Диплом Разработка источника бесперебойного питания

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-24

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Имя

Выберите тип работы:

Принимаю Политику конфиденциальности

Скидка 25% при заказе до 23.11.2024

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСППУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «Гомельский государственный дорожно-строительный колледж имени Ленинского комсомола Белоруссии»

Отделение «ЭВС»

Специальность 2-400202 гр. ЭВС-41

ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ

Заведующей отделением

Глухова И.В.

«____»__________2008г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

«Разработка ИБП»

Специальность 2-400202 «Электронные вычислительные средства»

Учащийся-дипломник

группы ЭВС-41 Губатая О.В.

Руководитель Минин Д.С.

Консультант по

экономическому разделу Исакович О.В.

Рецензент

Ответственный за нормоконтроль

Объём проекта:

пояснительная записка - страниц;

графическая часть - листов;

магнитные (цифровые) носители - единиц.

Гомель 2008

ВВЕДЕНИЕ

Современному человеку трудно представить себе жизнь без электричества. Оно используется им везде дома и на работе, помогает преодолевать расстояния и производить товары.

Не секрет, что одна из основных причин потери информации – сбои и помехи в электросетях. Это обстоятельство особенно актуально в нашей стране, где помехи в сетях возникают постоянно, а большинство оборудования поставляется из-за рубежа и не рассчитано на местную специфику. Помимо потери данных, низкое качество электропитания может привести к физическим поломкам техники.

Источники бесперебойного питания (uninterruptible power supply – UPS), когда-то устанавливались только в вычислительных центрах или системах жизнеобеспечения, сейчас являются сравнительно недорогим дополнением к компьютеру, которое легко окупает себя, сохраняя часы работы.

Источник бесперебойного питания (ИБП) состоит из источника питания, аккумуляторной батареи и реверсивного источника питания

На рис.В.1 показан принцип работы. Входной источник питания преобразует переменный ток сети (разумеется, когда она подключена) в постоянный ток, необходимый для аккумуляторной батареи. Выходной источник питания делает то же самое в обратном порядке: он преобразует постоянный ток аккумуляторной батареи в переменный ток, который может потреблять компьютер. Источником напряжения постоянного тока ( это напряжение подается на выходной источник) является входной источник (если он работает) или аккумуляторная батарея. В любом случае переменный ток на выходе стабилен, без каких-либо прерываний выходного напряжения, независимо от состояния сети переменного тока на входе.

Выходное питание в этом варианта источника бесперебойного питания несколько дороговато, так как источник работает непрерывно. Необходимость зарядки аккумуляторов и обеспечения работы выходного источника увеличивает нагрузку входного источника, поэтому он должен быть более мощным, а значит и более дорогим. В источнике бесперебойного питания новой, более дешевой технологии введен переключатель, который позволяет устранить многие проблемы. Он переключает источники питания, когда исчезает напряжение в сети или нужно зарядить аккумуляторы. Здесь материальная выгода достигается ценой кратко временного исчезновения выходн0го напряжения.

В нормальных условиях переключатель подает входное переменное напряжение непосредственно на выход. При исчезновении входного напряжения, схема управления источника бесперебойного питания подключает (с помощью переключателя) выходной источник питания к компьютеру. В результате в нормальных условиях источники питания отключены, т.е. источник бесперебойного питания не перегревается, полная нагрузка входного источника уменьшается, а стоимость источника бесперебойного питания резко падает. Мощность источников питания в составе источника бесперебойного питания определяет мощность компьютера (и других переферийных устройств), которые может обеспечить источник бесперебойного питания. Ёмкость аккумуляторов определяет время поддержания напряжения при его исчезновении в сети.

Источник бесперебойного питания не только защищает компьютер, но и управляет своим состоянием.

Управление аккумуляторной батареей. Источник бесперебойного питания следит за емкостью аккумуляторной батареи и уровнем ее зарядки. Он подает сигнал тревоги при разрядке аккумуляторов и выдает сообщение если нужно заменить аккумуляторы.
Интерфейс с компьютером и программное обеспечение. Соединив компьютер через последовательный порт с источником бесперебойного питания, с помощью программного обеспечения можно следить за его состоянием и управлять его работой.
Защита по низкому и высокому напряжению. Источник бесперебойного питания не только защищает компьютер от исчезновения напряжения в сети, но и следит за понижением и повышением подаваемого напряжения. Когда подаваемое напряжение выходит за допустимые пределы, источник бесперебойного питания корректирует его до заданных значений, необходимых для работы компьютера.

Нарастающая потребность и необходимость в качественном электропитании приводит к широкому использованию источников бесперебойного питания (ИБП) как единственного средства для защиты компьютерной, телекоммуникационной и другой техники от неполадок в системе электроснабжения.

В настоящее время существуют три основные схемы построения ИБП: off-line, line-interactive и on-line, которые находят применение в зависимости от предъявленных к ИБП требований и условий их эксплуатации. В централизованных системах бесперебойного электропитания, когда прерывание подачи электроэнергии для работы большинства единиц оборудования, составляющих одну информационную или технологическую систему, недопустимо, характерно применение мощных ИБП типа on-line со схемой двойного преобразования. Схема двойного преобразования является наиболее популярной и широко применяемой многими производителями мощных ИБП и дает возможность обеспечить пользователя электроэнергией высокого качества без отключений, высоковольтных помех, провалов и т. п.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Три типа источников бесперебойного питания (ИПБ)

Off-Line (или Stand-by)- наиболее дешевые устройства. Принцип их работы достаточно прост: при выходе напряжения в сети за пределы допустимого происходит переключение на питание от батарей, при его нормализации происходит обратный процесс. Основные недостатки - достаточно большое время переключения и невозможность сглаживания перепадов напряжения.
On-Line – если в устройствах Off-Line напряжение подается непосредственно со входа на выход, в ИБП On-Line связь вход/выход осуществляется через выпрямитель и генератор (для получения постоянного, а затем вновь переменного напряжения). Главные достоинства такой схемы – практически идеальная синусоида на выходе и очень высокая надежность.
Line-Interactive -– промежуточное между Off-Line и On-Line решение. Схема работы Line-Interactive сходна со схемой работы On-Line, однако, тут производится также и стабилизация напряжения, поэтому реже происходит переключение на питание от батарей. Это наиболее распространенный тип ИБП.

В электросетях нередки значительные скачки напряжения или полное отключение питания с отключением электричества справляется любой из ИБП, но только ИБП типа On-Line не прерывает подачу питания (время перехода на работу от АКБ – 0). Остальные ИБП переключаются на работу от батарей за 2-4 мс. Для современной компьютерной техники этого достаточно, поскольку она рассчитана на прерывание питания в течение 1—20 мс, однако на особо критичных участках – серверах, системах связи - предпочтительнее применение техники, работающей в режиме On-Line.

1.2 Дополнительные возможности

Современные ИБП, помимо обеспечения своих основных функций, обладают весьма широким набором полезных свойств. Так, практически все новые модели устройств могут при отключении питания в сети автоматически посылать компьютерным системам сигнал к выключению, предписывающий корректно завершить все исполняемые задачи с сохранением данных и подготовиться к прекращению работы. Допускается раздельное управление питанием на выходах ИБП, что позволяет в первую очередь выключать некритичные компоненты, предоставляя основным больше времени для функционирования за счет батарей источника (реализовано программно в ИБП TRIPP LITE Smart PRO 2200 – на источнике установлено 3 разъема RS232).

Весьма полезна с точки зрения экономии энергии и продления срока жизни батарей возможность автоматического выключения ИБП при выключении подсоединенного к нему оборудования.

Стоит отметить и так называемый “холодный старт” – способность запуска подключенных к ИБП устройств при отсутствии напряжения в электросети. Наконец, в большинстве On-Line моделей предусмотрена так называемая схема bypass - возможность переключения на прямое питание от сети в обход всех схем ИБП. Это позволяет защитить устройство от перегрузок и обеспечить питание оборудования в случае отказа ИБП.

1.3 Управление ИБП

Удобная и эффективная система управления и мониторинга состояния ИБП во многом определяет надежность его работы. Блок питания, используемый в качестве простого переходника между розеткой и компьютером, сильно проигрывает среднему по качеству устройству с грамотно организованным процессом контроля работы, позволяющим продлить срок службы устройства и заранее предотвратить многие проблемы.

Еще не так давно единственным органом управления ИБП служил выключатель, однако сейчас ситуация изменилась. Некоторые модели (в основном On-Line) источников бесперебойного питания, представленных на рынке, оснащены жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются характеристики ИБП: нагрузка, входное напряжение, аварийные предупреждения и т.д. Кнопки на передних панелях устройств позволяют регулировать, к примеру, выходное напряжение и частоту, а также производить тест батарей.

Однако любая компьютерная система, будь то система компьютерной телефонии или какая-либо другая, предполагает наличие сети Ethernet. Защита информации на отдельно взятом компьютере сейчас не представляет большой сложности и, как правило, реализуется с помощью ИБП типа Off-Line или Line-Interactive. Наличие сети порождает новый ряд проблем, среди которых одна из главных - ее администрирование. Источники бесперебойного питания в этом смысле не являются исключением. Эксплуатируя множество ИБП, желательно контролировать работу каждого из них, причем делать это максимально оперативно, то есть производить мониторинг с одного компьютера, а не тестировать в ручную каждый ИБП.

Сейчас для этих целей используется специальное программное обеспечение, выпускаемое практически всеми ведущими производителями ИБП и поставляемое, как правило, вместе с оборудованием. Помимо тестирования батарей и изменения выходных характеристик устройств, такие программы могут собирать статистику о нагрузках каждого ИБП в компьютерной сети.

Происходит это по различным схемам. Наиболее распространенная - соединение компьютера и ИБП дополнительным кабелем через последовательный порт и установка грамм-агентов, отслеживающих изменения заданных характеристик (в реальном времени или через установленные промежутки) и сохраняющих статистические данные в специальных log-файлы. В такой схеме администратор со своего компьютера может контролировать состояние интересующего его ИБП и просматривать имеющиеся log-файлы. Такая схема обладает двумя существенными недостатками - во первых, в каждый момент времени можно следить за состоянием только одного ИБП, а во вторых, в случае отключения ИБП невозможно оперативно получить доступ к log-файлам.

Гораздо более эффективна схема, в которой вся собирается информация автоматически накапливается в одном месте, позволяя управлять ситуацией с одного узла сети. Немаловажно, что, обладая подобными статистическими данными и сравнивая их, например, с распределением трафика в компьютерной сети, можно в ряде случаев определять причины перегрузок или выхода ИБП из строя. Кроме того, в такой схеме не требуется постоянного присутствия администратора, который периодически смотрит то за одним, то за другим источником.

Для крупных предприятий актуальна возможность удаленного управления и мониторинга ИБП не только в локальных, но и в распределенных сетях. Вероятно, именно по этому в последнее время наметилась четкая тенденция к реализации всех функций управления с помощью обыкновенных web-браузеров.

Представленный на рынке программные продукты обычно обладают широкими возможностями по выбору способа реакции на различные помехи и неполадки в электросети – многочисленными вариантами подготовки систем к отключению (например, по заданному расписанию) и типов сообщений о возникших проблемах (звуковое оповещение, рассылка уведомлений по е-mail и так далее).

Следует отметить, что в связи с использованием в компьютерных сетях программно-аппаратных платформ самых разных производителей, такое программное обеспечение выпускается во множестве версий, предназначенных для конкретных систем. Структурные схемы ИПБ (рис.1.1,1.2).

Рис.1.1.Структурная схема ИПБ off-line.

Рис.1.2.Стуктурная схема ИПБ line-interactive.

1.4 Преимущества технологии двойного преобразования

Защищаемое оборудование подключается к электросети с гарантированно высокими качественными параметрами независимо от режима работы ИБП и показателей качества электроэнергии во входной сети.
Защита от высоковольтных помех.
Полностью отсутствует время переключения с нормального режима работы на автономный и обратно.

В централизованных системах бесперебойного электропитания, когда прерывание подачи электроэнергии для работы большинства единиц оборудования, составляющих одну информационную или технологическую систему, недопустимо, характерно применение мощных ИБП типа on-line со схемой двойного преобразования.

Схема двойного преобразования является наиболее популярной и широко применяемой многими производителями мощных ИБП и дает возможность обеспечить пользователя электроэнергией высокого качества без отключений, высоковольтных помех, провалов и т. п.

Схема ИБП типа on-line содержит два преобразователя.

Рис.1.3. Схема ИБП типа on-line .

Первый преобразователь превращает нестабильное входное напряжение в постоянное, а второй вырабатывает из постоянного, сглаженного и отфильтрованного напряжения переменное синусоидальное, которое беспрерывно подается на нагрузку и не зависит от состояния питающей электросети. Если параметры входного напряжения выходят за допустимые пределы, то происходит переключение на питание от батареи без какой-либо задержки.

Мощные системы бесперебойного электропитания, работающие в режиме on-line, гарантируют защиту от большинства неисправностей на линиях питающей электросети, позволяют фильтровать помехи, обеспечивают на выходе синусоидальное напряжение.

За многолетнюю историю существования технологии двойного преобразования были разработаны источники бесперебойного питания, имеющие повышенную надежность, гарантирующие высокое качество выходного напряжения и долговечность своей работы. За это время потери энергии на тепловыделение, объем и масса их сократились в несколько раз. Ярким примером последних разработок в системах электропитания с двойным преобразованием является массив электропитания Sym-metra производства АРС. SYMMETRA — воплощению новой концепции источника бесперебойного питания (массив электропитания).

Symmetra — массив электропитания, предназначенный для защиты групп серверов и критичных для бизнеса приложений. Symmetra предоставляет четыре главных преимущества по сравнению с традиционными ИБП: высокий уровень масштабируемости, избыточности, управляемости и удобства эксплуатации.

Symmetra, аналогично массиву дисков в отрасли хранения данных, представляет собой большой ИБП, состоящий из меньших модульных компонентов. Symmetra состоит из двух основных типов модулей: модулей-ИБП мощностью 4 кВА и модулей-батарей. Модули каждого типа подключаются параллельно, распределяя между собой нагрузку. «Мозгом» системы является модуль Main Intelligence. В системе с избыточностью N+1 он дублируется модулем Redundant Intelligence. Масштабируемость массива обеспечивает защиту капиталовложений, так как позволяет расширить или перестроить конфигурацию, добавляя или удаляя модули. Возможность увеличения мощности позволяет наращивать систему при приобретении дополнительного оборудования.

В современных центрах данных для организации улучшенного доступа на серверах и дисках используется избыточность. В серверах применяется кластерная и зеркальная технологии, а устройства хранения используют RAID-технологию для обеспечения дублирования носителя в случае сбоя диска или ОЗУ. Symmetra обеспечивает избыточность класса N+1 или даже выше за счет добавления дополнительных модулей того или иного типа, что исключает риск сбоя системы. При такой избыточности, если один модуль удален или поврежден, вся нагрузка немедленно и равномерно распределяется между оставшимися. В этом случае все звенья информационной системы (ИС), включая энергоснабжение, с избытком гарантируют максимальную надежность функционирования системы.

Увеличение КПД источника бесперебойного питания для многих производителей ИБП с традиционной схемой двойного преобразования становится первостепенной задачей. За несколько последних лет в области ИБП-технологий появилось много интересных технических решений. Эти новшества направлены на совершенствование существующей схемы двойного преобразования и позволяют получить большую производительность ИБП и низкие энергопотери.

Принципиально новый подход к решению проблемы минимизации потерь электроэнергии при сохранении принципа двойного преобразования предложила компания Silcon (Дания), недавно приобретенная АРС. Основная идея заключается в следующем. Подобно волнам, существующим только на поверхности океана, в потоке электроэнергии присутствуют всевозможные помехи и искажения. Коэффициент полезного действия двойного преобразования (рис.1.4).

Рис.1.4.Коэффициент полезного действия.

Тогда, чтобы добиться ровной и чистой поверхности, нет смысла преобразовывать всю «массу» энергии, достаточно успокоить ее «верхний слой»

Эта идея составляет основу нового принципа преобразования, который был назван «Дельта-преобразование» и запатентован компанией Silcon.

ИБП с технологией «Дельта-преобразование» работает в режиме on-line как схема с двойным преобразованием, но при этом он преобразует не всю электроэнергию, а только ее «зашумленную» и нестабильную часть, которая приводит к снижению ее качества.

Новая технология устраняет недостатки, присущие ИБП традиционного двойного преобразования, и близка к идеальному решению принципов преобразования тока, используемых в ИБП. Структура ИБП с «Дельта-преобразованием» из двух инверторов, выполненных по специальной 4-квадрантной схеме и системы управления. Коэффициент входной мощности двойного преобразования (рис.1.5).

Рис.1.5.Коэффициент входной мощности.

В идеальных условиях, когда параметры электросети соответствуют требованиям качества питания нагрузки (напряжение и ток соответствуют номиналу, отсутствуют всевозможные провалы, выбросы, помехи и шум), электроэнергия полностью передается в нагрузку, а не преобразуется дважды, как в ИБП с двойным преобразованием, в этом случае потерь на преобразование нет.

В реальной ситуации, когда параметры сети не идеальны, происходит традиционное двойное преобразование электроэнергии. Но система с «Дельта-преобразованием» намного «умнее», чем классическая схема двойного преобразования, так как преобразует не всю энергию, а только ту часть, которую необходимо. Так, например, при отклонениях входного напряжения на 15%, двойному преобразованию подвергнется только 15% электроэнергии. Если принять суммарные потери как в традиционном ИБП двойного преобразования равными 10%, то в схеме с «Дельта-преобразованием» энергопотери составят: 0,15 х 10% = 1,5%.

В случае аварии электросети, основной инвертор получает энергию от аккумуляторной батареи и схема работает по тому же принципу, что при классическом двойном преобразовании.

Таким образом, ИБП с «Дельта-преобразованием» работает в режиме on-line, как традиционная схема двойного преобразования и имеет все присущее ей достоинства, но при этом обладает большим коэффициентом полезного действия (КПД источника равен 97%) и меньшими энергопотерями.

1.5 Увеличение входного коэффициента мощности

Как известно, в цепях переменного тока только при активной нагрузке напряжение и ток совпадают по фазе. Во всех остальных случаях существует фазовый сдвиг между током и напряжением. Из-за этого сдвига снижается эффективность доставки электроэнергии, что приводит ее к дополнительным энергопотерям. Степень фазового сдвига измеряется коэффициентом мощности. Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше сдвиг по фазе между током и напряжением, а следовательно, выше эффективность ИБП.

Особенностью новой технологии «Дельта-преобразование» является возможность передачи электроэнергии требуемой мощности от питающей сети к потребителю наиболее экономным способом. В ИБП с «Дельта-преобразованием» коэффициент мощности равен практически единице в широком диапазоне изменения нагрузки. Уникальное схемное решение, реализованное в новом ИБП, не требует применения дополнительных дорогих устройств, так как схема «Дельта-преобразование» не вносит дополнительную реактивную составляющую в электросеть, обеспечивает синфазность протекания тока и напряжения и равенство кВА = кВт.

1.6 Уменьшение величины гармонических искажений в питающей сети

Следует отметить еще один важный момент, связанный с эксплуатацией ИБП. Это возрастающие требования по электромагнитной совместимости. Практически все электронное оборудование, в том числе и ИБП, является поставщиком гармонических помех, которые выбрасываются в электросеть и способны повредить электронное оборудование.

Новая технология «Дельта-преобразование» обеспечивает ИБП отличную электромагнитную совместимость с электросетью и не нарушает работу другого электронного оборудования, подключенного к этой сети. Гармонические искажения, вносимые в сеть, практически сведены к нулю в силу того, что сама схема «Дельта-преобразование», выполняя свою основную функцию, второстепенно является двунаправленным фильтром. Благодаря передовым техническим решениям ИБП с «Дельта-преобразованием» не является источником генерации гармонических помех. Более того, новая технология обеспечивает защиту электросети от нелинейных искажений, вносимых компьютерной нагрузкой на выходе ИБП.

1.7 ИБП с «Дельта- преобразованием»

Новая технология «Дельта-преобразование» впервые была реализована в ИБП производства компании Silcon. Новый ИБП сочетает в себе преимущества систем двойного преобразования и новые качества, появившиеся за счет технологии «Дельта-преобразование».

Что же дает эта технология пользователю ИБП с «Дельта-преобразованием»? Во-первых, за счет высокого КПД ИБП имеет высокую эффективность. При эксплуатации такого ИБП происходит значительная экономия электроэнергии и средств. Во-вторых, из-за низких потерь энергии ИБП с «Дельта-преобразованием» имеет гораздо меньшее тепловыделение и существенно более низкие затраты на систему кондиционирования помещений, где установлены ИБП.

В-третьих, ИБП с «Дельта-преобразованием» имеет прекрасную электромагнитную совместимость с электросетью и значительно лучше ослабляет гармоники тока как со стороны входа, так и со стороны выхода.

Многочисленные испытания и тестирования ИБП с технологией «Дельта-преобразование» как за рубежом, так и в России (в лаборатории испытаний силовых электронных устройств и электрических аппаратов Московского Энергетического института (МЭИ)), подтвердили его декларируемые показатели и характеристики. ИБП, построенные по принципу «Дельта-преобразование», на сегодняшний день являются очень перспективными.

В заключение следует отметить, что дальнейшее развитие и совершенствование ИБП-технологий неизбежно, так как пока еще не создан источник бесперебойного питания, имеющий идеальные характеристики и полностью устраняющий недостатки, присущие этому классу устройств.

2. ВЫБОР И ОБАСНОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

В соответствии с заданием на дипломный проект блок источника бесперебойного питания должен обеспечивать:

1) В исходном режиме питание от сети, в аварийном от аккумулятора.

2) Следить за напряжением в сети.

3) Следить за зарядкой аккумулятора.

4) Выдовать на выходе 220В.

Известные источники бесперебойного состоят в основном из следующих элементов

понижающий трансформатор (220 В/12 – 24 В)
аккумулятор
преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное 220 В/50 Гц
задающий генератор на 50 Гц
зарядное устройство для аккумулятора

- блок управления

Исходя из этого функциональную схему дипломного проекта можно представить из следующих блоков.

Рис.2.1.Функциональная схема ИПБ.

Опишем функции каждого блока по отдельности (рис.2.1).

2.1 Выпрямитель

Этот блок состоит из понижающего трансформатора Т1 и диодного моста. На трансформатор подается переменное напряжение сети, после понижения оно проходит диодный мост и выпрямляется.

2.2 Генератор

Генератор состоит из усилителя по току, на двух ключах, которые поочередно работают, и повышающего трансформатора Т2.

Задает импульсный сигнал на вход усилителя. После подачи сигнала по истечению некоторого времени ключ1 закрывается и потом открывается ключ2. Ключ2 открывается тоже на тоже время, что и ключ1. Этот сигнал усиливается по току и подается на вход повышающего трансформатора. Поочередное включение и отключение ключей создает на входе трансформатора переменный магнитный поток, что обеспечивает переменный ток на выходе с трансформатора. Напряжение на трансформатор подается с аккумуляторной батареи.

2.3 Компаратор

2.3.1 Компаратор 1

Его задача проверка наличия в сети напряжения 220В.После прохождения понижающего трансформатора Т1 и диодного моста сигнал поступает на не инвертируемый вход операционного усилителя. На инвертируемый вход сигнал поступает с аккумулятора и стабилизатора.

Принцип работы заключается в том что, если напряжение на не инвертируемом входе больше, чем на инвертируемом, то на блок управления поступает два сигнала с аккумулятора и стабилизатора. Если сигнал с аккумулятора больше, то все в норме и она продолжает питать генератор. Если же напряжение на входе операционного усилителя с аккумулятора меньше, чем со стабилизатора, то это значит, что аккумулятор разряжен и происходит его зарядка. Вся эта информация передается на блок управления.

2.3.2 Компаратор 2

Проверяет уровень зарядки аккумулятора. Принцип работы такой же как у компаратора1.Выдает два уровня о том, что аккумулятор заряжен или о том, что аккумулятор разряжен и производится его подзарядка. Вся информация поступает на блок управления.

2.3.3 Компаратор 3

Его задача проверка выходного напряжения, оно должно ровняться 220В. Точно так же сигнал с трансформатора Т2 поступает на не инвертированный вход операционного усилителя и как только он становится ниже сигнала на инвертируемом входе (заметим, что сигнал на инвертируемом входе постоянен, т.е. не меняет своего значения, если не разряжен аккумулятор) это означает, что выходное напряжение меньше 220В.

2.4 Аккумулятор

Аккумулятор питает генератор, а так же подает сигнал на стабилизатор, который в свою очередь питает все микросхемы в схеме. Сам же в свою очередь подзаряжается от понижающего трансформатора Т1.

2.5 Стабилизатор

Стабилизатор - стабилизирует напряжение и выдает на выходе 5В. Входное напряжение он получает с аккумулятора и питает все микросхемы в схеме.

Когда компаратор1 проверяет наличие входного напряжения и если оно равно 220В и без перебоев, то включается реле и сигнал с входа сразу поступает на выход минуя основную схему. Если же наличие в сети 220В не оказалось или были замечены какие то перебои, то реле переключает входное напряжение на основную схему. И на выход подается сигнал с генератора.

Вместе с реле используется транзистор, работающий ключом. Открывается ключ и вместе с ним открывается реле.

2.6 Блок индикации

Блок индикации выполнен на двух световых диодах. Когда реле включено на работу вход-выход минуя основную схему, то горит один зеленый указывая, что прибор просто включен. Если же реле переключается на генератор, то дополнительно к зеленому загорается красный диод и подается звуковое оповещение указывающее на перебои в сети.

3. РАСЧЕТ УЗЛОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Произведем расчет выбранной схемы, каждого блока по отдельности.

3.1 Выпрямитель

Рис.3.1.Схема выпрямителя.

На рис.3.1 видно, что выпрямитель состоит из понижающего трансформатора Т2 и диодного моста.

Понижающий трансформатор выбирается по входному напряжению и частоте, а так же выходным параметрам.

Выбираем ТПП 209

Входные параметры:

U=220B, f=50Гц , I=0.017A .

Выходные параметры:

I =0.0236A

Напряжение вторичных обмоток смотрите (Табл.3.1).

Таблица3.1.

Напряжение на выводах вторичной обмотки.

11 12	13 14	15 16	17 18	19 20	21 22
10В	10В	20В	20В	5В	5В

Резистор R6 выбираем 0,51Ом, т.к. этот сигнал идет на подзарядку.

Диодный мост ставим для выпрямления сигнала, выбираем по прямому току и обратному напряжению.

Выбираем диоды КД212, его параметры:

I=1A , I=0.1mA;

U=100B , U=1B;

3.2 Генератор

Рис.3.2.Схема генератора.

Генератор состоит из усилителя по току, на двух ключах, которые поочередно работают, и повышающего трансформатора Т2. Трансформатор выбираем ТПП260

Входные параметры: U=220B, f=50Гц , P =31B*A , I=0.19A .

Выходные параметры: I=0.69A

Напряжение вторичных обмоток смотрите (Табл.3.2).

Таблица3.2.

Напряжение на выводах вторичной обмотки.

11 12	13 14	15 16	17 18	19 20	21 22
10В	10В	10В	10В	2.5В	2.5В

Микроконтроллер PIC16F84 задает импульсный сигнал длительностью 45мкс на вход усилителя. После подачи сигнала по истечению 45мкс ключ1 закрывается и через 5мкс открывается ключ2. Ключ2 открывается тоже на 45мкс. Этот сигнал усиливается по току и подается на вход повышающего трансформатора Т2. Поочередное включение и отключение ключей создает на входе трансформатора Т2 переменный магнитный поток, что обеспечивает переменный ток на выходе с трансформатора Т2. Напряжение на трансформатор Т2 подается с аккумуляторной батареи 12В.

Рассчитаем транзисторы усилителя тока.

Нам известно, что ток и напряжение первичной обмотки повышающего трансформатора Т2 равняется: I=0.69A; U=12B.

Из этого получается, что нам известно I и U транзисторов VT6,VT3.

Поэтому мы можем их выбрать.

Выбираем КТ827 с параметрами:

I=20A , h=750;

U=60B

P=125Вт;

Найдем ток базы этих транзисторов, по формуле:

I = I/ h;

I =0.69/750= 0.92mA.

Рассчитаем напряжение базы:

U= 1.4B;

Так как в транзисторе VT6,VT3 падение напряжения на двух переходах эмиттер-база.

Примем, что ток через R21 будет в 10 раз больше чем I транзистора КТ827.

I=9.2mA.

По закону Кирхгофа:

I= I- I ;

I=9.2-0.92= 8.28mA.

Рассчитаем резисторы R21, R22:

R22= U/ I;

R22=1.4B/8,28=169Ом;

U= U- U;

U=12-1.4=10.6B;

R21= U / I;

R21=10.6B/9.2mA= 1152Ом.

Из ряда Е24 выбираем:

R22=160Ом;

R21=1.2kОм.

На рис.3.2 видно, что ток I= I равняется току коллектора транзистора VT5 и VT2, а напряжение коллектора равняется Епит аккумулятора, т.е. равно12В.

Выберем транзисторы VT5 и VT2

Выбираем КТ816

I=3А , h=25.

U=40В , P=25Вт.

Найдем ток базы этих транзисторов по формуле:

I = I/ h;

I =9.2mA/25=0.37mA.

Рассчитаем напряжение базы, по формуле:

U= U-0.7B;

U=12-0.7=11.3B.

Примем, что ток через R19 будет в 10 раз больше чем I транзистора КТ816.

I=3.7mA.

Из этого следует, что:

I= I- I ;

I=3.7-0.37= 3.33mA.

Рассчитаем резисторы R19, R20:

R19=(Епит- U)/ I;

R19=(12В-11.3В)/3.7mA= 189,2Ом;

R20= U/ I;

R20=11.3В/3.33mA=3424 Ом.

Из ряда Е24 выбираем:

R20=3.3кОм;

R19=180Ом.

На рис.3.2 видно, что ток I= I равняется току коллектора транзистора VT4 и VT1, а напряжение коллектора равняется напряжению базы транзистора VT5 и VT2.

Выберем транзисторы VT4 и VT1

Выбираем КТ503 с параметрами:

I=0,15А , h=40.

U=40В , P=25Вт.

Найдем ток базы этих транзисторов по формуле:

I = I/ h;

I =3.33mA /40=82.5mkA.

Рассчитаем напряжение базы, по формуле:

U= 0.7B;

Так как в транзисторе VT4,VT1 падение напряжения на переходе эмиттер-база.

Рассчитаем резистор R18:

Напряжение через резистор R18 будет равняться разности потенциалов между напряжением базы и напряжением поступающем с микроконтроллера, равное Епит=5В.

R18=(Епит-U)/ I ;

R18=(5-0,7)/82.5mkA= 52121Ом.

Из ряда Е24 выбираем: R18=51кОм.

3.3 Компаратор

В разрабатываемой схеме моего дипломного проекта мы используем три одинаковых компаратора отвечающие за разными изменениями напряжения.

Схема приведина на рис.3.3.

Рис.3.3.Схема компаратора.

Компаратор1 проверяет наличия в сети напряжения 220В.После прохождения понижающего трансформатора Т1 и диодного моста сигнал поступает с подстроечного резистора R2 на не инвертируемый вход операционного усилителя. На инвертируемый вход сигнал поступает с аккумулятора и стабилизатора DA4.

Принцип работы заключается в том что, если напряжение на не инвертируемом входе больше, чем на инвертируемом, то на микроконтроллер PIC16F84 поступает два сигнала с аккумулятора и стабилизатора. Если сигнал с аккумулятора больше, то все в норме и она продолжает питать генератор. Если же напряжение на входе операционного усилителя с аккумулятора меньше, чем со стабилизатора, то это значит, что аккумулятор разряжен и происходит его зарядка. Вся эта информация передается на микропроцеcсор.

Компаратор2 проверяет уровень зарядки аккумулятора. Принцип работы такой же как у компаратора1.Выдает два уровня о том, что аккумулятор заряжен или о том, что аккумулятор разряжен и производится его подзарядка. Вся информация поступает на микроконтроллер.

Задача компаратора3 проверка выходного напряжения, оно должно ровняться 220В. Точно так же сигнал с трансформатора Т2 поступает на не инвертированный вход операционного усилителя и как только он становится ниже сигнала на инвертируемом входе (заметим, что сигнал на инвертируемом входе постоянен, т.е. не меняет своего значения, если не разряжен аккумулятор) это означает, что выходное напряжение меньше 220В.

Компаратор выполнен на базе операционного усилителя КР140УД1208, его характеристика:

U=3…18B. I=0.19mA.

U=6mВ. R=5MOм.

Рассчитаем резисторы R1,R2,R3,R4,R5:

Так как сигнал на инвертируемый вход подается с делителя R4,R5,то эти сопротивления выберем одинаковые по 10кОм. На сопротивление R4 подается напряжение 5В, то на инвертируемый вход будет подаваться 2.5B.

Относительно этого напряжения будем рассчитывать сопротивления R1,R2 и R3.

На рис.3.3 видно, что R2 подстроечный резистор, рассчитаем его пределы. Резисторы R1 и R3 будем выбирать таким образом, чтобы напряжение снимаемое с подстроечного резистора R2 было больше 2.5В, но не на много.

Выбираем R1=20кОм,R2=1 кОм,R3=10 кОм.

U1=12/2.1=5.71B;

U2=12/3.1=3.87B.

Пределы подстроичного сопротивления от 3,87В до 5,71В.

3.4 Реле

Рис.3.4.Схема двух контактного реле.

На рис.3.4 видно, что вместе с реле используется транзистор VT7, работающий ключом. Открывается ключ и вместе с ним открывается реле.

Выбираем двух позиционное реле РЭС22.

U=12±1.2B

I=36мА

I=11мА

R=175(-17+26)Ом

t=12мс

t=5мс

Рассчитаем транзистор VT7. Так как на реле подается сигнал с понижающего трансформатора Т1, то ток вторичной обмотки будет равен току коллектора.

I= I=0.69A

U=12B

Транзистор выбираем КТ827:

I=20A , h=750;

U=60B , P=125Вт;

Найдем ток базы этих транзисторов, по формуле:

I = I/ h;

I =0.69/750=0.92mA.

Напряжение базы будет равно:

U= 0.7B.

Так как в транзисторе VT7 падение напряжения на переходе эмиттер-база.

Напряжение через резистор R28 будет равняться разности потенциалов между напряжением базы и напряжением поступающем с микроконтроллера, равное Епит=5В.

Рассчитаем резистор R28:

R28=(Епит-U)/ I ;

R28=(5-0,7)/0.92mA= 4673Ом.

Из ряда Е24 выбираем: R28=4.7кОм.

3.5 Блок индикации

Рис.3.5.Схема блока индикации.

На рис.3.5 видно, что блок индикации выполнен на двух световых диодах. Когда реле включено на работу вход-выход минуя основную схему, то горит один зеленый указывая, что прибор просто включен. Если же реле переключается на генератор, то дополнительно к зеленому загорается красный диод и подается звуковое оповещение указывающее на перебои в сети.

3.6 Описание контроллера PIC16F84

PIC16F84 относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью. Пользователи, которые знакомы с семейством PIC16C5X могут посмотреть подробный список отличий нового от производимых ранее контроллеров. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (1 мкс при 4 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (2 мкс). PIC16F84 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. входной ток, 20 мА макс. выходной ток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Разработки на базе контроллеров PIC16F84 поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором (только фирмы Microchiр) и программатором.

Серия PIC16F84 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).

Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16F84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.

Cледует добавить, что встроенный автомат программирования EEPROM кристалла PIC16F84 позволяет легко подстраивать программу и данные под конкретные требования даже после завершения ассемблирования и тестирования. Эта возможность может быть использована как для тиражирования, так и для занесения калибровочных данных уже после окончательного тестирования.

3.6.1 Обзор характеристик

Высокоскоростной RISC процессор

только 35 простых команд;
все команды выполняются за один цикл(1 мкс), кроме команд перехода, выполняющихся за два цикла;
рабочая частота 0 Гц ... 4 МГц (min 1 мкс цикл команды);
14- битовые команды;
8- битовые данные;
1024 х 14 электрически перепрограммируемой программной памяти на кристалле (EEPROM);
36 х 8 регистров общего использования;
15 специальных аппаратных регистров SFR;
64 x 8 электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных;
восьмиуровневый аппаратный стек;
прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;
четыре источника прерывания:

внешний вход INT,
переполнение таймера TMR0,
прерывание при изменении сигналов на линиях порта B,
по завершению записи данных в память EEPROM.

Периферия и Ввод/Вывод

13 линий ввода-вывода с индивидуальной настройкой;
входной/выходной ток для управления светодиодами.

макс. входной ток - 20 мА. ,
макс. выходной ток - 25 мА.,

TMR0: 8 - битный таймер/счетчик TMR0 с 8-битным программируемым предварительным делителем.

Специальные свойства

автоматический сброс при включении;
таймер включения при сбросе;
таймер запуска генератора;
WatchDog таймер (WDT) с собственным встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность;
EEPROM бит секретности для защиты кода;
экономичный режим SLEEP;
выбираемые пользователем биты для установки режима возбуждения встроенного генератора:

RC генератор : RC;
обычный кварцевый резонатор : XT;
высокочастотный кварцевый резонатор : HS;
экономичный низкочастотный кристалл : LP;

встроенное устройство программирования EEPROM памяти программ и данных; используются только две ножки.

КМОП технология

экономичная высокоскоростная КМОП EPROM технология;
статический принцип в архитектуре;

широкий диапазон напряжений питания и температур:

коммерческий: 2.0 ... 6.0 В, 0...+70С,
промышленный: 2.0 ... 6.0 В, -40...+70С,
автомобильный: 2.0 ... 6.0 В, 40...+125С;

низкое потребление:

2 мА типично для 5В, 4МГц,
15 мкА типично для 2В, 32КГц,
1 мкА типично для SLEEP режима при 2В.

Tипы корпусов и исполнений

Обозначения корпусов для кристаллов PIC16F84. Тип корпуса указывается в Маркировке при заказе микросхем. Корпуса бывают только с 18 Выводами.

PDIP - Обычный пластмассовый двухрядный корпус

SOIC - Малогабаритный DIP корпус для монтажа на поверхность

Mаркировка при заказе

Обозначение микросхем складывается из следующих полей:

Фирм.номер/Частота генератора/Темпер.диапазон/Корпус/Примеч

Фирм.номер : PIC16F84 Vdd range 4...6 V,

PIC16LC84 Vdd range 2...6 V;

Частота генератора: 04 ---> 4 mHz (большинство 4 МГц. приборов работает до 10 МГц.!),

10 ---> 10mHz;

Температурный диапазон бывает:

- от 0С до +70С,

I от-40С до +85С,

E от-40С до +125С;

Корпус обозначается:

P - обычный пластмассовый DIP,

SO -300 mil SOIC.

ПРИМЕРЫ:

PIC16C84-04/P - 4 mHz, коммерческое исполнение в PDIP корпусе, норм. диапазон Vdd

PIC16LC84-04I/SO- 4 mHz, исполнение для промышленности, расшренный диапазон питания, корпус =SOIC

PIC16C84-10E/P - исполнение для автомобилей, 10 mHz, PDIP, норм питание

Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14- битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. В PIC16F84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Разводка ножек (рис.3.6).

Функциональное назначение выводов см.”Обозначения Выводов”. Типы корпусов PDIP и др. см. “Корпуса”.

Рис.3.6.Разводка ножек.

3.6.2 Назначение ножек

Таблица3.3.

Обозначения ножек и их функциональное назначение.

Обозначение	Нормальный режим	Режим записи EEPROM
RA0 – RA3	Двунаправленные линии ввода/вывода. Входные уровни ТТЛ
RA4/T0CKI	Вход через триггер Шмитта. Ножка порта ввода/вывода с открытым стоком или вход частоты для таймера/счетчика TMR0
RB0/INT	Двунаправленная линия порта ввода/ вывода или внешний вход прерывания Уровни ТТЛ
RB1 – RB5	Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ
RB6	Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ.	Вход тактовой частоты для EEPROM
RB7	Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ.	Вход/выход EEPROM данных.
/Vрр	Низкий уровень на этом входе генерирует сигнал сброса для контроллера. Активный низкий.	Сброс контроллера Для режима EEPROM- подать Vрр.
OSC1/CLKIN	Для подключения кварца, RC или вход внешней тактовой частоты
OSC2/CLKOUT	Генератор, выход тактовой частоты в режиме RC генератора, в остальных случаях - для подкл.кварц
Vdd	Напряжение питания	Напряжение питания
Vss	Общий(земля)	Общий

Назначение ножек (см.Табл.3.3).

3.6.3 Обзор регистров и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)

Область ОЗУ организована как 128 х 8. К ячейкам ОЗУ можно адресоваться прямо или косвенно, через регистр указатель FSR (04h). Это также относится и к EEPROM памяти данных-констант.

В регистре статуса (03h) есть биты выбора страниц, которые позволяют обращаться к четырем страницам будущих модификаций этого кристалла. Однако для PIC16F84 память данных существует только до адреса 02Fh. Первые 12 адресов используются для размещения регистров специального назначения. Регистры с адресами 0Ch-2Fh могут быть использованы, как регистры общего назначения, которые представляют собой статическое ОЗУ. Некоторые регистры специального назначения продублированы на обеих страницах, а некоторые расположены на странице 1 отдельно. Когда установлена страница 1, то обращение к адресам 8Ch-AFh фактически адресует страницу 0. К регистрам можно адресоваться прямо или косвенно (см.Табл.3.4).

Таблица3.4.

Обзор регистров.

	Page 0	Page 1
00	Indirect add.		80
01	TMR0	OPTION_REG	81
02	PCL		82
03	STATUS		83
04	FSR		84
05	PORT A	TRISA	85
06	PORT B	TRISB	86
07			87
08	EEDATA	EECON1	88
09	EEADR	EECON2	89
0A	PCLATH


8A
0B	INTCON		8B
0C 2F	36 регистров общего назначения	Тоже	8C AF
30 7F	Не существует		B0 FF

Прямая адресация.

Когда производится прямая 9-битная адресация, младшие 7 бит берутся как прямой адрес из кода операции, а два бита указателя страниц (RP1,RP0) из регистра статуса (03h).

Косвенная адресация

FSR (04h)- Указатель косв.адресации

Любая команда, которая использует INDF (адрес 00h) в качестве регистра фактически обращается к указателю, который хранится в FSR (04h). Чтение косвенным образом самого регистра INDF даст результат 00h. Запись в регистр INDF косвенным образом будет выглядеть как NOP, но биты статуса могут быть изменены. Необходимый 9-битный адрес формируется объединением содержимого 8-битного FSR регистра и бита IRP из регистра статуса.

TMR0 таймер/счетчик

Режим таймера выбирается путем сбрасывания в ноль бита T0CS, который находится в регистре OPTION_REG. В режиме таймера TMR0 будет инкрементироваться от ВНУТРЕННЕГО ИСТОЧНИКА частоты каждый командный цикл (без прескаллера). После записи информации в TMR0, инкрементирование его начнется после двух командных циклов. Такое происходит со всеми командами, которые производят запись или чтение-модификацию-запись TMR0 (напр. MOVF f1, CLRF f1). Избежать этого можно при помощи записи в TMR0 скорректированного значения. Если TMR0 нужно проверить на равенство нулю без остановки счета, следует использовать инструкцию MOVF f1,W. Режим счетчика выбирается путем установки в единицу бита T0CS, который находится в регистре OPTION_REG. В этом режиме TMR0 будет инкрементироваться либо положительным, либо отрицательным фронтом на ножке RA4/T0CKI от ВНЕШНЕГО источника. Направление фронта определяется управляющим битом T0SE в регистре OPTION_REG. При T0SE=0 будет выбран передний фронт. Прескаллер может быть использован или совместно с TMR0, или с Watchdog таймером. Вариант подключения делителя контролируется битом PSA в регистре OPTION_REG. При PSA=0 делитель будет подсоединен к TMR0. Содержимое делителя программе недоступно. Коэффициент деления - программируется. Прерывание по TMR0 вырабатывается тогда, когда происходит переполнение TMR0 таймера/счетчика при переходе от FFh к 00h. Тогда устанавливается бит запроса T0IF в регистре INTCON<2>. Данное прерывание можно замаскировать битом T0IE в регистре INTCON<5>. Бит запроса T0IF должен быть сброшен программно при обработке прерывания. Прерывание по TMR0 не может вывести процессор из SLEEP, так как таймер в этом режиме отключен.

Проблемы с таймером

Проблемы могут возникнуть при счете внешних сигналов. Эти сигналы стробируются внутренним сигналом синхронизации, см. схему SYNC. Образуется некоторая задержка между фронтом входного сигнала и моментом инкрементирования TMR0. Cтробирование производится после прескаллера. Выход прескаллера опрашивается дважды в течение каждого командного цикла, чтобы определить положительный и отрицательный фронты входного сигнала. Поэтому сигнал Psout должен иметь высокий и низкий уровень не менее двух периодов синхронизации.

Когда прескаллер не используется, Psout повторяет входной сигнал, поэтому требования к нему следующие:

Trth= TMR0 high time >= 2 tosc+20ns

Trtl= TMR0 low time >= 2 tosc+20ns.

Когда прескаллер используется, на вход TMR0 подается сигнал, поделенный на число, установленное в счетчике делителя. Сигнал после прескаллера всегда симметричен.

Psout high time = Psout low time = N*Trt/2, где Trt- входной период TMR0,

N- значение счетчика делителя (2,4...256).

В этом случае требования к входному сигналу можно выразить так:

N*Trt/2 >= 2 tosc +20ns или Trt >= (4tosc + 40ns)/N.

Когда используется прескаллер, низкий и высокий уровень сигнала на его входе должны быть не менее 10 нс. Таким образом общие требования к внешнему сигналу, когда делитель подключен таковы:

Trt= TMR0 рeriod >= (4tosc + 40ns)/N

Trth = TMR0 high time >= 10ns

Trtl = TMR0 low time >= 10ns.

Так как выход определителя синхронизируется внутренним сигналом тактовой частоты, то существует небольшая задержка между появлением фронта внешнего сигнала и временем фактического инкремента TMR0. Эта задержка находится в диапазоне между 3*tosc и 7*tosc. Таким образом измерение интервала между событиями будет выполнено с точностью 4*tosc (1мкс при кварце 4 МГц).

Регистр статуса

Регистр статуса (03h) содержит арифметические флаги АЛУ, состояние контроллера при сбросе и биты выбора страниц для памяти данных. Регистр доступен для любой команды так же, как любой другой регистр. Однако, биты и устанавливаются аппаратно и не могут быть записаны в статус программно. Это следует иметь в виду при выполнении команды с использованием регистра статуса. Например, команда CLRF 03h обнулит все биты, кроме битов и , а затем установит бит Z=1. После выполнения этой команды регистр статуса может и не иметь нулевое значение (из-за битов и ) 03h=000??100. Поэтому рекомендуется для изменения регистра статуса использовать только команды битовой установки BCF, BSF, MOVWF, которые не изменяют остальные биты статуса. Воздействие всех команд на биты статуса можно посмотреть в “Описании команд”.

Программные флаги статуса

Таблица3.5.

Размещение флагов в регистре статуса.

	b7	b6	b5	b4	B3	b2	b1	b0
03h=	IRP	RP1	RP0			Z	DC	C

C - Флаг переноса/заема:

Для команд ADDWF и SUBWF. Этот бит устанавливается, если в результате операции из самого старшего разряда происходит перенос. Вычитание осуществляется путем прибавления дополнительного кода второго операнда. При выполнении команд сдвига этот бит всегда загружается из младшего или старшего бита сдвигаемого источника.

3.6.4 Организация встроенного ПЗУ

Программный счетчик в PIC16F84 имеет ширину 13 бит и способен адресовать 8Кх14бит объема программной памяти. Однако, физически на кристалле имеется только 1Кх14 памяти (адреса 0000h-03FFh). Обращение к адресам выше 3FFh фактически есть адресация в тот же первый килобайт. Вектор сброса находится по адресу 0000h, вектор прерывания находится по адресу 0004h.

Таблица3.6.

Организация встроенного ПЗУ.

PC <12:0>
Stack Level 1
Stack Level 2
. . . . . . . . . . . .
Stack Level 8
Reset Vector	0000h
Interruрt Vector	0004h
On-Chiр Program Memory	0005h 03FFh
	0400h 1FFFh

EEPROM PIC16F84 рассчитан на ограниченное число циклов стирания/записи. Чтобы записать в программную память, кристалл должен быть переведен в специальный режим при котором на ножку подается напряжение программирования Vрrg, а питание Vdd должно находиться в пределах 4.5 В ...5.5В. PIC16F84 непригоден для применений, в которых часто модифицируется программа. Запись в программную память осуществляется побитно, последовательно с использованием только двух ножек. Паспортное значение количества записей в программную память PIC16F84 равно 100(min) и 1000 (tiр), практически-же микросхемы выдерживают несколько тысяч перезаписей. Число перезаписей памяти данных (64 байта) достанет 1000000.

3.6.5 Данные в EEPROM

Долговременная Память данных EEPROM.

Память данных EEPROM позволяет прочитать и записать байт информации. При записи байта автоматически стирается предыдущее значение и записываются новые данные (стирание перед записью). Все эти операции производит встроенный автомат записи EEPROM. Содержимое ячеек этой памяти сохраняется при выключении питания. Кристалл PIC16F84 имеет память данных 64х8 EEPROM бит, которая позволяет запись и чтение во время нормальной работы (во всем диапазоне питающих напряжений). Эта память не принадлежит области регистров ОЗУ. Доступ к ней осуществляется через два регистра: EEDATA (08h), который содержит в себе восьмибитовые данные для чтения/записи и EEADR (09h), который содержит в себе адрес ячейки к которой идет обращение. Дополнительно имеется два управляющих регистра: EECON1 (88h) и EECON2 (89h).

3.7 Блок схема алгоритма

3.7.1 Главная программа

3.7.2 Подпрограмма

Листинг программного обеспечения.

#include <p16f84.inc>

list p=16f84

processor 16F84

bank0 macro

bcf STATUS,RP0 ;set bank0

endm

bank1 macro

bsf STATUS,RP0 ;set bank1

endm

org 0x0000

begin

call init

bank0

movlw 0x05

movwf 0x0c

loop btfsc PORTB,1 ;esli rb1=1

goto rele_on ;rele - on (220 on)

;rb1=0

btfss PORTA,2 ;test battarey

goto low_batt ;esli ra2=1 (bat rabotaet)

;generirovat'

bsf PORTB,4

call delay34

bcf PORTB,4

call delay16

bsf PORTB,5

call delay34

bcf PORTB,5

decfsz 0x0c, ;

goto loop1

;esli 0x0c=0 (1 raz iz 5)

movlw 0x05

movwf 0x0c ;to

btfss PORTB,2 ;proverka napraz. generat.

Goto sound ;esli napr.gener.

;low - sound

bcf PORTB,7

nop

goto loop_sound

movf PORTB,0 ;W<-PORTB

xorlw b'10000000' ;invers. RB7

movwf PORTB

goto loop

loop1

nop

goto loop

rele_on

bsf PORTB,3

goto loop

low_batt

movlw 0xff ;pischit ~0.2s

movwf 0x11

m6 movlw 0x03

movwf 0x12

snd movlw d'83' ;f=2khz

movwf 0x10

m3 decfsz 0x10

goto m3

movf PORTB,0 ;W<-PORTB

xorlw b'10000000' ;invers. RB7

movwf PORTB

decfsz 0x11

goto snd

decfsz 0x12

goto m6

;molchit ~0.2s

bcf PORTB,7

movlw 0xff

movwf 0x12

m5 movwf 0x11

m4 decfsz 0x11

goto m4

decfsz 0x12

goto m5

goto loop ;snachala

init

bank0

clrf PORTA

clrf PORTB

bank1

movlw B'00011111'

movwf TRISA

movlw B'01000111'

movwf TRISB

return

delay16

movlw 0x03

movwf 0x10

m1 decfsz 0x10

goto m1

nop

return

delay34

movlw 0x09

movwf 0x10

m2 decfsz 0x10

goto m2

nop

return

end

4. Расчетно-проектировочный раздел

Назначение и области применения

Входной источник питания преобразует переменный ток сети (разумеется, когда она подключена) в постоянный ток, необходимый для аккумуляторной батареи. Выходной источник питания делает то же самое в обратном порядке: он преобразует постоянный ток аккумуляторной батареи в переменный ток, который может потреблять компьютер. Источником напряжения постоянного тока ( это напряжение подается на выходной источник) является входной источник (если он работает) или аккумуляторная батарея. В любом случае переменный ток на выходе стабилен, без каких-либо прерываний выходного напряжения, независимо от состояния сети переменного тока на входе.

В источнике бесперебойного питания введен переключатель, который позволяет устранить многие проблемы. Он переключает источники питания, когда исчезает напряжение в сети или нужно зарядить аккумуляторы. Здесь материальная выгода достигается ценой кратко временного исчезновения выходного напряжения.

В нормальных условиях переключатель подает входное переменное напряжение непосредственно на выход. При исчезновении входного напряжения, схема управления источника бесперебойного питания подключает (с помощью переключателя) выходной источник питания к компьютеру. В результате в нормальных условиях источники питания отключены, т.е. источник бесперебойного питания не перегревается, полная нагрузка входного источника уменьшается, а стоимость источника бесперебойного питания резко падает. Мощность источников питания в составе источника бесперебойного питания определяет мощность компьютера (и других периферийных устройств), которые может обеспечить источник бесперебойного питания. Ёмкость аккумуляторов определяет время поддержания напряжения при его исчезновении в сети.

Источник бесперебойного питания не только защищает компьютер, но и управляет своим состоянием.

Управление аккумуляторной батареей. Источник бесперебойного питания следит за емкостью аккумуляторной батареи и уровнем ее зарядки. Он подает сигнал тревоги при разрядке аккумуляторов и выдает сообщение если нужно заменить аккумуляторы.

Интерфейс с компьютером и программное обеспечение. Соединив компьютер через последовательный порт с источником бесперебойного питания, с помощью программного обеспечения можно следить за его состоянием и управлять его работой.

Защита по низкому и высокому напряжению. Источник бесперебойного питания не только защищает компьютер от исчезновения напряжения в сети, но и следит за понижением и повышением подаваемого напряжения. Когда подаваемое напряжение выходит за допустимые пределы, источник бесперебойного питания корректирует его до заданных значений, необходимых для работы компьютера.

Разработка структурной схемы

Разработка структурной схемы является начальным этапом проектирования любого электронного устройства.

Структурной называется схема, которая определяет основные функциональные части изделия и связи между ними. Структурная схема лишь в общих чертах раскрывает назначение устройства и его функциональных частей, а также взаимосвязи между ними, и служит лишь для общего ознакомления с изделием.

Составные части проектируемого устройства изображаются упрощенно в виде прямоугольников произвольной формы, т. е. с применением условно-графических обозначений. Внутри каждого прямоугольника, функционального узла устройства, указаны наименования, которые очень кратко описывают предназначение конкретного блока.

На основании выполненного аналитического и согласно перечня выполняемых функций разработанное устройство содержит в своем составе:

понижающий трансформатор;
аккумулятор с напряжением 24 В;
преобразователь постоянного напряжения 24В в переменное 220 В/50 Гц;
зарядное устройство для аккумулятора;

- схемы сравнения уровней напряжения;

- блок управления.

Исходя из этого функциональная, схема ИБП имеет вид в соответствии с рисунком 2.1.

Рис.2.1.Структурная схема ИБП

Назначение блоков следующее:

- выпрямитель – включает в себя понижающий трансформатор и зарядное устройство для аккумулятора, величина выходного напряжения на выходе блока +29В;

- аккумулятор- обеспечивает постоянное напряжение +24В в аварийном режиме, которое затем преобразуется в переменное 220В, а так же является источником напряжения для стабилизатора в аварийном и нормальном режиме;

- стабилизатор- обеспечивает постоянное напряжение питания +5В для микросхем устройства, также является источником опорных напряжений для схем компараторов;

- инвертор – преобразует постоянное напряжение аккумулятора +24В в переменное 220В частотой 50 Гц в аварийном режиме;

- компаратор 1- выполняет сравнение уровня напряжения с выхода выпрямителя и аккумулятора, в случае, если напряжение на аккумуляторе больше - вырабатывается управляющий сигнал, который соответствует аварийному режиму (напряжение сети меньше допустимого значения);

- компаратор 2 – выполняет сравнение уровня напряжения с выхода аккумулятора и фиксированного значения Uоп2, в случае, если напряжение на аккумуляторе меньше - вырабатывается управляющий сигнал, который соответствует режиму разряженного аккумулятора (напряжение аккумулятора меньше допустимого значения);

- компаратор 3 – в аварийном режиме выполняет сравнение уровня пониженного напряжения с выхода инвертора и фиксированного значения Uоп3, в случае, если напряжение на выходе инвертора меньше - вырабатывается управляющий сигнал, который соответствует режиму при котором ИБП не обеспечивает заданное значение на выходе источника (напряжение источника меньше допустимого значения);

- ключ 1 – обеспечивает коммутацию сети и нагрузки в нормальном режиме;

- ключ 2 – обеспечивает коммутацию аккумулятора и нагрузки в аварийном режиме;

- блок управления – обрабатывает управляющие сигналы с выходов компараторов и в зависимости от состояния компаратора 1 – управляет ключами 1 и 2, переходя в аварийный режим работы и индикатором “Аварийный режим”; состояния компаратора 2 – управляет индикатором “Аккумулятор разряжен”; состояния компаратора 3 – управляет индикатором “Смените источник питания”;

- индикация – обеспечивает светодиодную индикацию для трех режимов работы - “Аварийный режим”, “Аккумулятор разряжен”, “Смените источник питания”.

4.3 Разработка принципиальной схемы

4.3.1 Расчет узлов и блоков

Расчет схемы блока выпрямителя:

Выпрямитель включает в себя понижающий трансформатор Тр1 и два диодных моста VD1-VD4, VD5-VD8. Принципиальная схема выпрямителя имеет вид в соответствии с рисунком 3.1.

Рис.3.1. Принципиальная схема выпрямителя и компаратора 1

При наличии напряжения сети выпрямитель обеспечивает оптимальный режим заряда внешней аккумуляторной батареи (АКБ), состоящей из двух последовательно соединенных свинцово-кислотных аккумуляторов с номинальным напряжение 12 В и емкостью 17 А/ч каждый. Полная мощность двух последовательно соединенных аккумуляторов будет составлять 24∙17=408 (В∙А)/ч.

В качестве аккумуляторных батарей применим герметичные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи АКБ -17 производителя Alarm Power, имеющие параметры: 12В/17,0 А/ч, максимальный ток заряда 3 А, 181х76х167 мм, 6,1 кг, -10…+50ºС (оптимально 20ºС), [6].

Заряд АКБ происходит напряжением 27-29 В при максимальном токе заряда 3 А. Исходя из параметров АКБ рассчитываем выпрямитель VD1-VD4, VD5-VD8 и выбираем тип трансформатора.

Расчет мостовой схемы выпрямителя. Согласно справочных данных справедливо соотношение:

U_{обр max}/U_о = 1,57, (3.1)

где U_{обр max}– максимальное обратное напряжение диода, В;

U_о – постоянное выпрямленное напряжение, В.

I_{ср. пр} /I_о = 0,5, (3.2)

где I_{ср. пр} – средний прямой ток диода, А;

I_о – постоянный выпрямленный ток, А.

I_{пр max} /I_о = 1,57, (3.3)

где I_{пр max} – максимальный прямой ток диода, А.

Определим режим работы диодов, учитывая что I_о=3 А, U_о=29 В:

U_{обр max} = 1,57·U_о=1. 57·29 = 45.53 В;

I_{ср. пр} = 0,5·I_о = 0.5·3 = 1.5 А;

I_{пр max} = 1.57·I_о = 1.57·3 = 4.71 А.

Выбираем диоды, исходя их условия:

U_{обр max (диода)} > U_{обр max} = 45.53 В;

I_{ср. пр} _(диода)> I_{ср. пр} = 1.5 А;

I_{пр max} _(диода)> I_{пр max} = 4.71 А.

В качестве диодов VD1 ÷ VD4, VD5 ÷ VD8 выбираем диод типа КД202В, имеющего параметры: U_{обр max (диода)} = 70 В, I_{ср. пр} _(диода)= 5 А, I_{пр max} _(диода)= 5 А, U_{пр (диода)}= 0,9 В.

Расчет фильтра на выходе выпрямителя. В качестве фильтра применяем емкость С1, С2 Значение емкости определим, исходя из желаемого коэффициента пульсаций на выходе фильтра. Задаем К_{п ф} = 0.1.

Величину емкости фильтра определим по формуле:

С_ф = t_р/(2 К_{п ф}·R₀), (3.4)

где t_р ≈ 7 мс – время разряда емкости при f =50 Гц;

R₀=U₀/I₀ =29/3=9.7 Ом – эквивалентная нагрузка.

Таким образом С_ф = 7·10^-3 / (2·0.1·9.7) ≈ 3.6·10^-3 Ф.

Выбираем конденсатор из ряда Е24:

С1, С2 – К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.

Расчет сетевого трансформатора.

Действующее значение вторичного напряжения трансформатора равно:

U2=	U_о· (1+К_п)+2U_пр	=	29· (1+0.1)+2·0.9	= 23.8 В, (3.5)
	√2		√2

где: U_пр = 0,9 В – прямое падение напряжения на диодах мостового выпрямителя.

Полная габаритная мощность трансформатора равна:

S_т =α_тр·Р_о= α_тр·U_о·I_о=1.66∙29∙3=144.42 ВА, (3.6)

где α _тр = 1.66 – справочное значение для мостового выпрямителя, нагрузка которого начинается с емкостного элемента.

Так как полная мощность двух последовательно соединенных аккумуляторов будет составлять 24∙17=408 (В∙А)/ч, то в качестве габаритной мощности трансформатора примем значение S_т =400 ВА.

Для мостового выпрямителя действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора равно:

I₂ = 1.11·I_о = 1.11·3= 3.33 А. (3.7)

Выбираем стандартный трансформатор из условия:

S_т > 400 ВА;

U₂ > 23.8 В;

I₂ > 3.33 А.

Выбираем трансформатор ТПП321 – 200,0 на стержневом сердечнике ПЛМ 27х40х58, имеющий параметры, [13]:

S_н = 200 ВА; U₁ = 127/220 В; I₁ = 2.03/1.15 А; I₂ = 4 А; f = 50 Гц.

Для обеспечения расчетной мощности и тока вторичной обмотки применим параллельное включение трансформаторов. Так как трансформаторы имеют равные коэффициенты и напряжения к.з., то параллельное включение обеспечивает

S_н = 2·200 = 400 ВА, I₂ = 2·4 = 8 А.

Схема включения обмоток для получения напряжения U₂ =23.8 В имеет вид в соответствии с рисунком.3.2.

Рис.3.2. Схема включения обмоток трансформатора

4.4 Расчет схемы блока инвертора

Инвертор состоит из усилителя по току, на двух ключах, которые поочередно работают, и повышающего трансформатора Тр2. Принципиальная схема инвертора имеет вид в соответствии с рисунком 3.3.

Микроконтроллер К1816ВЕ751 задает импульсный сигнал длительностью 45 мкс на вход ключа VT1 инвертора. После подачи сигнала по истечению 45 мкс ключ VT1 закрывается и через 5мкс открывается ключ VT4. Ключ VT4 открывается тоже на 45мкс. Этот сигнал усиливается по току и подается на вход повышающего трансформатора Тр2. Поочередное включение и отключение ключей создает на входе трансформатора Тр2 переменный магнитный поток, что обеспечивает переменный ток на выходе с трансформатора Тр2. Напряжение на трансформатор Тр2 подается с аккумуляторной батареи 24В.

Рис.3.3. Принципиальная схема выпрямителя и компаратора 1

Микроконтроллер К1816ВЕ751 задает импульсный сигнал длительностью 45мкс на вход ключа VT1 инвертора. После подачи сигнала по истечению 45мкс ключ VT1 закрывается и через 5мкс открывается ключ VT4. Ключ VT4 открывается тоже на 45мкс. Этот сигнал усиливается по току и подается на вход повышающего трансформатора Тр2. Поочередное включение и отключение ключей создает на входе трансформатора Тр2 переменный магнитный поток, что обеспечивает переменный ток на выходе с трансформатора Тр2. Напряжение на трансформатор Тр2 подается с аккумуляторной батареи 24В.

Рассчитаем индуктивность первичной обмотки и максимальный ток

исходя из известных параметров схемы:

U_пит = 220 В - действующее значение напряжения;

Р_н = 400 Вт - выходная мощность;

γ = 0.5 - скважность импульсов (задаемся значением);

f = 44 кГц - рабочая частота.

(3.8)

(3.9)

Для изготовления трансформатора Т выбираем разъемный Ш-образный

магнитопровод марки Ш8x8 с зазором из феррита 1500 НМ.

Его параметры:

L = 32, H=16, h=11.5, S = 8, 10 = 8, l₁=7.5? δ=1(все параметры, мм).

Длина магнитной линии l_с = 75.1 мм, площадь поперечного сечения Sc=69.2 мм².

Так как магнитопровод имеет воздушный зазор, магнитное сопротивление которого много больше магнитного сопротивления магнитопровода, то при определении количества витков индуктивности первичной обмотки вместо длины магнитной линии можно использовать длину воздушного зазора и его магнитную проницаемость.

Определим количество витков первичной обмотки исходя из требуемой индуктивности и известных параметров магнитопровода:

(3.10)

Количество витков вторичной обмотки находим из условия U1/U2=w1/w2, напряжение вторичной обмотки U2₁=24 В и U2₂=10 В, на первичной обмотке 310 В, отсюда w2₁=7 витков и w2₂=3 витка.

Определим сечение проводов. Для этого находим действующие значения токов в обмотках:

(3.11)

Где j – плотность тока в проводнике, выбираем 4 А/мм².

Iэф1=1.83 А, Iэф2₁=0.13 А, Iэф2₂=0.06 А.

Определим диаметр проводов:

(3.12)

d1=0.76 мм, d2₁=0.20 мм, d2₂=0.10 мм.

Выбираем обмоточные провода ПЭВТВ-2 с диаметрами 0.8 мм и 0.21 мм.

Расчет параметров транзисторов инвертора.

Расчет транзисторов VT3 и VT6. Оконечные транзисторы VT3 и VT6 выбираем из условия:

Iк max > 3.33А,

Uкэ max > 24 В.

Выбираем транзистор КТ827А(n-p-n).

Параметры транзистора: Iк max=20 А, Uкэ max=90 В, Рк maxт=125 Вт, h_21Э=750, I_КБО≤1mА, Тпер max=150 ˚С, Тпер max=125 ˚С,

Амплитуда тока базы транзисторов VT3 и VT6 равна:

I _Б_m_3,6 =	I _Кm_3,6	=	3.33	= 4.4·10^-3 А. (3.13)
	β _3,6		750

Расчет транзисторов VT2 и V56. Для обеспечения тока базы транзисторов VT3 и VT6 используем транзисторы VT2 и VT5. Ток коллектора транзисторов выбираем из условия:

I_К_m_2,5 =(10 ÷ 20) I_Б_m_3,6, (3.14)

I_К_m_2,5 =10I_Б_m_3,6=10∙4.4·10^-3 = 44 мА.

Транзисторы VT2 и VT5 выбираем из условия:

Iк max > 44мА,

Uкэ max > 24 В.

Выбираем транзистор КТ 315 Д (n-p-n).

Параметры транзистора: Iк max=100 mА, Uкэ max=40 В, Рк max=0.15 Вт, h_21Э ≥ 20, I_КБО≤ 1 mА, Тпер max=120 ˚С, I_ЭБО< 30 мкА.

Тогда ток базы транзисторов VT2 и VT5 равен:

I _Б_m_2,5 =	I _Кm_2,5	=	0.044	= 2.2·10^-3 А. (3.15)
	β _5,6		20

Расчет сопротивлений R12 и R17. Сопротивления делителей R12 и R17 определяем из выражения:R12= R17 = U_БЭ3,6/ I_К_m_2,5= 0.7/44·10^-3 = 15.9 Ом, (3.16)

Из ряда Е24 выбираем: R12, R17– МЛТ - 0.125-20 Ом ±5%.

Расчет сопротивлений R11 и R16. Сопротивления делителей R11 и R16 определяем из выражения:

(3.17)

Напряжение на коллекторах транзисторов выбираем из условия

24- U_{БЭ 2,5}- ΔU = 24-0.7-5 =18.3 В > U_К_m_2,5, (3.18)

где ΔU=3÷5В – запас по питанию при разряженном режиме работы аккумулятора.

Принимаем U_К_m_2,5=18 В. Тогда из выражения (3.17) находим:

Ом.

Из ряда Е24 выбираем: R11, R16 – МЛТ - 0.125-360 Ом ±5%.

Расчет транзисторов VT1 и VT4, сопротивлений R10 и R15. Управление ключами VT1, VT4 осуществляется высоким выходным сигналом микроконтроллер К1816ВЕ751. Используя справочные данные [10] на микроконтроллер, определяем условие управления транзисторами VT1, VT4 от МК:

I¹_{вых Р0}_imax =0,3 мА> I_Б_m_1,4. (3.19)

Задаваясь током управления I⁰_{вых Р}_i=0.1 мА (с целью надежного насыщения транзистора), рассчитаем номинал токоограничительного резистора R10, R15:

Ом. (3.20)

Из ряда Е24 выбираем: R10, R15– МЛТ - 0.125-4.3 кОм ±5%.

Входные транзисторы VT1 и VT4 выбираем из условия:

Iк max > 1мА,

Uкэ max > 24 В.

Выбираем транзистор КТ 315 Д (n-p-n).

Параметры транзистора: Iк max=100 mА, Uкэ max=40 В, Рк max=0.15 Вт, h_21Э ≥ 20, I_КБО≤ 1 mА, Тпер max=120 ˚С, I_ЭБО< 30 мкА.

Расчет сопротивлений R9 и R14. Переход транзисторов в режим насыщения будет выполняться при условии:

β _1,4∙ I _Б_m_1,4 > U_Б_m_2,5/R_9,14, (3.21) где U_Б_m_2,5= 24- U_{БЭ 2,5}- ΔU = 24-0.7-5 =18.3 В – напряжение на базе транзисторов VT2 и VT5,

ΔU=3÷5В – запас по питанию при разряженном режиме работы аккумулятора.

20∙0.0001=0.002 А >18.3/R_9,14,

R_9,14 > 9150 Ом.

Из ряда Е24 выбираем:

R9, R14– МЛТ - 0.125- 20 кОм ±5%.

Ток коллектора транзисторов в режиме насыщения при разряженном режиме работы аккумулятора будет ограничен до значения

I _К_m_1,4 = U_Б_m_2,5/R_{9,14 =}18.3/910 = 0.0201 А. (3.22)

Расчет сопротивлений R8 и R13. Сопротивления R8 и R13 определяем выражения:

R8= R13 > U_БЭ2,5/ I_К_m_1,4= 0.7/20.1·10^-3 = 34.8 Ом. (3.23)

Из ряда Е24 выбираем:

R8, R13– МЛТ - 0.125- 910 Ом ±5%

4.5 Расчет схемы блоков компараторов

Исходя из описания работы функциональной схемы ИБП, выходное напряжение компараторов должно изменяться в пределах от 0 В до +5 В. Данным условиям соответствует сдвоенный операционный усилитель с внутренней частотной коррекцией и защитой входа от перегрузок 140УД20А, предназначенный для использования в активных фильтрах, сумматорах, компараторах мультивибраторах и т.д., [ 1,81].

Параметры усилителя при Т = 25 ˚С приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Параметры ОУ 140УД20А при U _ип= ±15 В

U _ип1,

U _ип₂,

U _ип.min,

V_вых,

В/мкс

Uвых, В

R_н _min, кОм

I _пот, mA

I _вх, нA

U_см, mВ

Δ U_см/ΔТ, мкВ/град

К_U

+15±1,5

–15±1,5

±5

2,5

>0.3

≤ 2,8

≤ 200

±5

±2

≥ 50000

Микросхема позволяет применять однополярное питание [ 1,81] и согласно таблицы 3.1 позволяет иметь питание U _ип= +5 В.

Назначение выводов и использование микросхемы с однополярным питанием имеет вид в соответствии с рисунком 3.5.

Рис.3.5. Назначение выводов ОУ 140УД20А

Компаратор 1 -сравнивает напряжение на выходе выпрямителя с напряжение с выхода аккумулятора в аварийном режиме. Если напряжение на выходе выпрямителя меньше, то напряжение на выходе компаратора равно 0 В, что соответствует низкому уровню сигнала (лог.0) для блока управления. Схема подключения компаратора 1 имеет вид в соответствии с рисунком 3.1.

На неинвертирующий вход DA1.1 подается напряжение с выхода выпрямителя VD5-VD8 через делитель R1, R2, R3 с коэффициентом деления обеспечивающим напряжение +5 В. Исходя из параметров ОУ (см. таблицу 3.1) и выпрямленного напряжения + 29 В выбираем сопротивления из ряда Е24 R1=47 кОм, R3=5.1 кОм. Сопротивление R2=10 кОм переменное и обеспечивает плавную подстройку напряжения срабатывания компаратора.

Напряжение на неинвертирующем входе определяется выражением

(3.24)

где R2* - регулируемая часть сопротивления R2, кОм.

На инвертирующий вход DA1.1 подается напряжение от источника питания +5 В через делитель R4, R5 с коэффициентом деления меньше единицы. Исходя из параметров ОУ (см. таблицу 3.1), выбираем сопротивления из ряда Е24 R5=91 кОм, R4=10 кОм.

Напряжение на инвертирующем входе равно

(3.25)

Согласно [13] выбираем резистор:

R1 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;

R2 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;

R3 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;

R4 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;

R5 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;

6 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.

Компаратор 2- сравнивает напряжение с выхода аккумулятора с опорным напряжением Uоп2 в аварийном режиме. Если напряжение на выходе аккумулятора меньше, то напряжение на выходе компаратора равно 0 В, что соответствует низкому уровню сигнала (лог.0) для блока управления. Схема подключения компаратора 2 имеет вид в соответствии с рисунком 3.6.

На неинвертирующий вход DA1.2 подается напряжение + 24В с выхода аккумулятора через делитель R18, R19, R20 с коэффициентом деления обеспечивающим напряжение +5 В. Расчет делителя аналогичен расчету напряжения инвертирующего входа компаратора 1. Сопротивление R19 позволяет точно установить напряжение разряженного аккумулятора.

На инвертирующий вход DA1.2 подается напряжение от источника питания +5 В через делитель R21, R22 с коэффициентом деления меньше единицы. Данное напряжение будет являться Uоп2. Расчет делителя аналогичен расчету напряжения инвертирующего входа компаратора 1.

Согласно [13] выбираем резистор:

R18 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;

R19 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;

R20 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;

R21 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;

R22 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;

R23 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.

Рис.3.6. Схема подключения компаратора 2

Емкость C3 предназначена для сглаживания пульсаций напряжения от аккумулятора. Согласно [13] выбираем конденсатор: С3 – К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.

Компаратор 3- сравнивает пониженное напряжение с выхода инвертора опорным напряжением Uоп3 в аварийном режиме. Если напряжение на выходе инвертора меньше, то напряжение на выходе компаратора равно 0 В, что соответствует низкому уровню сигнала (лог.0) для блока управления. Схема подключения компаратора 3 имеет вид в соответствии с рисунком 3.3.

На неинвертирующий вход DA2.1 подается напряжение с выхода выпрямителя инвертора VD9-VD12 через делитель R24, R25, R26 с коэффициентом деления обеспечивающим напряжение +5 В.

Согласно расчетов п.3.2 действующее значение напряжения на входе выпрямителя VD9-VD12 равно U₂=10 В, см. рис.3.3 и рис.3.4. Так как в п.3.1 был произведен выбор диодов мостового выпрямителя при напряжении U₂=23.8 В, то диоды выбираем по данным предыдущего расчета.

Выбираем диоды, исходя их условия:

U_{обр max (диода)} > U_{обр max} = 45.53 В;

I_{ср. пр} _(диода)> I_{ср. пр} = 1.5 А;

I_{пр max} _(диода)> I_{пр max} = 4.71 А.

В качестве диодов VD9 ÷ VD12 выбираем диод типа КД213А имеющего параметры: U_{обр max (диода)} =200 В, I_{ср. пр} _(диода)=1.5 А, I_{пр max} _(диода)=10 А, U_{пр (диода)}= 1В, частотный рабочий диапазон равен 50 кГц. Постоянная составляющая на выходе мостового выпрямителя равна

U₂/U₀=1.11, (3.26)

U₀=U₂/1.11=10/1.11=9 В.

Расчет делителя аналогичен расчету напряжения инвертирующего входа компаратора 1. Сопротивление R25 обеспечивает плавную подстройку напряжения срабатывания компаратора.

На инвертирующий вход DA2.21 подается напряжение от источника питания +5 В через делитель R27, R28 с коэффициентом деления меньше единицы. Данное напряжение будет являться Uоп3. Расчет делителя аналогичен расчету напряжения инвертирующего входа компаратора 1.

Согласно [13] выбираем резистор:

R24 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;

R25 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;

R26 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;

R27 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;

R28 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;

R29 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.

Емкость C34 предназначена для сглаживания пульсаций напряжения от выпрямителя инвертора. Согласно [13] выбираем конденсатор:

С4 – К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.

4.6 Расчет схемы блока управления, ключей, индикации

В качестве устройства управления используем однокристальный микроконтроллер семейства МК51 К1816ВЕ751. Описание контроллера К1816ВЕ751 и общие сведения о микроконтроллерах МК51 приведены в приложении А.

Схема электрическая принципиальная блока управления ключами и светодиодной индикации имеет вид в соответствии с рисунком 3.7.

Прибор выполнен на основе однокристального микроконтроллера К1816ВЕ751, работающего с внутренней памятью программ, что обеспечивается подачей высокого уровня напряжения на вывод (=1). Для генерации тактовой частоты f_C_L_Kмикроконтроллера к выводам XTAL1 и XTAL2 подключен кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 4.8 МГц. Конденсаторы С2, С3 обеспечивают надежный запуск внутреннего генератора МК при включении питания. Цепочка С1, R1 служит для начальной установки (сброса) МК при подачи электропитания. Конденсатор С4 служит для фильтрации импульсных помех, возникающих на выводах источника питания при работе цифровых микросхем.

Рис.3.7. Схема электрическая принципиальная блока управления ключами и светодиодной индикации

Приведенные параметры являются типовой схемой подключения и расчету не подлежат.

Согласно [13] выбираем резисторы и конденсаторы:

R30 – МЛТ - 0.125- 8.2 кОм ±5%;

C5, C6 – КТ4-21-100 В – 20 пФ±20%;

C7 - К-50-31- 40 В- 10 мкФ ±20%;

C8 – К-53-1- 30 В- 0.1 мкФ ±20%;

Расчет ключей. Ключи обеспечивает коммутацию сети и нагрузки в нормальном и аварийном режиме. Таким образом, они должны обеспечивать коммутацию напряжения и тока:

U_ком = 220 В, I_ком =400/220= 1.8 А.

Выбираем исходя из этих параметров в качестве ключей двухконтактное реле РЭС-22 типа РФ 4.500.130.

Электрическая принципиальная схема реле имеет вид в соответствии с рисунком 3.8.

Рис.3.8. Электрическая принципиальная схема реле РЭС-22

Параметры реле типа РФ 4.500.130:

- параметры катушки управления R_обм=2500 Ом, I_сраб=10.5 мА, I_отп=2.5 мА;

- параметры силовых контактов U_ком = 220 В, I_ком =0.5 А.

При расчете ток коммутации I_ком =400/220= 1.8 А, поэтому применяем параллельное соединение силовых контактов согласно рисунка 3.9.

Так как срабатывание реле происходит при токе I_сраб=10.5 мА, а максимальный выходной ток линии порта Р3 не превышает 1,6 мA, то для управления реле применяем транзисторный ключ VT7, VT8.

Выбираем транзистор типа КТ502А с параметрами:

I_к_max=150 мА; U_кэ_max= 25 В; U_{кэ нас}= 0,6 В; P_к_max = 350 мВт; β= 120.

Максимально необходимый ток базы:

(3.27)

Рис.3.9. Схема соединения линий коммутации реле РЭС-22

Отпиранием электрического ключа управляет низкий уровень (логический 0) на выводе Р3.3 и Р3.4. Используя справочные данные [10] на микроконтроллер К1816ВЕ751, проверяем возможность управления транзистором VT7, VT8 от МК:

I⁰_{вых Р3}_imax =1,6 Ма> I_Б_VT_7,8_max = 0.09 Ма.

Задаваясь током управления I⁰_{вых Р3}_i=1 Ма (с целью надежного насыщения транзистора), рассчитаем номинал токоограничительного резистора R31, R32:

(3.28)

Выбираем номинал R31, R32 равным 4,3 кОм. Номинал резисторов R33, R34, служащих для более надежного отпирания и запирания транзисторов выбираем равным также 4,3 кОм.

Согласно [13] выбираем резисторы и конденсаторы:

R31, R32, R33, R34 – МЛТ – 0.125- 4.3 кОм ±5%.

Расчет индикации. Светодиодная индикацию обеспечивает три режима работы - “Аварийный режим”, “Аккумулятор разряжен”, “Смените источник питания”. В качестве индикаторов VD13, VD14, VD15 применяем светодиоды типа АЛ336Б. Параметры светодиодов: U_пр=2.0 В, I_пр=10 мА. Диоды подключены к МК через мощные инверторы с открытым коллектором DD2.1, DD2.2, DD2.3 (микросхема К155ЛН5). Это объясняется тем, что максимальный выходной ток линии порта Р3 не превышает 1,6 мA [10], а для нормального свечения светодиода необходимо задать через него ток 10 мA . Инвертор микросхемы К155ЛН5 обеспечивает:

I⁰_вых=40 мА при U⁰_вых=0.7 В, I¹_пот=48 мА [2].

Таким образом включение светодиодов следует производить выводом логического 0 на выход инвертора. Так как после начальной установки (сброса) МК все его порты настроены на ввод информации, т.е. на их выводах будут логические 1, то в программе работы МК необходимо сразу же после включения электропитания вывести логический 0 в разряды Р3.5, Р3.6, Р3.7 для гашения светодиодов.

Рассчитаем номиналы токоограничительных резисторов R35, R36, R37:

Ом. (3.29)

Согласно [13] выбираем из ряда Е24 резисторы:

R35, R36, R37 – МЛТ – 0.125- 220 Ом ±5%.

4.7 Расчет блока стабилизатора

Стабилизатор обеспечивает постоянное напряжение питания +5В для микросхем устройства, также является источником опорных напряжений для схем компараторов.

Мощность потребляемая ИМС, ОЭВМ, светодиодной индикацией и ключами равна:

Р_пот=3∙Р_DA+Р_МК+3∙Р_VD+Р_DD+2∙Р_кл, (3.30)

где Р=U_ип∙I_пот – активная мощность потребляемая элементами схемы.

Используя данные расчетов п.3.1-3.4 и приложения А находим

Р_пот=3∙5∙2.8+5∙220 +3∙2∙10+5∙48+2∙5∙10.5=1547 мВт.

С учетом мощности потребляемой активными сопротивлениями цепи принимаем Р_пот=2 Вт.

Ток который должен обеспечивать стабилизатор равен:

I_стаб=Р_пот/U_ип=2/5=0.4 А. (3.31)

В качестве схемы стабилизатора выбираем ИМС типа К142ЕН4. Справочные параметры ИМС приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Справочные параметры ИМС К142ЕН4

U_вх_min, В

U_вх_max, В

	I_вых_max, mA	К _{нс U}, %	К _нс_I, %	U_вых, В	P_рас_max, Вт
≥ 9	≤ 45	≤ 10³	≤ 0,05	≤ 0,25	3 ÷ 30	≤ 6

Схема подключения ИМС имеет вид согласно рисунка 3.10. ИМС является регулируемым стабилизатором напряжения повышенной защиты от перегрева и перегрузки по току.

Рис.3.10. Схема подключения ИМС К142ЕН4

Рекомендуемые справочные значения C9, C10, R38 и R39 равны:

C9= 2.2 мкФ, C10= 4700 нФ, R38= 1.6 кОм, R39= 22кОм.

Согласно [13] выбираем резисторы и конденсаторы:

R38 – МЛТ - 0.125- 1.6 кОм ±5%;

R39 – СП-2-2а - 0.5 - 22 кОм ±10%;

C9 - К-53-25- 40 В- 2.2 мкФ ±20%;

C10 – К-53-25- 40 В- 4.7 мкФ ±20%.

4.8 Выбор элементной базы

Описание и общие сведения о микроконтроллере К1816ВЕ751

Восьмиразрядные высокопроизводительные однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ) семейства МК51 выполнены по высококачественной п-МОП технологий (серия 1816) и КМОП технологии (серия 1830).

Использование ОМЭВМ семейства МК51 по сравнению с МК48 обеспечивает увеличение. объема памяти команд и памяти данных. Новые возможности ввода-вывода и периферийных устройств расширяют диапазон применения и снижают общие затраты системы. В зависимости от условий использования, быстродействие системы увеличивается минимум в два с половиной раза и максимум в десять раз.

Семейство МК51 включает пять модификаций ОМЭВМ (имеющих идентичные основные характеристики), основное различие между которыми состоит в реализации памяти программ и мощности потребления.

ОМЭВМ КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51 содержат масочно-программируемое в процессе изготовления кристалла ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитаны на применение в массовой продукции. За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.

ОМЭВМ КМ1816ВЕ751 содержит ППЗУ емкостью 4096 байт со стиранием ультрафиолетовым излучением и удобна на этапе разработки системы при отладке программ, а также при производстве небольшими партиями или при создании систем, требующих в процессе эксплуатации периодической подстройки. За счет использования внешних микросхем памяти общий объем памяти программ может быть расширен до 64 Кбайт.

ОМЭВМ КР1816ВЕ31 и КР1830ВЕ31 не содержат встроенной памяти программ, однако могут использовать до 64 Кбайт внешней постоянной или перепрограммируемой памяти программ и эффективно использоваться в системах, требующих существенно большего по объему (чем 4 Кбайт на кристалле) ПЗУ памяти программ.Каждая из перечисленных выше микросхем является соответственно аналогом БИС 8051, 80С51, 8751, 8031, 80С31 семейства MCS-51 фирмы Intel (США).

Каждая ОМЭВМ рассматриваемого семейства содержит встроенное ОЗУ памяти данных емкостью 128 байт с возможностью расширения общего объема оперативной памяти данных до 64 Кбайт за счет использования внешних микросхем ЗУПВ.

Общий объем памяти ОМЭВМ семейства МК51 может достигать 128 Кбайт: 64 Кбайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных.

При разработке на базе ОМЭВМ более сложных систем могут быть использованы стандартные ИС с байтовой организацией, например, серии КР580. В дальнейшем обозначение "МК51" будет общим для всех моделей семейства, за исключением случаев, которые будут оговорены особо.

ОМЭВМ содержат все узлы, необходимые для автономной работы:

1) центральный восьмиразрядный процессор;

2) память программ объемом 4 Кбайт (только КМ1816ВЕ751, КР1816ВЕ51 и КР1830ВЕ51);

3) память данных объемом 128 байт;

4) четыре восьмиразрядных программируемых канала ввода-вывода;

5) два 16-битовых многорежимных таймера/счетчика;

6) систему прерываний с пятью векторами и двумя уровнями;

7) последовательный интерфейс;

8) тактовый генератор.

Система команд ОМЭВМ содержит 111 базовых команд с форматом 1, 2, или 3 байта.

ОМЭВМ имеет:

- 32 РОН;

- 128 определяемых пользователем программно-управляемых флагов;

- набор регистров специальных функций.

РОН и определяемые пользователем программно-управляемые флаги расположены в адресном пространстве внутреннего ОЗУ данных. Регистры специальных функций (SFR, SPECIAL FUNCTION REGISTERS) с указанием их адресов приведены в таблице 1.3.2.1.

Таблица 1.3.2.1

Регистры специальных функций

Ниже кратко описываются функции регистров, приведенных в таблице А1.

АСС - регистр аккумулятора. Команды, предназначенные для работы с аккумулятором, используют мнемонику "А", например, MOV A, P2. Мнемоника "АСС" используется, к примеру, при побитовой адресации аккумулятора. Так, символическое имя пятого бита аккумулятора при использовании ассемблера ASM51 будет следующим: АСС. 5.Регистр В. Используется во время операций умножения и деления. Для других инструкций регистр В может рассматриваться как дополнительный сверхоперативный регистр.Регистр состояния программы. Регистр PSW содержит информацию о состоянии программы.Указатель стека SP. 8-битовый регистр, содержимое которого инкрементируется перед записью данных в стек при выполнении команд PUSH и CALL. При начальном сбросе указатель стека устанавливается в 07Н, а область стека в ОЗУ данных начинается с адреса 08Н. При необходимости путем переопределения указателя стека область стека может быть расположена в любом месте внутреннего ОЗУ данных микроЭВМ. Указатель данных. Указатель данных (DPTR) состоит из старшего байта (DPH) и младшего байта (DPL). Содержит 16-битовый адрес при обращении к внешней памяти. Может использоваться как 16-битовый регистр или как два независимых восьмибитовых регистра.

Порт0-ПортЗ. Регистрами специальных функций Р0, Р1, P2, РЗ являются регистры-"защелки" соответственно портов Р0, Р1, P2, РЗ.

Буфер последовательного порта. SBUF представляет собой два отдельных регистра: буфер передатчика и буфер приемника. Когда данные записываются в SBUF, они поступают в буфер передатчика, причем запись байта в SBUF автоматически инициирует его передачу через последовательный порт. Когда данные читаются из SBUF, они выбираются из буфера приемника.

Регистры таймера. Регистровые пары (TH0,TL0) и (TH1.TL1) образуют 16-битовые регистры соответственно таймера/счетчика 0 и таймера/счетчика 1.

Регистры управления. Регистры специальных функций IP, IE, TMOD, TCON, SCON и PCON содержат биты управления и биты состояния системы прерываний, таймеров/счетчиков и последовательного порта.

ОМЭВМ при функционировании обеспечивает:

- минимальное время выполнения команд сложения - 1 мкс;

- аппаратное умножение и деление с минимальным временем выполнения команд умножения/деления - 4 мкс

В ОМЭВМ предусмотрена возможность задания частоты внутреннего генератора с помощью кварца, LC-цепочки или внешнего генератора.

Архитектура семейства МК51 несмотря на то, что она основана на архитектуре семейства МК48, все же не является полностью совместимой с ней. В новом семействе имеется ряд новых режимов адресации, дополнительные инструкции, расширенное адресное пространство и ряд других аппаратных отличий. Расширенная система команд обеспечивает побайтовую и побитовую адресацию, двоичную и двоично-десятичную арифметику, индикацию переполнения и определения четности/нечетности, возможность реализации логического процессора.

Важнейшей и отличительной чертой архитектуры семейства МК51 является то, что АЛУ может наряду с выполнением операций над 8-разрядными типами данных манипулировать одноразрядными данными. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены или заменены их дополнением, могут пересылаться, проверяться и использоваться в логических вычислениях.

Тогда как поддержка простых типов данных (при существующей тенденции к увеличению длины слова) может с первого взгляда показаться шагом назад, это качество делает микроЭВМ семейства МК51 особенно удобными для применений, в которых используются контроллеры. Алгоритмы работы последних по своей сути предполагают наличие входных и выходных булевых переменных, которые сложно реализовать при помощи стандартных микропроцессоров. Все эти свойства в целом называются булевым процессором семейства МК51. Благодаря такому мощному АЛУ набор инструкций микроЭВМ семейства МК51 одинаково хорошо подходит как для применений управления в реальном масштабе времени, так и для алгоритмов с большим объемом данных.

Сравнительные данные микросхем приведены в таблице 1.3.2.2

Таблица 1.3.2.2

Сравнительные данные ОМЭВМ семейства МК51

Микросхема	Объем внутренней памяти программ, Кбайт	Тип памяти	Объем внутренней памяти данных, байт	Максимальная частота тактовых сигналов, МГц	Потребляемый ток, мА
КР1816ВЕ31	-	Внеш.	128	12	150
КР1816ВЕ51	4	ПЗУ	128	12	150
КР1816ВЕ751	4	ППЗУ	128	12	220
КР1830ВЕ31	-	Внеш	128	12	18
КР1830ВЕ51	4	ПХУ	128	12	18

В качестве диодов VD1 ÷ VD4, VD5 ÷ VD8 выберу диод типа КД202В, имеющий параметры: U_{обр max (диода)} = 70 В, I_{ср. пр} _(диода)= 5 А, I_{пр max} _(диода)= 5 А, U_{пр (диода)}= 0,9 В.

Выберу конденсаторы из ряда Е24:

С1, С2 – К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.

С3 – К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.

С4 – К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.

C5, C6 – КТ4-21-100 В – 20 пФ±20%;

C7 - К-50-31- 40 В- 10 мкФ ±20%;

C8 – К-53-1- 30 В- 0.1 мкФ ±20%;

C9 - К-53-25- 40 В- 2.2 мкФ ±20%;

C10 – К-53-25- 40 В- 4.7 мкФ ±20%.

В качестве трансформатора выберу трансформатор ТПП321 – 200,0 на стержневом сердечнике ПЛМ 27х40х58, имеющий параметры

S_н = 200 ВА; U₁ = 127/220 В; I₁ = 2.03/1.15 А; I₂ = 4 А; f = 50 Гц.

В качестве обмоточных проводов выберу провода ПЭВТВ-2 с диаметрами 0.8 мм и 0.21 мм.

В качестве транзисторов VT3 и VT6 выберу транзисторы КТ827А(n-p-n). Параметры транзистора: Iк max=20 А, Uкэ max=90 В, Рк maxт=125 Вт, h_21Э=750, I_КБО≤1mА, Тпер max=150 ˚С, Тпер max=125 ˚С

В качестве транзисторов VT1 – VT2 выберу транзистор КТ315Д (n-p-n).

Параметры транзистора: Iк max=100 mА, Uкэ max=40 В, Рк max=0.15 Вт, h_21Э ≥ 20, I_КБО≤ 1 mА, Тпер max=120 ˚С, I_ЭБО< 30 мкА

Из ряда Е24 выберу резисторы:

R1 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;

R2 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;

R3 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;

R4 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;

R5 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;

R6 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.

R8, R13– МЛТ - 0.125- 910 Ом ±5%

R9, R14– МЛТ - 0.125- 20 кОм ±5%.

R10, R15– МЛТ - 0.125-4.3 кОм ±5%.

R11, R16 – МЛТ - 0.125-360 Ом ±5%.

R12, R17– МЛТ - 0.125 - 20 Ом ±5%.

R18 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;

R19 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;

R20 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;

R21 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;

R22 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;

R23 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.

R24 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;

R25 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;

R26 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;

R27 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;

R28 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;

R29 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.

R30 – МЛТ - 0.125- 8.2 кОм ±5%;

R31, R32, R33, R34 – МЛТ – 0.125- 4.3 кОм ±5%.

R35, R36, R37 – МЛТ – 0.125- 220 Ом ±5%.

R38 – МЛТ - 0.125- 1.6 кОм ±5%;

R39 – СП-2-2а - 0.5 - 22 кОм ±10%;

В качестве диодов VD9 ÷ VD12 выберу диоды типа КД213А имеющие параметры: U_{обр max (диода)} =200 В, I_{ср. пр} _(диода)=1.5 А, I_{пр max} _(диода)=10 А, U_{пр (диода)}= 1В, частотный рабочий диапазон равен 50 кГц.

Исходя из параметров в качестве ключей выберу двухконтактное реле РЭС-22 типа РФ 4.500.130

В качестве транзисторов VT7 – VT8 выберу транзисторы типа КТ502А с параметрами: I_к_max=150 мА; U_кэ_max= 25 В; U_{кэ нас}= 0,6 В; P_к_max = 350 мВт; β= 120.

Описание принципа действия

Разработанное устройство поддерживает два режима работы:

1) нормальный режим работы – нагрузка получает питание непосредственно от сети 220В;

2) аварийный режим работы - нагрузка получает питание от источника бесперебойного питания в случае, если напряжение сети отсутствует или менее значения нижнего предела напряжения сети.

Нормальный режим работы системы резервного электропитания:

В нормальном режиме напряжение на выходе выпрямителя больше, чем напряжение с выхода аккумулятора, поэтому напряжение на выходе компаратора 1 равно +5В, что соответствует высокому уровню сигнала (лог.1) для блока управления.

В качестве блока управления используется однокристальный микроконтроллера семейства МК51 (К1816ВЕ751). Состояние лог.1 соответствует нормальному режиму работы системы резервного электропитания, а значит, блок управления формирует управляющие сигналы для ключ 1 и 2 при которых ключ 1 – замкнут), напряжение сети подается на нагрузку), а ключ 2 – разомкнут (аккумулятор отключен от инвертора).

В этом режиме происходит заряд аккумулятора, а питание микросхем устройства осуществляется от стабилизатора подключенного к аккумулятору.

Состояние сигналов на выходе компаратора 2 и 3 равно +5 В и 0 В и в данном случае блоком управления не обрабатывается.

Аварийный режим работы системы резервного электропитания:

В аварийном режиме напряжение на выходе выпрямителя меньше, чем напряжение с выхода аккумулятора, поэтому напряжение на выходе компаратора 1 равно 0 В, что соответствует низкому уровню сигнала (лог.0) для блока управления.

Состояние лог.0 соответствует аварийному режиму работы системы резервного электропитания, а значит, блок управления формирует управляющие сигналы для ключ 1 и 2 при которых ключ 1 – разомкнут (сеть отключена от нагрузки), а ключ 2 – замкнут (аккумулятор подключен к инвертору).

Так же блок управления формирует управляющие импульсные сигналы длительностью 45 мкс для ключей инвертора и включает индикатор “Аварийный режим”.

В этом режиме напряжение аккумулятора преобразуется инвертором в переменное напряжение 220 В, а питание микросхем устройства осуществляется от стабилизатора подключенного к аккумулятору.

Состояние выходов компараторов 2 и 3 отслеживается блоком управления.

В случае, если напряжение на аккумуляторе становится меньше, чем заданное опорное Uоп2, то на выходе компаратора 2 формируется лог.0 (0 В), который соответствует режиму разряженного аккумулятора (напряжение аккумулятора меньше допустимого значения) и блок управления включает индикатор “Аккумулятор разряжен”.

При появлении напряжения на выходе инвертора его пониженное значение сравнивается с фиксированным значением Uоп3. При соответствии выходного напряжения системы резервного электропитания значению 220 В на выходе компаратора 3 устанавливается лог.1 (+5В). В случае если напряжение на выходе инвертора становится меньше - вырабатывается управляющий сигнал (лог.0), который соответствует режиму при котором система резервного электропитания не обеспечивает заданное значение на выходе источника (напряжение источника меньше допустимого значения) и блок управления включает индикатор “Смените источник питания”.

При восстановлении напряжения сети системы резервного электропитания опять переходит в режим нормальной работы.

5. Конструкторско-технологический раздел

5.1 Разработка печатной платы

Печатные платы представляют собой диэлектрическую пластину с нанесенным на нее токопроводящим рисунком (печатным монтажом) и отверстиями для монтажа элементов.

При конструировании РЭА на печатных платах используют следующие методы:

1.Моносхемный применяют для несложной РЭА. В том случае вся электрическая схема располагается на одной ПП. Моносхемный метод имеет ограниченное применение, так как очень сложные ПП неудобны при настройке и ремонте РЭА. Недостаток – сложность системы соединительных проводов, связывающих отдельные платы.

2.Функционально-узловой метод применяют в РЭА с использованием микроэлектронных элементов. При этом ПП содержит проводники коммутации функциональных модулей в единую схему. На одной плате можно собрать очень сложную схему. Недостаток этого метода – резкое увеличение сложности ПП. В ряде случаев все проводники не могут быть расположены на одной и даже обеих сторонах платы. При этом используют многослойные печатные платы МПП, объединяющие в единую конструкцию несколько слоёв печатных проводников, разделённых слоями диэлектрика. В соответствии с ГОСТом различают три метода выполнения ПП:

3.ручной;

4.полуавтоматизированный;

5.автоматизированный;

Предпочтительными являются полуавтоматизированный, автоматизированный методы.

Метод металлизации сквозных отверстий применяют при изготовлении многослойных печатных плат. Заготовки из фольгированного диэлектрика отрезают с припуском 30 мм на сторону. После снятия заусенцев по периметру заготовок и в отверстиях, поверхность фольги защищают на крацевальном станке и обезжиривают химически соляной кислотой в ванне. Рисунок схемы внутренних слоёв выполняют при помощи сухого фоторезиста.

При этом противоположная сторона платы должна не иметь механических повреждений и подтравливания фольги. Базовые отверстия получают высверливанием на универсальном станке с ЧПУ. Ориентируясь на метки совмещения, расположенные на технологическом поле. Полученные заготовки собирают в пакет.

Перекладывая их складывающимися прокладками из стеклоткани, содержащими до 50% термореактивной эпоксидной смолы. Совмещение отдельных слоёв производится по базовым отверстиям. Прессование пакета осуществляется горячим способом. Приспособление с пакетами слоёв устанавливают на плиты пресса, подогретые до 120…130° С. Первый цикл прессования осуществляют при давлении 0,5 МПа и выдержке15…20 минут. Затем температуру повышают до 150…160° С, а давление – до 4…6 МПа. При этом давлении плата выдерживается из расчёта 10 минут на каждый миллиметр толщины платы. Охлаждение ведётся без снижения давления. Сверление отверстий производится на универсальных станках с ЧПУ СМ-600-Ф2.

В процессе механической обработки платы загрязняются. Для устранения загрязнения отверстия подвергают гидроабразивному воздействию. При большом количестве отверстий целесообразно применять ультразвуковую очистку. После обезжиривания и очистки плату промывают в горячей и холодной воде. Затем выполняется химическую и гальваническую металлизации отверстий. После этого удаляют маску.

Механическая обработка по контуру, получение конструктивных отверстий осуществляют на универсальных, координатно-сверлильных станках. Выходной контроль осуществляется автоматизированным способом на специальном стенде, где происходит проверка работоспособности платы, т.е. её электрических параметров. Затем идет операция гальванического осаждения меди.

Операция проводиться на автооператорной линии АГ-44. На тонкий слой осаждается медь до нужной толщины. После этого производится контроль на толщину меди и качество её нанесения. Далее производиться обработка по контуру печатной платы. В этой операции удаляется ненужный стеклотекстолит по краям платы и подгонка до требуемого размера. Затем методом сеткографии производиться маркировка печатной платы. Весь цикл производства печатных плат заканчивается контролем платы. Здесь используется автоматизируемая проверка на специальных стендах.

5.2 Компоновка проектируемого устройства

Процесс компоновки элементов проектируемой мной светодиодной информационной панели можно подразделить на несколько этапов:

Функциональная компоновка - это размещение и установка функциональных элементов на печатных платах с учетом функциональных и энергетических требований, а также плотности компоновки и установки элементов, плотности топологии печатных проводников. Функциональная компоновка проводится для определения основных размеров печатной платы, выбора способов ее проектирования и изготовления. Прежде чем приступить к изготовлению печатной платы, нужно сделать её рисунок, т.е. скомпоновать все радиоэлементы и микросхемы.

Компоновка устройства подразумевает под собой примерное расположение на печатной плате радиоэлементов и микросхем, входящих в состав устройства. Для определения положения элементов на плате в первую очередь делают рисунок платы в соответствии с заданными габаритами устройства, далее компонуются все радиоэлементы и микросхемы на рисунке в соответствии с их реальными размерами.

После расположения радиоэлементов и микросхем наносятся отверстия для контактных площадок и отверстия для крепления печатной платы в корпусе устройства.

Заключительным этапом является проведение соединительных линий (печатных проводников) в соответствии с принципиальной схемой устройства.

Внутренняя компоновка - заключается в размещении входящих в состав нашего устройства блоков внутри его корпуса с учетом требований удобства сборки, контроля, ремонта, механического и электрического соединения, требований по обеспечению оптимального теплового режима и эргономики.

Внешняя компоновка - это компоновка устройства в конструкциях старшего уровня, например в составе рабочего места студента, при этом, прежде всего, учитываются эргономические требования. К эргономическим критериям компоновки разрабатываемой нами приставки относятся: эффективность работы и сохранение здоровья в процессе эксплуатации.

Для определения размеров печатной платы произведу расчёты по определению площади каждого элемента:

5.3 Поиск и устранение неисправностей

Существует несколько способов отыскания неисправностей. Выбор того или иного способа зависит от назначения устройства и особенностей схемы. Поэтому от техника-электроника требуется хорошее знание, как минимум принципиальной схемы и конструкции ремонтируемого устройства.

Все неисправности любого радио электрического устройства можно подразделить на механические и электрические.

К механическим неисправностям относятся неисправности в механических узлах устройства (для моего случая, к данному типу неисправностей можно отнести выход из строя переключателей входящих в состав блока задания исходной информации и блок индикации).

К электрическим неисправностям относятся такие, которые приводят к изменению электрического сопротивления цепей (например, к обрыву цепи), Значительному увеличению сопротивления, значительному уменьшению его или короткому замыканию. Для моего учебного стенда к таким неисправностям можно отнести: выход из строя резисторов, микросхем, и т. п.

При поиске неисправностей радиоэлектричекого устройства применяют пять способов:

1) Внешний осмотр позволяет выявить большинство механических неисправностей, а также некоторые электрические. Внешним осмотром проверяется качество сборки и монтажа. При проверке качества сборки вручную следует проверить механическое крепление отдельных узлов, таких как переключатели, переменные резисторы, штепсельные соединения (разъемы). В случае нарушения крепления оно восстанавливается. Внешним осмотром проверяют также качество электрического монтажа. При этом выявляют целостность соединительных проводников, наличие затеков припоя, которые могут привести к коротким замыканиям между отдельными участками схемы, обнаруживают провода с нарушенной изоляцией, проверяют качество паек и т. п. Внешним осмотром можно убедиться в правильности номиналов резисторов и конденсаторов (блока питания), выявить дефекты отдельных элементов (обрыв выводов, резисторов, механическое повреждение керамических конденсаторов и другие).

Внешний осмотр, как правило, делают при отключенном питании аппаратуры. При его проведении особое внимание необходимо обращать на то, чтобы в монтаж не попали случайные предметы, которые при включении устройства могут вызвать короткое замыкание.

Внешним осмотром можно выявить неисправный светоэлемент (по яркости свечения), резисторов (по изменению цвета или обугливанию поверхностного слоя) и других элементов.

Во включенном состоянии можно определить перегрев трансформаторов, электролитических конденсаторов, полупроводниковых элементов. Появление запахов от перегретых обмоток, резисторов, пропиточного материала трансформаторов также сигнализирует о наличии неисправностей в схеме устройства. О неисправности может свидетельствовать и изменение частоты или тона звуковых колебаний воздушной среды, вызываемых работой трансформаторов и других элементов, которые обычно либо вообще не слышны во время работы, либо имеют звучание другого тона.

Для проверки отсутствия коротких замыканий используют омметр. В качестве опорной точки чаще всего принимают плюс или минус источника питания. Иногда входе осмотра возникает сомнение в исправности отдельных элементов. Тогда следует выпаять элемент и проверить его исправность более тщательно.

2) Способ промежуточных измерений – заключается в последовательной проверке прохождения сигнала от блока к блоку до обнаружения неисправного участка.

3) Способ исключения – заключается в последовательном исключении исправных узлов и блоков.

4) Способ замены отдельных элементов, узлов или блоков на заведомо исправные, широко используется при ремонте радио электрических устройств. Например, можно заменить элемент (транзистор, трансформатор, микросхему) или блок на заведомо исправный и убедиться в наличии неисправности на этом участке.

5) Способ сравнения – заключается в сравнении параметров неисправного аппарата с параметрами исправного аппарата того же типа или марки.

Использование того или иного способа поиска неисправности зависит от способностей схемы устройства.

6. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

В связи с недостатками технической части аналогичных приборов существующих в настоящее время должен быть получен технико-экономический эффект разработки. Экономические показатели должны быть улучшены за счет применения новейших микросхем. В данном разделе будет произведен расчет затрат на разработку, изготовление и обслуживание разработанного устройства, а также получены точные цифры эффективности, отпускной цены и других важных экономических показателей проекта, что позволит сделать вывод о целесообразности разработки.

6.1 Определение себестоимости источника бесперебойного питания

6.1.1 Определение этапов выполнения научно-исследовательской работы и их трудоемкости

Научно-исследовательская работа включает в себя все стадии необходимые для разработки устройства, начиная с идеи и исходных данных и заканчивая созданием опытного образца и документации необходимой для производства изделия. При разработки устройства регистрации были проведены следующие этапы работы.

1. Подготовительный этап - подбор и изучение научно-технической литературы и других справочных материалов; обобщение опыта, анализ вопроса;

2.Теоретическая проработка темы - разработка схем и теоретических обоснований, составление расчетов и проектов, изыскание новых материалов.

3.Проектирование, изготовление макета и средств испытания.

4.Эксперементальные работы и испытания– проведение экспериментальных работ и испытаний по теоретическим разработкам схемы.

5.Доработка и корректировка схемы по результатом испытаний– внесение исправлений в разработанные схемы расчет проведенных испытаний.

6.Технический отчет– обобщение результатов работы, составление и представление технического отчета с определением экономической эффективности разрабатываемого изделия.

7.Сдача опытного образца и технической документации –сдача готового изделия и всей технической документации.

Исходя из времени отведенного на разработку дипломного проекта – 2,5 – 3 месяца, рассчитаем эффективный фонд времени, затраченный на проектирование. Количество времени, необходимого для выполнения данных этапов НИР определяем исходя из эффективного годового фонда времени при работе в одну смену при восьмичасовом рабочем дне.

=2015 час.; t_См = 8 час.; К_См = 1 - количество смен в сутки.

Тогда = (2015/12)*3 = 504 час. - общее эффективное время, затраченное на выполнение работ по технологической подготовке производства. Определяем длительность этапов работ и строим сетевой график этих работ (Табл.4.1).

Таблица 4.1.

Определение длительности цикла ТПП.

№	Наименование этапов	Исполнитель	Кол-во чел.	Цикл, Тэт, час	Tц
1	Подготовительный этап

	Инженер-разработчик	1	50
2	Теоретическая проработка	Инженер-разработчик	1	50
3	Проектирование, изготовление макета и средств испытания	Инженер-разработчик	1	180
4	Экспериментальные работы и испытания	Инженер- разработчик	1	50
5	Доработка и корректировка схемы по результатам испытаний	Инженер- разработчик	1	44
6	Технический отчёт	Инженер-разработчик	1	90
7	Сдача опытного образца и технической документации заказчику	Инженер- разработчик	1	50
	Тц, час 504 часа

6.1.2 Определение затрат на основные и вспомогательные материалы

Стоимость основных и дополнительных материалов, расходуемых на изготовление разрабатываемого устройства, определяется на основе норм расхода каждого вида материалов и цен. Результаты расчета затрат проведены в таблице 4.2.

Расход материалов произведем исходя из размера печатной платы, которая имеет размер 100*230мм. Таким образом площадь платы составит S = 100 мм * 230 мм = 230 см². Количество паек в изделии составляет 193.

Таблица 4.2.

Затраты на основные и вспомогательные материалы.

Наименование материалов	ед. изм.	Цена за ед. (руб.)	Норма расхода на см2	Норма расхода на одно изделие	Сумма (тыс. руб.)
1. Стеклотекстолит	см²	75000	0,0008 на см²	0,1728	12,96
2. Припой, ПОС 61	кг	25000	0,00005 на пайку	0,0416	1,0388
3. Флюс, ФЗ	кг	8000	0,0003 на см²	0,0648	0,518
4. Спирт этиловый технический	кг	5000	0,0003 на см²	0,0648	0,324
5. Лак	кг	7000	0,0005 на см²	0,108	0,756
6. Канифоль	кг	8000	0,0002 на см²	0,0432	0,345,6
Итого: 15,943

В результате получили З_{вспом и осн}=15,943 тыс. руб.

6.1.3 Определение затрат на комплектующие и полуфабрикаты

В этом пункте произведем расчет затрат на комплектующие изделия, которые входят в состав изготавливаемого устройства. Расчет стоимости комплектующих сведем (Табл. 4.3).

Таблица 4.3.

Стоимость комплектующих и полуфабрикатов.

№	Наименование комплектующих	Кол.	Цена за единицу (без НДС), тыс. руб.	Сумма затрат, тыс. руб.
1	Микросхемы
	PIC16F84	1	30,6	30,6
	KP140УД1208	3	1,1	3,3
	LM7805	1	0,8	0,8
2	Кварцевый резонатор	1	0,7	0,7
3	Конденсаторы	10	0,26	2,6
4	Резисторы	32	0,2	6,4
5	Транзистор	7	0,3	2,1
6	Диод	16	0,4	6,4
Итого: 52,9

Расход комплектующих составили согласно перечню элементов, прилагаемому к принципиальной схеме разработанного устройства. Включение в состав себестоимости материалов и других материальных ресурсов производится по ценам без НДС.

Затраты на комплектующие и полуфабрикаты составили

З_компл=52,9тыс. руб.

Общие материальные затраты на единицу изделия составили:

З_{мат.общ.=}З_{вспом и осн.}+ З_компл.=15,943+52,9=68,843 тыс. руб.

6.1.4 Определение транспортно-заготовительных расходов

Учитываются расходы (без НДС) по доставке сырья и вспомогательных материалов от поставщиков и снабженческих баз, уплаченные сторонним организациям, а также уплаченные снабженческо-сбытовые надбавки (наценки, затраты на приёмку и складирование). Эти расходы могут включаться отдельно по расчету, пропорционально израсходованному по нормам сырью, или при поступлении сырья и материалов; сразу относятся на учётную стоимость основного сырья и вспомогательных материалов.

В данной дипломной работе затраты по этой статье исчисляются в размере 2-5% от З_{мат.общ.}:

З_т.з.р.= З_{мат.общ.}* 5%;

З_т.з.р.=68,843*0,05=4,473 тыс. руб.

6.1.5 Определение затрат на электроэнергию

Рассчитываем исходя из расхода электроэнергии по суммарной установленной мощности оборудования, эффективного годового фонда времени работы оборудования (Fэф в часах), коэффициента спроса потребителей электроэнергии (Кс), стоимости одного кВт*час электроэнергии для производственных целей. Примем Кс=0.75.

Расход электроэнергии:

Рэл=Wу*Кс* Fэф *nоб

Wу – суммарная установленная мощность оборудования, кВт;

nоб – количество единиц однотипного оборудования, шт;

Fэф - эффективного фонд времени работы оборудования час;

Для разработки достаточного одной единицы оборудования, то есть nоб = 1.

Затраты на расход электроэнергии однотипного оборудования будут равны:

Зэл=Рэл*Цэл

Цэл – стоимость одного кВт*час электроэнергии для производственных целей, руб

Расчёт представим в виде ( Табл. 4.4).

Таблица 4.4.

Затраты на электроэнергию.

Наименование оборудования	Мощность кВт	Кс	Fэф, час	Цэл, тыс.руб.	Рэл, кВт*год	Зэл, тыс.руб
1. Компьютер персональный	0,15	0,75	480

Наименование

оборудования

Мощность

кВт

Кс

Fэф,

час

Цэл,

тыс.руб.

Рэл,

кВт*год

Зэл, тыс.руб

1. Компьютер персональный

0,15

0,75

480

	0,08	54	4,32
2.Программатор	0,08	0,75	30	0,08	1,8	0,144
3.Лампа осветительная	0,06	0,75	240	0,08	10,8	0,864
4.Паяльник	0,04	0,75	240	0,08	7,2	0,576
5. Осциллограф	0,09	0,75	60	0,08	4,05	0,324
Итого 6,288

Таким образом Зэл =6,288 тыс. руб.

6.1.6 Определение затрат на оплату труда

В данном пункте оплата ведётся по фонду эффективного времени, затраченному на разработку устройства регистрации. Применим повременную форму оплаты труда. Количество разработчиков – 1, тарификация по 12-му разряду.

Затраты на оплату труда равны:

Зопл.тр.=Зосн+Здоп

Зосн – из часовой ставки тарифного разряда;

Здоп – примем 30% от Зосн.

Определим Зосн для 12-го разряда:

Зосн₁₂=С*к₁₂*Фэф *Kд

где С – часовая тарифная ставка первого разряда = 28000 руб / 168 часов эффективный (полезный) фонд рабочего времени (в месяце);

Фэф - эффективный фонд рабочего времени научно-исследовательской работы =504 час;

к₁₂ – тарифный коэффициент 12-го разряда, к₁₂= 2,84;

С*к₁₂ – часовая тарифная ставка 12-го разряда тыс.руб.;

Kд = 1,5;

Зосн =28000/168*2,84*504*1,5=357840руб.

Определим дополнительную заработную плату:

Здоп = Зосн*30% =357840*0,3=107352руб.

Затраты на оплату труда равны:

Зопл.тр. =107352+357840=465192руб

6.1.7 Определение расходов на социальные нужды

В соответствии с законом РБ в данной статье затрат отражаются отчисления в Фонд социальной защиты в размере 35%.

Зотч. = Зопл.тр.*35%=465192*0,35=162817,2руб.

6.1.8 Определение общепроизводственных расходов

К ним относятся расходы на оплату труда аппарата управления и прочего персонала, отчислениями на социальные нужды, амортизации, затраты на содержание, текущий ремонт зданий, сооружений и инвентаря, затраты на мероприятия по охране труда и другие расходы (без НДС), предусмотренные основными положениями по составу затрат.

Общепроизводственные расходы распределяются по видам выпускаемой продукции пропорционально расходам по оплате труда производственных рабочих или объёму произведённой продукции. По данной статье в данной работе общепроизводственные расходы составляют 70% от заработной платы рассчитанной в пункте 5.1.6.

Зобщ.пр. = Зопл.тр.*70 % 465192*0,7 = 325634руб;

6.1.9 Определение общехозяйственных расходов

В статью общехозяйственных расходов относятся затраты, связанные с управлением и организацией в целом: расходы на командировки, канцелярские расходы, расходы по противопожарной и сторожевой охране и других расходов (без НДС), предусмотренных основными положениями по составу затрат и особенностями затрат при разработке.

Также включаются налоги, сборы и отчисления в бюджет, государственные и целевые бюджетные фонды и другие отчисления, в соответствии с действующими нормативными актами.

Затраты по данной статье принимаем 100% от заработной платы рассчитанной в п. 5.1.6.

Общехозяйственные расходы составляют:

Зобщ.хоз.= Зопл.тр.*100% =465192*1=465192 руб.

6.1.10 Определение прочих производственных расходов

Прочие производственные расходы рассчитываются как 5% от суммы расходов рассчитанных в пунктах 1.1.2 - 1.1.9.

Зпроч.=(Змат.общ. + Зт.з.р. + Зэл + Зопл.тр. + Зотч. + Зобщ.пр. + Зобщ.хоз.)*5%=(68843+4473+6288+465192+162817,2+325634+465192) *0,05=74921руб.

6.1.11 Производственная себестоимость

Производственная себестоимость определяется как сумма затрат пунктов 5.1.2 - 5.1.10.

Сп = Змат.общ. + Зт.з.р. + Зэл + Зопл.тр. + Зотч. + Зобщ.пр. + Зобщ.хоз. + Зпроч.= 68843+4473+6288+558230.4+223292+390761.3+558230.4+74921=

=1573361,58тыс. руб.

6.1.12 Определение коммерческих расходов

Коммерческие расходы отражают затраты, связанные со сбытом (реализацией) продукции: упаковкой, хранением, погрузкой в транспортные средства, рекламой, включая участие в выставках, ярмарках, выставках-продажах и т.п., а также других расходах по сбыту продукции.

Затраты по данной статье примем 10% от производственной себестоимости:

Зком.р.=Сп*10%

Зком.р.= 1573,362* 10% =157,336тыс. руб.

6.1.13 Определение полной себестоимости опытного образца

Полная себестоимость разработки равна сумме производственной себестоимости и затрат на коммерческие расходы:

Сполн = Спр + Зком.р.

Сполн = 1573,362+157,336=1730,698тыс. руб.

6.2 Определение свободной отпускной цены

Калькуляция готовой продукции – это расчёт затрат в денежном выражении приходящихся на единицу продукции или на объём выполненных работ в разрезе статей калькуляции. Определение себестоимости единицы продукции необходимо для расчётов рентабельности отдельных её видов, для установления цен на продукцию, для организации коммерческого расчёта. Калькуляции могут быть: сметные, плановые и отчётные. Сметные составляются на новые виды продукции, на основе проектных норм расхода ресурсов. Плановые учитывают конкретные условия планового периода. Отчётные калькуляции отражают фактические затраты на производство и реализацию продукции.

Также необходимо рассчитать:

Прибыль – 10% от производственной себестоимости;

Отчисления в целевые фонды (МЦФ) – полная себестоимость*2,5/(100-2.5);

Отчисления в фонд поддержки производителей с/х продукции и дорожный фонд (РЦФ) – (полная себестоимость + отчисления в целевые фонды (МЦФ) * 2/(100-2).

Все показатели приведем ( Табл.4.5).

6.3 Определение годовых эксплуатационных расходов

В настоящее время потребителю электронной техники необходимо знать сумму годовых расходов на эксплуатацию, для того чтобы сравнить с имеющимися у него видами электронной техники и тем, что предлагает производитель. Произвести оценку экономической эффективности на данных видах расходов. В состав годовых эксплуатационных расходов входят следующие статьи затрат:

затраты на электроэнергию;

зарплата обслуживающего персонала;

амортизационные отчисления;

затраты на текущий ремонт и техобслуживание;

расходы на материалы связанные с эксплуатацией.

Таблица 4.5.

Калькуляция свободной отпускной цены.

№	Наименование показателей	Cумма, тыс. руб.
1	Сырьё и материалы	89,453
2	Энергия на производственные цели	5,612
3	Транспортно-заготовительные расходы	4,473
4	Затраты на оплату труда	465,192
5	Отчисления на социальные нужды	162,8172
6	Общепроизводственные расходы	325,634
7	Общехозяйственные расходы	465,192
8	Прочие производственные расходы	74,921
9	Производственная себестоимость	1573,362
10	Коммерческие расходы	157,336
11	Полная себестоимость	1730,698
12	Прибыль (10%)	173,07
13	Оптовая цена	1903,788
14	Отчисления в целевые фонды (МЦФ)	44.38
15	Отчисления в фонд поддержки производителей с/х продукции и дорожный фонд (РЦФ)	36.23
16	Отпускная цена без НДС	1984,398
17	НДС	396,88

Отпускная цена с НДС

2381,278

Применительно к устройству регистрации на материалы связанные с эксплуатацией расчету не подвергнуться, так как устройство в них не нуждается.

Затраты на электроэнергию

Эти затраты рассчитываются исходя из потребляемой мощности устройства и времени его работы:

Зэл.р=М*Ф*Цэ =0,02*2015*80=3224 руб.

Зэл.ан.=0,03*2015*80= 4836 руб.

М – потребляемая мощность прибора, кВт

Цэ – стоимость 1кВт×час энергии, руб.

Ф – годовой эффективный фонд времени работы прибора, час.

Зарплата обслуживающего персонала

Для обслуживания устройства регистрации достаточно одного оператора. Определим его заработную плату:

Зобс.п.= N*Lt*Fo*K =1*120*2015*1,7=411060 руб.

N – количество операторов, обслуживающих прибор, чел. N=1;

Lt – cредняя часовая тарифная ставка работника, руб. Lt=120руб;

Fo – эффективный годовой фонд времени работы одного работника, час.

К – коэффициент учитывающий дополнительную зарплату.

Амортизационные отчисления.

Затраты на амортизацию рассчитаем исходя из капитальных вложений равных цене модуля:

Зам.р= (К*На)/100 =132242*0,2=26448,4 руб.

Зам.ан=150455*0,2=30091 руб.

К – соответствующие капитальные вложения, руб.

На – норма амортизации, %. Рассчитываем исходя из полезного срока эксплуатации изделия.

На=

Затраты на текущий ремонт и техобслуживание.

Зр=(tp*Ср*к+Ц*Nэ)*tг/tо

tp – среднее время ремонта, час;

Ср – средняя часовая ставка ремонтного работника, руб;

к – коэффициент доплат и отчислений;

Ц – средняя стоимость одного заменяемого элемента, руб;

Nэ – кол-во элементов, заменяемых за один отказ изделия, шт;

tг – годовая наработка изделия, ч/год;

tо – наработка на отказ, час.

Зр.р=(3,5 * 474 * 1,2 + 734 * 2) * 2015 / 10000 = 696,95 руб.

Зр.ан=(3,5*474*1,2+800*2)*2015/10000= 723,55 руб.

Эксплуатацию расходов по проектируемому устройству сведем в Табл. 4.6.

Таблица 4.6.

Эксплуатационные расходы.

№	Статьи затрат	Сумма затрат руб.
		Разрабатываемое устройство	Аналог
1.	Затраты на электроэнергию	3224	4836
2.	Зарплата обслуживающего персонала	411060	411060
3.	Амортизационные отчисления	26448,4	30091
4.	Затраты на текущий ремонт и техобслуживание	696,95	723,55
Итого:		441429,35	446710,55

6.4 Основные технико-экономические показатели спроектированного прибора

Таблица 4.7.

Технико-экономические показатели спроектированного прибора.

№

Показатели

Ед.изм.

Значение показателя

Технические:

Разрабатыв. устроцство

Аналог

Рабочая частота

МГц

0…4

Максимальное выходное сопротивление ЭМД не более

МГц

Питание микросхем

Эксплуатационные:

Питание от сети

220

Частота сети

Гц

	Экономические:
6	Затраты на изготовление	тыс.руб	1730,698	1845,365
7	Отпускная цена без НДС	тыс.руб	1984,398	2486,236
8	Отпускная цена с НДС	тыс.руб	2381,278	2564,582
9	Годовые эксплуатационные расходы	тыс.руб	441,429	446,71

7. Охрана труда

При выполнения монтажных, слесарных и столярных работ приходится иметь дело и с высоким, и с острыми и быстро вращающимися инструментами или звеньями механизмов, и с агрессивными химическими веществами.

Для предохранения от поражения высоким напряжением запрещается выполнять электромонтажные работы в работающей радиоаппаратуре. Снятие статического заряда обеспечивается применением заземляющего браслета. Можно использовать обычный металлический браслет от часов, соединённый с проводом заземления через резистор сопротивлением 1 МОм.

При работе с электрическим паяльником надо соблюдать следующие правила:

Периодически проверять омметром отсутствие замыкания между корпусом паяльника и нагревательным элементом. Такое замыкание может стать причиной поражения током и порчи припаиваемых элементов. Поэтому рекомендуется работать с паяльником, жало которого заземлено.
Использовать устойчивую подставку для паяльника, что предохранит его от падения, а работающего от ожогов.
Ни в коем случае не выполнять пайку в работающем устройстве, так как случайное замыкание может вывести устройство из строя и быть причиной травмы.

При работе со слесарными инструментами надо быть внимательным и аккуратным, чтобы не пораниться резаком, напильником, лобзиком, сверлом или обрабатываемой деталью. Для этого необходимо:

Надёжно зажать сверло в патроне дрели специальным ключом.
Просверливаемую деталь надёжно закреплять, иначе она в конце сверления может начать вращаться вместе со сверлом.
Вырубание фасонных отверстий надо выполнять обязательно на массивной металлической подставке.
При работе с резаками обязательно подкладывать под разрезанный лист фанерную прокладку, чтобы не повредить пол.

При работе с химическими веществами следует строго соблюдать все рекомендации по растворению, смешиванию, последовательности выполнения операций и температурному режиму. Работать необходимо в халате , а в отдельных случаях – в перчатках и защитных очках. Прежде всего необходимо оберегать глаза, губы и слизистые оболочки носа и горла, которые наиболее чувствительны к воздействию химических веществ.

На участке тела, обожжённого паяльником или брызгами припоя, надо сделать содовую примочку, а потом поражённое место смазать вазелином. Места ожогов кислотами обильно промыть водой и смочить содовым раствором. Место ожога щёлочами нужно обильно обмыть раствором уксусной (лимонной или борной) кислоты. При порезах и царапинах ранку обработать раствором йода и заклеить лейкопластырем.

8. Энерго - и материалосбережение

Для эффективного материалосбережения системы резервного электропитания мной были предприняты следующие шаги:

Уменьшен размер печатной платы путем более плотной компоновки радиоэлементов, что сэкономило текстолит, затрачиваемый на изготовление платы.
Печатную плату можно изготовить и без применения химикатов. Плату требуемых размеров вырезают из фольгированного материала, сверлят все необходимые отверстия и наносят на нее рисунок печатного монтажа. Контуры обводят острым шилом.

Кроме проблемы материалосбережения существует еще один не менее важный параметр, как энергосбережение.

Проблема энергосбережения в Республике Беларусь возведена в ранг государственной политики. Наряду с этим была создана республиканская система управления процессом энергосбережения. Верхним звеном этой системы является государственный комитет по энергосбережению и Энергонадзору, который был создан в 1993г. Данным комитетом в 1998г. был принят закон об энергосбережении, который оглашает все проблемы современности связанные с перепотреблением, незаконным и некорректным использованием электрической, тепловой и других видов энергии.

С целью экономного использования электрической энергии все предприятия связанные с разработкой электрических устройств проектируют устройства, выпускаемые в массовое производство таким образом, чтобы оно как можно меньше потребляло электроэнергии. Для этого, например, проводятся попытки к минитюаризации отдельных элементов, что позволяет комбинировать их единые блоки небольших размеров. Это даёт возможность сберегать электрическую энергию за счёт использования для питания этих блоков уже один источник питания, а не по одному для каждого из элементов. На специализированных форумах и выставках предприятия делятся своими новыми разработками в области энергосберегающей аппаратуры.

Кроме приведённого примера существует большое количество способов сбережения, как электрической, так и других видов энергии.

В ходе разработки системы резервного электропитания я постаралась снизить потребление электрической энергии. В этих целях мною было сделано следующее:

Использованы микросхемы с пониженным энергопотреблением;
Были использованы резисторы малой мощности, а следовательно с не большим потреблением электрической энергии.
Для всех элементов используется один источник питания.
Тщательно произведен расчет схемы для исключения лишних функциональных узлов.

9. Охрана окружающей среды

В настоящее время – время бурного развития и внедрения, постоянно совершенствующихся и обновляющихся технологий производства конечной продукции – все больше внимания стало уделяться влиянию этих новых технологий на окружающую среду. Сейчас повсеместно открываются новые заводы и фабрики и никто не обращает внимание на экологическую зону, находящуюся под надзором этого предприятии.

В результате чего следуют грубые нарушения правил природопользования со стороны предприятия, самое распространенное – загрязнение близлежащих водоемов и рек сбрасываемыми отходами производства.

Эти действия уничтожают многих обитателей животного и растительного мира; загрязняют пресную воду нефтью и отходами нефтепродуктов, веществами органического и минерального происхождения; загрязняют почву токсичными веществами, золой, промышленными отходами, кислотами, соединениями тяжелых металлов и др. Также распространены случаи загрязнения атмосферы. Атмосфера загрязняется промышленными выбросами, содержащими оксиды серы, азота, углерода, углеводороды, частицы пыли.

Такие случаи не единичны, поэтому все государства всерьез задумались о контроле соблюдения правил природопользования. Создаются специальные службы, комитеты и т.д. следящие за соблюдением правил природопользования со стороны предприятий. Поэтому новые проекты производства должны проходить экологическую экспертизу.

Экологическая экспертиза – система комплексной проверки всех возможных экологических и социально-экономических последствий осуществления проектов и реконструкций, направленная на предотвращение их отрицательного влияния на окружающую среду и на решение намеченных задач с наименьшими затратами ресурсов.

Для развития и соблюдения правил природопользования, также применяется экологическое образование. Во многих учебных заведениях, в том числе и в нашем оно тоже существует. Вопросами развития окружающей среды занимается экология – наука о взаимоотношении живых организмов и среды их обитания. Рациональное решение экологических проблем возможно лишь при оптимальном взаимодействии природы и общества.

Исходя из такого положения вещей, производство продукции и сама продукция не должны никоим образом загрязнять окружающую среду. Поэтому на предприятиях используются разного рода очистные сооружения. Методика очистки промышленных выбросов по характеру протекания физико-химических процессов делят на 4 группы:

промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция);
промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция);
поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция);
термическая нейтрализация отходящих газов и поглощение примесей путем применения каталитического превращения.

При разработке системы резервного электропитания были соблюдены правила природопользования. Данная конструкция не загрязняет окружающую среду в процессе своей работы. При производстве печатной платы необходимо соблюдать технику безопасности, тогда никаких вредных воздействий на окружающую среду и человека не будет. При разработке и создании корпуса можно использовать любой материал, не влияющий на окружающую среду, т.к. устройство имеет малые габариты, то и материал, затрачиваемый на его изготовление, используется рационально и в малых количествах. Устройство не излучает никаких вредных для здоровья человека и природы излучений.

Заключение

В результате выполнения дипломного проекта мной были разработаны структурная и принципиальная схемы, на основе знаний полученных при изучении предметов специальности «Электронные вычислительные средства». При разработке дипломного проекта понадобились не только знания специальных предметов, таких как «Радиоэлектроника», «Теоретические основы электротехники», «Эксплуатация и ремонт ЭВС», «Периферийные устройства», «Конструирование ЭВС», но и некоторых общеобразовательных – «Черчение», «Охрана окружающей среды и энергосбережение», «Охрана труда», «Экономика».

В ходе проделанной работы были разработаны функциональные узлы панели и обеспечены взаимосвязи между ними..

Также хочу отметить, что спроектированная мной светодиодная информационная панель позитивно обоснованна со всех сторон жизненно необходимых факторов, экономической эффективности применения, материалосбережения, энергосбережения, быстродействия и конечно же эксплуатационных качеств.

ЛИТЕРАТУРА

Аналоговые интегральные схемы: Справочник/ А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко – Мн.: Беларусь, 1993.- 382с.
Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы / Под редакцией С.В. Якубовского. — М.: Радио и связь, 1984.
Диоды: Справочник/ О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. – М.: Радио и связь, 1990.- 336с.
Достанко А.П. Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства. - Мн.:Высшая школа, 2002.
Кожекин Г.Я., Синица Л.М. Организация производства.:Учебное пособие. – Мн.: ИП «Экоперспектива», 1998.
Лаврус В.С. Батарейки и аккумуляторы. - К.: Hаука и техника, 1995.
Лосев В.В., Микропроцессорные устройства обработки информации. Алгоритмы цифровой обработки: Учеб. пособие для вузов./ Мн.: Выш.шк., 1990
Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. – Л.:Энергатомиздат, 1985.
Методические указания к выполнению организационно-экономического раздела дипломного проекта для студентов спец. 20.05 “Промышленная электроника”, Гомель 1990.
Однокристальные микроЭВМ. Справочник / Борыкин В.Е. – Минск. 1994.
Однокристальные микроЭВМ. М.:МИКАП, 1994.
Полупроводниковые приборы: Транзисторы широкого применения: Справочник/ В.И. Галкин, А.Л. Булычев, П.М. Лямин. – Мн.: Беларусь,1995.-383с.
Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ./Н.Н. Акимов —Мн.: Беларусь, 1994.
Справочное пособие по микропроцессорам и микроЭВМ./Под ред. Л.Н.Преснухина. - М.: Высш.шк., 1998.
Скляров В.А. Язык C++ и объектно-ориентированное программирование. – Минск: Вышэйшая школа, 1997.
Фонталин Н.Н. Расчеты экономической эффективности в дипломах и курсовых работах Мн.:Высшая школа, 1984г.
Цифровые интегральные микросхемы: Справ./ М.И. Богданович, И.Н. Грель, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо. – Мн.: Беларусь,1991.- 493с.
ГОСТ 2.105-95. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.
ГОСТ 19.701-90. ЕСПД. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем.

1. Контрольная работа История Беломорканала
2. Контрольная работа Образ жизни как медико-социальный фактор здоровья
3. Реферат на тему Emily Dickinson Poem 2
4. Реферат Основные этапы развития социальной психологии как науки
5. Реферат Конкурентные стратегии
6. Реферат Нумизматика СССР
7. Контрольная работа Дисперсія у одномодових телекомунікаційних волокнах
8. Реферат Органическая социология Спенсера
9. Реферат на тему Bronte Essay Research Paper emotions
10. Реферат на тему Jim Thomson Essay Research Paper Jim Thomson