По предмету: Основы проектирования приборов и систем

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По предмету: Основы проектирования приборов и систем

 

на тему: Разработка прибора «присутствия»

 

 

Москва

2008

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

2.1. Разработка схем источника питания

2.2. Разработка прибора «присутствия»

3. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Блок питания

4. РАЗРАБОТКА И МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

5. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

 

На сегодняшний день всё большее распространение получает термин «интеллектуальное здание» - то здание, оснащенное средствами автоматического контроля над всеми системами жизнеобеспечения. Комплекс жизнеобеспечения интеллектуального здания образуют следующие системы:

- защиты от проникновения с подсистемами: защиты периметра, контроля доступа в здание или отдельные помещения (кодовые замки, домофоны) и обнаружения незаконного проникновения внутрь и перемещения по зданию (различного рода сенсоры);

- внешнего и внутреннего видеонаблюдения (видеокамеры, видеосерверы);

- противопожарная (пожарные датчики, автоматические разбрызгиватели);

- контроля за расходом воды и электроэнергии (управляемые счетчики, предназначенные не только для визуального контроля, но и для передачи измеренных параметров на вышестоящий уровень АСУ;

- информационная (обеспечивает доступ к сетевым ресурсам);

- управления силовым оборудованием и освещением (освещение внутри здания, внешняя подсветка, лифты);

- климатического контроля и вентиляции;

- телефонная, с выходом в городскую телефонную сеть

и прочее специфическое оборудование, не влияющее на безопасность и функционирование здания.

Контроль над работой систем может быть распределенным или централизованным. Так, вахтер или местная охрана могут управлять системами видеонаблюдения, контроля доступа и защиты от проникновения; ответственный за пожарную безопасность - противопожарной системой, а администратор локальной сети - доступом пользователей сети здания к внешним и внутренним информационным ресурсам, например Интернету.

«Интеллектуальное» здание от автоматизированного отличается, главным образом, возможностью программировать управляющие системы таким образом, чтобы реакция на события внутри периметра здания происходила по заранее определенному сценарию. Любая из подсистем такого здания либо функционирует полностью автономно, фиксируя свои действия в журнале событий, либо оперативно взаимодействует с оператором, запрашивая у него подтверждение действий. [5]

Все системы жизнеобеспечения могут охватываться единой кабельной структурой, либо каждая из них будет построена на своих кабелях. Общей средой передачи информации может служить, например, коммутируемая сеть Ethernet. Однако надежность системы в целом в этом случае будет ниже, так как при повреждении кабельной проводки нарушается функционирование всех систем, подключенных к данному сегменту кабеля. Как правило, создается шесть независимых кабельных структур (информационная сеть здания - обычно Ethernet; замкнутая петля пожарной системы 2x2 провода; замкнутая петля системы защиты от проникновения; замкнутая петля сервисных служб - контроль освещения, расхода электроэнергии, воды; сеть передачи информации от системы видеонаблюдения; телефонная сеть здания.

В некоторых случаях на небольших или имеющих универсальный пожарно-охранный контроллер объектах может использоваться одна и та же кабельная проводка для противопожарной и охранной систем.

Система видеонаблюдения может быть совмещена с информационной сетью здания. В этом случае для ограничения доступа к видеоданным коммутаторы локальной сети здания (центральный и этажные коммутаторы, если таковые имеются) должны иметь функцию виртуальных локальных сетей (VLAN). Однако отдельные видеокамеры могут предоставляться для совместной эксплуатации.

В связи с бурным развитием IP-телефонии и новыми интеграционными возможностями телефонная сеть здания также иногда, особенно в офисах, объединяется с информационной сетью. Ведущие производители телекоммуникационного оборудования уже выпустили в продажу устройства, подобные телефонам, но подключающиеся к локальной сети.

Системы управления домовой автоматикой (СУДА), к которым можно отнести пожарную систему, охранную систему и сервисные службы, функционируют на всех уровнях модели открытых систем по единым принципам.

На физическом и канальном уровне СУДА представляет собой один или несколько сегментов, разделенных функционально и физически (территориально).

Важно отметить, что идеология построения «интеллектуальных» зданий может быть использована при проектировании систем управления жизнеобеспечением различных строений: жилых, офисных или промышленных.

Описанная структура представляет собой наиболее общий случай системы управления зданием. Конкретная реализация идеологии «интеллектуального здания» в значительной мере зависит от требований заказчика.

Однако подобного рода разработки требуют не только больших временных затрат, но и финансовых вливаний. Разрабатываемый прибор «присутствия» в какой-то степени позволяет не допускать бесконтрольного посещения какого-либо объекта или же приводит в действие исполнительное устройство при перемещении.

 
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Требуется разработать прибор «присутствия» предназначенное для автоматического открывания дверей, а также в качестве сигнализатора, предупреждающего об опасности. Прибор должен питаться от стабилизированного источника постоянного тока напряжением 15...18 В.

Проект должен содержать:

1. Схему электрическую принципиальную

2. Блок питания

3. Сборочный чертеж

3.1.Корпус

3.2. Крышка

3.3 Донышко

4. Схема расположения элементов

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

 

Прибор «присутствия» способен зафиксировать проникновение человека в помещение и привести в действие исполнительное охранное устройство. Его можно использовать для охраны помещений и отдельных предметов, для автоматического открывания дверей, а также в качестве сигнализатора, предупреждающего об опасности и так далее. Прибор питается от стабилизированного источника постоянного тока напряжением 15...18 В.

Основные технические характеристики прибора «присутствия»:

Напряжение питания, В.......................................................................................16

Ток потребления при покое, не более, мА.........................................................10

Ток потребления при срабатывании, не более, мА...........................................45

Максимальная чувствительность при площади антенн 0,2 м, не менее, мм.......................................................................................................................1000

Дрейф контрольного напряжения в диапазоне температур 20...45°С, мВ/град.....................................................................................................................3

Габариты (без антенн), мм......................................................................135x95x40

РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

 

Блок питания

 

Определим значение тока через вторичную обмотку трансформатора по формуле:

 

, где

 

I_н – максимальный ток нагрузки, 0,5 А.

Необходимо определить номинальную мощность:

 

, где [7]

 

U₂ – напряжение на вторичной обмотке, В;

I₂ – максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А.

Действующие значения напряжений на вторичных обмотках трансформатора

 

 

Мощность же на вторичных обмотках находится по формуле

 

 

Коэффициент использования трансформатора составляет К_тр = 0,674. Имеем

 

P_н – номинальная мощность, Вт.

P_тр – мощность трансформатора, Вт

Найдём коэффициент трансформации по формуле

 

 

Рассчитаем необходимую площадь сечения сердечника магнитопровода

 

 

Подсчитаем число витков первичной и вторичной обмотках по формуле

 

 

 

где U₁, U₂ – напряжения на первичной и вторичной обмотках соответственно.

S – площадь сечения магнитопровода, см².

Необходимо найти диаметр проводов обмоток трансформатора по формуле:

, где

 

I – ток через обмотку, мА.

Получаем диаметр провода равный 0,6 мм.

После этого можно приступить к подбору трансформаторного железа и провода, изготовлению каркаса и выполнению обмоток. Но следует иметь в виду, что Ш – образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверять, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора.[7]

Для этого мощность трансформатора умножим на 50, получится необходимая площадь окна:

 

 

Полученное переменное напряжение и ток необходимо выпрямить.

По закону Ома определим сопротивление нагрузки

 

Преобразование переменного тока в постоянный производится при помощи полупроводниковых диодов.

Ток через диоды составляет

 

 

Выбираем два диода КД202Г, который обеспечивает выпрямленный ток I_пр = 3,5 А, выдерживающий обратное напряжение 70 В, прямое падение напряжения U_пр = 0,9 В, обратный ток I_обр = 0,8 мА, порог выпрямления Е_пор = 0,35 В.

Прямое сопротивление вентиля

 

 

Для сглаживания пульсаций, остающихся после выпрямления, используются схемы фильтрации. В схеме используем Г – образный RC фильтр.

Найдём напряжение на входе фильтра

 

 

Определим сопротивление электрического фильтра по формуле:

 

 

Ёмкость конденсатора, входящего в состав фильтра находим как

 

, где

 

f – частота сети, 50 Гц.

m – отношение частоты пульсаций основной гармоники к частоте сети, 2.

R_ф – сопротивление электрического фильтра.

R_н – сопротивление нагрузки.

 

В качестве интегрального стабилизатора для фиксации напряжения питания DD1 выбираем К142ЕН1 с параметрами: U_вх = 20…40 В, U_вых = 12…30 В, максимальный пропускаемый ток I_max = 0,1 А, максимальная рассеиваемая мощность P_max = 0,8 Вт, коэффициент нестабильности напряжения по выходу микросхемы К_нс= 0,5.

Выходной ток микросхемы DD1 не соответствует заданному и для его повышения устанавливаем последовательно с нагрузкой регулирующий транзистор VТ1 c n – p – n проводимостью.

Ток транзистора определяем как

 

 где

 

I_вн – ток, потребляемый схемой стабилизатора, составляет 0,006 А.

Определим минимальное напряжение на входе стабилизатора. Оно должно быть:

 

, где

 

U_п – амплитуда пульсаций на входе стабилизатора;

U_{кэ min} – минимальное падение напряжения на открытом транзисторе, 2 В.

 

 

 

Получаем

U_{01 min} ³ 16 + 2 + 1,7 = 18,7 В

Найдём номинальное входное напряжение на стабилизаторе по формуле:

 

,

 

где

 

 

Максимальная рассеиваемая мощность на транзисторе можно рассчитать как

 

 

По найденным значениям выбираем транзистор КТ827А со следующими параметрами U_{к э max} = 100В, I_{к max} = 20 A, P_{k max} = 125Вт, h_{21 э min} = 850, h_{21 э max} = 18000.

Определим ток базы транзистора по формуле

 

 

что значительно меньше допустимого тока нагрузки микросхемы ДА1 – 0,05 А.

Чтобы транзистор при номинальном токе нагрузки был закрыт и не влиял на работу стабилизатора, а открывался лишь при I_н = I_пор, пороговый ток должен заметно отличаться от номинального значения.

 

 

Сопротивление R1 определяет напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Это напряжение пропорционально току нагрузки, поскольку резистор R3 включен последовательно с ней

 

 

Устанавливаем самодельный проволочный резистор из манганина.

Отношение R2/R3 выбираем таким, чтобы при номинальном токе нагрузки напряжение между выводами микросхемы 10 и 11 было близким к нулю.

 

U_10-11 = U_R1 + U_бэ1 - U_R2 = U_R3 - U_вых» 0

 

Принимаем R3 = 2,4 кОМ

 

U_R1 = I_н * R₁ = 0,5 * 0,45 = 0,23 В

 

U_бэ1 = 0,5 В

 

U_R2 = U_R1 + U_бэ1 = 0,23 + 0,5 = 0,73 В

 

Ток делителя R2, R3

 

Выходной конденсатор С2 также как и С1 повышает устойчивость стабилизатора и уменьшает пульсации на выходе. Изготовитель микросхемы К142ЕН1 рекомендует ёмкость конденсатора С1 = 0,1 мкФ. Подобную ёмкость можно использовать и для конденсатора С2. Тип конденсаторов К73 – 24.

ПЛАТ

 

Монтаж всех деталей прибора кроме антенн выполнен на печатной плате размером 120x85x1,5 мм. При монтаже деталей на плате следует установить разделительный экран, который выполняется из гнутого латунного уголка сечением 30x5x0,5 мм длиной 118 мм. Экран надежно соединяется с общей шиной устройства. Плата помещается в пластмассовый корпус определенных размеров. Внешние цепи подсоединяются с помощью штырьков и гнезд от прямоугольного разъема типа РП10.

В процессе изготовления плата подвергается действию химических реагентов: при больших размерах платы, возможно, ее коробление.

Размеры и очертания печатных проводников и элементов, контактных площадок, монтажных и контактных отверстий и т.п. на чертежах печатных плат указывают с помощью координатной сетки в прямоугольной системе координат. Правила выполнения чертежей печатных плат (ГОСТ 2.417-68) предусматривается также нанесение координатной сетки в полярной системе координат и указание размеров при помощи размерных выносных линий. Допускается комбинированный способ нанесения размеров.

По ГОСТ 10317-72 шаг координатной сетки в двух взаимно перпендикулярных направлениях должен равняться 2,5 мм. Для особо малогабаритной аппаратуры, а так же в исключительных, технически обоснованных, случаях применение дополнительного шага 1,25 мм.

Схемные детали и печатные проводники размещают на координатной сетке в соответствии с принципиальной схемой. При этом необходимо более экономно использовать площадь платы и избегать пересечения схемой.

Элементы, имеющие большие габариты следует размещать вне платы, а соединение осуществлять монтажным проводом. Все навесные детали обычно располагают с одной стороны платы, а печатные проводники – на другой. На сторону печатных проводников не должны выходить за крепежные детали, так как с этой стороны выполняется пайка. В ряде случаев целесообразно применить двухсторонний монтаж. Конденсаторы, резисторы, перемычки и другие навесные детали располагают параллельно координатной сетке. Расстояние между корпусами параллельно расположенных деталей должно быть не менее 1мм, а расстояние по торцу – не менее 1,5 мм. Центры отверстий для установки навесных деталей располагают в точках пересечения координатной сетки.

Конструирование печатной платы начинают с разработки эскиза, который выполняют в увеличенном масштабе (2:1, 4:1 и т.д.). Для всех элементов, входящих в схему, изготовляют в том же масштабе шаблоны из картона и размешают на поле чертежа. После выбора лучшего варианта их расположения, наносят соединительные проводники. Печатные проводники расположенные на другой стороне платы, показывают штриховыми линиями.

Затем составляют чертеж печатной платы. В узлах координатной сетки показывают окружности, соответствующие местам установки навесных навесных элементов.

На изображении печатной платы проводники, экраны, контактные площадки и другие печатные элементы штрихуют. Проводники, ширина которых на чертеже менее 2мм., изображают сплошной утолщенной линией, равной примерно двум толщинам контурной. Контактные площадки, примыкающие к проводникам, изображены сплошной утолщенной линией, не штрихуют.

Наносим краской, лаком или специальным маркером позитивный рисунок схемы проводников. Последующим травлением в растворе хлорного железа удаляется медь с незащищенных участков, и на диэлектрике получается требуемая электрическая схема проводников.

Подготовка поверхности заготовки к нанесению рисунка заключается в очистке поверхности фольги. Зачистку целесообразно выполнять латунными или капроновыми щетками.

Химический метод при сравнительно простом технологическом процессе обеспечивают высокую прочность сцепления проводников с основанием, равномерную толщину проводников и их высокую электропроводность. В настоящее время химический метод является основными при изготовлении односторонних печатных плат. Недостатки этого метода необходимость в металлических втулках при двухстороннем монтаже и непроизводительный расход меди.

ЛИТЕРАТУРА

 

1. В. М. Пестриков Домашний электрик и не только…Изд. Нит. – Издание 4-е

2. А.Г. Сергеев, В.В. Крохин. Метрология, уч. пособие, Москва, Логос, 2000

3. Горячева Г. А., Добромыслов Е. Р. Конденсаторы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1984

4. Раннев Г. Г. Методы и средства измерений: М.: Издательский центр «Академия», 2003

5. http//www.biolock.ru

6. Калашников В. И., Нефедов С. В., Путилин А. Б. Информационно-измерительная техника и технологии: учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2002

7. http://www.gelezo.com

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по предмету: Основы проектирования приборов и систем

 

на тему: Разработка прибора «присутствия»

 

 

Москва

2008

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

2.1. Разработка схем источника питания

2.2. Разработка прибора «присутствия»

3. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Блок питания

4. РАЗРАБОТКА И МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

5. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

 

На сегодняшний день всё большее распространение получает термин «интеллектуальное здание» - то здание, оснащенное средствами автоматического контроля над всеми системами жизнеобеспечения. Комплекс жизнеобеспечения интеллектуального здания образуют следующие системы:

- защиты от проникновения с подсистемами: защиты периметра, контроля доступа в здание или отдельные помещения (кодовые замки, домофоны) и обнаружения незаконного проникновения внутрь и перемещения по зданию (различного рода сенсоры);

- внешнего и внутреннего видеонаблюдения (видеокамеры, видеосерверы);

- противопожарная (пожарные датчики, автоматические разбрызгиватели);

- контроля за расходом воды и электроэнергии (управляемые счетчики, предназначенные не только для визуального контроля, но и для передачи измеренных параметров на вышестоящий уровень АСУ;

- информационная (обеспечивает доступ к сетевым ресурсам);

- управления силовым оборудованием и освещением (освещение внутри здания, внешняя подсветка, лифты);

- климатического контроля и вентиляции;

- телефонная, с выходом в городскую телефонную сеть

и прочее специфическое оборудование, не влияющее на безопасность и функционирование здания.

Контроль над работой систем может быть распределенным или централизованным. Так, вахтер или местная охрана могут управлять системами видеонаблюдения, контроля доступа и защиты от проникновения; ответственный за пожарную безопасность - противопожарной системой, а администратор локальной сети - доступом пользователей сети здания к внешним и внутренним информационным ресурсам, например Интернету.

«Интеллектуальное» здание от автоматизированного отличается, главным образом, возможностью программировать управляющие системы таким образом, чтобы реакция на события внутри периметра здания происходила по заранее определенному сценарию. Любая из подсистем такого здания либо функционирует полностью автономно, фиксируя свои действия в журнале событий, либо оперативно взаимодействует с оператором, запрашивая у него подтверждение действий. [5]

Все системы жизнеобеспечения могут охватываться единой кабельной структурой, либо каждая из них будет построена на своих кабелях. Общей средой передачи информации может служить, например, коммутируемая сеть Ethernet. Однако надежность системы в целом в этом случае будет ниже, так как при повреждении кабельной проводки нарушается функционирование всех систем, подключенных к данному сегменту кабеля. Как правило, создается шесть независимых кабельных структур (информационная сеть здания - обычно Ethernet; замкнутая петля пожарной системы 2x2 провода; замкнутая петля системы защиты от проникновения; замкнутая петля сервисных служб - контроль освещения, расхода электроэнергии, воды; сеть передачи информации от системы видеонаблюдения; телефонная сеть здания.

В некоторых случаях на небольших или имеющих универсальный пожарно-охранный контроллер объектах может использоваться одна и та же кабельная проводка для противопожарной и охранной систем.

Система видеонаблюдения может быть совмещена с информационной сетью здания. В этом случае для ограничения доступа к видеоданным коммутаторы локальной сети здания (центральный и этажные коммутаторы, если таковые имеются) должны иметь функцию виртуальных локальных сетей (VLAN). Однако отдельные видеокамеры могут предоставляться для совместной эксплуатации.

В связи с бурным развитием IP-телефонии и новыми интеграционными возможностями телефонная сеть здания также иногда, особенно в офисах, объединяется с информационной сетью. Ведущие производители телекоммуникационного оборудования уже выпустили в продажу устройства, подобные телефонам, но подключающиеся к локальной сети.

Системы управления домовой автоматикой (СУДА), к которым можно отнести пожарную систему, охранную систему и сервисные службы, функционируют на всех уровнях модели открытых систем по единым принципам.

На физическом и канальном уровне СУДА представляет собой один или несколько сегментов, разделенных функционально и физически (территориально).

Важно отметить, что идеология построения «интеллектуальных» зданий может быть использована при проектировании систем управления жизнеобеспечением различных строений: жилых, офисных или промышленных.

Описанная структура представляет собой наиболее общий случай системы управления зданием. Конкретная реализация идеологии «интеллектуального здания» в значительной мере зависит от требований заказчика.

Однако подобного рода разработки требуют не только больших временных затрат, но и финансовых вливаний. Разрабатываемый прибор «присутствия» в какой-то степени позволяет не допускать бесконтрольного посещения какого-либо объекта или же приводит в действие исполнительное устройство при перемещении.

 
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Требуется разработать прибор «присутствия» предназначенное для автоматического открывания дверей, а также в качестве сигнализатора, предупреждающего об опасности. Прибор должен питаться от стабилизированного источника постоянного тока напряжением 15...18 В.

Проект должен содержать:

1. Схему электрическую принципиальную

2. Блок питания

3. Сборочный чертеж

3.1.Корпус

3.2. Крышка

3.3 Донышко

4. Схема расположения элементов

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

 

Прибор «присутствия» способен зафиксировать проникновение человека в помещение и привести в действие исполнительное охранное устройство. Его можно использовать для охраны помещений и отдельных предметов, для автоматического открывания дверей, а также в качестве сигнализатора, предупреждающего об опасности и так далее. Прибор питается от стабилизированного источника постоянного тока напряжением 15...18 В.

Основные технические характеристики прибора «присутствия»:

Напряжение питания, В.......................................................................................16

Ток потребления при покое, не более, мА.........................................................10

Ток потребления при срабатывании, не более, мА...........................................45

Максимальная чувствительность при площади антенн 0,2 м, не менее, мм.......................................................................................................................1000

Дрейф контрольного напряжения в диапазоне температур 20...45°С, мВ/град.....................................................................................................................3

Габариты (без антенн), мм......................................................................135x95x40