Главная       Продать работу       Блог       Контакты       Оплата       О нас       Как мы работаем       Регистрация       Вход в кабинет
Тех. дипломные работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   электроснабжение
   пищевая промышленность
   водоснабжение
   газоснабжение
   автоматизация
   теплоснабжение
   холодильники
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. курсовые работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   детали машин
   электроснабжение
   газоснабжение
   водоснабжение
   пищевая промышленность
   автоматизация
   теплоснабжение
   ТММ
   ВСТИ
   гидравлика и пневматика
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. дополнения
   Отчеты
   Расчетно-графические работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Чертежи и 3D моделирование
   Тех. soft
   Рефераты
   Общий раздел
   Технологический раздел
   Конструкторский раздел
   Эксплуатационный раздел
   БЖД раздел
   Экономический раздел
   Экологический раздел
   Автоматизация раздел
   Расчетные работы

Гум. дипломные работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. курсовые работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. дополнения
   Отчеты
   Расчетные работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Сочинения
   Гум. soft
   Рефераты

Рефераты
   Авиация и космонавтика
   Административное право
   Арбитражный процесс
   Архитектура
   Астрология
   Астрономия
   Банковское дело
   Безопасность жизнедеятельнос
   Биографии
   Биология
   Биология и химия
   Биржевое дело
   Ботаника и сельское хоз-во
   Бухгалтерский учет и аудит
   Валютные отношения
   Ветеринария
   Военная кафедра
   ГДЗ
   География
   Геодезия
   Геология
   Геополитика
   Государство и право
   Гражданское право и процесс
   Делопроизводство
   Деньги и кредит
   ЕГЭ
   Естествознание
   Журналистика
   ЗНО
   Зоология
   Издательское дело и полиграф
   Инвестиции
   Иностранный язык
   Информатика
   Информатика, программировани
   Исторические личности
   История
   История техники
   Кибернетика
   Коммуникации и связь
   Компьютерные науки
   Косметология
   Краеведение и этнография
   Краткое содержание произведе
   Криминалистика
   Криминология
   Криптология
   Кулинария
   Культура и искусство
   Культурология
   Литература : зарубежная
   Литература и русский язык
   Логика
   Логистика
   Маркетинг
   Математика
   Медицина, здоровье
   Медицинские науки
   Международное публичное прав
   Международное частное право
   Международные отношения
   Менеджмент
   Металлургия
   Москвоведение
   Музыка
   Муниципальное право
   Налоги, налогообложение
   Наука и техника
   Начертательная геометрия
   Оккультизм и уфология
   Остальные рефераты
   Педагогика
   Политология
   Право
   Право, юриспруденция
   Предпринимательство
   Прикладные науки
   Промышленность, производство
   Психология
   психология, педагогика
   Радиоэлектроника
   Реклама
   Религия и мифология
   Риторика
   Сексология
   Социология
   Статистика
   Страхование
   Строительные науки
   Строительство
   Схемотехника
   Таможенная система
   Теория государства и права
   Теория организации
   Теплотехника
   Технология
   Товароведение
   Транспорт
   Трудовое право
   Туризм
   Уголовное право и процесс
   Управление
   Управленческие науки
   Физика
   Физкультура и спорт
   Философия
   Финансовые науки
   Финансы
   Фотография
   Химия
   Хозяйственное право
   Цифровые устройства
   Экологическое право
   Экология
   Экономика
   Экономико-математическое мод
   Экономическая география
   Экономическая теория
   Этика
   Юриспруденция
   Языковедение
   Языкознание, филология

Главная > Тех. дипломные работы > автомобили
Название:
Автоматическое устройство обеспечения безопасной парковки электромобиля

Тип: Дипломные работы
Категория: Тех. дипломные работы
Подкатегория: автомобили

Цена:
12 руб



Подробное описание:

ВВЕДЕНИЕ
По прогнозам аналитиков к 2010 году общее число автомобилей в мире составит 1,6 миллиардов шт. Концентрация основной части их на достаточно малых площадях больших городов развитых стран превращает автомобиль, как указано в ПДД, в "транспортное средство повышенной опасности". Статистика показывает, что 60-70% дорожно-транспортных происшествий вызвано ошибками водителя, 20-30% - состоянием дороги и 10-15% - техническим состоянием автомобиля. Обеспечение безопасной эксплуатации автомобиля при всех возможных маневрах путем автоматизации управления является одним из направлений, в котором сосредоточены усилия большого числа специалистов ведущих автомобилестроительных фирм.
В дипломной работе "Автоматическое устройство обеспечения безопасной парковки электромобиля" (УБП) рассматривается возможность автоматизации процедуры парковки электромобиля. Предлагаемое устройство предназначено для предотвращения возможного столкновения транспортного средства с подвижными и неподвижными объектами при выполнении типовых маневров парковки. Устройство освобождает внимание водителя для анализа опасных ситуаций при парковке и автоматически принимает решения в нестандартных ситуациях. Устройство адаптировано на работу в условиях повышенной влажности и запылённости, устойчиво к воздействиям вибрации и ударов.
В настоящее время основной задачей является обеспечение безопасной эксплуатации автомобиля при всех возможных маневрах. А средством повышения безопасности является автоматизация процессов управления автомобилем. Наиболее сложными и опасными маневрами являются обгон и парковка, т.е. установка автомобиля на стоянку. Часто въезд на парковку осложняется наличием неподвижных и подвижных объектов, а также необходимостью движения задним ходом, в тёмное время суток, при сильной тонировке стёкол, в ограниченном пространстве, при плохой видимости задней части машины. Поэтому, создание безопасных систем парковки является весьма актуальной темой сегодня.
По данным исследования, проведенного Европейским союзом, наиболее эффективными для значительного повышения уровня безопасности дорожного движения были признаны активные системы безопасности, к которым относится устройства УБП и является предметом исследования и разработки в дипломной работе.
Для достижения поставленной цели необходимо решение в работе следующих задач:
- разработка алгоритма работы устройства УБП;
- разработка структурной и функциональной схем устройства УБП;
- расчёт принципиальной схемы устройства УБП;
- расчёт временных интервалов работы УБП;
- разработка программы работы устройства;
- технико-экономическое обоснование, безопасность и экологичность проекта;
Разрабатываемое устройство УБП основано на принципе излучения преобразователем короткого ультразвукового импульса по направлению к цели, которая отражает звук (эхо) обратно к преобразователю. После приема отраженного импульса электронная система измеряет время, за которое он возвратился, и вычисляет дистанцию до цели на основе известной скорости распространения звука в среде (воздухе). И на основе полученной дистанции микроконтроллер выдаёт управляющие сигналы на исполнительные устройства, с последующей звуковой и световой сигнализацией. Ультразвуковые датчики располагаются на бампере, переднего и заднего пространства электромобиля Практическая ценность работы состоит в том, что разработанное устройство УБП позволяет предотвратить возможное столкновение транспортного средства с подвижными и неподвижными объектами при выполнении типовых маневров парковки.
1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
1.1 Принцип работы УБП
В основу всего устройства положено использование ультразвуковых датчиков (УЗД). Почти не существует материалов, которые не могут быть обнаружены ультразвуковыми датчиками. Поэтому ультразвуковые измерители – идеальное решение для определения положения и удаленности объекта в тяжелых условиях эксплуатации с точностью до миллиметра. Ультразвуковые датчики, в отличие от фотоэлектрических, не подвержены воздействиям окружающей среды и позволяют проводить измерения в запыленных, задымленных помещениях, а также в помещениях с высоким уровнем шума. Более того, датчики позволяют измерять расстояние до объектов любой формы, цвета и размера, а также выполненных из различных материалов. Диапазон срабатывания датчиков очень широк: от 100 мм до 6 м.
Конструктивно датчики представляют собой ультразвуковой передатчик и приемник, объединенные в одном корпусе.
Принцип работы АБП основан на свойстве распространения звука в воздухе. Преобразователь излучает короткий ультразвуковой импульс по направлению к цели, которая отражает звук (эхо) обратно к преобразователю. После приема отраженного импульса электронная система измеряет время, за которое он возвратился, и вычисляет дистанцию до цели на основе известной скорости распространения звука в воздухе. Об изменении этой дистанции система уведомляет водителя, а в случае критической ситуации автоматически останавливает электромобиль.

 

1.2 Функциональное назначение УБП
По функциональному назначению устройство предназначено для повышения безопасности парковки, то есть сведение к минимуму аварийных ситуаций. Для более полного понимания назначения УБП рассмотрим его работу.
Блок индикации и сигнализации состоит из световой шкалы, отображающей расстояние до препятствия, световых индикаторов, расположенных по периметру электробиля на переднем и заднем бамперах, и динамика (рис.1.1). Информация о наличии препятствия доводится до водителя визуальным сигналом через световую шкалу расстояния, световые индикаторы датчиков УЗД и звуковым сигналом через бипер, установленные в салоне автомобиля. 3-х цветные световые шкалы имеют 6 градаций расстояния до препятствия, которые подают водителю визуальный световой сигнал.

Рис. 1.1. Внешний вид панели индикации
Соответствующий датчик подает сигнал о приближении к препятствию, находящемуся относительно автомобиля сзади или спереди. В зависимости от близости препятствия шкала подает визуальный сигнал соответствующего цвета. В момент, когда препятствие обнаружено, и дистанция до него безопасная (более 1,8 м), на шкале не светятся ни один из секторов, горит лишь индикатор синего цвета над кнопкой включения системы («ВК»). По мере приближения к препятствию загораются сектора зелёного и жёлтого цветов, а когда препятствие находится уже в непосредственной близости от электромобиля, на шкале загораются красные сектора, в момент загорания последнего красного индикатора электромобиль автоматически прекращает движение в исходное направление.
Звуковой сигнализатор подает водителю звуковой сигнал. В зависимости от близости препятствия частота звукового сигнала меняется. В момент, когда препятствие обнаружено, издаётся редкий звуковой сигнал, соответственно, с такой же частотой мигает и индикатор сработавшего УЗД. По мере приближения к препятствию частота сигнала увеличивается, и он становится непрерывным, когда препятствие преодолевает критически допустимое расстояние до препятствия (0,3 м), на исполнительные устройства подаётся команда «прекращение движения в этом направлении».
При нажатии на кнопку «РП» устройство переходит в режим «ПРОБКА». В этом режиме устройство продолжает функционировать, но только без сопровождения звуковой сигнализации, этот режим удобен при плотном движении автомобилей, в пробке, где информативность звукового сигнала носит избыточный характер. В этом режиме сохраняется режим предотвращения движения при критическом значении расстояния от электромобиля до препятствия.
Кнопка «РП» предназначена для включения и выключения устройства. При включении устройства происходит диагностика устройства, в результате которой загораются сразу все световые индикаторы и издаётся непрерывный звуковой сигнал в течение 2 секунд. При возникновении какой-либо неисправности устройство включает все индикаторы и излучает прерывистый звуковой сигнал
На основе выше изложенного можно выделить основные задачи, которые позволяет решить устройство. Система позволяет:
• чувствовать себя увереннее управляя автомобилем при движении задним ходом, в тёмное время суток, сильной тонировке стёкол, в узких местах, при плохой видимости задней части машины;
• с помощью звуковой и световой сигнализации вовремя предупредить водителя о приближении опасности;
• освободить внимание водителя для анализа опасных ситуаций;
• уменьшить появление аварийной ситуации при выполнении маневров парковки.
1.3 Анализ существущих решений
В настоящее время данные системы выпускаются достаточно большим колличеством производителей с разными техническими характеристиками и комплектациями. Среди наиболее распространённых производителей следует выделить такие как:
• Golden Eye с комплектацией поставки – 4 сзади или по 4 сзади и спереди, дальность обнаружения препятствий – 1,8 м, жидкокристаллический дисплей, звук, от 180 $ – 4 датчика;
• ParkMaster – от 2 до 4 датчиков сзади, дальность обнаружения препятствий – 1,2 м, от 70 $– 2 датчика;
• Steel Mate – 2 спереди и 4 сзади или только сзади от 2 до 4 датчиков, дальность обнаружения препятствий – 1,2 м, светодиодный индикатор, от 90 $– 2 датчика.
На рисунке 2 изображён внешний вид система безопасной парковки Steel Mate


Рис. 1.2. Система безопасной парковки Steel Mate для автомобилей на основе ультразвуковых датчиков
Система состоит из следующих компонентов:
• ультразвуковые датчики закрытого типа - 3 шт.;
• блок управления в металлическом корпусе;
• звуковой излучатель (бипер).
1.4 Актуальность УБП
По прогнозам аналитиков к 2010 году общее число автомобилей в мире составит 1,6 миллиардов шт. Концентрация основной части их на достаточно малых площадях больших городов развитых стран превращает автомобиль, как указано в ПДД, в "транспортное средство повышенной опасности". Статистика показывает, что 60-70 % – дорожно-транспортных происшествий вызвано ошибками водителя, 20-30 % – состоянием дороги и 5-10 % – техническим состоянием автомобиля (рисунок 3). Таким образом, наиболее ненадежным элементом является водитель [1].

Рис. 1.3. Гистограмма статистики дорожно-транспортных происшествий
Обеспечение безопасной эксплуатации автомобиля путем автоматизации управления является одним из направлений, в котором сосредоточены усилия большого числа специалистов ведущих автомобилестроительных фирм, выпускающих дополнительные устройства для различных типов автомобилей [3].
Системы обеспечения безопасности водителя и пассажиров в автомобиле можно разделить на пассивные и активные. Пассивные системы предназначены для обеспечения безопасности людей в автомобиле, когда авария все-таки произошла. Активные системы представляют наибольший интерес, поскольку должны уменьшить вероятность попадания автомобиля в аварийную ситуацию.
По данным исследования, проведенного Европейским союзом, наиболее эффективными для значительного повышения уровня безопасности дорожного движения были признаны активные системы безопасности. Постоянно растущее число этих систем позволит к 2010 году вполовину сократить количество людей, погибших в автокатастрофах. Это стало приоритетной целью всех автомобилестроительных фирм занимающихся вопросами дорожной политики.
В настоящее время основной задачей является обеспечение безопасной эксплуатации автомобиля при всех возможных маневрах. А средством повышения безопасности является автоматизация процессов управления автомобилем. Наиболее сложными и опасными маневрами являются обгон и парковка, т.е. установка автомобиля на стоянку. Часто въезд на парковку осложняется наличием неподвижных и подвижных объектов, а также необходимостью движения задним ходом, в тёмное время суток, при сильной тонировке стёкол, в ограниченном пространстве, при плохой видимости задней части машины.
Поэтому создание систем безопасносной парковки является весьма актуальной задачей.
1.5 Преимущество разрабатываемой системы
Разрабатываемое устройство имеет преимущество по сравнению с выше описанными аналогами, так как имеет ряд дополнительных функций и технических решений.
Наличие в УБП функции самодиагностики позволяет вовремя выявить неисправность системы и устранить её, тем самым повышая надёжность эксплуатация устройства.
В качестве световой сигнализации выбрана светодиодная шкала, имеющая три градации цвета, что удешевляет продукцию, не ухудшая качество визуального контроля. Использование двух тонов сигнала – «низкий»-назад, «высокий»-вперёд позволит более лучше воспринимать звуковую сигнализацию.
Ориентировочно можно сказать, что ценовой фактор проектируемого устройства будет примерно в 1,5 раза ниже, чем заявлены в выше рассмотренных системах. Это определено на основе выбора состава аппаратных среств, учёта их стоимости и методов производства.
На основе выше изложенного выделим основные моменты отличающие проектируемое устройство от уже существующих аналогов:
1) самодиагностика;
2) визуальная и звуковая сигнализация;
3) два тона сигнала – «низкий»-назад, «высокий»-вперёд;
4) ценовой фактор в 1,5 раза дешевле, чем у Golden Eye с 8-ю датчиками.

2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УБП
2.1 Мероприятия для реализации задач УБП
Для реализации задачи работы УБП необходимо рассмотреть:
1 – измерение расстояния от автомобиля до объектов
1.1 – посылка блоками 1 и 2 импульсов на пассивные УЗД датчики;
1.2 – регистрация блоками 1 и 2 эхо-сигнала:
1.3 – блок 1 или блок 2 на основании количества тактов вычисляет время между отправленным и принятым импульсами;
2 – генерация звукового и светового сигналов
2.1 – при расстоянии <1,8 м от УЗД 1,2,3,4 до препятствия, соответствующий блок выдаёт в шину данные на генерацию звукового сигнала частотой 1кГц, частотой прерывания 1 Гц и включение зелёного индикатора и соответствующего датчика на панели индикации
2.2 – при расстоянии <1,5 м от УЗД 1,2,3,4 до препятствия, соответствующий блок выдаёт в шину данные на генерацию звукового сигнала частотой 1кГц, частотой прерывания 2 Гц, и включение второго зелёного датчика;
2.3 – при расстоянии <1,2 м от УЗД 1,2,3,4 до препятствия, соответствующий блок выдаёт в шину данные на генерацию звукового сигнала частотой 1кГц, и частотой прерывания 4 Гц, и включение жёлтого индикатора;
2.4 – при расстоянии <0,9 м от УЗД 1,2,3,4 до препятствия, соответствующий блок выдаёт в шину данные на генерацию звукового сигнала частотой 1кГц, и частотой прерывания 6 Гц, и включение жёлтого индикатора;
2.5 – при расстоянии <0,6 м от УЗД 1,2,3,4 до препятствия, соответствующий блок выдаёт в шину данные на генерацию звукового сигнала частотой 1кГц, и частотой прерывания 8 Гц, и включение первого красного индикатора;
2.6 – при расстоянии <0,3 м от УЗД 1,2,3,4 до препятствия, соответствующий блок выдаёт в шину данные на генерацию постоянного звукового сигнала частотой 1кГц, и включение последнего красного индикатора;
2.7 – при расстоянии <0,3, <0,6, <0,9, <1,2 , <1,5 , <1,8 м от УЗД 3, 4, 5, 6 до препятствия, соответствующий блок выдаёт в шину данные на генерацию звукового сигнала частотой 500 Гц, и частотой прерывания соответствующей частотам описанным в п. 2.1-2.3 и включение соответствующих расстоянию индикаторов
3 – автоматическое принятие решения в нестандартной ситуации
3.1 – в случае если расстояние уменьшится до значения 0,2 м то блоки 2 или 3 посылают команду блоку управления двигателем на остановку электромобиля, не зависимо от положения педали акселератора, при условии что электромобиль движется со скоростью менее 15 км/ч;
4 – самодиагностика
4.1 – при нажатии на кнопку «ВК» блоки 1, 2 проверяют наличие датчиков и посылают тестовые импульсы на УЗД, результаты выставляются в шину и потом записываются в EEPROM блока 1.

2.2 Протокол обмена УБП
Для реализации данного устройства выбраны микроконтроллеры фирмы ATMEL, которые в своём составе имеют TWI интерфейс, поэтому в качестве протокола обмена данными между блоками выбран TWI протокол. Достоинства которого составляет то, что он имеет всего две линии для передачи данных, и имеет возможность подключения 128 устройств одновременно.
При включении питания (см. приложение А), блоки 2 и 3 проверяют сопротивления на пассивных датчиках, что означает их наличие, далее блок 2 выставляет данные на шину, их принимает блок 1, сверяет количество штук присутствующих с количеством, прописанных в памяти блока 1. Если количество не совпадает, он считает это как ошибку, выставляет данные в шину, которые принимает блок 3, тот в свою очередь подаёт напряжение на светодиодную шкалу, и прописывает значение в EEPROM. В случае соответствия, блок 1 посылает команду в блок 2, а тот снимает напряжение с датчика направления движения. Если это напряжение соответствует уровню логической единице, то он отсылает ответ обратно в блок 1. Блок 1 принимает решение включения передних УЗД 1-4, путём последовательной подачи на каждый из них короткого импульса напряжения, с последующей регистрацией «эхо импульса», представляющего импульс напряжения, который должен отследить блок 2. Оба блока на основании вычисленного времени между отправленным и принятым импульсами от каждого из УЗД датчиков, выбирает тот, у которого наименьшее время «посыла-приёма». Далее, данные с наименьшем временем, выкладываются в общую шину, с которой считывает блок 1, и он же включает, соответственно расстоянию, напряжение на светодиодах и выдаёт генерацию звукового сигнала. Данные о времени сравниваются в главном блоке с минимально возможным значением – если значение меньше или равно значению заложенному в память блока, то он отдаёт команду исполнительному механизму на остановку двигателя.
От блоков Б2 и Б3 по шине TWI стекается информация о работе УЗД в Блок 1. Каждому УЗД соответствует номер, который определяется по четырём старшим битам байта данных:
000 – 1-й УЗД
001 – 2-й УЗД
010 – 3-й УЗД
011– 4-й УЗД
100 – 5-й УЗД
101 – 6-й УЗД
110 – 7-й УЗД
111 – 8-й УЗД
В 4-х младших битах находится информация о расстоянии от УЗД до препятствия:
0001 – ≤ 0,3 м
0010 – ≤ 0,6 м
0011 – ≤ 0,9 м
0100 – ≤ 1,2 м
0101 – ≤ 1,5 м
0110– ≤ 1,8 м
0111 – критическое значение расстояния
1111 – расстояние более 1,8 м
Подробные пакеты данных для блока 2 и 3 приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1
Дынные и их назначение
№ пак. Пакет,
0b, 0х Назначение
1 00000001, 01 блок выдаёт данные: УЗД 1 измерил расстояние 0,3 м
2 00010010, 18 блок выдаёт данные: УЗД 2 измерил расстояние 0,6 м
3 00100011, 35 блок выдаёт данные: УЗД 3 измерил расстояние 0,9 м
4 00110100, 52 блок выдаёт данные: УЗД 4 измерил расстояние 1,2 м
5 01000101, 69 блок выдаёт данные: УЗД 5 измерил расстояние 1,5 м
6 01010110, 86 блок выдаёт данные: УЗД 6 измерил расстояние 1,8 м
7 01100110, 86 блок выдаёт данные: УЗД 7 измерил расстояние 1,8 м
8 01110110, 86 блок выдаёт данные: УЗД 8 измерил расстояние 1,8 м
9 01110111, 119 блок выдаёт данные: УЗД 8 имеет критическое значение расстояния до препятствия
10 01111111, 119 блок выдаёт данные: УЗД 8 измерил расстояние ≥ 1,8 м

 

 

2.3 Разработка алгоритма работы УБП
При подаче напряжения питания на УБП, в первоначальный момент времени происходит инициализация микроконтроллера (портов ввода-вывода). Затем происходит диагностика всей системы. Если есть какие-либо отклонения от нормального режима работы, результаты заносятся в энергонезависимую память EEPROM и при этом идётся звуковая и световая сигнализация, уведомляющая водителя о нарушении режима работы системы. Через пять секунд УБП отключается.
В алгоритме присутствует кнопка выключения УБП, однако реально же при однократном нажатии этой кнопки, устройство продолжает функционировать, обрабатывая данные с УЗД. Отключается только лишь звуковая и световая сигнализации. Это позволяет освободить внимание водителя от анализа избыточной информации в условиях «пробки», в гараже и т. п.
Далее УБП определяет направление движения электромобиля и включает поочерёдно работу передних или задних УЗД. В зависимости от их показания, БУ соответственно зажигает светодиоды на панели индикации и издаёт звуковой сигнал. Если расстояние до препятствия превышает 1,2 метра, то на панели индикации горят только зелёные светодиоды и БУ разрешает движение электромобиля. При переходе через расстояние 1,2 метра в меньшую сторону, включается звуковая сигнализация – идаётся прерывистый звук. По мере уменьшения расстояния, частота звукового сигнала увеличивается, а при расстоянии равном 0,3 м переходит в режим непрерывного звучания, при этом БУ блокирует движение электромобиля.
Пройдя весь алгоритм, система возвращается на его начало. Таким образом, весь цикл замыкается, то есть БУ непрерывно опрашивает работу всех составляющих его узлов и выдаёт информацию. Все алгоритмы устройства вынесены в приложение А.
На рис. 2.4 представлен общий алгоритм функционирования УБП.


Рис. 2.1 Блок-схема алгоритм работы УБП, часть 1

Рис. 2.2 Блок-схема алгоритм работы УБП, часть 2


2.4 Агоритм работы микроконтроллера
Следует также особо выделить алгоритм работы микроконтроллера, так как он является ключевым звеном всего УБП и от правильно составленного алгоритма его работы зависит качество и надёжность выполняемых функций всего устройства. Блок-схема алгоритм работы микроконтроллера блока 1 представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.5. Блок-схема алгоритм работы программы контроллера блока 1
Основная работа блока 1 заключается в обмене данными между блоками 2-6, закреплёнными на шине TWI. Он последовательно считывает данные из регистров ОЗУ подчинённых ему блоков и записывает в следующие регистры этих блоков данные уже ранее считанные с других блоков. Таким образом осуществляя обмен он контролирует состояние шины. Так же его задачей является обеспечение водителя световой и звуковой сигнализациями. Условием возникновения световой или световой сигнализаций в блоке является значение пришедших данных от блока 2 или 3, по ним он определяет значение, которое должно выводиться на порты ввода-вывода контроллера.
При возникновении прерывания INT0, INT1, что свидетельствует о нажатии кнопок «ВК» и «РП» соответственно. Контроллер начинает считывать значения, хранящиеся в регистре ОЗУ, отвечающие за нажатие кнопок. По этим данным он определяет чётное или нечётное количество раз, которое было произведено нажатием на кнопки, и принимает соответствующее решение.
Работа же контроллеров управления работой УЗД, блок 2 и 3, отличается от «мастер» блока 1 рис. 2.6. Алгоритм работы программы контроллера в этих блоках одинаков. Сначала происходит инициализация его ПВВ, инициализация прерываний и инициализация сторожевого таймера. Основной задачей данных блоков является корректная обработка первичной информации и последующая её передача в шину.
Приняв, разрешение от блока 1 соответствующий блок передних или задних датчиков начинает запуск работы первого УЗД. Устанавливается на ПВВ значение 001, соответствующее включению первого УЗД. Запускается работа таймера ТС2. В результате на порт ОС2 выдаётся сигнал с частотой 40 кГц в течение 0, 25 мс. Затем происходит повторный запуск таймера ТС2 на время его разрядной сетки 10 мс. В течение этого времени должно возникнуть прерывание INT0, которое свидетельствует о наличие входного сигнала с УЗД. Для его правильной обработки выполняется подсчёт и сравнение пришедших импульсов с количеством отправленных. При корректной регистрации, контроллер считывает данные и сохраняет в регистре ОЗУ, которые впоследствии будут считаны блоком 1. Если прерывания INT не возникло то происходит прерывание переполнения таймера-счётчика ТС2, в результате которого инкрементируется номер УЗД, который будет запушен следующим.
Рис. 2.6. Блок-схема алгоритм работы программы контроллера блоков 2 и 3
3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УБП
3.1 Выбор структуры построения шины УБП
Для удобства установки и повышения надёжности устройства будет более целесообразным подключить пассивные датчики непосредственно к самому блоку, тем самым минимизируя количество проводников. А в блоках 1 и 2 установить коммутирующие и усиляющие сигнал устройства. Таким образом, из рис. 3.1 мы видим, что данная система имеет два типа сетей: глобальную (между блоками), которая по структуре представляет собой общую шину и локальную, относительно блока 1 или блока 2, которые по своей структуре представляют звезду.


Рис. 3.1 Структура УБП

Б1 – блок контроля передних УЗД;
Б2 – блок контроля задних УЗД;
Б3 – блок световой и звуковой сигнализации;
TWI шина – состоит из 2-х проводов: линии данных и линии тактовых сигналов.
На рис. 3.2 показано примерное расположение всех узлов устройства.



Рис. 3.2 Расположение блоков УБП и связь между ними

3.2 Синтез структурной схемы УБП
В связи с ростом производства микроконтроллеров и микропроцессоров, а также с их дешевизной, стало актуальным создавать устройства на их основе. Их размеры настолько малы, а функциональные возможности столь огромны, что сегодня микропроцессорная техника используется везде.
В состав УБП устройства должны входить однокристальный микроконтроллер, осуществляющий сбор и обработку информации от УЗД и выдачу управляющих воздействий на орган управления – ведущий двигатель через интерфейс TWI. Структурная схема изображена на рис. 3.1 и вынесена в приложение Б.

 

 

 

Рис. 3.1. Структурная схема УБП
Вся структура УБП состоит из 3-х основных блоков связанных между собой общей шиной:
• блок контроля работы передних УЗД датчиков
• блок контроля работы задних УЗД датчиков
• блок сигнализации и управления
Каждый из блоков в свою очередь состоит из отдельных элементов, рассмотрим их назначение ниже:
1 – светодиодная шкала – представляет собой линейку светодиодов состоящих из двух трёх градаций цвета зелёного, жёлтого и красного. Информация о наличии препятствия доводится до водителя визуальным.;
2 – главный контроллер, работающий в режиме мастер, в EEPROM которого заносятся при диагностики возможные неисправности всей системы;
3 – звуковой сигнализатор подает водителю звуковой сигнал. В зависимости от близости препятствия частота звукового сигнала меняется. В момент, когда препятствие обнаружено, издаётся редкий звуковой сигнал. По мере приближения к препятствию частота сигнала увеличивается, и он становится непрерывным, когда препятствие находится в непосредственной близости от автомобиля и в этот момент на исполнительные устройства подаётся команда «прекращение движения в этом направлении»;
4 – усилитель тока на основе транзистора, предназначен для усиления тока с порта контроллера;
5 – панель управления, состоящая из 2-х кнопок – кнопка отключения звукового сигнала – режим «пробка» и кнопки отключения устройства;
6 – фильтр для гашения помех по питанию 12 В;
7 – стабилизатор напряжения 5 В, с защитой от коротких замыканий;
8 – плавкий предохранитель на 1 А; устройства согласующие сигналы контроллера и УЗД;
9 – ключ автоматического отключения при КЗ;
10 – АКБ электромобиля;
11 – исполнительные устройства – блок управления двигателем;
12 – SPI интерфейс, предназначенный для программирования блока и считывания ошибок неисправностей устройства;
13,18 – контроллеры управления работой передних и задних датчиков соответственно, работающие в режиме «SLAVE»;
14, 19 – устройства согласования уровней напряжения 12 вольт и логики 5 вольт;
15, 20 – коммутатор приёма и передачи пакета импульсов на УЗД;
16, 21 – усилитель «эхо» сигнала;
17, 22 – ультразвуковые датчики расстояния, которые устанавливаются на передний и задний бамперы электромобиля соответственно;

 

 


4 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УБП
4.1 Синтез функциональной схемы УБП
Функциональная схема строится на основании анализа ТЗ, проведенного в разделе 1, приложение В.
Схема должна включать все описанные функциональные узлы и показывать информационные связи между основными элементами УБП.
На Рис. 4.1 изображена разработанная функциональная схема системы.
Вся система имеет в своём составе 3 блока, из них один «мастер», который распологается на панели – он является блоком световой и звуковой сигнализации (Блок 1). Первый и второй блоки распологаются в переднем и заднем бамперах соответственно. Все соединяются между собой общей шиной.

Рис. 4.1 Функциональная схема УБП
На этой схеме изображены процессы отображающие работу устройства. В первоначальный момент времени после подачи напряжения питания и инициализации микроконтроллеров всех блоков, начинается идти обмен данных по шине. После получения разрешения блоками 2 и 3 от блока 1, блок 2 или 3 выдает на выходе номер УЗД, который будет сканировать пространство. МК формирует соответствующее включение УЗД (передний или задний), который через согласующее устройство подаёт короткий импульс. Эхо-сигнал, усиливается и подаётся на встроенный вход контроллера прерываний INT. В этот момент останавливается таймер-счётчик, запущенный во время начала передачи импульса. По показаниям таймера-счётчика определяется расстояние до препятствия. Если интервал времени оказывается меньше определенного уровня, что означает нахождение объекта в непосредственной близости от электромобиля, то формируется команда и передаётся по TWI интерфейсу на исполнительные устройства. После получения с ультразвукового датчика сигнала, он усиливается и подаётся на устройство согласования уровня. После приобретения логического уровня, сигнал подается на вход контроллера. Обработав данные, контроллер выставляет данные на шину, откуда мастер блок принимает эти данные и на их основе принимает решение. В зависимости от этих данных блок 1 включает соответствующие световые индикаторы и подаёт сигнал для формирования звукового излучения. А также в случае критического расстояния до препятствия, мастер блок посылает команду исполнительному механизму. Затем выполняется проверка исполнения команды. В случае её неисполнения формируются ещё четыре такие команды, при отсутствии ответа происходит запись ошибки – неисправность исполнительного устройства в энергонезависимую память EEPROM. Через внешний разъем можно эти ошибки считать.
Внешней командой управления можно выбирать функции работы системы. При нажатии на кнопку «РП», что соответствует генерации прерывания INT0, отключается звуковая сигнализация. При нажатии на кнопку «ВК» генерируется прерывание INT1, в этом случае происходит отключение системы, а при повторном нажатии её включении и самодиагностика узлов, результаты заносятся в память EEPROM. Результаты диагностики также можно считать по SPI интерфейсу.

6. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УБП
Принципиальна схема блока индикации, блоков управления передних и задних УЗД, а также принципиальная схема блока пинания УБП приведены в приложении Г.
Главным узлом устройства является микроконтроллер АTmega 8 фирмы Atmel. Он выбран из расчёта количества ПВВ, производительности работы и наличия в нём интерфейсов I2C и SPI. А также наличия восьми и шестнадцати разрядных таймеров-счётчиков.
Частота кварцевого резонатора Q1 выбрана из условия регистрации эхо сигнала и его своевременной дальнейшей обработки, т.е. задержка по времени должна удовлетворять временным условиям проведённого расчёта регистрации «эхо» сигнала.
АTmega 8 имеет 19 портов ввода-вывода. Каждый порт по техническим характеристикам производителя рассчитан на ток не более 25 мА, исходя из этого тока, для исключения возможной перегрузки по току на портах контроллера, выбираем резисторы R1-R21 с сопротивлением равным 470 Ом, что составляет ограничение по току, при напряжении питания контроллера U равным 5 вольт:
А,
Значение тока в 10,6 мА не приводит к токовой перегрузке ПВВ. Исходя из данного максимального тока, протекающего через эти резисторы выбираем соответственно их мощность равную:
РР= I2•R=(10-2)2•470 = 0,047 Вт
Из стандартного номинала мощности соответствует резисторы номиналом 0,125 Вт.
Конденсаторы C1 установлены для подавления высокочастотных помех по питанию и составляет 0,1 мкФ. С2 предназначен для сглаживания напряжения питания и предотвращает от кратковременных провалов по напряжению. Для мощности контроллера, при всех нагруженных ПВВ, не превышающей 1 Вт, установлен конденсатор с номиналом в 220 мкФ.
Индикатор HL1 – синего цвета, HL2..HL9 – красного цвета, HL10, HL11 – зелёного, HL12, HL13 – жёлтого, HL14, HL15 – красного, каждый рассчитан на ток потребления не более 10 мА.
Транзистор VT1 выбран из расчёта на максимальный ток не более 100 мА. При этом, мощность звукового излучателя В1 при токе потребления 50 мА, будет равной 0,25 Вт, что является достаточным для восприятия звукового сигнала из шума в салона электромобиля при движении.
Разъёмы Х1 и Х2 выбраны на 4 и 6 контактов, соответственно, с защёлкой для исключения нарушения контакта при вибрации платы устройства.
Блок питания состоит из трех функциональных блоков: LC фильтр по питанию 12 вольт, стабилизатора на +5V и узла включения и выключения системы парковки, в случае превышения нагрузки по току.
Предохранитель (самовосстанавливающийся) MF-R025 фирмы Bourns на номинальный ток 0,25 А защищает прибор от аварийных ситуаций из-за возможных замыканий в его цепях. Диод 1N4001 защищает устройство от смены полярности напряжения питания. Для защиты устройства от выбросов в бортовой сети применен специальный автомобильный варистор фирмы S+M S10K14AVTO. Конденсаторы в цепях питания служат для подавления пульсаций (электролитические) и высокочастотных помех (без индукционные керамические KM). На микросхеме LM78M05CDT применен стабилизатор напряжения на +5V для питания всех узлов устройства, кроме питания ультразвуковых датчиков.
6 РАСЧЁТНЯ ЧАСТЬ
6.1 Скорость распространения звука в воздухе
В расчетной части проекта содержится расчет измерения расстояния микроконтроллером с учетом физических процессов работы УЗД.
Определение расстояния до препятствий производится микроконтроллером на основе известной скорости распространения звука в воздухе. График зависимости скорости звука в воздухе от температуры показан на рисунке 6.1 [8].

Рис. 6.1. Зависимость скорости звука в воздухе от температуры в м/с
Для расчётов значение скорости примем постоянным для температуры 25˚С – 350 м/с. Таким образом основная задача микроконтроллера вычислять время прохождение ультразвуковой волны от УЗД до препятствия и обратно.
6.2 Определение «слепой» зоны
Исходные данные:
• Скорость звука в воздухе при 25оС VZ = 350 м/с;
• Скорость электромобиля при парковке V1 ≤ 10 км/ч = 2,78 м/с;
• Максимальное расстояние зондирования L = 1,8 м;
• Резонансная частота УЗД fU = 4•104 Гц;
• Множитель таймера-счётчика ТС2 К= 256
• Частота кварцевого генератора микроконтроллера fKV=8 •106 Гц
• Разрядность таймера-счётчика ТС2 RTC=8 бит
Так как звук от датчика должен пройти удвоенное расстояние до препятствия (рис. 6.2), то общее расстояние можно записать
LЕ = 2 •L , (1)
где LЕ – расстояние проходимое ультразвуком, м.
Расстояние от датчика до препятствия L имеет две составляющие:
- LS – расстояние «слепой» зоны, м;
- LV – расстояние «рабочей» зоны, м.
А расстояние слепой зоны LS в свою очередь состоит из расстояния слепой зоны программы LSP и слепой зоны работы УЗД LSU.
Поэтому, можно записать
LЕ = 2 • (LSP+ LSU +LV), (2)
Тогда время прохождения звукового сигнала равно
(3)
Слепая зона LS представляет собой расстояние в приграничной зоне УЗД, где регистрация эхо-сигнала не возможна. Это связано с особенностями физических процессов работы УЗД – резонансной частоты и времени затухания остаточных колебаний. С увеличением резонансной частоты УЗД соответственно уменьшается и «слепая» зона LS . Она состоит из расстояния прохождения излучающихся импульсов LSP и расстояния паузы LSU необходимой для затухания остаточных колебаний (рис. 6.2).


Рис. 6.2. Схема прохождения звука

При резонансной частоте fU ультразвукового датчика 40 кГц время прохождения звуком (посылка зондирующего импульса) будет равно:
(4)
3/4 этого времени отводится для затухания колебательных процессов после излучения зондирующих импульсов, то есть
(5)
Далее необходимо рассчитать время необходимое для прохождения звука расстояний (4) и (5), умножив на скорость распространения звука в воздухе V:
(6)
(7)
6.3 Расчёт таймера-счётчика для вычисления расстояний
Рассчитаем время необходимое для прохождения звука предельного расстояния, подставив численные значения в (3):
(8)
Рассчитаем возможность таймера-счётчика реализовать задержку рассчитанного времени, она будет определяться выражением:
(9)
где 256 это разрядность таймера.
Зная время можно вычислить предельное расстояние зондирования, которое позволяет получить таймер ТС2:
(9)
Зная это расстояние можно вычислить количество тактов необходимых таймеру для прохождения звука на один сантиметр:
(9)
Произведём расчёт значений таймера, необходимых для программного сравнения при определении граничных зон расстояний:
• при 30 см – ;
• при 60 см – ;
• при 90 см – ;
• при 120 см – ;
• при 150 см – ;
• при 180 см – ;
В расчетном разделе получены основные формулы для расчета параметров и быстродействия датчиков, работы таймера-счётчика, позволяющие выполнить настройку аппаратной части системы УБП.
7 ВЫБОР СОСТАВА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ УБП
На основе рассчитанных временных интервалов для регистрации эхо-сигнала и требуемого быстродействия его отслеживания произведём выбор элементной базы, в которой будем учитывать тактовую частоту микроконтроллера, технические характеристики УЗД, их стоимость и применение в данных условиях работы согласно техническому заданию.

7.1 Анализ выбора микроконтроллера
Анализ выбора микроконтроллера сводится к выбору требуемых его характеристик, основными из которых являются:
• напряжение питания
• тактовая частота
• число портов ввода-вывода
• объем flash-памяти
• объем ПЗУ
• объем ОЗУ
• наличие встроенных интерфейсов
• наличие АЦП
• таймеры счётчики
• температурный интервал работы
В нашем случае для УБП требуется контроллер, характеристики которого сведены в таблицу Х.
Таблица 7.1
Требуемые характеристики микроконтроллера
Напр.
питания,
В Такт.
Частота,МГц I/O Интер¬фейсы Таймеры
4.5-5.5 ≥6 17 TWI, SPI 1x16 бит
Количество портов ввода-вывода выбрано из расчёта:
 8 выходов для включения соответствующих УЗД
 1 выход зондирующего сигнала
 1 ход для регистрации эхо сигнала
 2 входа для кнопок «выключение » и «самодиагностика»
 2 выхода для интерфейса SPI
 2 выхода для интерфейса TWI
 1 выход генерации звукового сигнала
Для анализа подходящего контроллера рассмотрим микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel.

7.1.1 Микроконтроллеры фирмы ATMEL
Микроконтроллер семейства AVR фирмы Atmel представляет собой восьмиразрядную однокристальную микро-ЭВМ с упрощенной (сокра¬щенной) системой команд — RISC (Restricted (Reduced) Instruction Set Computer).
Большинство команд, входящих в систему команд, выбираются из памяти за один такт и выполняются за один такт работы микрокон¬троллера. При выполнении последовательности таких команд выборка из памяти очередной команды совмещается во времени с исполнением ранее выбранной команды. При этом число команд, выполняемых за 1 с, совпадает с тактовой частотой работы микроконтроллера.
Микроконтроллеры изготавливаются по высококачественной КМОП (CMOS) технологии, содержат энергонезависимые запоминающие устройства для хранения программы п данных, выполненные по Flash и EEPROM технологиям, и отличаются низким энергопотреблением при высокой тактовой частоте. Запись программы и исходных данных в па¬мять может выполняться после установки микроконтроллера в аппа¬ратуре, где ему предстоит работать.
В состав семейства AVR входят микроконтроллеры трех серий — АТ90, AFtiny и ATmega. В каждую серию входят микроконтроллеры нескольких типов. Микроконтроллеры серии АТ90 по своим структурным характерис¬тикам (объем памяти, состав периферийных устройств) близки к микро¬контроллерам семейств АТ89 фирмы Atmel и MCS-51 фирмы Intel. По своим вычислительным возможностям они занимают среднее положение между микроконтроллерами серий ATtiny и ATmega. Микроконтроллеры серии ATtiny имеют наименьшие, а микроконтроллеры серии ATmega — наибольшие вычислительные возможности в семействе AVR.
AVR - самая обширная производственная линия среди других микроконтроллеров корпорации Atmel [5]. Atmel представила первый 8-разрядный флэш-микроконтроллер в 1993 году и с тех пор непрерывно
совершенствует технологию. Прогресс данной технологии состоит :
в снижении удельного энергопотребления (мА/МГц),
расширения диапазона питающих напряжений (до 1.8 В) для продления ресурса батарейных систем,
увеличении быстродействия до 16 млн. операций в секунду,
встройкой реально-временных эмуляторов и отладчиков,
реализации функции самопрограммирования,
совершенствовании и расширении количества периферийных модулей, встройке специализированных устройств (радиочастотный передатчик,
USB-контроллер, драйвер ЖКИ, программируемая логика, контроллер DVD, устройства защиты данных).
Успех AVR-микроконтроллеров объясняется возможностью простого выполнения проекта с достижением необходимого результата в кратчайшие сроки, чему способствует доступность большого числа инструментальных средств проектирования, поставляемых, как непосредственно корпорацией Atmel, так и сторонними производителями. Ведущие сторонние производители выпускают полный спектр компиляторов, программаторов, ассемблеров, отладчиков, разъемов и адаптеров. Отличительной чертой инструментальных средств от Atmel является их невысокая стоимость.
Другая особенность AVR-микроконтроллеров, которая способствовала их популяризации, это использование RISC-архитектуры, которая характеризуются мощным набором инструкций, большинство которых выполняются за один машинный цикл. Это означает, что при равной частоте тактового генератора они обеспечивают производительность в 12 (6) раз больше производительности предшествующих микроконтроллеров на основе CISC-архитектуры (например, MCS51). С другой стороны, в рамках одного приложения с заданным быстродействием, AVR-микроконтроллер может тактироваться в 12 (6) раз меньшей тактовой частотой, обеспечивая равное быстродействие, но при этом потребляя гораздо меньшую мощность. Структурная схема микроконтроллеров семейства Mega изображена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Структурная схема микроконтроллеров семейства Mega
Таким образом, AVR-микроконтроллеры представляют более широкие возможности по оптимизации производительности/энергопотребления, что особенно важно при разработке приложений с батарейным питанием. Микроконтроллеры обеспечивает производительность до 16 млн. оп. в секунду и поддерживают флэш-память программ различной емкости: 1... 256 кбайт. AVR-архитектура оптимизирована под язык высокого уровня Си, а большинство представителей семейства megaAVR содержат 8-канальный 10-разрядный АЦП. Кроме того, все микроконтроллеры megaAVR с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG.
Таблица 7.2
Общие характеристики микроконтроллера АTmega8
Тип Напр.
питания,
В Такт.
Частота,
МГц I/O Flash EEPROM SRAM Интер¬фейсы АЦП Таймеры Корпус
ATmega8 4.5-5.5 16 23 8К 512 1k UART SPI 8x10 bit 2x8bit 1x16bit DIP28
TQFP32
MLF32

На рис. 7.2 показано расположение выводов модели ATmega8.

Рис. 7.2. Расположение выводов (вид сверху) модели ATmega8
7.1.2 Отличительные особенности
Отличительные особенности микроконтроллеров фирмы ATMEL:
• Производительность, приближающаяся к 1 MIPS/МГц
• Усовершенствованная AVR RISC архитектура
• Раздельные шины памяти команд и данных, 32 регистра общего назначения
• Flash ПЗУ программ, с возможностью внутрисистемного перепрограммирования и загрузки через SPI последовательный канал, 1000 циклов стирание/запись
• EEPROM данных, с возможностью внутрисистемной загрузки через SPI последовательный канал, 100000 циклов стирание/запись
• Блокировка режима программирования
• Встроенные аналоговый компаратор, сторожевой таймер, порты SPI и UART, таймеры/счетчики
• Полностью статические приборы - работают при тактовой частоте от 0 Гц до 20 МГц
• Диапазон напряжений питания от 1,8 В до 6,0 В
• Режимы энергосбережения: пассивный (idle) и стоповый (power down)
• Температурный режим работы от -40 до +85 ˚С.
Рассмотренный микроконтроллер ATmega8 полностью удовлетворяет условиям расчёта и ТЗ по функциональности и назначению.

7.2 Анализ выбора ультразвуковых датчиков
Ультразвуковые воздушные преобразователи давно и широко применяются для измерения дистанции, бесконтактного определения присутствия, в системах определения сближения, системах предупреждения столкновений на транспорте. В таких устройствах преобразователем излучается короткий ультразвуковой импульс по направлению к цели, которая отражает звук (эхо) обратно к преобразователю. После приема отраженного импульса электронная система измеряет время, за которое он возвратился, и вычисляет дистанцию до цели на основе известной скорости распространения звука в среде (воздухе).
Имеющиеся на современном рынке микроэлектроники ультразвуковые преобразователи отличаются друг от друга конструктивно-технологическими вариантами: материалами используемой пьезокерамики, материалом корпуса, присоединительными размерами, степенью защиты от внешней среды, электрическими характеристиками. С акустической точки зрения они работают на различных частотах, имеют разные характеристики направленности. Для правильного выбора ультразвукового преобразователя в конкретном приложении помимо технических характеристик необходимо учитывать взаимосвязи (тонкости) акустических характеристик среды и цели, а также их влияние на работу преобразователя. Главные из этих взаимосвязей следующие:
• Функциональная зависимость скорости звука от температуры и состава среды (воздуха) и влияние этих характеристик на точность и разрешающую способность преобразователя.
• Функциональная зависимость длины звуковой волны от скорости звука и частоты и ее влияние на минимальный определяемый размер цели или минимальную (максимальную) дистанцию до цели.
• Функциональная зависимость затухания звука от его частоты и от влажности воздушной среды и их влияние на максимальную дальность определения цели.
• Функциональная зависимость величины фонового шума от частоты и его влияние на характеристики по дальности и разрешению.
• Характеристики направленности как преобразователя отдельно, так и системы на его (их) основе в целом и их влияние на дальность и избирательность по цели.
• Функциональная зависимость амплитуды эха от характеристик цели: дальности до нее, размера, формы поверхности и ее отражающей способности.
В качестве иллюстрации приведем несколько фундаментальных зависимостей, связанных с распространением звука в воздушной среде. Например, скорость звука в воздухе при температуре 0°С составляет 331 м/с, в углекислом газе - 258 м/с. Температурная зависимость скорости звука в воздухе приведена на рис. 7.3 (скорость звука при комнатной температуре равна 343 м/с).

Рис. 7.3. Зависимость скорости звука в воздухе от температуры в м/с
Еще одна основополагающая формула - зависимость длины звуковой волны от скорости звука и его частоты: λ= c/f, где λ - длина волны, с - скорость звука в среде, f - частота.
График зависимости длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре приведен на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Зависимость длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре
Из графика видно, что для преобразователя 40 кГц длина волны составляет приблизительно 0,8 см, а для частоты 250 кГц - 0,13 см. Это объясняет, почему для точного измерительного инструмента (например, ультразвуковой электронной рулетки) используют более высокочастотные преобразователи 120 - 250 кГц. В то же время для приложений, где точное измерение дистанции не требуется, например, в системах обнаружения препятствий позади автомобиля, применяют преобразователи 40 кГц. Более того, низкочастотный преобразователь (40 кГц) имеет преимущество для последнего приложения в связи с тем, что затухание звука с частотой 40 кГц в воздухе меньше, чем для частоты 250 кГц. Это свойство иллюстрирует еще одна фундаментальная зависимость теории и практики преобразователей - зависимость затухания звука при распространении в воздухе от частоты колебаний и влажности воздуха (рис. 7.5). Видно, что затухание звука с частотой 40 кГц более чем в 4 раза меньше, чем для частоты 250 кГц, при расчете на 1 фут и при всех остальных фиксированных параметрах.

Рис. 7.5 Максимальное затухание звука в воздухе при комнатной температуре,
фиксированной влажности для частот 40 - 250 кГц

7.2.1 Ультразвуковые приемопередатчики фирмы Sencera
Почти не существует материалов, которые не могут быть обнаружены ультразвуковыми датчиками. Поэтому ультразвуковые измерители – идеальное решение для определения положения и удаленности объекта в тяжелых условиях эксплуатации с точностью до миллиметра. Ультразвуковые датчики, в отличие от фотоэлектрических, не подвержены воздействиям окружающей среды и позволяют проводить измерения в запыленных, задымленных помещениях, а также в помещениях с высоким уровнем шума. Более того, датчики позволяют измерять расстояние до объектов любой формы, цвета и размера, а также выполненных из различных материалов. Диапазон срабатывания датчиков очень широк: от 100 мм до 6 м.
Конструктивно датчики SICK AG представляют собой ультразвуковой передатчик и приемник, объединенные в одном корпусе. Принцип измерения расстояния связан с измерением скорости прохождения волны, отраженной от объекта в рабочем диапазоне измерений. В зависимости от области применения, выпускаются датчики с цифровым и аналоговым выходами.
В отличие от датчиков SICK, пьезоэлектрические ультразвуковые излучатели Sensera являются чувствительными элементами, которые могут быть использованы в различных схемотехнических решениях.
Преимущества ультразвуковых датчиков:
• бесконтактное детектирование объекта и его удаленности при помощи ультразвука;
• высокая точность измерений;
• широкий диапазон сканирования;
• сканирование прозрачных объектов и жидкостей;
• стойкость к загрязнению окружающей среды ;
• компактность, защищенный корпус;
• класс защиты IP 65;
• защита от короткого замыкания.
Большинство ультразвуковых преобразователей, входящих в состав промышленно выпускаемых приборов и систем измерения малой мощности, работают в диапазоне частот от 40 до 250 кГц. Ведущими разработчиками и производителями ультразвуковых преобразователей самого разнообразного применения (в том числе и рассматриваемого) являются американские компании APC International, Parsonics, Massa Products, Honeywell. В последние годы в этой области активно работают и фирмы из Юго-Восточной Азии, одной из которых является тайваньская Sеnсеrа.
Рассматриваемые в статье ультразвуковые преобразователи (УП) относятся к разряду относительно недорогих пьезокерамических преобразователей нижнего ультразвукового диапазона (25 - 40 кГц) широкого применения, работающие в воздушной среде. Несмотря на невысокую цену, преобразователи, благодаря используемым конструктивно-технологическим решениям, имеют хорошие электрические и механические характеристики, что является серьезной предпосылкой получения надежных радиоэлектронных изделий широкого применения на их основе. Основные характеристики преобразователей приведены в таблице 1, где для сравнения также приведены параметры аналогичных устройств американского и российского производства.
УП фирмы Sencera предназначены для работы в воздушной среде, но, по-видимому, могут быть использованы и для работы в неагрессивной газовой среде с характеристиками, подобными воздушной и, естественно, с учетом скорости распространения звука в конкретной среде. Имеется два конструктивных исполнения преобразователей производства фирмы Sencera - открытое, где внешняя воздушная среда имеет непосредственный контакт с пьезокерамическим излучателем, и закрытое, где излучающий-принимающий пьезокерамический преобразователь отделен от воздушной среды герметичным корпусом. УП, пьезокерамический преобразователь работает как в режиме излучения, так и в режиме приема, хотя для конструктивного исполнения открытого типа приемники и передатчики изготавливаются в разных корпусах с согласованными характеристиками по центральной частоте и ширине полосы пропускания. Простые на первый взгляд пьезокерамические преобразователи, имеющие всего два вывода, являются сложной электромеханической системой и характеризуются набором параметров, необходимых для конструктивных и электрических расчетов систем на их основе.

7.2.2 Технические характеристики ультразвуковых преобразователей Sеnсеrа
Основные характеристики УП:
• Центральная частота (кГц) - резонансная частота (обычно частота, соответствующая минимальному импедансу электромеханической системы) на которой происходит излучение и прием.
• Полоса пропускания (кГц) - ширина полосы пропускания относительно центральной частоты, измеренная по уровню -6 дБ (-3 дБ).
• Уровень звукового давления или интенсивность звука (дБ) - величина звукового давления, создаваемого излучателем в точке измерения на заданном расстоянии, отнесенная к опорному уровню звукового давления, принятому за 0 дБ (стандартно 1 мкПа).
• Чувствительность (дБ) характеризует возможности УП как приемника. Определяется как величина напряжения на выводах УП, отнесенная к измеренной величине звукового давления на поверхности преобразователя, выраженная в децибелах относительно опорной величины 10 В/Па.
• Емкость (пф) - величина собственной емкости преобразователя, измеренная на частоте 1 кГц.
• Импеданс (Ом) - величина активного сопротивления преобразователя на резонансной частоте.
• Максимальное входное напряжение (В) - предельная величина переменного напряжения, приложенного к выводам УП в течение заданного времени.
• Ширина диаграммы направленности (град) - ширина лепестка характеристики направленности (пример на рис. 4), измеренная по уровню -6 дБ (или -3 дБ).
• Диапазон рабочих температур (°С) - диапазон температур, в котором гарантированно обеспечивается работоспособность устройства.
Пример диаграммы направленности приведён на рис. 7.6.


Рис. 7.6. Диаграмма направленности воздушного преобразователя 40CA-18SC APC Corp.
Ширина диаграммы направленности по уровню -6 дБ = 72°
SPL в дБ (0 дБ = 0,0002 мкбар)
шаг 10 дБ, центральная окружность = 60 дБ
Условия измерений: воздух, расст. 30 см, 10 B RMS
Существует также множество других параметров преобразователей - как электрических, так и эксплуатационных, которые приводятся в документации на изделие. Это, например, рекомендуемый рабочий диапазон по дальности; характеристики стандартной цели (размеры, материал); величина мертвой зоны; габаритные размеры преобразователя; срок службы; материал корпуса; условия работы по влажности, вибрации и т. п.
Дополнительно к данным, приведенным в таблице, преобразователи Sencera имеют следующие характеристики:
• ширина полосы пропускания (-6 дБ) 1,2 кГц;
• диапазон рабочих напряжений 20-150 В (ампл.).

Как уже упоминалось выше, существует 2 конструктивных исполнения УП Sencera - открытое и герметичное. Преобразователи имеют обозначение вида:
TR 40 25 T 1
(1) (2) (3) (4) (5)

, где:
(1) TR - для исполнений только передатчик/ только приемник (для УП открытого типа); ЕС - для комбинированного исполнения передатчик + приемник в одном корпусе;
(2) 40 - центральная частота, кГц;
(3) 10 - диаметр преобразователя в мм;
(4) Т - передатчик, R: приемник;
(5) 1 - порядковый номер разработки.
Все преобразователи выполнены в цилиндрических корпусах диаметром от 10 до 18 мм и высотой от 7 до 12 мм с двумя выводами для подключения. Материал корпуса либо ABS, либо алюминий (для герметичных исполнений). Влияние отдельных внешних факторов на чувствительность преобразователей приведено в таблице 7.3.

 

 

 

 

Таблица 7.3
Влияние отдельных внешних факторов на чувствительность УЗД
Наименование Условия Пределы изменения чувствительности УП
Диапазон температур -20 ... +70 °С 10 дБ
Влажность 40 ±2 °С, 90% RH, 2 часа 4 дБ
Ударное воздействие Удар 50g, направление: 3 перпендикулярных направления. Продолжительность: 3 раза 4 дБ
Вибрационное воздействие Направление: 3 перпендикулярных направления.
Продолжительность: 1000 циклов воздействия гармонической частоты с параметрами:
а) амплитуда вибрации 1,5 мм; б) качание частоты 10-50-10 Гц с интервалом 1 мин. 4 дБ

Преимущества УП:
• широкий диапазон применений;
• высокая чувствительность;
• высокая повторяемость;
• надежность в эксплуатации;
• высокое звуковое давление;
• не зависят от условий эксплуатации (вибрация, удары, влажность);
• сфера применения - датчики заднего хода и парковки автомобиля, датчики уровня жидкости.

Параметры выбранного УП ЕС4010:
• диапазон рабочих температур: -20...70°С;
• тип корпуса - влагозащищенныи корпус;
• материал – алюминий;
• функция – приемопередатчик;
• характеристика направленности, град……………. 90;
• детектируемое расстояние, м……………………0,2-КЗ;
• чувствительность, Дб……………………………… -67;
• уровень звукового давления, Дб……………………100;
• ёмкость, пФ……………………………………….. 2000;

Рис. 7.9. Внешний вид УЗД ЕС4010
8 ПРОГРАМНОЕ РЕШЕНИЕ НА ЯЗЫКЕ ASSEMBLER
8.1. Способы программирования AVR.
В процессе программирования AVR-микроконтроллеров выполняют следующие операции по стиранию, чтению и записи различных элементов энергонезависимой памяти кристалла:
• операция «Chip erase» (стирание кристалла);
• чтение/запись FLASH-памяти программ;
• чтение/запись EEPROM памяти данных;
• чтение/запись конфигурационных FUSE-бит;
• чтение/запись LOCK-бит защиты программной информации;
• чтение SYGNATURE-бит идентификации кристалла;
AVR-микроконтроллеры обычно поставляются со стертыми встроенными FLASH и EEPROM блоками памяти (содержимое всех ячеек = $FF), готовыми к программированию. В Таблице 1 перечислены возможные способы программирования элементов энергонезависимой памяти AVR. Параллельное программирование требует использования дополнительного источника повышенного напряжения (12 В), использует большое число выводов микроконтроллера и выполняется на специальных программаторах. Такое программирование удобно, когда при массовом производстве необходимо «прошивать» большое количество кристаллов. Последовательное программирование не требует дополнительного источника питания и может выполняться непосредственно в микропроцессорной системе (In System Programming) через последовательный SPI-интерфейс, который использует всего четыре вывода AVR-микроконтроллера. Возможность внутрисистемного программирования является одним из важнейших достоинств AVR, так как позволяет значительно упростить и удешевить процесс разработки и модернизации программного обеспечения. Параллельный и последовательный способы программирования предполагают использование внешнего программирующего процессора. EEPROM память может также программироваться самим AVR под управлением программы.
LOCK-биты программируются как параллельно, так и последовательно. FUSE-биты у младших моделей AVR могут программироваться только последовательно, а у старших - и параллельно, и последовательно. SYGNATURE-байты доступны для чтения при любом способе программирования, если кристалл не засекречен LOCK-битами. Операция «Chip erase» выполняется в обоих режимах программирования. Во время нее стираются все ячейки FLASH и EEPROM памяти, а также LOCK-биты. Причем LOCK-биты стираются только после того, как будет очищена вся память программ. На состояние FUSE-бит операция «Chip erase» не оказывает воздействия. FLASH и EEPROM блоки памяти программируются байт за байтом в любом из режимов программирования. Для EEPROM памяти в режиме последовательного программирования автоматически обеспечивается цикл стирания. Таким образом, существует возможность побайтной перезаписи отдельных ячеек EEPROM. Если же требуется изменить содержимое каких-либо ячеек FLASH памяти, то необходимо выполнять операцию «Chip erase», которая у всех кристаллов семейства Classic, стирает не только целиком всю FLASH, но и содержимое EEPROM.
В энергонезависимой памяти AVR имеется несколько специализированных бит и байт. LOCK-биты (LB1, LB2) предназначены для защиты программной информации, содержащейся во FLASH-памяти. Запрограммировав биты защиты, стереть их можно лишь во время очистки FLASH-памяти (операция «Chip erase»), которая уничтожает и всю программу.
FUSE-биты позволяют задавать некоторые конфигурационные особенности микроконтроллера. Состав FUSE бит каждого конкретного типа AVR обусловлен особенностями построения узлов сброса, тактирования и программирования кристалла. У всех микроконтроллеров, поддерживающих последовательное программирование, имеется FUSE-бит SPIEN, который позволяет разрешать («0» - по умолчанию) или запрещать («1») этот режим перезаписи кристалла. FUSE-бит RCEN позволяет выбрать в качестве источника тактового сигнала AVR внутренний RC-генератор («0»).
FUSE-биты FSTRT, CKSEL [0 .. 3], SUT [0, 1] задают время задержки старта AVR-микроконтроллера после сброса. Схемой контроля питания, если она имеется, управляют FUSE-биты BODEN (разрешение («0») / запрещение («1»)) и BODLEVEL.
Три энергонезависимых SIGNATURE-байта в энергонезависимой памяти AVR служат для идентификации типа кристалла, программируются на фабрике и доступны только для чтения.
8.2. Программно-аппаратные средства поддержки AVR
Подготовка программы для AVR-микроконтроллера выполняется на персональном компьютере и состоит из следующих этапов:
• создание текста программы;
• трансляция текста в машинные коды и исправление синтаксических ошибок;
• отладка программы, то есть устранение логических ошибок;
• окончательное программирование AVR-микроконтроллера.
Каждый из этапов требует использования специальных программных и аппаратных средств. Базовые программные средства для программирования AVR на ассемблере распространяются фирмой ATMEL бесплатно. Аппаратные средства поддержки программирования AVR а также более развитые средства для программирования AVR на языке C фирмы IAR Systems имеют коммерческое исполнение.
Gрограммf-отладчик AVRSTUDIO имеет специальный формат. Файлы прошивки FLASH и EEPROM блоков памяти предназначены для работы с любыми последовательными и параллельными программаторами AVR и имеют стандартные форматы. Отладка программы AVR-микроконтроллеров может выполняться двумя основными способами: на персональном компьютере при помощи программы-симулятора или в реальной микропроцессорной системе. Два эти способа взаимно дополняют друг друга. Программы-симуляторы Atmel AVRSTUDIO отображают на экране компьютера Вашу программу и состояние внутренних регистров AVR. Таким образом, становится возможным наблюдать изменения переменных, которые происходят внутри микроконтроллера при выполнении тех или иных команд программы. Использование симуляторов эффективно при отладке подпрограмм, которые выполняют численную обработку внутренних данных. В то же время отладку подпрограмм, связанных с какими-либо внешними элементами, удобно выполнять непосредственно в рабочей системе. Для отладки программы в рабочей системе, кроме программных средств, требуются также и аппаратные. Имеются различные варианты построения отладочной системы, отличающиеся стоимостью и возможностями. Наиболее быстрый, не требующий пайки способ построения микропроцессорной системы на основе AVR - это приобретение какого-либо комплекта AVR STARTER KIT фирмы ATMEL. В настоящее время существует комплект: STK200 для Classic AVR. Набор STK300 содержит небольшую печатную плату DEVELOPMENT BOARD, кабель для последовательного программирования AVR через LPT-порт компьютера, дискеты с программным обеспечением (ATMEL_AVR_ISP) и CD-ROM с полной документацией на все типы AVR. Содержимое дискет и CD-ROM диска можно также найти на www.atmel.com. Плата DEVELOPMENT BOARD из, STK300 имеет следующие узлы:
• встроенный стабилизатор напряжения питания;
• набор STK300 панельки для подключения различных типов AVR-микроконтроллеров;
• разъем для последовательного программирования AVR;
• узел интерфейса RS-232;
• набор из 8 светодиодов, которые можно подключать к выводам портов микроконтроллера;
• набор из 8 кнопочных переключателей, которые можно подключать к выводам портов микроконтроллера;
• панель для подключения внешней SRAM;
• разъемы, через которые при помощи гибких кабелей можно наращивать микропроцессорную систему. Например, можно подключить собственный макет аналоговой части какого-либо устройства.
По последовательному SPI-интерфейсу имеется параллельный программатор. Способ отладки микропроцессорной системы при помощи SPI-интерфейса отличается своей дешевизной, но, однако, имеет и недостатки. Во-первых, каждый раз при внесении изменений в программу Вы перепрограммируете FLASH-память микроконтроллера, количество циклов перезаписи которой ограничено хоть и достаточно большим (1000), но все же конечным числом. Во-вторых, описанный способ не дает возможности пошаговой отладки программы. В связи с этим, фирмой ATMEL разработаны более мощные, но и более дорогие внутрисхемные эмуляторы ICE200 и ICEPRO. Они представляют собой микропроцессорные устройства, которые с одной стороны связываются с Вашей микропроцессорной системой через панель, предназначенную для установки AVR-микроконтроллера, а с другой - с персональным компьютером и работают под управлением уже упоминавшейся программы фирмы Атмел AVRSTUDIO. Внутрисхемные эмуляторы позволяют выполнять программу в Вашей системе в пошаговом режиме и неограниченное число раз вносить изменения в программу. При работе с внутрисхемным эмулятором Вы одновременно можете на экране компьютера наблюдать состояние внутренних ресурсов процессора, а на микропроцессорной плате - реакцию системы на те или иные команды программы. Завершающим этапом программирования AVR-микроконтроллера является занесение в память уже отлаженной программы. Оно может быть выполнено так же, как и при отладке программы, то есть через SPI-интерфейс.
Для реализации программного продукта выбран контроллер ATmega 8, который в своём составе имеет ОЗУ объёмом 1 кбайт и EEPROM объёмом 512 байт. В регистрах ОЗУ хранятся данные получаемые в процессе обмена с блоками 2 и 3. В результате обмена передаются пакеты данных состоящие из адреса контроллера и пяти байт данных.
8.3 Алгоритм обмена данных по шине TWI
Алгоритм передачи данных по шине TWI представлен на рис. 8.1.

Рис. 8.1 Алгоритм работы шины TWI

Весь алгоритм передачи данных можно разбить на 7 основных этапов:
1. Первым шагом работы TWI является передача условия СТАРТ. Это инициируется путем записи специфического значения в TWCR. О значении, которое необходимо записать будет сказано позже. Однако, необходимо следить, чтобы в записываемом в регистр значении был установлен бит TWINT. Запись лог. 1 в TWINT сбрасывает этот флаг. TWI не начнет работу до тех пор пока будет установлен флаг TWINT в регистре TWCR. Сразу после сброса TWINT начинается передача условия СТАРТ.
2. После передачи условия СТАРТ устанавливается флаг TWINT в регистре TWCR, а содержимое TWSR обновляется значением кода состояния, индицирующего об успешной передачи условия СТАРТ.
3. В программе необходимо выполнить проверку значения TWSR, чтобы убедится в том, что условие СТАРТ было успешно передано. Если TWSR индицирует прочую ситуацию, то программа выполняет особые действия, например, вызывает процедуру обработки ошибочных ситуаций. Если код состояния имеет ожидаемое значение, то выполняется загрузка условия ПОДЧИН_АДР + ЗАПИСЬ в TWDR. Необходимо помнить, что TWDR используется для хранения как адреса, так и данных. После загрузки в TWDR желаемого значения ПОДЧИН_АДР + ЗАПИСЬ в регистр TWCR должно быть записано специфическое значение, которое служит командой для передачи значения ПОДЧИН_АДР + ЗАПИСЬ, хранящегося в TWDR. Какое именно значение необходимо записать будет сказано позже. Однако необходимо следить, чтобы в записываемом в регистр значении был установлен бит TWINT. Запись лог. 1 в TWINT приводит к сбросу этого флага. TWI не начнет работу до тех пор пока установлен бит TWINT в регистре TWCR. Сразу после сброса флага TWINT инициируется передача адресного пакета.
4. После передачи адресного пакета устанавливается флаг TWINT в регистре TWCR, а содержимое регистра TWSR обновляется кодом состояния, индицирующего успешность передачи адресного пакета. В коде состояния также отражается было ли подтверждение приема адресного пакета со стороны подчиненного или нет.
5. Выполняется программная проверка значения TWSR, чтобы убедиться в успешности передачи адресного пакета и что бит подтверждения ПОДТВ имеет ожидаемое значение. Если TWSR индицирует иную ситуацию, то при необходимости выполняются особые действия, например, вызывается процедура обработки ошибочных ситуаций. Если же код состояния имеет ожидаемое значение, то программа записывает пакет данных в TWDR. Впоследствии в регистр TWCR записывается специфическое значение, которое служит командой для TWI и вызывает аппаратную передачу данных, записанных в TWDR. Какое именно значение необходимо записать, будет сказано позже. Однако необходимо учесть, что в записываемом значении должен быть установлен бит TWINT. Запись лог. 1 в TWINT приводит к сбросу этого флага. TWI не начнет работу до тех пор пока будет установлен бит TWINT в регистре TWCR. Сразу после сброса TWINT начинается передача пакета данных.
6. После передачи пакета данных устанавливается флаг TWINT в регистре TWCR, а содержимое регистра TWSR обновляется значением кода состояния, который сигнализирует об успешной передачи пакета данных. В коде состояния также отражается было ли принято подтверждение от подчиненного или нет.
7. Выполняется программная проверка значения в TWSR, чтобы убедиться в успешности передачи пакета данных и в том, что бит ПОДТВ имеет ожидаемое значение. Если TWSR индицирует иную ситуацию, то программа выполняет особые действия, в т.ч. вызывает процедуру обработки прерывания. Если код состояния имеет ожидаемое значение, то выполняется запись специального значения в TWCR, которое служит командой для TWI и инициирует передачу условия СТОП. Какое именно значение необходимо записать, сказано далее. Однако следует учесть, что во время записи должна быть произведена установка бита TWINT. Запись лог. 1 в TWINT приводит к очистке этого флага. TWI не начнет работу до тех пор, пока установлен бит TWINT в регистре TWCR. Сразу после сброса флага TWINT инициируется передача условия СТОП. Обратите внимание, что флаг TWINT НЕ устанавливается по завершении передачи условия СТОП.
Программа реализованная по разработанному алгоритму приводится в приложении Д.

9 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА
9.1 Сравнительный анализ разрабатываемого устройства
Разрабатываемое устройство имеет преимущество по сравнению с выше описанными, так как имеет ряд дополнительных функций и технических решений.
Наличие в УБП функции самодиагностики позволяет вовремя выявить неисправность системы и устранить её, тем самым повышая надёжность эксплуатация устройства.
В качестве световой сигнализации выбрана светодиодная шкала, имеющая четыре градации цвета, что удешевляет продукцию, не ухудшая качество визуального контроля (в отличие от других устройств с жидкокристаллическим дисплеем). Использование двух тонов сигнала – «низкий»-назад, «высокий»-вперёд позволит более качественно воспринимать звуковую сигнализацию.
Ориентировочно можно сказать, что ценовой фактор проектируемого устройства будет примерно в 1,5 раза ниже, чем заявлены в выше рассмотренных системах с таким же колличеством ультразвуковых датчиков (Golden Eye). Это определено на основе выбора состава аппаратных среств, учёта их стоимости и методов производства.
На основе выше изложенного можно провести сравнительный анализ аналога и разрабатываемого устройства, который приведен в таблице №.9.1.

 


Таблица 9.1 – Сравнительный анализ разрабатываемого устройства
п/п Параметры и
характеристики Golden Eye, Y-2616N8 Проектируемое устройство
1 Модельный ряд автомобилей преимущественно легковые автомобили нет ограничений
2 Самодиагностика нет есть
3 Визуальная и звуковая сигнализация есть есть
4 Два тона сигнала – «низкий»-назад, «высокий»-вперёд нет есть
5 Гибкость расположения датчиков и выбор их общего колличества жёстко закреплено, в зависимости от модели от 1 до 8 в любых вариациях
7 Режим «пробка» есть есть
8 Полуавтоматизация парковки нет есть
1 Ориентировочная цена 4 200 руб. –

В приведённой ниже таблице 9.1 отражены основные характеристики разрабатываемого устройства и наиболее приближенного к нему, по функциональным возможностям, устройства-конкурента парктроника фирмы Golden Eye, модели - Y-2616N8 с 8-ю датчиками.
Перейдем к расчету ожидаемой себестоимости устройства, изготавливаемого в лабораторных условиях в единичном экземпляре. Затраты на изготовление устройства будем рассматривать по двум направлениям:
1 НИОКР;
2 Себестоимость.


9.2 Расчёт интегрального технического показателя
Для сравнительного анализ аналога и разрабатываемого устройства, произведём расчёт интегрального технического показателя. Исходные данные и результаты подсчёта занесём в таблицу 9.2.
Таблица 9.2 – Интегральные коэффициенты качества
Параметры Единицы
измерения Весовой коэффициент важности,
ai Проектируемое устройство Аналог
Y-2616N8
Числовое значение Вес показателя по 10 бальной шкале, biн ai • biн Числовое значение Вес показателя по 10 бальной шкале, bia ai • bia
Дальность действия м 0,1 1,5 5 0,5 1,5 5 0,5
Количество УЗД шт 0,15 8 7 1,05 8 7 1,05
Самодиагностика 0,3 имеет 10 3 нет 0 0
Стоимость р 0,35 1700 10 3,5 2400 6 2,1
Интервал раб. тем. ˚С 0,1 от -35 до +80 9 0,9 от -35 до +80 9 0,9
Итого Σai=1 Σbiн=41 Σai • biн =8,95 Σbiн =1 Σai • bia =4,55

На основании таблицы 9.2 определим интегральный коэффициент качества проектируемого устройства по соотношению 1:
(1)
Интегральный коэффициент качества аналога больше единицы KH>1. Таким образом разрабатываемое устройство обладает несколько лучшими параметрами по сравнению с аналогичным по назначению прибором и производить рассмотренного типа продукцию – целесообразно.

9.3 Расчёт затрат на этапе проектирования
9.3.1 Ожидаемые длительности работ на этапе проектирования
Для подсчета трудовых затрат необходимо, в первую очередь, подсчитать общее количество часов, потраченных на разработку системы. Весь процесс производства проектируемой системы можно разбить на несколько этапов, каждый из которых занимает определенное количество трудовых часов, указанных в таблице 9.3.
Расчёт ожидаемой длительности проектирования вычисляется по формуле:

где, tmin, tmax – наименьшая и наибольшая, соответственно, по мнению экспертов длительность работ.

Таблица 9.3 – Список выполняемых работ
Наименование работы Длительность работ, часов
tmin tmax tо
1. Разработка ТЗ 16 22 18
2. Анализ ТЗ 19 23 21
3. Разработка алгоритма работы устройства 40 52 46
4. Разработка схем 45 65 55
5. Разработка программного продукта 38 46 42
6. Отладка программы 30 44 37
7. Разработка конструкции 28 40 34
8. Испытание 27 35 31
9. Корректировка 32 40 36
10. Разработка сопроводительной документации 30 36 33
Суммарное количество времени, ч. 353

На основании таблицы 9.3, можно построить ленточный график выполнения работ (рисунок 9.1).
Рис. 9.1 - Ленточный график выполнения работ
9.3.2 Расчет затрат на техническую подготовку производства
Для расчета данных затрат необходимо определить:
1) Затраты на оборудование;
2) Основную заработную плату;
3) Дополнительную заработную плату;
4) Налог;
5) Накладные расходы.
Техническая подготовка производства (ТПП) включает в себя целый комплекс мероприятий, таких как:
1) Конструирование принципиально новых и совершенствование освоенных приборов и систем;
2) Разработку и внедрение новых и совершенствование действующих на производстве технических процессов;
3) Разработку и осуществление планов технического оснащения производства, комплексной его автоматизации и механизации.

9.3.3 Расчёт заработной платы разработчиков
Основная заработная плата производственных рабочих на одно изделие исчисляется исходя из трудоемкости изготовления, применяемой тарифной сетки и часовых тарифных ставок (табл. 9.4).
Таблица 9.4 - Расчет основной заработной платы на проектирование нового устройства
№ Наименование работ Разряд, должность Время (час) Ставка
(в час, руб.) Сумма,
руб.
1 Разработка ТЗ Ведущий инженер 18 27 486
2 Анализ ТЗ Ст. инженер 21 21 441
3 Разработка алгоритма работы устройства инженер 46 16 736
4 Разработка схем инженер 55 16 880
5 Разработка программного продукта Инженер 42 16 672
6 Отладка программы Инженер 37 16 593
7 Разработка конструкции Инженер 34 16 544
8 Испытание Инженер 31 16 496
9 Корректировка Инженер 36 16 576
10 Разработка сопроводительной документации Инженер 33 16 528
Итого: 5952

Из таблицы Х видно, что основная заработная плата, т.е. сумма расходов на этапе подготовки производства составит 5952рубля.
Рассчитаем сумму дополнительной заработной платы из расчета 10% от основной заработной платы, получим:
Здоп=0,1*5952=595,2руб.
Отчисления на социальные нужды – 26% от суммы основной и дополнительной заработных плат
Зс.нуж=0,26(5952+595,2)=1702,3 руб.
Рассчитаем накладные расходы (таблица 9.5). Норматив на накладные расходы составляет от 110 до 200% от суммы основной заработной платы разработчиков. Допустим, что накладные расходы составят 120%.
Инак=1.2*5952=7142,4 руб.
Таблица 9.5 – Затраты на техническую подготовку производства
Вид затрат Сумма, руб.
Основная заработная плата (ОЗП) 5952
Дополнительная ЗП (ДЗП) разработчиков –10% от основной ЗП 595,2
Отчисления на социальные нужды - 26% от ОЗП+ДЗП 1702,3
Накладные расходы (Н) - 120% от основной ЗП 7142,4
ИТОГО ( ):
15391,9

Как видно из таблицы 9.5, затраты на техническую подготовку производства составляют 15391,9 рублей. Исходя из этого, при выпуске продукции количеством 100 шт., получаем, что расходы на одно изделие составляют:
Еизд=15391,9/100=153,919руб.
С ростом количества выпускаемой продукции затраты на техническую подготовку производства будут уменьшаться и вскоре окупятся.
9.4 Расчёт себестоимости разработки
Под себестоимостью понимают совокупность затрат в денежной форме на изготовление и реализацию продукции. Она состоит из потребленных в процессе производства предметов труда, перенесенной стоимости средств труда, затрат на оплату труда, расходов по сбыту и реализации продукции.
Себестоимость - основа ценообразования; она отражает качественную сторону деятельности предприятия, характеризуя: степень использования материальных и трудовых ресурсов; результаты внедрения новой техники и прогрессивной технологии; качество продукции; уровень организации труда и производства.
Величина себестоимости УБП устанавливается путем составления калькуляции. Калькулировать - значит выделять (рассчитывать) из общих затрат на производство затраты, относящиеся к единице готовой продукции. Классификация затрат по экономическим элементам отражает группировку расходов по экономическому содержанию и применяется при разработке сметы затрат на производство. Установление сумм статей расходов устанавливается расчетным путем.
Расход материальных элементов на единицу продукции рассчитывается по нормам; разрабатываемым на основании технической документации. Расход основных материалов определяется по черновой массе деталей, т.е. по массе заготовок, а также прибавляются заготовительные расходы по транспортировки, доставке и т.п.
Материальные затраты состоят из затрат на сырье и материалы (таблица 9.6) и затрат на приобретение покупных элементов (таблица 9.7).
Таблица 9.6 – Затраты на сырьё и материалы
Наименование материала Ед. измерения Цена за ед., руб. Расход на изделие Стоимость, руб.
Пластмасса кг 98 0,04 3,9
Стеклотекстолит м2 270 0,01 2,7
Припой кг 250 0,2 5
Химические материалы кг 125 0,1 12,5
Лаки, краски кг 150 0,05 3
Транспортно-заготовительные расходы, 10% 2,7
ИТОГО , руб. 29,8

 

 

Таблица 9.7 – Затраты на покупные изделия
Перечень комплектующих изделий
Норма расхода на изделие, шт. Цена, руб/шт. Сумма затрат,руб.
8 разрядный микроконтроллер: ATmega8 1 70 70
Светодиоды 7 3 21
Операционный усилитель 2 16 32
Интегральный стабилизатор напряжения 78L05 3 5 15
Резисторы и кондецаторы: SMD 50 0,5 25
Ультразвуковой датчик 8 180 1440
Разъем - 4 контактов 3 3 9
Разъем - 6 контактов 3 3 9
Кнопки норм. разомкнутые (одно положение, без фиксации) 2 5 10
Кварцевый резонатор 8 МГц 1 5 5
Корпус 3 70 210
Транспортно-заготовительные расходы, 10% 184,6
ИТОГО 2030,6

Материальные расходы составили 29,8+2030,6 = 2060,4 руб.
Произведём расчёт заработной платы производственных рабочих и результаты занесём в таблицу 9.8.

 

 

Таблица 9.8 – Основная заработная плата производственных рабочих
Наименование операции Трудоемкость, ч Часовая ставка, руб./час Затраты, руб.
Обработка материала 2 10 20
Нанесение фоторезиста 0,2 12 5,2
Проявление 0,5 12 6
Травление 1 12 12
Сборка 2 12 24
Настройка 2 14 28
Технический контроль 1 16 16
Упаковка 0,5 12 6
Сумма ОЗП ( )
117,2

Итак, получили, что основная заработная плата рабочих составит Зп=117,2 руб.
Тогда дополнительная заработная плата, которая берется примерно (820%) от основной заработной платы (Зп). Примем ее равной 10% и получим
Здоп=0,1*117,2=11,72руб.
Отчисления на социальные нужды определяются как 26% от основной и дополнительной заработной платы. Получаем
Исоц=0,26*(117,2+11,72)=30,1 руб.
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования возьмем как 80% от основной зарплаты рабочих
Иоб=0,8*117,2=93,76 руб.
Цеховые расходы примем как 50% от основной заработной платы
Ицех=0,5×117,2=58,6 руб.
Общезаводские расходы примем как 60% от основной заработной платы Изав=0,6×117,2=70,3 руб.
В итоге, учитывая все вышесказанное, сведем в таблицу 9.9 и получим полную себестоимость продукции.

Таблица 9.9 – Калькуляция себестоимости
Наименование статьи Сумма, руб.
Материальные затраты 2030,6
1.Основная заработная плата производственных рабочих 117,2
2.Дополнительная зарплата производственных рабочих(10%) 11,72
3.Отчисления на социальные нужды производственных рабочих 30,1
Итого, прямые трудовые расходы 2219,4
4.Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования 93,76
5.Цеховые расходы 58,6
6.Общезаводские расходы 70,3
Итого, накладные расходы 222,66
Производственная себестоимость 2442,1
Внепроизводственные расходы (5% от производственной себестоимости) 122,1
Полная себестоимость ( )
2564,2

9.5 Определение цены изделия
Цена включает в себя прибыль и определяется по формуле:
Цена=полная себестоимость+норма прибыли+НДС
Норма прибыли составляет 20% от полной себестоимости – 512,8 руб.
НДС составляет 18% от суммы полной себестоимости и нормы прибыли – 553,8 руб.
Цена=512,8 + 553,8 + 2564,2=3630,9 руб.
В итоге, учитывая все вышесказанное, сведем в таблицу 1.8 и получим полную продажную цену продукции с НДС.


Таблица 9.10 – Определение цены продукции
Наименование статьи калькуляции Сумма,
руб.
Полная себестоимость 2564,2
Закладываемая прибыль 20 % 512,8
Итого, продажная цена без НДС 3077
НДС 18 % 553,8
Итого, продажная цена с НДС 3630,5

Для определения экономической эффективности внедрения разработки необходимо рассчитать эксплуатационные расходы.
9.6 Расчет эксплуатационных расходов разработки и аналога
При определении экономической эффективности новых изделий необходимо установить размер расходов на эксплуатацию этих изделий в сфере потребления.
Под эксплуатационными расходами конечного потребления понимают затраты:
ЗЗ/П – з/п обслуживающего персонала;
ЗЭН – потребление электроэнергии;
ЗРЕМ – затраты на профилактические и внеплановые расходы;
ЗСОД – содержание зданий помещений;
ЗНАК – накладные расходы ;
ЗПР – прочее;
ЗЭ = ЗЗ/П+ЗЭН+ЗРЕМ+ЗСОД+ЗНАК+ЗПР;
ЗЗ/П = 0,1 • (1+0,26) • ОЗП = 1,26 • 117,2 = 147,6 руб.;
ЗЭН = М • F • C = 0,02 • 8 • 1,4 = 0,224 руб.;
ЗРЕМР = 0,1 • Цена изделия = 0,1 • 3630,5= 363,05руб. – для разработки;
ЗРЕМА = 0,1 • Цена изделия = 0,1 • 4200 = 420 руб. – для аналога;
ЗСОД = 100 руб.
ЗНАК = 1 • ОЗП = 117,2 руб.
ЗПР = 0,03 • 117,2 = 3,5 руб.
ЗЭР = 147,6+0,224+365,05+100+117,2+3,5 = 733,574 руб –для разработки
ЗЭА = 147,6+0,224+420+100+117,2+3,5 = 790,524 руб – для аналога
9.7 Годовой экономический эффект
Балансовая прибыль рассчитывается по формуле:
,
где:
Цпрmax- максимальная цена проектируемого изделия, в качестве максимальной цены возьмем цену аналога.
Сп- полная себестоимость;
- количество изделий, планируемых к выпуску в течении года, шт.
Пб = (4200 - 2564,2)×100 = 163 580 руб.
Прибыль, объявляемая к налогообложению, определяется по формуле:
,
где: - отчисления, равные 3% от балансовой прибыли.
Фр=163 580×0,03 = 4 907,4 руб.
Пн = 163 580 - 4 907,4 = 158 672,6 руб.
Чистую прибыль рассчитаем по следующей формуле:
,
У - ставка налогообложения, которая равна 18%.
Пч = 163 580 - 158 672,6 ∙ 0,18 = 135 018,9 руб.
Т=К/Пч, по этой формуле рассчитываем срок окупаемости продукции.
- капитальные вложения.
В капитальные вложения потребителя могут входить:
,
- цена разработанного прибора;
- транспортные расходы к месту эксплуатации (5% от оптовой цены);
- затраты на монтаж и наладку прибора на месте эксплуатации (10% от оптовой цены прибора);
- стоимость занимаемой прибором площади (1% от оптовой цены);
- стоимость запаса сменяемых частей (10% от оптовой цены прибора).
К=2564,2+ 666,7= 3230,9 руб./шт.

Т=3230,9 ∙100/135 018,9 =2,39 года
9.8 Сравнение разрабатываемого устройства с аналогом
В результате проведенных расчетов были получены оценки затрат на этапе проектирования, себестоимости устройства и годового экономического эффекта от внедрения устройства, которые сведены в таблицу 9.11
Таблица 9.11 – Сравнение основных экономических показателей
Показатель Единица измерения Аналог Проект
Продажная цена руб. 4200 3630,5
Эксплуатационные расходы руб. 790,5 733,5
Экономия руб. 626,5

Основные технико-экономические показатели вынесены на плакат в приложении Д.
Вывод. В результате проведенного технико-экономического обоснования было показано, что проектируемое устройство, по некоторым параметрам превосходит конкурирующее изделие. Производить новую систему выгоднее, чем применять аналог. Поэтому, можно сказать, что цели и задачи, решаемые с помощью данного устройства экономически оправдывают затраты на его разработку и изготовление. Также рассчитано, что срок окупаемости системы равен 2,39 года.

10 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА
10.1 Системный анализ надёжности и безопасности УБП
Для повышения безопасности и надёжности (безотказности) работы разрабатываемого устройства необходимо эффективным образом проанализировать возможные аварийные ситуации и причины их вызывающие. И, как следствие, принять меры по предотвращению таковых.
Отказы разрабатываемого устройства носят стохастический характер, т.е. они могут проявиться или не проявиться. Поэтому в качестве адекватной оценки риска можно применять вероятность наступления нежелательного события, определяемую статистически.
Как пример ситуации отказа устройства управления УБП, возьмем случай выхода его из строя при использовании в системе обработки сигналов. При отказе устройства необходимая информация не будет поступать на микропроцессор, что в свою очередь приведет к необходимости повтора эксперимента.
Поскольку данная система в первом приближении представляет собой устройство обработки сигнала, очевидно, что наиболее неблагоприятной с точки зрения работоспособности будет ситуация отсутствия или искаженности информации. Причинами такого события могут быть как внешние, мало зависящие от нас, так и неисправности электрических схем самого устройства. Эти группы событий выделены ввиду резкого отличия причин, приводящих к их возникновению.
Исходя из вышеизложенного, в качестве главного для анализа надёжности и безопасности разрабатываемого проекта рассмотрим основные факторы, которые могут вызвать причины выхода устройства из строя. Основными являются:
внешние факторы
• -механические повреждения
внутренние факторы
• -выход из строя элементов схемы
• -отсутствие или сбои питающего напряжения
• -сбои в программе процессорного модуля
Таким образом, причиной нарушения работоспособности устройства может стать:
1. Неисправность платы – выход из строя элементов устройства:
• перегрев элементов схемы (забиты вентиляционные отверстия; плохая вентиляция в месте, где стоит устройство);
• механические повреждения;
• естественное старение элементов схемы;
2. Сбой в программе микроконтроллера:
• пульсации питающего напряжения;
• механические повреждения контроллера;
3. Отсутствие связи со средой передачи данных:
• обрывом сетевого кабеля (в результате механического повреждения или естественного старения кабеля);
• несогласованна линия;
4. Отсутствие напряжения питания;
• отсутствие напряжения в электрической сети а (аварийное отключение при перегрузке сети или неисправность электропроводки)
• обрыв кабеля питания устройства (в результате механического повреждения)
Следует сказать, что современные интегральные микросхемы имеют высокую надежность, нежели радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды и т.д.). Поэтому отказом микропроцессора или интерфейсного блока может быть банальный сбой в программе или перебой с питанием, что в свою очередь может являться следствием из неисправного блока питания или подсевшей аккумуляторной батареи..
К дефектам, которые могут возникнуть в процессе сборки, относятся: удар, перегрев, обрыв, электрический пробой статическим электричеством и другие. К нарушениям правил эксплуатации относятся: несоответствие температурного режима, несоответствие климатической зоне, неноминальное питающее напряжение и т.п.
Необходимо также добавить сюда отсутствие сигнала на входе устройства парковкой автомобиля, что в свою очередь может быть вызвано, к примеру, отсутствием объекта наблюдения, то есть отказом датчика.
Результаты анализа возможных источников отказа устройства представлены на рис. 10.1 в виде *дерева причин*.

Рис. 10.1 Дерево причин отказа устройства.

 

10.2 Разработка мероприятий по повышению надежности и безопасности УБП при эксплуатации
На основе выше изложенного при разработке, установке и эксплуатации устройства необходимо выполнять следующие мероприятия по повышению надежности разрабатываемой системы.
Рассматривая опасность выхода из строя элементов УБП из-за их перегрева, надо предусмотреть не только охлаждение устройства в условиях естественной конвекции и применением теплоотводов на функциональных узлах, но и выбрать такую элементную базу, которая бы выдерживала значительные перепады температур, особенно с ее повышением в более жарких регионах.
Для защиты от пульсаций необходимо воспользоваться сетевым фильтром и стабилизатором питающего напряжения с защитой от короткого замыкания, также необходимо предусмотреть наличие плавкого или самовосстанавливающегося предохранителя в цепи питания.
Неисправности, причинами которых является обрыв сетевого кабеля можно устранить путем прокладки данного кабеля в малодоступных местах таким образом, чтобы минимизировать возможность механических повреждений (изгиб, натяжение).
Такая ситуация как отсутствие питающего напряжения предотвращается регулярной проверкой состояния проводов питания, проведением технического осмотра УБП, а также слежением за исправностью электропроводки.

10.3 Анализ вредных воздействий на человека в процессе изготовления и монтажа печатной платы УБП.
Изготовление устройства автоматической парковки автомобиля производится в лаборатории и охватывает многие виды производства применяемые в радиопромышленности:
1. производство печатных плат;
2. сборно-монтажные работы;
3. регулировку;
4. испытания.
Возможные опасности на каждом этапе производства, а также меры по их устранению показаны в таблице 10.1.
Таблица 10.1
Наименование операций Опасные факторы Мероприятия по устранению вредных
воздействий на человека при работе
Травление печатных плат Отравление продуктами реакции через дыхательные пути Для исключения отравления через дыхательные пути продуктами реакции при травлении печатных плат, а также при пайке элементов необходимо на каждое рабочее место устанавливать вытяжную вентиляцию
Сверление отверстий Поражение электрическим током при неисправности изоляции дрели, травма пальцев Заземление ≤4 Ом, изоляция токоведущих частей ≥500 кОм
Пайка радиодеталей Отравление парами свинца, ожег, загрязнение рук свинцом Для удаления остатков флюсов после пайки в зависимости от марки флюса применяются различные моющие среды, которые не обладают токсическими свойствами.
Сборка устройства Механические травмы Для предотвращения механических травм при сборке необходима установка искусственного освещения, 6 светильников ОДР
Регулировка и испытания При подключенном питании и открытом доступе к токоведущим
проводам возможно поражение током Заземление ≤4 Ом, изоляция токоведущих частей ≥500 кОм, УЗО

Рассмотрим каждый пункт таблицы 10.1 подробнее.
Для травления печатных плат необходимо применять вредные для здоровья ядовитые вещества, таких как хлорное железо и различные лаки в результате испарения которых вредные соединения могут попасть в организм человека.
При непосредственном монтаже радиоэлементов на печатную плату возникает опасность поражения электрическим током. Поражение электрическим током может исходить либо от дрели, с помощью которой просверливаются отверстия, либо от паяльника. В первом случае, в результате поражения электрическим током от дрели можно также получить и травму пальцев рук из-за нервных сокращений мышц.
Операции пайки, лужения и обжига изоляции сопровождаются загрязнением воздушной среды в помещениях парами свинца, олова, сурьмы и других элементов, входящих в состав припоя, а также парами канифоли и различных жидкостей, применяемых для флюса, смывки и растворения различных лаков, которые применяются для покрытия печатных плат; парами соляной кислоты; газами (окись углерода, углеводорода) и т.д. Пары, попадая в атмосферу цеха, конденсируются и превращаются в аэрозоль такой конденсации, частицы которой по своей дисперсности приближаются к дымам.
Особенно вредны при пайке оловянно-свинцовыми припоями пары свинца. Свинец и его соединения ядовиты. Часть поступившего в организм свинца выводится из него через кишечник и почки, а часть задерживается в костном веществе, мышцах, мозгу, печени. При неблагоприятных условиях свинец начинает циркулировать в крови, вызывая явление свинцового отравления. Свинец вызывает изменение в составе крови, поражает нервную систему, почки и печень.
Свойство свинца накапливаться в организме приводит к хроническому отравлению при систематическом поступлении в организм даже в малых количествах. Для предотвращения острых и профессиональных заболеваний содержание свинца в воздушной среде не должно превышать предельно допустимой концентрации  .
В производстве радиоэлектронной аппаратуры кроме оловянно-свинцовых припоев находят применение припои, в состав которых входят медь, литий, серебро, кадмий и другие металлы. Наиболее опасны пары окиси кадмия, меди и фтористые соединения. Не безразличны для организма также литий и хлористый цинк, оказывающие раздражающее действие на кожу и дыхательные пути.
В процессе сборки устройства можно получить механическую травму. К механическим травмам относятся порезы, ушибы, травмы пальцев и другие травмы тела человека при сборке.
При регулировке и испытаниях блока управления вероятно поражение электрическим током во время коммутации прибора с напряжением питания. Во время эксплуатации и неисправной работе блока питания поражение электрическим током может произойти при коротком замыкании на корпус прибора, которое может произойти при перегреве силовых токоведущих цепей или при деформации корпуса прибора (при транспортировке, при неправильной эксплуатации).

10.4 Мероприятия по устранению вредных воздействий на человека при производстве устройства УБП
Персонал для работы над сборкой, монтажом и наладкой данного устройства готовится специально. К работе могут быть допущены лица, достигшие 18-летнего возраста, прошедшие медицинскую комиссию и имеющие удостоверение на право производства работ. В удостоверении указывается группа по технике безопасности, соответствующая тем работам, которые могут быть доверены данному лицу. Для персонала, непосредственно работающего в электроустановках, производится повторная проверка знаний раз в год.
Для безопасности работ в электроустановках осуществляются организационные и технические мероприятия.
Организационными мероприятиями являются:
• оформление работы нарядом или распоряжением;
• допуск к работе, надзор во время работы, оформление
• перерывов в работе, переводов на другое рабочее место,
• окончания работы.
Для исключения отравления через дыхательные пути продуктами реакции при травлении печатных плат, а также при пайке элементов необходимо на каждое рабочее место устанавливать вытяжную вентиляцию.
Для избежания механических травм (травма пальцев при сверлении, травмы при сборке), а так же случайных поражений электрическим током по неаккуратности необходима установка искусственного освещения, установленного нормами СНиП 23-05-95.
Существенным фактором избежания несчастных случаев является соблюдение правил электробезопасности. Для этого необходимо:
• применение пониженного напряжения;
• применение защитного заземления.
Для удаления остатков флюсов после пайки в зависимости от марки флюса применяются различные моющие среды, которые обладают токсическими свойствами.
Для контроля изоляции в лаборатории применяют специализированные омметры типа М1101 и МС-06. Измерение активного или омического сопротивления изоляции, согласно правилам, производится на отключенной установке.
При допуске персонала (лаборантов, студентов и т.д.) в лабораторию с ним должен быть проведен инструктаж по технике безопасности, в котором необходимо тщательным образом предупредить о возможных причинах поражения электрическим током. Необходимо объяснить действия, которые должен выполнить обучаемый при чрезвычайной ситуации. При обслуживании электрических систем, используют только специальные электрозащитные инструменты и приборы (изолированные плоскогубцы, отвертки и т.д.).
При снятом кожухе блока питания необходимо соблюдать повышенную осторожность, т.к. есть прямой доступ к опасному для жизни напряжению сети. Снимать крышку кожуха необходимо при обесточенном приборе. Проверка отсутствия напряжения должна быть произведена между каждой фазой и остальными фазами и заземленными частями установки с помощью указателя напряжения. Непосредственно перед проверкой отсутствия напряжения указатель должен быть проверен на ближайших токоведущих частях при наличии напряжения. Для защиты от поражения электрическим током, лаборатория оборудована контурным заземлением и устройством защитного отключения от сети. Сопротивление в цепях зануления или заземления должно быть меньше, но оно может увеличиваться при коррозии в зажимах присоединения заземляющих проводников к корпусам электрооборудования. Поэтому эти зажимы должны быть расположены в местах, удобных для их осмотра и переделки. Иногда винты присоединения заземления или зануления располагаются близко к задней стенке аппарата, что затрудняет доступ к ним, если аппараты укрепляются на стене или конструкции. При этом винты бывают малого диаметра и длины, закреплены в гайках, которые проворачиваются. Поэтому сразу до монтажа лучше приварить новый болт в качестве шпильки в нужном месте и нужного размера. Для защиты от коррозии резьбовые соединения в цепи заземлителей нужно покрывать вазелином. Как показывает практика, поддержание надежности на уровне электробезопасности возможно только при грамотном обслуживании электрооборудования.


10.5 Пожаробезопасность при производстве и монтаже устройства
При монтаже и настройке устройств используются различные электрические приборы. При их не правильной эксплуатации появляется опасность возникновения чрезвычайной ситуации. В процессе работы с устройством существует опасность возникновения пожара. Причины пожара могут быть электрического и неэлектрического характера. К причинам электрического характера относятся:
1. Искрение в электрических устройствах.
2. Токи коротких замыканий, нагревающие проводники до высокой температуры, при которой может возникнуть воспламенение их изоляции, а также значительные электрические перегрузки проводов и обмоток электрических приборов.
3. Плохие контакты в местах соединения проводов, когда вследствие большого переходного сопротивления выделяется большое количество тепла.
4. Электрическая дуга, возникающая в результате ошибочных операций.
Причинами пожаров неэлектрического характера могут быть:
1. Неисправность отопительных приборов и нарушение режимов их работы.
2. Неисправность производственного оборудования и нарушение технологического процесса, в результате которого возможно выделение горючих газов, паров пли пыли в воздушную среду.
3. Курение в пожароопасных помещениях
4. Самовоспламенение некоторых материалов.
Защита сети от короткого замыкания обеспечивается реле и установочными автоматами. Необходимо также предусмотреть выключатели для отключения питания всех приборов в лаборатории. При перегрузке наиболее эффективными являются автоматические схемы защиты, теплое реле и плавкие предохранители.
Технологические операции (например, пайка, лужение горячим припоем, обжигание концов монтажного провода) проводятся с использованием ЛВЖ (этилового спирта, ацетона, скипидара) и при повышенной температуре.
Во избежание пожара электрические паяльники должны обеспечиваться специальными термостойкими подставками. Обжигание изоляции концов проводов должно производиться в несгораемом вытяжном шкафу. ЛВЖ следует хранить в посуде с герметичными крышками (пробками). Посуду открывают только в момент пользования. Количество ЛВЖ не должно превышать суточную потребность. Вентиляция рабочего места позволяет уменьшить концентрацию в воздухе легковоспламеняющихся веществ. Вентиляционная система должна иметь устройства, преграждающие при возникновении пожара возможность распространения огня из одного этажа в другой или из одного помещения в другое.
Готовая продукция, оборудование, тара и другое имущество должно находиться на определенных местах.
Курение допускается только в специально отведенных местах или комнатах обозначенных соответствующими надписями и обеспеченных урнами с водой.
В лаборатории должна быть вывешена табличка с указанием фамилий и должности лиц, ответственных за пожарную безопасность.
Коридоры, проходы, основные и запасные выходы, тамбуры, лестничные клетки должны постоянно содержаться в исправном состоянии, ничем не загроможденные, а в ночное время освещаться.
Энергоснабжение помещений осуществляется от трансформаторной станции. На трансформаторных подстанциях особую опасность представляют трансформаторы с масляным охлаждением. В связи с этим предпочтение следует отдавать сухим трансформаторам.
Данное помещение по пожарной опасности согласно СниП 2.09.02-85 должно иметь категорию В- производства, связанные с обработкой несгораемых веществ. Степень огнестойкости основных строительных конструкций по СниП 2.01.02-85 равна 3.
Для быстрого вызова городской пожарной части, в случае возникновения пожара, в лаборатории должны быть средства связи. Весь пожарный инвентарь, противопожарное оборудование и первичные средства пожаротушения должны содержаться в исправном состоянии, находиться на видном месте и к ним в любое время суток должен быть обеспечен беспрепятственный доступ. Все стационарные и переносные средства пожаротушения должны периодически проверяться и испытываться.
Для тушения пожара в лаборатории имеется огнетушитель ОУ-2 ТУ27-4563-79, который предназначен для тушения небольших очагов пожара. Огнетушители подвергаются периодической проверке и перезарядке. При возникновении пожара в необходимо немедленно выключить электропитание лаборатории рубильником и воспользоваться огнетушителем. Также используются ряд других первичных средств пожаротушения, таких как песок, ломы, багры, ведра, находящиеся на пожарных щитах или возле них.
Организационные мероприятия по пожарной профилактике проводят с целью обеспечения правильной эксплуатации электроустановки и проведения противопожарного инструктажа среди оперативно - ремонтного персонала.
При возникновении пожара, помимо принятия мер по его ликвидации, необходимо также осуществить эвакуацию из опасной зоны работающего персонала.
Основными причинами возгораний в работающем приборе УБП являются перегрузка проводов, короткие замыкания, искрение.
Основными причинами пожара в устройстве является:
• нарушение технологического режима работы
• неисправность электропроводки (старении или повреждении изоляции)
Для исключения появления короткого замыкания и перегрузки по току в блоке питания устройства предусмотрены:
• плавкий предохранитель в цепи питания 12 В
• микросхема с автоматической защитой от перегрузок КР142ЕН5А (5 В)

10.6 Защита окружающей природной среды
При изготовлении устройства применяются следующие технологические процессы: обработка фольгированного стеклотекстолита и металлов, изготовление печатных плат (фотолитография, травление), покрытие лаком печатных плат, монтаж электрических соединений блока методом пайки.
Все эти процессы влияют на состояние окружающей среды, тем или иным способом загрязняя ее. Так при механической обработке в почву могут попадать стружки, куски текстолита и другие твердые частицы. При изготовлении печатных плат для травления используют сильнодействующие ядовитые вещества (хлорное железо), различные растворители для очистки уже готовых плат. А так как большинство веществ находятся в жидком состоянии, то вероятность попадания этих веществ в воду, водопровод, канализацию и соответственно в какие-то водоемы, подземные источники, достаточно велика. Покрытие печатных плат различными лаками приводит к выделению в атмосферу вредных веществ.
Основным загрязнением при этом производстве являются пары свинца, выделяющиеся при пайке деталей. Предельно допустимая концентрация паров свинца в воздухе рабочей зоны не должна превышать 0,01 мг/м3. Для уменьшения этого фактора используем припой ПОС-60, который содержит 60 % олова, остальные 40% свинец.
Вода, используемая для промывки плат после травления, собирается в контейнеры и раз в неделю отвозится на утилизатор.
Так как почти все рассмотренные технологические процессы связаны с загрязнением атмосферы различными отходами производства (пыли, летучие вещества), то является целесообразным рассмотреть способы защиты атмосферы от промышленных отходов.
Приточный и удаляемый вентиляционными системами воздух, как правило, подвергается обработке- нагреву или охлаждению, увлажнению и очистке от загрязнений. Для очистки воздуха от пыли и других аэрозолей применяются сухие, электрические пылеуловители, а также аппараты мокрой очистки.
Пылеуловители различных типов, в том числе и электрофильтры применяют при повышенных концентрациях примесей в воздухе. Фильтры используются для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей меньше 100 мг/м3 . Если требуется тонкая очистка воздуха при высоких начальных концентрациях примесей, то очистку ведут в системе последовательно соединенных пылеуловителей и фильтра.
К сухим пылеуловителям относятся все аппараты, в которых отделение частиц примесей от воздушного потока происходит механическим путем за счет сил гравитации, инерции. Конструктивно сухие пылеуловители разделяют на циклоны, ротационные, вихревые, радиальные, жалюзийные и другие. Циклон представляет собой цилиндр, нижняя часть которого оканчивается конусом. В цилиндре, по его оси, установлена выхлопная труба. Во входной патрубок циклона вводится запыленный воздух. Внутри циклона воздух движется по спирали. Развивающаяся при этом центробежная сила отделяет частицы пыли от потока воздуха и прижимает их к стенкам циклона. Нисходящий поток воздуха выводит их в конус, где частицы выпадают в пылесборник.
Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсной пыли с диаметром больше либо равным 0.3-1 мкм, а также возможностью очистки от пыли и взрывоопасных газов. Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли либо на поверхность капель жидкости, либо на поверхность пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения.
Электрическая очистка- один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли. Этот метод основан на использовании ударной ионизации газа в зоне коронирующего разряда, передаче зарядов ионов частицам и осаждении последних на электродах. Загрязненные газы, поступающие в электрофильтр, оказываются частично ионизированными за счет различных внешних воздействий (рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, космических лучей, нагрева газа и других), поэтому они способны проводить ток, попадая в пространство между двумя электродами. При увеличении напряжения в движение между электродами вовлекается все большее число ионов и величина тока растет до тех пор, пока в движении не окажутся все ионы, имеющиеся в газе.
В настоящее время нашли широкое применение фильтры из пенополиуретана и из материала ФП (фильтры Петрянова). Они устанавливаются в приточных системах вентиляции и при совместном действии высокоэффективны в работе. Для очистки от пыли выбрасываемого в атмосферу воздуха находят практическое применение электроциклоны, представляющие собой обычные циклоны, собой обычные циклоны, у которых вместо внутренней части выхлопной трубы установлен цилиндр иглами. На цилиндр подается высокое напряжение, а корпус электроциклона заземляется.
При всевозрастающем уровне промышленного производства увеличивается и количество отходов. А это, естественно, повышает нагрузку на биосферу, в результате чего резко снижается ее способность самоочищаться. В этих условиях для предотвращения глобальных загрязнений необходимо, прежде всего, уменьшить общее количество вредных выбросов.
Радикальное решение проблемы защиты биосферы может быть достигнуто повсеместным применением безотходных технологий. Безотходные производства в общем, плане предусматривают полную комплексную переработку сырья и отсутствие всяких отходов в замкнутой технологической цепи. В экологическом отношении в таких производствах должны отсутствовать вредные для природы отходы, загрязняющие окружающую среду. Таким образом, экологически безотходные технологии следует рассматривать только как часть безотходных технологий вообще.
Как известно, абсолютно безотходных производств пока не существует, и понятие безотходная технология имеет условный характер. Здесь подразумевается некоторая теоретическая возможность, которая не всегда может быть реализована в полной мере. Поэтому вводится понятие “малоотходная технология”, то есть технология с коэффициентом безотходности меньше единицы. В ее процессах могут происходить выбросы, не превышающие, однако, предельно допустимых количеств для данного предприятия.
Существуют три основных направления создания безотходных (или малоотходных):
-разработка принципиально новых технологических схем и методов промышленного производства, исключающих выбросы в окружающую среду;
-создание замкнутых технологических схем с многократным использованием воды и технологических газов;
-создание замкнутых технологических схем с переработкой отходов производства, которые рассматриваются как вторичные материальные ресурсы, и организация на этой основе безотходных территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой потоков сырья и отходов внутри комплекса.
Одно из направления организации безотходных (малоотходных) технологий – создание замкнутых технологический систем, то есть многократное использование сырья. В основном применяется для решения проблемы технического водоснабжения и предотвращения загрязнения водного бассейна.
Другим направлением создания безотходных технологий является разработка методов комплексного использования сырья и переработки отходов в масштабах отдельных предприятий или путем организации так называемых территориальных комплексов, в которых отходы одного производства являются сырьем для другого.
При этом ощутим также экономический эффект от внедрения безотходных технологий. Источником его является как использование вторичного сырья, которое ранее выбрасывалось, так и предотвращение ущерба окружающей среде.
При разработке и эксплуатации данной системы опасности загрязнения экосистемы не возникает. Это возможно в силу того, что сопроцессорный модуль не выделяет вредных веществ, при своей работе, не радиоактивен, уровень электромагнитного излучения не опасен для человека и природы. Поэтому рассмотрим более подробно защиту окружающей среды на этапе изготовления и утилизации платы сопроцессорного модуля.
Рассмотрим процесс изготовления печатной платы устройства.
В процессе изготовления печатной платы наиболее вредными для окружающей среды являются следующие участки производства:
– термический цех;
– участки пайки и лужения.
Вентиляционный воздух, выбрасываемый из термических цехов, обычно загрязнен парами и продуктами горения масла, аммиаком и другими вредными веществами.
В процессе пайки и лужения выделяются токсичные газы (оксид углерода, фтористатный водород), аэрозоли (свинец и его соединения) и т.п.
Вода используется для приготовления технологических растворов, применяемых при травлении материалов и деталей и нанесения на них покрытий, а так же для промывки деталей и ванн после сброса отработанных растворов и обработки помещений. Основные примеси сточных вод – пыль, металлическая окалина, эмульсии, щелочи и кислоты, тяжелые металлы и циан.
Все эти вещества, попадая в организм человека, приводят к нарушению его здоровья. Так, оксид углерода, попадая через органы дыхания в организм, на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызывая удушье. Под воздействием свинца нарушается синтез гемоглобина, работа мочеполовых органов, нервной системы.
На всех этапах изготовления изделия существует опасность загрязнения литосферы, т.к. данное производство не безотходное. При нарезке, пайке, травлении печатных плат, изготовлении и покраске корпуса остаются отходы, содержащие свинец, олово и их соединения, органические горючие (обтирочные материалы, ветошь, обрезки пластмасс, оргстекла, остатки лакокрасочных материалов), которые необходимо складировать в определенном месте и в дальнейшем отправлять на переработку на полигон. Переработку промышленных отходов производят на специальных полигонах, создаваемых в соответствии с требованиями СНиП 2.01.28-85 и предназначенных для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов.
Вывод: при рассмотрении влияния разрабатываемого прибора на окружающую среду можно выделить следующие вопросы:
1 Влияние на окружающую среду при изготовлении прибора. Технология изготовления включает в себя изготовление печатной платы, сборка печатной платы (пайка), изготовление корпуса и дальнейшее тестирование, где для каждого этапа производства приняты соответствующие меры минимизации вредного воздействия на окружающую среду.
2 Влияние на окружающую среду при эксплуатации прибора. Прибор во время работы не использует вредных веществ, не излучает в окружающую среду никаких энергетических полей. При длительной работе ультразвуковых датчиков вред экологии также не наносится, так как излучаемые поля имеют пространственное ограничение и не являются опасными для природы;
3 Влияние на окружающую среду при утилизации. После выработки ресурса прибор подлежит утилизации. Корпус прибора состоит из металлических деталей, поэтому возможна переплавка и повторное использование полученного металла для других целей, что позволяет сэкономить природные ресурсы. Радиокомпоненты, не выработавшие свой ресурс, могут быть в дальнейшем использованы для ремонта аппаратуры, а также в учебных целях. Ядовитые составляющие, требующие особых мер осторожности при разборке и утилизации прибора, при изготовлении не используются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Тема дипломного проекта связана с разработкой автоматического устройства обеспечения безопасной парковки электромобиля, предназначенной для предотвращения возможного столкновения транспортного средства с подвижными и неподвижными объектами при манёврах парковки. Данная система парковки освобождает внимание водителя для анализа опасных ситуаций при парковке, и автоматически принимает решение в нестандартных ситуациях.
В ходе выполнения дипломной работы были рассмотрены структуры и характеристики существующих систем безопасной парковки автомобиля, выделены основные компоненты и принципы работы. Был проведён анализ, в результате которого предложена своя реализации устройства с новыми характеристиками и функциями, адаптированными для работы в электромобиле.
На основе анализа технического задания произведён выбор элементной базы, в которой учитывалось быстродействие микроконтроллера, технические характеристики УЗД, их стоимость и применение в данных условиях работы. В итоге, выбран микроконтроллер ATmega8 фирмы ATMEL, УЗД закрытого типа ЕС4010 фирмы Sencera. Разработана структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства. Составлен алгоритм работы устройства, реализующий основные режимы функционирования. Проведён расчёт временных интервалов работы микроконтроллера. Разработан фрагмент программного обеспечения на языке Assembler.
В системе предусмотрены разъем для программирования микроконтроллера и считывания кода ошибок, TWI шина для связи микроконтроллера с другими устройствами электромобиля (ведущий электропривод).
Рассмотрены вопросы технико-экономического обоснования проекта и вопросы безопасности и экологичности проекта.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Юрковский И.М. Вождение автомобилей. -М.: ДОСААФ, 1990. – 270 с., ил.
2. Ваганов В.И., Пинт А.А. Самоучитель безопасной езды. -М.: Знание, 1991. – 240 с., ил.
3. P. Garnier, T. Fraichard. A Fuzzy Motion Controller for a Car-Like Vehicle. Technical report, INRIA, Paris, 1999, 68 pp.
4. Бакаева Т.Н. Безопасность жизнедеятельности. Часть 2. Безопасность в условиях производства. Учеб. Пособие. Таганрог: ТРТУ, 1997. – 318 с.
5. Sensors 3, Ultrasonic Sensors, Edition 2002 (Part. No. 21882 06/02).- Mannheim: Pepperl+Fuchs, 2002.
6. Евстифьев А. В., Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, 2-е изд., стер. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI»,2005. – 560 с.
7. «Диагностика электронных систем автомобиля» Яковлев В.Ф. Учебное пособие. Москва «САЛОН-Пресс» 2003
8. Енохович А. С. Справочник по физике и технике, М.: Знание, 1995. – 250 с.
8. www.atmel.com

 

 

 


ПРИЛОЖЕНИЕ А




Комментарий:

Автоматическое устройство обеспечения безопасной парковки электромобиля


Рекомендовать другу
50/50         Партнёрка
Отзывы