команде A2 происходит запрос переключения реле. Команда А4 запрашивает коэффициент усиления программируемого операционного усилителя DA13, для его установки. Код В1 означает о том, что первый цикл измерения окончен. Если не пройден отправляется 0. По команде А1 запрашивается количество держателей, по команде А2 запрашивается количество тактов или время работы ЦАП и АЦП, команда А3 запрашивает длину импульсов, а команда А4 запрашивает количество модулей. После сбора всей необходимой информации в циклах происходит опрос модулей. Прочитанные значения хранятся массиве. После каждого цикла опроса держателя данные передаются на ПК. Когда работа подпрограммы завершена происходит остановка работы ЦАП и выход в основную подпрограмму.
Основная программа.
В основной программе происходит первоначальная инициализация МК, настройка портов соответственно их назначению. Далее программа ожидает кода с ПК соответственно которому она запускает необходимую подпрограмму.
ПодпрограммаКодИзмерение температуры02Установка ЦАП04Калибровка тока06Измерение модулей08Остановка ЦАП0AПереключить реле0BОстановить работу измерительного блока0C 7.5. Блок схема алгоритма
Блок-схема 7.5.1. Основная программа. Блок схема 7.5.2. Измерение тока. Блок схема 7.5.3. Калибровка тока. Блок схема 7.5.4. Запуск ЦАП.Блок схема 7.5.5. Остановка ЦАП. Блок схема 7.5.6. Измерение температуры. Блок схема 7.5.7. Переключение реле. 8. Организационно-экономическая часть
8.1 Технико-экономическое обоснование объекта проектирования
Целью данного дипломного проекта является разработка системы измерения параметров термоэлектрических модулей, предназначенного для измерения сопротивления термоэлектрических модулей на переменном, постоянном положительном и отрицательном токе, приведенного к температуре 25С, в автоматическом и ручном режиме (выбирается пользователем), а так же система служит для измерения термоэлектрической эффективности различных типов термоэлектрических модулей.
Систему могут применять изготовители при серийном производстве модулей для аттестации термоэлектрических модулей, их отбраковки по заданным критериям, учета качества, создания баз данных параметров модулей, получения оперативной информации по модулям различными службами предприятия.
Использование этой системы на предприятиях позволит ускорить процесс аттестации модулей и улучшить качество отбраковки, что значительно сократит время, приходящееся на изготовление модулей и улучшит их функциональные параметры. Именно эти аспекты будут способствовать наиболее успешному внедрению системы на предприятиях, занимающихся производством термоэлектрических модулей.
Главная идея модернизации системы измерений состоит в использовании микроконтроллера вместо платы сбора данных. Связь микроконтроллера с ПЭВМ осуществляется через шину USB, что делает систему измерения универсальной и дает возможность использовать вместо персональных настольных ПЭВМ переносные ПЭВМ. Благодаря этой разработке возникают потенциальные возможности по экономии. Простота внедрения позволит уменьшить время от закупки системы до ее введения в эксплуатацию. Использование микроконтроллер уменьшает стоимость изделия. Современная элементная база позволила уменьшить габариты системы и повысить надежность системы.
Основные цели, поставленные в дипломном проекте, и пути их достижения приведены в виде "дерева" целей на рис. 8.1. Рис. 8.1 "Дерево" целей разработки системы измерения параметров термоэлектрических модулей.
8.2 Организационная часть 8.2.1 Состав конструкторской группы разработчиков и их заработная плата
Разработка системы осуществляется в соответствии со стандартами ЕСКД и для ее проектирования необходимо выделить группу специалистов, которая определяется с учетом сложности проектируемого изделия.
Количество ИТР, занимающихся разработкой должно быть оптимальным, обеспечивающим сокращение общих сроков проектирования. Состав группы специалистов с их должностными окладами по данным предприятия представлены в таблице 9.1
Таблица № 8.2.1. Штатное расписание проектной группы.
Категория рабочихКоличество, челДолжностной оклад, рубВедущий инженер135 000Инженер конструктор127 000Техник122 000Итог:384 000 Перечень основных этапов опытно-конструкторских работ в соответствии с ГОСТ 3.1101-70 ЕСКД "Стадии разработки" приведены в таблице № 7.2.2.
8.2.2 Перечень этапов и работ опытно-конструкторской разработки опытного образца
Таблица № 8.2.2. Перечень этапов и работ ОКР.
ЭтапыСодержание работ входящих в этапКоличество исполнителейПродолжительность
работы, днейЧеловекДолжность123451.Подготовительный1.1 Ознакомление с заданием, состава исполнителей1Ведущий инженер11.2 Подбор и изучение научно-технической литературы1Инженер-конструктор31.3 Определение требований к качеству системы измерения1Инженер-конструктор11.4 Разработка, согласование и утверждение ТТ и ТЗ2Ведущий инженер 3Инженер-конструктор32. Эскизный 2.1 Разработка вариантов структурной схемы2Ведущий инженер3Инженер-конструктор32.2 Разработка функциональной схемы2Инженер-конструктор3Техник22.3 Составление пояснительной записки1Инженер-конструктор33. Технически проект3.1 Выбор элементной базы1Инженер-конструктор33.2 Разработка принципиальной схемы1Инженер-конструктор23.3 Расчёт надежности системы1Техник23.4 Разработка печатной платы2Инженер-конструктор4Техник43.5 Составление спецификации1Техник13.6 Составление пояснительной записки к ТП её согласование и утверждение2Ведущий инженер6Инженер-конструктор64. Рабочий проект4.1 Составление и утверждение ТЗ на опытный образец1Ведущий инженер64.2 Составление заявок на материалы и комплектующие1Техник24.3 Составление технического описания и инструкции по эксплуатации11Техник35. Изготовление опытного образца5.1 Изготовление опытного образца системы1Мастер сборочных работ35.2 Наладка системы1Техник15.3 Испытание опытного образца2Инженер-конструктор2Техник26. Корректировка тех. документации6.1 Корректировка технической документации по результатам испытаний2Инженер-конструктор3Техник36.2 Оформление полного комплекта ТД и подготовка его к сдаче
2Ведущий инженер14Инженер-конструктор57. Приемка ОКР7.1 Передача технической документации заказчику2Ведущий инженер 1Инженер-конструктор11Итого дней:99В том числе: ведущий инженер
Инженер - конструктор
Техник
Мастер сборочных работ34
41
21
3 8.3 Экономическая часть
Для технико-экономического анализа, а также в целях определения экономической эффективности разрабатываемой системы измерения, рассчитываем полную себестоимость опытного образца. Расчёт полной себестоимости опытного образца производится по следующим статьям затрат:
Основные и вспомогательные материалы;
Комплектующие изделия;
Основная заработная плата производственных рабочих;
Дополнительная заработная плата производственных рабочих;
Отчисления на социальные нужды;
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;
Накладные расходы.
8.3.1. Расчет сметы затрат на проведение ОКР
В смету затрат на проведение ОКР включают расходы, связанные с проектной разработкой опытного образца. В смете учитываются следующие затраты: 1. Материалы, использованные при ОКР(5 % от основной з.п.); 2. Основная заработная плата разработчиков изделия; 3. Страховые взносы (30% от суммы основной и дополнительной заработной платы); 4. Прочие денежные расходы (принять в размере 25% от суммы первых 4-х пунктов сметы затрат). Дневная заработная плата проектировщиков определяется как отношение месячного оклада к количеству рабочих дней в месяце. Количество рабочих дней в месяце - 22.
З_дн=З_мес/Д
где, З_дн - дневная заработная плата, руб.;
З_мес - месячная заработная плата, руб.;
Д - количество рабочих дней.
Результаты расчета заработной платы основных проектировщиков представлены в табл. 8.3.1.
Таблица 8.3.1. Расчет заработной платы проектировщиков.
ДолжностьОклад, руб./мес.Дневная зар. плата, руб./деньПродолжительность работы каждого исполнителя, дней
Сумма, руб.12345Ведущий инженер35 0001590,913454 090,94Инженер - конструктор27 0001227,274150 318,07Техник22 00010002121 000Итого: тарифная заработная плата125 409,01Доплаты (премии, 50% от тарифной заработной платы)62 704,5Основная заработная плата (тарифная з.п. + премии)188 113,51Дополнительная заработная плата (20-25% от основной заработной платы)47 028,38Основная и дополнительная заработная плата235 141,89 Полученные данные используются в расчёте сметы затрат на проведе-ние ОКР табл. 8.3.2.
Таблица 8.3.2. Смета затрат на ОКР системы.
№ п/пЗатраты по элементамСумма, руб1Материалы 9 405,672Основная заработная плата разработчиков 188 113,513Дополнительная заработная плата 47 028,384Страховые взносы 70 542,575Прочие денежные расходы78 772,53Итого:393 862,66 7.3.2 Затраты на основные и вспомогательные материалы
Исходными данными для расчета затрат на основные и вспомогательные материалы являются конструкторская документация системы измерения, разработанная в конструкторской части дипломного проекта и цены на материалы (по данным предприятия). В статью включаются материалы на изготовление деталей и узлов. Расчёт затрат сведён в таблицу № 8.3.3.
Таблица № 8.3.3. Затраты на материалы. НаименованиеЕдиница измеренияКоличествоЦена, руб.Сумма, руб.Стеклотекстолит СФ-1-35-1кг0,130030Припой ПОС-61кг0,125025Монтажный провод (диаметром 2мм)м11515Канифолькг0,112012Оргстекло м222040Каркас (стальной прут-диаметр 3мм)м2,52050Винт В66.016шт240,102,4Итого: основные материалы174,4Вспомогательные материалы (25% от основных материалов)43,6Итого: затраты на основные и вспомогательные материалы218Транспортно-заготовительные расходы (20% от общих затрат на основные и вспомогательные материалы)43,6Всего: затраты на основные и вспомогательные материалы с учетом транспортно-заготовительных расходов261,6 7.3.3 Затраты на покупные и комплектующие изделия
Исходными данными для расчёта затрат на покупные комплектующие изделия являются: спецификация и договорные цены на комплектующие изделия по данным предприятия таблица № 8.3.4.
Таблица № 8.3.4.
Наименование комплектующихДеталиКол-во на одно изделие (шт.)Цена за единицу, руб.Сумма затрат на изделие, руб.ДиодыF1(R1SA)11212STTH4R02S250100Конденсаторы0,1 мкФ 0805 16В 10%116660,068 мкФ 1206 16В 2%1101020 мкФ 1206 16В 10%16,513,53300 мкФ 25В4156010 мкФ тант. SMD 25В460240470 мкФ SMD 0603 16В 10%260120МикросхемыADG408BR263126PGA2041760760AD7893ARZ - 31500500LM2937ES-3.31100100ADR29118585ADG4191280960AD711JRZ367201ATXmega128A4U19999CD4001BCM11818КР1162ЕН15А12424КР142ЕН8В13535МостDB157S14545Датчик температурыDS-18B-202100200Резисторы4,7 кОм 1206 0,25Вт 1%27,815,65,5 кОм 0805 0,125 Вт 1%27,815,6200 кОм 3314G-1-204E16161180 Ом 0805 0,125Вт 1%17,87,8240 Ом 0805 0,125 Вт 1%17,87,81 кОм 1206 0,25 Вт 1%1101018 Ом МО-50 0,5 Вт 5%26,813,6820 Ом 1210 0,5 ВТ 5%26,813,610 кОм 3314J-1-103E 20%365195РазъемыIDC-60MR250100WF-611313WF-221938IDC-08M133USBB-1J15050PLS-2133ДжамперMJ-C-8,511010Кварцевый резонатор16.000 МГц HC-49U11414ТранзисторыКТ816А23060КТ817А23060КТ315В12828Итого: общая сумма стоимости покупных изделий4 493,5Транспортно-заготовительные расходы (20% от суммы)898,7Всего затрат на покупные комплектующие изделия5 392,2 8.3.4 Расчёт заработной платы производственных рабочих
Основная заработная плата производственных рабочих рассчитывается на основании трудоемкости изготовления и испытания опытного образца проектируемого изделия и часовых тарифных ставок. Все расчеты по заработной плате приведены в таблицы № 8.3.5
Таблица 8.3.5. Заработная плата производственных рабочих.
Вид работыВид операцииТрудоемкость (час)Часовая тарифная ставка (руб./час)Итого зарплата (руб.)Изготовление опытного образца
Сборочно - монтажные работы241503 600Итого тарифная заработная плата3 600Доплата 1 800Итого основная заработная плата5 400Дополнительная зарплата 972Основная и дополнительная заработная плата6 372Страховые взносы1 656,72 8.3.5 Расчёт затрат по содержанию и эксплуатации механического измерительного оборудования
Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования определяется исходя из количества часов его использования при изготовлении и испытании опытного образца, за исключением операций выполняемых в ручную (в среднем это время составляет 60% от общего времени изготовления опытного образца) и условной стоимости одного часа работы оборудования, равной 15 руб/час. Общая трудоёмкость изготовления составляет 24 часа.
Зэ.о. = 0,6×15×24 = 216 руб.
8.3.6 Расчёт накладных расходов
В полную себестоимость проектируемого устройства помимо основных расходов входят накладные расходы: общезаводские, общехозяйственные, коммерческие.
Общепроизводственные расходы - 110% от основной зарплаты основных производственных рабочих: 5400×1,1 = 5940
Общехозяйственные расходы - 90% от основной зарплаты основных производственных рабочих: 5400×0,9 = 4860
Коммерческие расходы - 10% от производственной себестоимости
Результаты расчётов по отдельным статьям затрат, включаемых в себестоимость опытного образца сведены в таблицу № 8.3.6.
8.3.7 Калькуляция себестоимости опытного образца проектируемой системы измерения
Таблица № 8.3.6 Калькуляция себестоимости опытного образца.
№ п/пНаименование статьи затратСтатья калькуляцииСумма, руб%1Основные и вспомогательные материалы261,60,972Комплектующие изделия5 392,220,023Основная заработная плата540020,054Дополнительная заработная плата9723,615Страховые взносы1 656,726,156Общепроизводственные расходы594022,06Цеховая себестоимость19 486,27Общехозяйственные расходы486018,05Производственная себестоимость24 482,528Коммерческие расходы2 448,259,09Полная себестоимость26 930,77100 8.3.8. Расчет оптовой цены проектируемого изделия
Отпускная цена рассчитывается только в случае планируемых в будущем продаж разрабатываемого изделия. Оптовая цена проектируемого изделия определяется по формуле
ОЦ = С полн. + Пр. + НДС ,
где, С полн. - полная себестоимость серийного образца проектируемого изделия(26 930,82);
Пр. - прибыль (принимается в размере 25% от полной себестоимости)(6_732,7);
НДС - налог на добавленную стоимость,18% от цены предприятия НДС=[26 930,77+6 732,7-(5 392,2+261,6)]*0,18=5 041,74 руб.
ОЦ=26 930,77+6 732,7+5 392,2=39 055,67 руб.
8.4 Вывод В организационной части дипломного проекта был определен состав конструкторской группы и должностные оклады, произведен расчет заработной платы проектировщиков и сметы затрат на ОКР. В экономической части выполнен расчет производственной себестоимости измерительного блока.
В результате разрабатываемая система измерения параметров термоэлектрических модулей изготовлена на основе современной элементной базы, что значительно повышает эксплуатационные характеристики, такие как: высокое быстродействие, надежность и помехоустойчивость, низкую потребляемую мощность. Благодаря этим качествам, использование системы на предприятиях значительно повысит уровень технологического процесса и сократит время изготовления модулей.
239. Безопасность и экологичность проектных решений
9.1. Цель и решаемые задачи
Внедрение электронно-вычислительной техники в различные области деятельности человека обусловило значительное увеличение численности работников, применяющих в своей деятельности ПЭВМ.
Пользователь ПЭВМ в процессе работы может подвергаться влиянию таких опасных факторов: электромагнитные поля, статическое электричество, шум, неудовлетворительные условия микроклимата, недостаточная освещенность, психоэмоциональное напряжение и напряжение зрительного анализатора, вынужденная рабочая поза, малый объем движений.
Значительное умственное напряжение и другие нагрузки приводят к изменению функционального состояния центральной нервной системы работника, нервно-мышечного аппарата рук (при работе с клавиатурой). Малый объем движений может привести к повышенному напряжению мышц, развитию общего утомления и снижению работоспособности. При длительной работе за экраном дисплея у операторов отмечается выраженное напряжение зрительного анализатора, головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, пояснице, области шеи, руках и др.
Для предупреждения развития таких осложнений рабочее место должно быть правильно организовано. В данной дипломной работе будут освещены вредные воздействия на оператора и пути их устранения.
9.2. Опасные и вредные факторы при работе с ПЭВМ
Ниже приведена таблица 9.2.1 опасных и вредных факторов, составленная на основании классификации, изложенной в ГОСТ 12.0.003-74/80.
Таблица 9.2.1
NВредный факторМесто
появленияВозможные
последствия1231Повышенное значение напряжения электрической цепиРабочее место оператора, помещениеЭлектротравма2Электрическая дугаРаспределительный щитОжоги, пожар3Повышенная напряженность электрического поля и электромагнитного излученияЭлектроустановки: 220В.,
помещениеНарушение сердечно-сосудистой системы, утомляемость, раздражительность, помутнение хрусталика 4Повышенный уровень статического электричестваРабочее место,
электроустановкиПожар, взрыв, электрический удар5Повышенная или пониженная температура воздуха, влажность, подвижность воздуха рабочей зоныРабочее место, помещениеПерегрев или переохлаждение организма6Недостаточная освещенность рабочей зоныПомещениеУтомляемость, дискомфорт, опасность травматизма, ухудшение зрения7Повышенный уровень шумаРабочее местоНервно-психическая перегрузка, заболевания органов слуха8Монотонность трудаРабочее местоНервно-психическая перегрузка9ГипокинезияРабочее местоПовышенное напряжение мышц, развитие общего утомления, снижение работоспособности10Умственные перенапряжения при дефиците времениРабочее местоИзменение функционального состояния ЦНС11Повышенный уровень вредных химических веществ в воздухеРабочее местоОбщетоксическое действие, нервнопаралитическое действие, удушающее действие, канцерогенное действие.
9.3. Характеристика объекта исследования
Основным средством при разработке комплекса измерения Z и R параметров является настольный ПЭВМ типа IBM PC и жидкокристаллический монитор.
Оператор осуществляет работу только с одним ПЭВМ на протяжении всего измерения.
Для обеспечения удобства ввода и считывания информации реализованы конструктивные эргономические решения. Монитор расположен по центру рабочего места, верхний край экрана находится на уровне глаз оператора, наклонен слегка назад. Ввод данных осуществляется при помощи клавиатуры, которая соответствует ГОСТ 29124-91. Для обеспечения удобства ввода и считывания информации реализованы конструктивные эргономические решения. Монитор расположен по центру рабочего места, верхний край экрана находится на уровне глаз оператора, наклонен слегка назад. Ввод данных осуществляется через клавиатуру, которая соответствует требованиям ГОСТ 29124-91.
Важное место в комплексе мероприятий по созданию условий труда, работающих с ПЭВМ, занимает создание оптимальной световой среды, т.е. рациональная организация естественного и искусственного освещения помещения и рабочих мест.
Для улучшения баланса яркости монитора и окружения используется искусственное освещение. Согласно ТОИ Р-45-084-1 виды деятельности с ПЭВМ подразделяют на 3 группы: группа А - работа по считыванию информации с экрана компьютера с предварительным запросом; группа Б - работа по вводу информации; группа В - творческая работа в режиме диалога с компьютером.Т.к. оператор ЭВМ при работе с системой измерений будет считывать информацию с экрана ПЭВМ, а так же вводить данные для корректной работы системы, тяжесть такой работы характеризуется группой Б. В течении рабочего дня следует устанавливать перерыв через 2 часа от начала рабочей смены и через 1,5 - 2,0 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый или продолжительностью 10 минут через каждый час работы.
9.4. Обеспечение требований эргономики и технической эстетики
9.4.1.1. Планировка помещения и размещение оборудования
Помещение, где будут располагаться измерительные блоки и ПЭВМ должно иметь естественное и искусственное освещение. Естественное освещение должно осуществляться через светопроемы, ориентированные преимущественно на север и северо-восток и обеспечивать коэффициент естественной освещенности (КЕО) не ниже 1.2% в зонах с устойчивым снежным покровом и не ниже 1.5% на остальной территории.
Расположение рабочих мест в подвальных помещениях не допускается.
Площадь на одно рабочее место с ПЭВМ должна составлять не менее 4,5 кв.м при использовании ЖК монитора.
Помещение не должно граничить с помещениями, в которых уровни шума и вибрации превышают нормируемые значения.
Помещения с измерительными блоками и ПЭВМ должны оборудоваться системами отопления, кондиционирования воздуха или эффективной приточно-вытяжной вентиляцией. Для внутренней отделки интерьера помещений с измерительными блоками и ПЭВМ должны использоваться диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0.7 - 0.8; для стен - 0.5 - 0.6; для пола - 0.3 - 0.5.
Помещения, где размещаются рабочие места с ПЭВМ, должны быть оборудованы защитным заземлением (занулением) в соответствии с техническими требованиями по эксплуатации.
В помещение используется стол СУ-15-5 размерами 1,5 х 0,5 м, высота стола регулируется от 0,65 до 1 м. Площадь занимаемая столом составляет 0,75м. В помещении используется стул Viking VKG C-200 ESD, стул имеет антистатическую защиту. Стул имеет регулировку по высоте 0,43-0,57 м.Диаметр основания стула составляет 0,43 м. Площадь занимаемая стулом составляет 0,15 м. Общая площадь занимаемая оборудованием составляет 0,9 м
Удельная площадь П_уд помещения, приходящуюся на одного рабочего определяется по формуле:
П_уд=(П_п-П_о)/ч(9.4.1) где: - площадь помещения (в нашем случае 16 м2);
- площадь, занятая крупногабаритным оборудованием и мебелью (в нашем случае 4,5 м2);
ч - число человек, одновременно работающих в помещении.
П_уд=(П_п-П_о)/ч=(6,25-0,9)/1=5,35 (м2/чел).
Параметры помещения соответствуют эргономическим требованиям, СанПиН 2.2.2./2.4.1340-03.
9.4.1.2. Эргономические решения по организации рабочего места пользователей ЭВМ
Для сохранения работоспособности и предупреждения развития заболеваний опорно-двигательного аппарата пользователей ПЭВМ необходимо организовать для них рабочие места, отвечающие требованиям ГОСТ 12.2.032-78. Рабочий стол выбирается таким образом, чтобы на его рабочей поверхности можно было оптимально разместить необходимое оборудование (монитор, принтер, клавиатуру). При этом экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя на расстоянии 600 - 700 мм, но не ближе 500 мм. Высота рабочего стола составляет 725 мм, ширина 1500 мм, а глубина -500 мм.
Рабочее кресло выбираем подъемно-поворотным, регулируемым по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а также расстоянию спинки от переднего края сиденья, при этом регулировка каждого параметра должна быть независимой, легко осуществляемой и иметь надежную фиксацию. Кресло имеет ширину и глубину поверхности сидения 500 мм. Передний край поверхности закругленный. Высота поверхности сидения 500 мм. Угол наклона вперед - 15 градусов, назад - 5градусов. Высота опорной поверхности спинки - 300 мм, а радиус кривизны горизонтальной плоскости - 400 мм. Угол наклона спинки в вертикальной плоскости в пределах ±30 градусов. Кресло оборудовано стационарными подлокотниками длиной 250 и шириной 50 мм.
Поверхность сиденья, спинки и других элементов этого кресла должна быть полумягкой, с нескользящим, слабо электризующимся и воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающим легкую очистку от загрязнений.
Рабочее место оборудовано подставкой для ног, имеющей ширину 300 мм, глубину 400 мм, регулировку по высоте в пределах 150 мм и по углу наклона опорной поверхности подставки 20 градусов. Поверхность подставки должна рифленая и имеет по переднему краю бортик высотой 10 мм. Рабочее место располагаем так, чтобы свет падал слева. При этом оконный проем должен быть оборудован регулируемыми устройствами типа: жалюзи, занавесей (п. 6.5), внешних козырьков и др.
Расположение стеллажа отвечает требованиям к площади помещений.
Принтер на рабочем столе расположен так, чтобы не загораживать монитор.
Системный блок расположен под рабочей поверхностью стола с учетом того, что должно обеспечиваться пространство для стоп глубиной и высотой не менее 150 мм и шириной не менее 530 мм.
Монитор расположен в месте рабочей зоны, обеспечивающем удобство зрительного наблюдения в вертикальной плоскости под углом ±30 градусов от нормальной линии взгляда оператора, а также удобство использования ВДТ или ПЭВМ (ввод-вывод информации при корректировке основных параметров технологического процесса, отладка программ и др). Возможен поворот монитора по горизонтальной и вертикальной оси.
Клавиатура расположена на расстоянии 200 мм от края, обращенного к пользователю.
9.4.1.3. Цветовое оформление помещения
Согласно СН-181-70 для внутренней отделки интерьера помещений, где расположены ПЭВМ, должны использоваться диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0,7 - 0,8; для стен - 0,5 - 0,6; для пола - 0,2 -0,3. Для окраски больших поверхностей используем малонасыщенные цвета. При этом стены помещения средне-желтые, пол темно-зеленый, потолок светло-белый.
Стеллаж и кресло имеют средне-насыщенный фиолетовый цвет и редко попадают в поле зрения оператора.
9.4.2. Создание рационального освещения
Окна в помещениях, где эксплуатируется вычислительная техника, преимущественно должны быть ориентированы на север и северо-восток. Площадь световых проемов должна составлять 25% (в нашем случае - 4 м2) площади пола. Искусственное освещение в помещениях и на рабочих местах должны создавать хорошую видимость информации на экране ЭВМ. При этом в поле зрения работающих должны быть обеспечены оптимальные соотношения яркости рабочих и окружающих поверхностей. Наиболее оптимальной для работы с экраном является освещенность 200 лк, при работе с экраном в сочетании с работой над документами - 400 лк. Согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300 - 500 лк. Допускается установка светильников местного освещения для подсветки документов. Местное освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана и увеличивать освещенность экрана более 300 лк.
На рабочем месте необходимо обеспечивать возможно большую равномерность яркости, исключая наличие ярких и блестящих предметов, для снижения монотонности в поле зрения рекомендуется отдельные пестрые поверхности. Для освещения рабочих мест применяется комбинированное освещение (общее плюс местное), хотя более предпочтительно общее освещение из-за большего перепада яркостей на рабочем месте при использовании светильников местного освещения. Для общего освещения используются потолочные светильники с люминесцентными лампами. Яркость должна быть не более 200 кд/м2. Источники света нейтрально-белого цвета с индексом цветопередачи не менее 70. Для исключения засветки экранов прямыми световыми потоками светильники общего освещения располагают сбоку от рабочего места, параллельно линии зрения оператора. Местное освещение на рабочих местах обеспечивается светильниками, устанавливаемыми непосредственно на рабочем столе. Они должны иметь непросвечивающий отражатель и располагаться ниже или на уровне линии зрения операторов, чтобы не вызывать ослепления. Так как при работе на компьютере основная нагрузка ложится на глаза, поэтому большие требования предъявляются к монитору. Предпочтительным является плоский экран, позволяющий избежать наличие на нем ярких пятен за счет отражения световых потоков. Особенно важен цвет экрана. Он должен быть нейтральным. Допустимы ненасыщенные светло-зеленые, желто-зеленые, желто-оранжевые, желто-коричневые тона. О качестве экранов судят по отсутствию мерцания и постоянству яркости. При прямом контрасте (темные символы на светлом фоне) частота мельканий должна быть не менее 80 Гц для электронно-лучевых трубок и не менее 60 Гц для жидкокристаллических экранов. Оптимальная высота расположения экрана должна соответствовать направлению взгляда оператора в секторе 5-35o по отношению к горизонтали. Большой наклон экрана может привести к появлению бликов от светильников. При работе с ЭВМ взгляд должен падать на экран под прямым углом и отклоняться от горизонтали на 20o. Правильно спроектированное и рационально выполненное освещение производственных помещений оказывает положительное психофизиологическое воздействие на работающих, способствует повышению эффективности и безопасности труда, снижает утомление и травматизм, сохраняет высокую работоспособность. Согласно рисунку 1 данного раздела дипломной работы в производственном помещении имеется два окна, ориентированных на север. Так же предусмотрена система искусственного освещения, которая представляет собой сдвоенный потолочный светильник с люминесцентной лампой. Светильник расположен над рабочим местом параллельно линии зрения оператора.
9.4.2.1. Расчет искусственного освещения
Для расчета общего освещения воспользуемся методом коэффициента использования светового потока. Расчетная формула для вычисления светового потока для создания нужного освещения: Ф=(E_нор∙K_з∙S∙z)/(q∙f)(9.4.2)где: Енор - нормируемая минимальная освещенность 300Лк;
Кз - коэффициент запаса, учитывающий запыленность светильников и износ источников света в процессе эксплуатации;
S - освещаемая площадь;
z - коэффициент неравномерности освещенности (отношение средней освещенности к минимальной) = 1,1;
q - коэффициент использования потока;
f - коэффициент затемнения, принимается равным 0,9;
Кз = 1,5 при условии чистки светильников не реже четырех раз в год;
Длина помещения А = 2.5 м;
Ширина помещения В = 2.5 м;
Высота Нпом = 2.8 м.
S=A∙B(9.4.3) S=2,5∙2,5=6,25 м^2 Высота подвеса - hподвеса = 0,18 м.
Высота стола - hстола = 0,75 м
Высота подвеса светильников ЛСП 22-65-002 над рабочим столом:
Н = h1 - hподвеса - hстола =2,8-0,18-0,75 = 1,87м.
Определяем индекс помещения:
i=S/(h∙(A+B))(9.4.4) i=6,25/(1,87∙(2,5+2,5) )=6,25/9,35=0,67
Для индекса i=0,45, коэффициентов Rст = 50 %, Rпот = 70 %, Rпол = 20 %, коэффициент использования q=0,37. Следовательно, получаем:
Ф=(300∙1,5∙6,25∙1,1)/(0,37∙0,9)=3904/0,33=11830 Лм
Выбираем в качестве источника света люминесцентную лампу ЛБ - 65, которая имеет номинальное значение светового потока 4800 Лм. Тогда для создания необходимого светового потока (уровня освещенности) потребуется N=11830/4600≈2.57=3
Так как в светильнике стоит по одной лампе, то необходимо 3 светильника.
К общему освещению дополнительно устанавливаются светильники местного освещения, предназначенные для освещения зоны расположения документов, не просвечивающий отражатель с защитным углом не менее 40 градусов.
Расположение светильника над рабочей поверхностью представлено на плакате данного дипломного приложения.
9.4.3. Обеспечение оптимальных параметров воздуха рабочих зон
9.4.3.1. Нормирование параметров микроклимата
Для легкой категории работ представим в виде таблицы фактические (табл. 9.4.3.2.) и нормативные оптимальные (табл 9.4.3.1.) параметры (СаНПиН 2.2.4.548-96) температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха.
Таблица 9.4.3.1.
Нормативные оптимальные параметры (СаНПиН 2.2.4.548-96)
Период годаКатегория работТемпература воздуха,гр.С не болееОтносительная влажность воздуха, %Скорость движения воздуха, м/сХолодный1Б22-2440-600,1Теплый1Б23-2540-600,1Таблица 9.4.3.2.
Фактические параметры
Период годаКатегория работТемпература воздуха,гр.СОтносительная влажность воздуха, %Скорость движения воздуха, м/сХолодный1Б23500,1Теплый1Б24550,1 Из таблиц мы видим, что фактические параметры микроклимата в помещении соответствуют нормативным.
9.4.3.2. Нормирование уровней вредных химических веществ
Источниками загрязнения помещения являются вредные вещества внешней среды и более 100 соединений, выделяющихся из строительных материалов здания, мебели, одежды, обуви и биоактивные соединения самого человека.
Наиболее частыми загрязнителями, попадающими из внешней среды в помещение являются оксид углерода, диоксид азота, диоксид серы, свинец, пыль, сажа и т. д.
Строительные конструкции являются источниками поступления в помещение главным образом радона и торона, при этом наиболее высокая концентрация создается в домах из бетонных конструкций при плохом проветривании.
Мебель, одежда и обувь выделяют пыль с содержанием минерального волокна, углеводороды, полиэфирные смолы и другие соединения. Из биоактивных соединений наиболее значимы диоксид углерода, сероводород и др.
К наиболее опасным загрязнителям помещения относятся продукты курения, концентрация которых при наличии курящих людей в десятки раз выше, чем в их отсутствии.
Возможный состав вредных веществ в помещении с указанием их предельно допустимых концентраций приведен в таблице 9.4.3.3.
Таблица 9.4.3.3.
Вредные веществаПДК, мг/м3
ГН 2.2.5.1313-03Класс опасностиДействие на человека 1234Внешние источникиОксид углерода204Нарушение переноса кислорода кровью и как следствие - удушье.Диоксид азота52Раздражающее и наркотическое действие на ЦНС.Диоксид серы12Раздражающее и фиброгенноеСвинец (выхлопы автомобилей)0,01/0,0071Общетоксическое на ЦНС, кровотворение, ССС, углеводный обмен.Пыль (сажа)44Раздражающее и нцерогенное.Строительные материалыБензол52Действие на ЦНС и систему крови.Радон, торонКанцерогенное действиеАетон2004Действие на слизистые оболочки верхних дыхательных путей.Формальдегид0,52Действие на слизистые оболочки ЖКТФенол0,32Действие на слизистые оболочки верхних дыхательных путей.Стирол53"Стирольная болезнь"МебельБутилацетат2004Действие на слизистые оболочки.Толуол503Действие на ЦНС.1234Фенопласты63Общетоксическое, аллергическое концерогенное.Формальдегид0,52ОбщетоксическоеБензол52 ОбщетоксическоеПыль растительного и животного происхождения2-64 Раздражающее, аллергическоеОдежда и обувьСтирол53Формальдегид0,52 Дивинил1004На ЦНС, на ССС, на слизистые оболочки глаз и ЖКТ, на слизистые оболочки верхних дыхательных путей.
9.4.3.3. Нормирование уровней аэроионизации
Недостаточно ионизированный воздух рабочего помещения может привести к ухудшению работы оператора и снижению его работоспособности. Уровни положительных и отрицательных йонов в помещении приведены в таблице 8.4.3.4. (СанПиН 2.2.2.542-96).
Таблица 9.4.3.4.
УровниЧисло ионов в 1 см3 воздуха + -Минимально необходимые400600Оптимальные1500-30003000-5000Максимально допустимые5000050000 Для нормализации аэроионного состава воздуха в помещении имеется приточно-вытяжная вентиляция.
Норма подачи наружного воздуха на 1 человека для производственных участков согласно СНиП 41-01-2003 составляет 30 м3/час с естественным проветриванием и 60 м3/час без естественного проветривания.
9.4.4. Расчет воздухообмена в рабочей зоне
При правильно организованной вентиляции кратность воздухообмена К должна быть больше 1.
1 Вт = 1 Дж/с = 3600 Дж/ч = 3,6 кДж/ч
Площадь помещения Пп находится по формуле 9.4.5.
П_п=l∙s(9.4.5) П_п=2,5∙2,5=6,25 м^2
Объём помещения V находим по формуле 8.4.6.
V=П_п∙h(9.4.5)где:Пп - площадь помещения;
h - высота помещения = 2,8 м.
V=6,25∙2,8=17.5 м^3
Количество избыточного тепла Qизб находим по формуле 9.4.6.
Qизб = Qлюд + Qоборуд + Qосв + Qрад9.4.6)где:Qлюд - поступление тепла от людей;
Qоборуд - выделение тепла от оборудования;
Qосв - поступление тепла от электрического освещения;
Qрад - поступление тепла от солнечной радиации.
Qлюд = n · q,
где:n - число людей работающий в помещение = 1;
q - количество тепла, выделяемого одним человеком (для категории энергозатрат 1а = 540 кДж/ч);
Qлюд = 1 · 540 = 540 кДж/ч
Тепло выделяемое электрооборудованием находится по формуле 8.4.7.
Qоборуд = N · ψ1 · ψ2(9.4.7) где:N - суммарная мощность для данной комнаты (мощность от сети используется на нагрев 300 Вт = 1080 кДж/ч);
ψ1 - коэффициент использования установочной мощности = 0,95;
ψ2 - коэффициент одновременной работы = 1.
Qоборуд = 1080 · 0,95 · 1 = 1026 кДж/ч
Количество тепла выделяемого от осветительных приборов находим по формуле 9.4.8.
Qосв = n · M · ψ · τ(9.4.8) где:n - число светильников;
М - мощность одной лампы ЛБ-65 = 65 Вт = 234 кДж/ч;
ψ - доля тепла поступающего в помещение (0,5 для люминесцентных ламп);
τ - коэффициент использования лампы (0,5 для тёплого времени года).
Qосв = 3 · 234 · 0,5 · 0,5 = 179,01 кДж/ч
Поступление тепла от солнечной радиации находится по формуле 8.4.9.
Qрад = q · S(9.4.9) где:q - удельные поступления от солнечной радиации =135 кДж/м2ч;
S - суммарная площадь окон (1 окна 2х1,5 м).
Qрад = 135 · 3 = 405 кДж/ч,
Т.к. оконный проём занавешен, то берём 10% от полной суммы 40,5 кДж/ч.
Т. о. получаем избыточное значение тепла:
Qизб = 540 + 1026 + 179,01 + 40,5 = 1785,51 кДж/ч.
Расход воздуха для вентилирования помещений L находится по формуле 9.4.10.
L=Q_изб/(c∙ρ∙(T_удал-T_приточ))(9.4.10)где:Qизб - количество избыточного тепла;
с - теплоёмкость воздуха =1,005 кДж/кг˚С
ρ - плотность приточного воздуха 1,2 кг/м3
Тудал - температура удаляемого воздуха 26˚С
Тприточ - температура приточного воздуха 20˚С
L=(1785,51 )/(1,005∙1,2∙(26-20))=246,75 м3/ч
Кратность воздухообмена K ищем по формуле 9.4.11.
K=L/V(9.4.10)где:L - расход воздуха;
V - объём помещения;
K=246,75/17,5=14.1 (1/час)
9.4.5.Защита от шума
Основными источниками шума в помещениях, где осуществляется работа с ПЭВМ, могут быть звуки, проникающие из вне, разговаривающие люди и само оборудование. Общий уровень шума, который они производят относительно невелик.
Допустимые значения уровней звукового давления в октавных полосах частот и уровня звука, создаваемого ПЭВМ (СН 2.2.4/2.1.8.562-96), сведены в таблицу 9.4.1.
Таблица 9.4.1.
Уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотамиУровни звука в дБА31,5 Гц63 Гц125 Гц250 Гц500 Гц1000 Гц2000 Гц4000 Гц8000 Гц86 дБ71 дБ61 дБ54 дБ49 дБ45 дБ42 дБ40 дБ38 дБ50 Уровень шума, поступающего извне можно снизить за счет уплотнения окон и двери. Так же можно оборудовать помещение звукопоглощающими поверхностями.
9.4.6. Обеспечение режимов труда и отдыха
Обеспечение режимов труда и отдыха определяется согласно СанПиН. Работа оператора в нашем случае относится к группе "В", согласно которой среднее время работы оператора с ПЭВМ не должно превышать 6 часов за смену. На протяжении рабочей смены должны устанавливаться регламентированные перерывы, причем продолжительность непрерывной работы не должна превышать 2 часов.
При 8-часовой рабочей смене для III категории работ перерывы следует устанавливать через 1.5 - 2.0 часа от начала рабочей смены и через 1.5 - 2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 20 минут каждый или продолжительностью 15 минут через каждый час работы.
Во время регламентированных перерывов с целью снижения нервно-эмоционального напряжения, утомления зрительного анализатора, устранения влияния гиподинамии и гипокинезии, предотвращения развития познотонического утомления целесообразно выполнять комплексы специальных упражнений.
С целью уменьшения отрицательного влияния монотонии целесообразно применять чередование операций осмысленного текста и числовых данных (изменение содержания работ), чередование редактирования текстов и ввода данных (изменение содержания работы).
Работающим на ВДТ и ПЭВМ с высоким уровнем напряженности во время регламентированных перерывов и в конце рабочего дня показана психологическая разгрузка в специально оборудованных помещениях (комната психологической разгрузки). 9.4.7. Обеспечение электробезопасности
С точки зрения ПУЭ (правил устройства электроустановок) наше помещение не является опасным. В пощении поддерживается оптимальная температура и влажность воздуха, вредные химические вещества отсутствуют.
Для защиты оператора от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции используется защитное заземление, которое выполнено преднамеренным электрическим соединением металлических частей электроустановок с "землей" или ее эквивалентом.
Защитному заземлению и занулению подвержены розетки и металлические части электроустановок доступные для прикосновения человека и не имеющие других видов защиты, обеспечивающих электробезопасность.
В качестве заземляющих проводников используется стальная проволока толщиной 3 мм в поливинилхлоридной изоляции.
Светильники в помещении расположены на высоте 2,62 м, что более 2,5 м, поэтому светильники могут быть запитаны от 220 В. 9.4.8. Защита от статического электричества
Устранение опасности возникновения электростатических зарядов на рабочих местах достигается применением ряда мер: заземлением, повышением поверхностной проводимости диэлектриков. Заземление используется, прежде всего, для производственного оборудования. Оборудование считается электростатически заземлённым, если сопротивление в любой его точке не превышает 106 Ом. Поверхностная проводимость диэлектриков повышается при увеличении влажности воздуха. Влажность воздуха на участке повышается при помощи увлажнителей воздуха встроенных в кондиционеры. Оптимальная влажность воздуха для предотвращения статических разрядов должна быть 85% при температуре воздуха 21°С. Для защиты работающих от статического заряда используют обувь с электропроводящей подошвой. Полы на участке моются два раза в день с применением специальных антистатических моющих средств типа "Антистатик". На полу, на входе в помещение расположен коврик, пропитанный антистатическим средством. Верхняя рабочая одежда (халат) не должна содержать синтетических волокон, используются халаты х/б белого цвета. При работе сидя применяют электропроводные подушки стульев соединённые с заземляющим устройством через сопротивление 105 -107 Ом. 9.4.9. Обеспечение допустимых уровней электромагнитных полей
Временные допустимые уровни ЭМП, создаваемых ПЭВМ на рабочих местах (СанПиН 2.2.2./2.4.1340-03) представлены в таблице 9.4.2.
Таблица 9.4.2.
Наименование параметровВДУНапряженность электрического поляв диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц25 В/мв диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц2,5 В/мПлотность магнитного потокав диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц250 нТлв диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц25 нТлНапряженность электростатического поля15 кВ/мПоверхностный электростатический потенциал экрана видеомонитора500В Наряду с этим нужно устанавливать в помещении с ВДТ ионизаторы воздуха, чаще проветривать помещение и хотя бы один раз в течение рабочей смены очищать экран от пыли. В целях предосторожности следует обязательно использовать защитные экраны, а также рекомендуется ограничивать продолжительность работы с экраном ВДТ, не размещать их концентрированно в рабочей зоне и выключать их, если на них не работают. 9.4.10. Обеспечение пожаробезопасности
В соответствии с НПБ 105-03 помещение можно отнести к категории "В" (пожароопасная). Степень огнестойкости - I со следующими пределами огнестойкости строительных конструкций:
несущие элементы - R120
наружные стены - RE30
перекрытия междуэтажные, чердачные и над подвалом - REI60
покрытия бесчердачные - RE30
внутренние площадки лестничных клеток - REI120
марши лестниц - R60
где:R - потеря несущей способности;
E - потеря целостности;
I - потеря теплоизолирующей способности.
9.4.10.1. Обеспечение безопасной эвакуации персонала
В помещение пребывает всего 1 человек по этому в помещение находится 1 эвакуационный выход согласно пункту 4.2.1. документа СП1.13130.2009.
Помещение имеет один эвакуационных выход в коридор, ведущий на лестничную клетку.
Помещение имеет класс Ф5.1 - производственные здания, сооружения, производственные и лабораторные помещения, мастерские.
Ширина эвакуационного выхода, согласно СП1.13130.2009, из помещения составляет не менее 1,2 метра, высота не менее 2 метра при числе эвакуирующихся более 50 человек. Максимальное расстояние от наиболее удаленного рабочего места до эвакуационного выхода составляет 2м. Людской поток составляет до 1 чел/м2. Объем помещения до 15 тыс. м3. Категория здания В, степень огнестойкости С0, класс конструкции I. По этим данным наибольшее расстояние получается 40 м. 9.4.10.2. Средства извещения и сигнализации о пожаре
Пожарная сигнализация и связь предназначены для быстрого извещения о пожаре, что значительно повышает успех тушения пожара. В нашем помещении установлена автоматическая пожарная сигнализация "МИНИТРОНИК A32" с комбинированным способом обнаружения начальной стадии пожара (тепловой, дымовой) согласно НПБ 110-03.
9.4.10.3. Способы и средства тушения пожара
Для локализации небольших возгораний в помещении предусмотрен огнетушитель. Так же в здании на этаже, на котором находится рабочее помещение, имеется пожарный кран.
В случае возгорания класс пожара будет определяться как "А", т.к. в помещении имеются твердые вещества которые в процессе горения тлеют, так же как и класс "Е", потому что в помещении находится ПЭВМ.
Так как вода может вывести из строя дорогостоящий ПЭВМ, а так же уничтожить хранящуюся в нем информацию, при тушении пожара надо исключить попадание воды на ПЭВМ (например, можно накрыть ПЭВМ асбестовым полотном). Асбестовое полотно рекомендуется хранить в металлических футлярах с крышками, периодически (не реже 1 раза в три месяца) просушивать и очищать от пыли.
Так как площадь помещения небольшая, то будет достаточно одного ручного порошкового огнетушителя объемом 2 литра. Огнетушитель должен всегда содержаться в исправном состоянии.
9.4.11. Молниезащита объекта
Практически каждый производственный объект должен обеспечиваться молниезащитой. Рассчитаем ожидаемое количество поражений молнией зданий и сооружений в год, не оборудованных молниезащитой. Исходные данные: Высота здания, м: 50; Длинна здания, м: 40; Ширина здания, м: 25. Для зданий с сооружений прямоугольной формы количество поражений молнией в год рассчитывается по формуле 9.4.11.
N=[(A+6h)∙(B+6h)-7,7∙h^2]∙n∙〖10〗^(-6)(9.4.11)где: h - наибольшая высота здания или сооружения, м; A, В - соответственно ширина и длина здания или сооружения, м; n - среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земной поверхности (удель-ная плотность, ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения (5 для средней полосы России).
N=[(25+300)∙(40+300)-7,7∙250]∙5∙〖10〗^(-6)=0,54
На крыше здания установлен одиночный тросовой молниеотвод. Здание располагается в средней полосе России, категория молниезащиты I, тип зоны защиты при использовании тросовых молниеотводов - А.
9.4.12. Мероприятия и средства по защите окружающей среды
Рассматриваемый в данном дипломе объект не является причиной загрязнения окружающей среды. Но в непосредственной близости от здания в котором он эксплуатируется находится котельная, которая является источником загрязнения окружающей среды. Углекислый газ, выбрасываемый в атмосферу при горении газа в котлах, является одним из основных источников загрязнений окружающей среды, помимо этого при сгорании газа в котлах в атмосферу выбрасываются окислы азота. Оксиды азота, улетучивающиеся в атмосферу, представляют серьёзную опасность для экологической ситуации, так как способны вызывать кислотные дожди, а также сами по себе являются токсичными веществами, вызывающими раздражение слизистых оболочек.
Зимой при сильных холодах(-30 и более) работа котельной переходит на мазут, это приводит к выбросам ванадия. Попадания газовой смеси с ванадием в легкие вызывает кашель, боли в груди, насморк и першение в горле. Иногда наблюдается удушье, зеленоватый налет на языке и побледнение кожных покровов.
Экологически опасные объекты региона перечислены с табл. 9.4.12. Таблица 9.4.12.
№Экологически опасные объекты Экологически значимые факторы Ожидаемые экологические последствия 1Котельная Выбросы химических веществ в атмосферу (углекислый газ) Снижение численности и разнообразия флоры и фауны, деградация почв, ухудшение качества поверхностных и подземных пресных вод. Вклад в развитие парникового эффекта и образование кислотных дождей, ухудшение здоровья населения и демографических показателей. 2Транспортно-дорожные средства Шум Ухудшение здоровья населения и демографических показателей. 3Линия электропередач сверхвысокого напряжения Электромагнитное излучение Ухудшение здоровья населения и демографических показателей. 4Высокоразвитая сеть подземных коммуникаций Выбросы газов и жидкостей, находящихся под давлением. Нарушение несущей способности грунта. Ухудшение здоровья населения и демографических показателей. 9.5 Заземление здания
Размеры здания, длина - 40м, ширина - 25м, высота - 50м.
Размеры стержня: круговая сталь диаметров 10 мм длиной 5м.
Рассчитаем эквивалентное сопротивление грунта по формуле 9.5.1.
ρ_эвк=(ψρ_1 ρ_2 L)/(ψρ_1 (L-H+t))+ρ_2 (H-t)(9.5.1)где:Ψ - сезонный климатический коэффициент (1,4);
L - длина вертикального заземления, м (5);
t - заглубление вертикального заземления, м (0,5);
H - толщина верхнего слоя грунта, м (0,2);
ρ_1 - удельное сопротивление верхнего слоя грунта, Ом∙м (200);
ρ_2 - удельное сопротивление нижнего слоя грунта, Ом∙м (100).
ρ_эвк=(1,4∙200∙100∙5)/(1,4∙200∙(5-0,2+0,5))+100∙(0,2-0,5)=96,29 Ом∙м
Заглубление горизонтального заземлителя можно найти по по формуле 9.5.2.
T=(L/2)+t(9.5.2) Проведем расчет:
Т=5\2+0,5= 3 м
Сопротивление одиночного вертикального заземления 9.5.3.
R_0=ρ_экв/(2∙π∙L) (ln⁡((2∙L)/d)+0.5∙ln((4∙T+L)/(4∙T-L)))(9.5.3)где:d - ширина вертикального заземления, м (0,01)
Т - расстояние от центра вертикального заземления до поверхности земли, м (3)
R_0=96,29/(2∙3.14∙5) (ln⁡(10/0,01)+0.5 ln⁡((12+5)/(12-5)) )=22,55 Ом
Сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя 9.5.4.
R_г=0,366∙((ψ〖∙ρ〗_экв)/(L_г∙η_г ))∙lg(⁡(2∙L_г^2)/(b∙t))(9.5.4)где:ψ - сезонный климатический коэффициент горизонтального заземления (2);
L_г - дли заземлителя, м (5);
b - ширина заземлителя, м (0,012);
η_г - коэффициент использования горизонтального заземления (0,36).
R_г=0,366∙((2∙96,29)/(5∙0,36))∙lg(⁡(2∙25)/(0,012∙3))=37,12 Ом
Определим сопротивление вертикального заземлителя с учетом сопротивления растеканию тока горизонтальных заземлителей 8.5.5.
R_в=(R_г 〖∙R〗_н)/(R_г-R_н )(9.5.5)где:R_н - нормируемое сопротивление, Ом (Для цепи 220\127 В, составляет 4 Ом)
R_в=(37,12∙4)/(37,12-4)=4,48
Количество вертикальных заземлений находим по формуле 8.5.6.
n=R_0/(R_в∙η_в )(9.5.6)где:η_в - коэффициент использования вертикального заземления - 0,62
n=22,55/(4,48∙0,62)=8,12
Округляем количество заземлителей до 8.
Стержни заземления устанавливаются в ряд. Длина ряда находится по формуле 8.5.6.
L=a(n-1)(9.5.3) В результате расчета получим:
L=5∙(8-1)=35 м
По формуле 8.5.4. определим сопротивление заземления.
R=(R_г 〖∙R〗_в)/(R_г η_г+R_в η_в n)
Подставим значения в формулу, получим:
R=(4,48∙37,12)/(4,48∙0,36+37,12∙0,62∙8)=0,89 Ом
Полученное сопротивление отвечает нормативному значению(R < 4 Ом)
Искусственные заземлители могут быть из черной или оцинкованной стали или медными.
Искусственные заземлители не должны иметь окраски.
Траншеи для горизонтальных заземлителей должны заполняться однородным грунтом, не содержащим щебня и строительного мусора.
Не следует располагать (использовать) заземлители в местах, где земля подсушивается под действием тепла трубопроводов и т.п.
10. Перечень графических материалов
1. Схема электрическая структурная - 1 лист
2. Схема электрическая функциональная - 1 лист
3. Схема электрическая принципиальная - 1 лист
4. Чертеж печатной платы - 4 лиса
5. Сборочный чертеж печатной платы - 1 лист
6. Схема алгоритма работы МК - 1 лист
7. Текст программы МК - 1 лист
8. Лист по безопасности и экологичности проектных решений - 1 лист
9. Лист по организационно-экологической части - 1 лист
Заключение
В процессе работы по дипломному проектированию были осуществлены следующие этапы:
составлено техническое задание на разработку измерительного блока системы измерения Z и R термоэлектрических модулей;
выбран метод измерения термоэлектрической эффективности;
разработаны структурная и функциональная схемы;
разработана электрическая принципиальная схема, произведен выбор, обоснование и расчет элементной базы;
осуществлена разработка конструкции печатной платы и выполнен расчет элементов печатного монтажа и электрических параметров схемы;
произведен расчет надежности и погрешности измерительного блока системы;
в разделе безопасности и экологичности проектных решений были определены вредные факторы, негативно влияющие на здоровье человека и окружающую среду, определены меры по защите от них. Кроме того, был произведен расчет освещенности рабочего помещения, расчет местной вентиляции и расчет заземления здания. Разработан чертеж расположения светильников в рабочем помещении;
в организационно-экономической части проведено технико-экономическое обоснование целесообразности проектируемого изделия, был осуществлен расчет сметы затрат на ОКР блока и себестоимости разработки опытного образца. Список литературы
Говард Джонсон. Мартин Грэхем. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств.
Л.Н. Кечиев. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры.
Р. Э. Тигранян. Хрестоматия радиолюбителя. Том 1. РадиоСофт, 2010.
Гусев В.Г. Гусев Ю.М. Электроника. Высшая школа, 2-е издание,1991.
Юрий Шпак. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров. МК-Пресс, 2011.
Под ред. С. Ф. Прытков. Надежность электрорадиоизделий. 2006.
Под ред. И. А. Ушаков. Справочник надежности технических систем. Радио и связь, 1987.
Под ред. Уолта Кестера. Аналого-цифровое преобразование. Техносфера, 2007.
Юрген Хульцебош. USB в электронике. БХВ-Петербург, 2011.
В.Л. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Энергоатомиздат,1986.
Методические указания по выполнению дипломного проекта
Материалы ГНПП "Квант"
А.Г.Сергеев, В.В. Крохин. Метрология. Учебное пособие. Москва: Логос, 2001.
Э.Г. Атамолян. Приборы и методы измерения электрических величин. Москва: Высшая школа, 1989.
П.В. Новицкий, И.А. Зограф. Оценка погрешностей результатов измерений. Ленинград: Энергоатомиздат, 1991.
Под ред. С.В.Белова. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов. Москва: Высшая школа, 1999.
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
2 241
Размер файла
965 Кб
Теги
полный
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа