диплом_ практика


Содержание
Введение
1. Исследовательский раздел
1.1 Методы энергосбережения
2. Выбор и обоснование технических средств
2.1 Выбор и обоснование технических средств
2.2 структурная схема автоматизации
3. специальный раздел
3.1 разработка автоматизированной системы контроля и учета энергопотребления
3.2 моделирование работы разработанной системы
4. технико-экономический раздел
5. раздел по экологии и безопасности жизнедеятельности

Введение
Любое предприятие, организация при производстве какого либо вида услуг, предметов, продукции использует те или иные энергоносители. В свою очередь, они должны оплачивать потребляемые энергоносители. Стоимость потребляемых предприятиями таких энергоносителей, как электроэнергия, горячее и холодное водоснабжение, газоснабжение, и т.д. возрастает из года в год, все выше и выше. Поэтому проблема экономии объёмов потребляемых энергоносителей все более остро возникает на предприятиях.
Для получения максимальной экономии потребляемых ресурсов надо вести жесткий контроль и учет за объёмом полученных, израсходованных ресурсов, чтобы понять на какие процессы, в каких рабочих местах более экономично будет произвести какие либо изменения в оборудовании или технологии производства.

Исследовательский раздел
Исследуя методы сбережения на предприятиях можно рассматривать
работы по энергосбережению ведутся по таким направлениям:
- увеличение эффективности производственного процесса;
- экономия энергоресурсов.
При увеличении эффективности производственного процесса достигается путем оптимизации производственных процессов. Под оптимизацией производственных процессов в каждом случае понимаются разные методы, например, под оптимизацией можно понимать как усовершенствование оборудования, или усовершенствование производственного процесса, но в целом понятие оптимизация приходит к одному: это сокращение издержек производства, рост качества изготавливаемой продукции и увеличение объёмов продукции. Здесь можно ввести такое понятие как энергоемкость производства - количество энергии, затраченное на производство единицы продукции. Чем меньше энергоемкость, тем выше энергоэффективность.
Рассматривая вопрос экономии энергоресурсов надо понять определение энергосбережения.
Режим энергосбережения – это такая система, при котором достигается максимальное снижение потерь энергии при доставке энергии к ее конечному потребителю, а так же система использования энергоресурсов. [1]
В то же время нужно понимать, что энергоэффективность и энергосбережение — ключевые понятия обеспечения эффективности, как бизнеса, так и государства в целом. При этом именно промышленность (бизнес) первая пожинает плоды нерационального использования ресурсов, что отрицательно сказывается на себестоимости производства. Так, любой бизнес строится на балансе доходов и издержек производства (постоянных и переменных), в число которых непременно входят затраты на потребляемую энергию — будь то тепловая, электрическая или любая другая. И чем они меньше, тем лучше себя чувствует бизнес. А он, в свою очередь, в совокупности своей создает ВВП страны.
Например:
Для офиса площадью 1000 кв. м замена люминесцентного освещения на светодиодное в течение 5-ти лет позволит добиться экономии в среднем на 50%. И это с учетом расходов на покупку и установку новых светильников.
Так же можно рассмотреть другой пример:
Предположим завод (предприятие) имеет большую территорию. Здесь расставлены цеха, производственные и иные помещения, необходимые для работы предприятия. Если где то в трубопроводе (между цехами или другими помещениями), идет утечка воды в труднодоступном месте, то есть большая вероятность того, что с этого места утечки воды вода может течь достаточно долгое время, пока не обнаружат это. Рассматривая с другой стороны – организация должна оплачивать и эти кубометры (к примеру) просто вылитой воды. Эти расходы можно было бы избежать, если бы измерялся объём поступающей на территорию предприятия воды и воды, использованной в каждом цеху отдельно, обычным сравнением полученных и потребленных объёмов.
С этих примеров можно хотя бы понять тот факт, что на каждом предприятии необходимо контролировать расходы потребляемых ресурсов для достижения наибольшего дохода от производства.

Методы энергосбережения
На сегодняшний день используется ряд эффективных способов для экономии электроэнергии. Основные из них:- модернизация оборудования;
- применение энергосберегающих технологий;
- уменьшение потерь электроэнергии в электроприемниках и системах электроснабжения;
- регулирование режимов работы оборудования;
- улучшение качества электроэнергии.
В промышленности можно применить очень много способов энергосбережения. Энергия и деньги — это две важные мотивации на пути к энергосбережению. Если доступ к энергии имеет лимит, то это дополнительная мотивация к экономии (например, лимитирование на использование электричества, после достижения которого цена за объём электроэнергии возрастает).
Системы отопления
Чтобы добиться стабильной экономии ресурсов при использовании системы отопления на любом предприятии, необходимо выполнить несколько основных условий. Считается, что руководство предприятия само знает, на чём и как ему сэкономить. Однако практика показывает, что без консультации специалистов узкого профиля на предприятиях упускаются важные моменты энергосбережения:
- экономия ресурсов начинается с анализа энергоносителя. Для большинства отечественных предприятий характерно использование тех природных ресурсов, которые легче приобрести или добыть. Например, если рядом расположен угольный разрез, проще топить именно углём. Но это вовсе не значит, что нужно отдавать предпочтение только традиционным энергоносителям.
- вторым этапом модернизации отопительной системы будет повышение коэффициента полезного действия. Специалисты настоятельно рекомендуют максимально автоматизировать производственный процесс. Ручное управление никогда не сравнится с умными приборами почти мгновенно реагирующими на любые отклонения в работе системы!
- и третья составляющая успеха — обеспечение качества используемого топлива. Чем оно выше, тем устойчивее и экономнее функционирует отопление. Экономия на качестве в расчете на уменьшение финансовых затрат в этом вопросе — самообман.
К основным способам экономии относят:
Простые методы
- обеспечение надёжной теплоизоляции, достигающееся в первую очередь защитой от холода наружных коммуникаций (теплотрасс) и помещений в целом — экономия от 15 до 20%;
- использование отходов производства в качестве источника тепла (например, сжигание опилок или древесных отходов) — приносит до 20 и больше процентов экономии.
Продвинутые методы
- установка учётных приборов — настоящая классика энергосбережения, обеспечивающая экономию до 30%;
- монтаж полов с подогревом обеспечивает экономию топлива в 40-50%, особенно осенью или в весенний период, когда отопление не включается на полную мощность, а температура окружающей среды не достигает максимально низких температурных показателей;
- использование современных котельных приносит экономию в 20-25%.
Высокотехнологические методы:
- Применение для отопления солнечных коллекторов. В ясные дни эти современные системы способны обеспечить 50% экономию основного топлива, использующегося в системе отопления;
- тепловые насосы. Высокую эффективность вам обеспечат как воздушные так и на основе грунтового коллектора. Эффект от внедрения данных систем — очень высок.
- солнечные коллекторы. Новейшая технология, экономично и качественно решающая проблему с отоплением. Очень эффективна.
Системы водоснабжения
Следует отметить, что потребление водных ресурсов в промышленности достигает всего 22-25%. Для сельского хозяйства эта цифра больше примерно в три раза. Но это не значит, что к водопроводной системе на предприятиях можно относиться халатно.
Экономия воды, прежде всего, включает не только снижение объёмов потребления, но и обеспечение безопасности предприятия для окружающей среды. Все хорошо знают, насколько часто промышленные отходы попадают в грунтовые воды, а оттуда проникают в городские водопроводы, колодцы и скважины с питьевой водой. Изношенность сетей водоснабжения — настоящая катастрофа для окружающей среды.
На эту проблему и нужно ориентироваться в первую очередь при внедрении энергосберегающих технологий.
Простые методы
- своевременный ремонт и реконструкция трубопроводов — 20-30% экономии водных ресурсов;
- установка современного сантехнического оборудования (кранов, смесителей, замен устаревших труб) в подсобных помещениях — от 20% экономии.
Продвинутые методы
- установка приборов учёта — счётчики сокращают потребление до 40%;
- специальные смесители с инфракрасными датчиками. Доказали свою незаменимость во всем мире. Экономия от 30-45%.
- внедрение систем оборотного водоснабжения, в которых вода используется для охлаждения оборудования повторно — до 30-40%.
Высокотехнологические методы
Использование безводных или маловодных технологий, которые требуют немалых капиталовложений в модернизацию производства, но при этом отличаются максимальной экономией — в некоторых случаях до 60-70%.
Газоснабжение
Экономия газа — актуальная проблема для всех предприятий, нуждающихся в этом энергетическом ресурсе.
Общеизвестно, что самый крупный потребитель указанного ресурса — промышленность (до 40% добычи). А больше всего нуждается в голубом топливе металлургическая отрасль.
Если газ не используется в технологических процессах, проблема его сбережения отпадает сама по себе, заменой газового оборудования на электрическое. Но в случае регулярной закупки газа всё время повышающаяся цена этого вида топлива и неэкономное использование способно привести к финансовой нерентабельности предприятия.
Цена газа всегда отображается в себестоимости выпускаемой продукции и, соответственно, снижает конкурентоспособность на рынке. Исключить подобные проблемы помогут различные методы экономии.
Простые методы
- установка счётчиков — давно известный и хорошо зарекомендовавший себя способ, приносящий экономию от 20 до 30%;
- утепление помещений — метод актуален при использовании голубого топлива в качестве источника тепла на предприятии (экономия до 30-35%).
Продвинутые методы
- установка датчиков и регуляторов, позволяющих исключить ручное управление оборудованием.
- терморегуляторы в печах для плавки стекла приносят экономию потребления в 12%. Показатель этот невелик, но за счёт стабильного сокращения потребления ресурса заметно снижается себестоимость выпускаемой продукции.
Высокотехнологические методы
Снижение потребления за счёт использования органического топлива. Актуально для ТЭЦ и котельных (приносит стабильную экономию от 10%). Метод ценится за невысокие капиталовложения и быструю окупаемость. При применении этого решения — необходима замена оборудования.
Результаты внедрения энергосберегающих решений
Использование вышеописанных методов и способов, особенно целенаправленная работа по энергосбережению — значительно снижает расходную часть бюджета предприятия касающуюся оплаты потребленных ресурсов.
Кроме того, во время оптимизации энергопотребления вы замените ваше устаревшее оборудование более новым и экономным.
Эффективность работы современного оборудования очень высокая — это повышает общую производительность вашего предприятия, понижает себестоимость продукции и улучшает ее качество.
Такой кумулятивный эффект крайне положительно сказывается на общей рентабельности бизнеса. Это доказано повсеместным внедрением политики энергосбережения в производствах Западной Европы и США, странах Юго-Восточной Азии. Предприятия которые будут игнорировать данные меры - обречены на технологическое отставание и последующий финансовый крах.
Автоматизация контроля и учета потребляемых ресурсов как способ энергосбережения
Как отмечалось раннее, целенаправленная работа по энергосбережению, приводит к уменьшению затрат организации на оплату потребленных ресурсов. А вот если хотя бы частично автоматизировать этот процесс? Предположим, на предприятии одни цеха работают строго в интервале определенного времени, и в данных цехах нет оборудования, которое должно постоянно работать (например, цех с токарными станками), то этот цех можно отключать полностью от потребления электроэнергии (не учитывать охранную и пожарную системы).
Для реализации этого давайте разберемся более углубленно.
Автоматизированная система контроля и учета потребляемых ресурсов (сокращенно АСКУ).
Она предназначена для контроля и учета потребляемого количества электрической энергии, тепловой энергии и теплоносителя, холодной и горячей воды, природного газа, а так же об объёме потреблении иных ресурсов, при подключении соответствующих считывающих устройств (счетчики, датчики). Так же в его функцию включена возможность автоматического сбора, накопления, обработки, хранения, отображения и передачи информации о потреблении энергоресурсов в диспетчерские и расчетные центры, с целью произведения расчетов, анализа и последующей выработки эффективной политики расходования ресурсов, используемых на предприятии.
АСКУ может применяться практически во многих сферах:
В сфере ЖКХ можно контролировать потребление определенных ресурсов как в рамках отдельных домов/зданий, так же в границах определенного района.
В сфере производственных предприятий/ заводов для контроля за потреблением как энергоресурсов, так же для контроля специфических ресурсов, используемых при производстве определенных продуктов производства.
Экономическая эффективность использования АСКУ:
- обеспечение расчетов за потребляемыми ресурсами строго в соответствии с реальным объемом их потребления;
- комплексный автоматизированный учет потребляемых ресурсов и контроль их параметров;
- контроль потребления всех потребляемых ресурсов на объектах учета по заданным временным интервалам: относительно лимитов, технологических ограничений мощности, давления, расхода и температуры;
- сигнализация цветом и звуком об отклонениях контролируемых величин от допустимого диапазона значений с целью принятия оперативных решений.
Состав АСКУ:
- счетчики потребляемых ресурсов, такие как, энергосчетчики, оснащенные импульсным телеметрическим выходом или цифровым выходом (счетчики холодной и горячей воды, счетчики активной и реактивной электроэнергии, в том числе трансформаторного включения, теплосчетчики, счетчики газа, измерительные комплексы газа), устройства подсчета количества и объёмов ресурсов, предназначенных для изготовления продуктов производства( к примеру, весовой контроль на въезде на склад и на выезде со склада определенного типа ресурсов, исходя из которых, можно подсчитывать объём хранящихся на складе ресурсов);
- исполнительные механизмы, (для электроэнергетической сфере – ключи, реле для отключения или включения определенных цепей; для водоснабжения – краны для отключения и включения подачи воды и теплоснабжения; ключи и переключатели для отключения и включения газоснабжения и так далее);
- модуль сбора информации с датчиков (счетчиков) и передачи этой информации на серверное оборудование (сервер может быть как отдельно, так и в составе АРМ), а так же для приема управляющих команд от сервера (АРМ) и передачи данных команд в соответствующие исполнительные механизмы для их дальнейшего выполнения. Здесь так же идет привязка показаний с датчиков к времени, когда были получены данные от счетчиков;
- Дополнительные вспомогательные устройства, предназначенные для передачи информации в различных местах (преобразователи, усилители, ретрансляторы, блоки питания и другие, данное оборудование используется только по нужде – при определенных условиях);
- сервер, или АРМ, который используется дополнительно как сервер, для обработки, сбора данных с разных участков сети – системы, для контроля за потреблением ресурсов в разных участках и цехах (при необходимости отключение отдельных участков и цехов от определенных видов ресурсов как автоматически - при наступлении определенных событий, так и по требованию оператора АРМ, имеющего разрешение для данных операций в АСКУ).
Рисунок 1.1 Структурная схема АСКУ

Рисунок 1.2 Структурная схема системы в отдельно взятом помещении/цеху.
В общем случае АСКУ работает следующим образом:
Информация о количестве потребленных ресурсов снимается с датчиков и счетчиков в блок сбора и первичной обработки данных. Здесь идет привязка показаний со счетчиков к времени, идет запись «контрольных точек» о показаниях счетчиков. Присутствует первая степень защиты от потери информации при сбоях электропитания – запись «контрольных точек» в постоянную память - к примеру, последнее показание, показание 1 числа предыдущего месяца и другие, настраивается по необходимости для предприятия;
С блока сбора и первичной обработки информация отправляется на АРМ (сервер) для получения этих данных сервером, их вторичной обработки, сбора данных в базу данных, для их дальнейшей обработки.
В зависимости от настроек программного обеспечения можно задавать настройки параметров потребления ресурсами (например, при достижении определенных значений за определенный промежуток времени – сигнализация оператору об этом), если в цеху после рабочего дня работает оборудование – а рабочего персонала на месте нет (рабочий перед уходом с рабочего места на проверил, отключен ли станок или нет) то при возможности, отключение данного цеха от электричества;Так же при несовпадении данных с главного счетчика (на вводе в производственное предприятие) и суммы показаний данного рода ресурсов (со счетчиков в разных участках системы) система оповещает об этом. Исходя из этого сигнала, можно будет судить о том, что на определенном участке передачи ресурсов идет потеря потребляемого ресурса (если рассматривать водоснабжение, то это значит что где-то идет утечка воды).
В итоге мы получили систему, которая ведет учет за показаниями разных датчиков (счетчиков). Достоинством является тот факт, что система является модульной, как программно, так и физически. В случае выхода из строя какого либо элемента замена реализуется за малые временные сроки. Программно эту систему можно использовать как дополнительную пожарную сигнализацию.
Решение задачи учета и контроля потребления электроэнергии в рамках небольшого предприятия
Рассмотрим решение для учета и контроля электропотребления в небольшом предприятии (в составе которого 3 цеха и 1 главное здание, где находится АРМ системы).

Рисунок 1.3. Общая сокращенная схема для АСКУ для контроля потребляемой электроэнергии

Рисунок 1.4. Упрощенная схема оборудования в производственном здании №1
Система для данного случая состоит из следующих элементов:
- счетчик потребления электроэнергии (играет роль датчика);
- переключатель для данной цепи (стоит после счетчика, играет роль исполнительного механизма; для основного счетчика оно не предусматривается, т.к. произойдет полное отключение предприятия от электричества);
- блок так называемой связи (для сбора данных со счетчика, их пересылке на АРМ, получения ответа от АРМ и его пересылке на исполнительный механизм – переключатель; в нашем случае расстояние между объектами не велико, поэтому ретрансляторы и дополнительные устройства не обязательно использовать);
- сам АРМ, играющий роль сервера, предназначается для управления исполнительным механизмом в зависимости от показаний счетчика. Так же это может быть стенд для учета и контроля за электропотреблением на территории предприятия. Здесь устанавливается соответствующее программное обеспечение (если это серверное оборудование), или стенд, на котором будет выводиться информация о работе системы - показания, состояния переключателей, индикаторы аварийного состояния, а так же другие элементы.

Выбор и обоснование технических средств
2.1 Выбор и обоснование технических средств автоматической системы контроля и учета электропотребления
Автоматизированная система контроля и учета за потребляемыми ресурсами должна иметь минимум 2 основных узла:
- узел счетчиков;
- пульт управления (АРМ, для хранения и обработки данных, полученных из счетчиков);
Рассмотрим сначала узел счетчиков на примере счетчика электрической энергии.
Структурная схема проектируемого блока счетчика электроэнергии для построения автоматизированной системы контроля и учета за потреблением электроэнергии представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурная схема узла счетчика

Рисунок 2.2 – Структурная схема узла приема/передачи и первичной обработки

Рисунок 2.3 – Структурная схема узла преобразования RS485 в COM-port АРМа
2.1.1. Параметры выбора датчиков.
Выбор датчиков связан как с техническими, так и с экономическими предпосылками. Поэтому должны быть приняты во внимание все аспекты их применения. Среди технических параметров особое внимание нужно уделить следующим:
- Электрические воздействия
- Механические воздействия
- Температурные воздействия
- Условия эксплуатации
На практике часто возникают комбинации нескольких факторов, которые должны оцениваться в совокупности для выбора наиболее подходящих вариантов датчиков.    При более сложных условиях применения датчика необходимо учесть такие факторы, как:
-  Внешние магнитные воздействия    
-  Электромагнитные помехи
-  Крутизна фронта импульсов
-  Специальные требования по электрической прочности
-  Совместимость с существующими стандартами
-  Другие.
2.1.2. Выбор датчика тока
Расчет энергии, потребляемой за определенный промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических СЭ это осуществляется механическим счетчиком. В цифровых СЭ необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определенные промежутки времени.
В общем случае, значение потребленной энергии выражается формулой:
(1)
где p(t) значение мгновенной мощности в момент времени t; T время измерения.
При синусоидальных формах тока и напряжения в сети
p(t) = u(t) * i(t) = Umsint * Imsin(t + ) = UIcos UIcos(2t + ) (2)
где u(t) и i(t) мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; Um и Im амплитудные значения напряжения и тока; U и I действующие значения напряжения и тока (U = Um/ 2; I = Im/ 2); j угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование выражения (2) по периоду дает значение активной потребляемой мощности:
P = UIcos = Scos [Вт] (3)
где S = UI полная мощность потребления [ВА].
    Реактивная мощность в этом случае определяется следующим образом:
Q = UIsin = Ssin [ВАР] (4)
Для вычисления любых мощностей (P, Q, S) в цифровых счетчиках необходимо измерять любые два значения из четырех величин P, Q, S, . Это принципиально невозможно реализовать в электромеханическом СЭ из-за их конструктивных особенностей.
Из рассмотренных формул следует что для измерения обьема потребленной электроэнергии необходимо измерять моментальные значения тока ( I ) и напряжения ( U).
Для измерения значения потребляемого тока можно использовать в качестве датчика тока один из трех видов датчиков:
—резистивные датчики (токовые шунты); —датчики тока на эффекте Холла; —трансформаторы тока; —волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ) на эффекте Фарадея; —пояс Роговского; —токовые клещи;
Каждый обладает своими достоинствами и недостатками, которые и ограничивают сферу его применения. Информация о видах датчиков тока указаны в таблице 2.1.
Таблица 2.1. характеристики датчиков тока
  Токоизмерительные резисторы Трансформаторы тока Датчики холла
Измеряемый ток Постоянный Переменный Постоянный и переменный
Диапазон измеряемого тока До 20 а До 1000а До 1000а
Погрешность измерений 1% 5% 10%
Гальваническая развязка Нет Есть Есть
Вносимые потери Есть Есть Нет
Частотный диапазон  100 кгц 50/60/400 гц200 кгц
Относительная стоимость Низкая Высокая Средняя
Требуют внешний источник питания Нет Нет Да
Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения.
Главным недостатком трансформатора тока является измерение только переменных токов промышленной частоты.
Датчик тока на основе эффекта Холла обладает рядом преимуществ, которые заключаются в возможности измерения как постоянных, так и переменных токов, и малых размерах. К их главным достоинствам следует отнести отсутствие вносимых с систему потерь мощности, широкий диапазон частот. Недостатком является необходимость внешнего источника питания и зависимость от температуры.
Выбор датчика напряжения
В качестве датчика напряжения будет использоваться делитель напряжения. А точнее, делитель напряжения уменьшает измеряемое напряжение (в зависимости от значения составных резисторов). Это необходимо для работы аналого-цифровых преобразователей как в составе интегральной микросхемы, так и в виде специализированного отдельного преобразователе на в устройствах.
Выбор микроконтроллера для вычисления мощности.
Для реализации проекта рассмотрим два микроконтроллера фирмы Atmel: ATmega8 и Atmega16.Характеристика микроконтроллера atmega8.
Микроконтроллер ATmega8 выполнен по технологии CMOS, 8-разрядный, микропотребляющий, основан на AVR-архитектуре RISC. Выполняя одну полноценную инструкцию за один такт, ATmega8 достигает производительности 1 MIPS на МГц, позволяя достигнуть оптимального соотношения производительности к потребляемой энергии.
Технические параметры:
- Память для программ составляет 8 Кб с возможностью перезаписать 10 000 раз;
- 512 байт флеш-памяти для хранения переменных (100 000 циклов перезаписи);
- 1 Кб ОЗУ и 32 регистра общего назначения;
- Два 8-разрядных Таймера/Счетчика с раздельным прескалером, режим сравнения;
- 16-разрядный Таймер/Счетчик с раздельным прескалером, режим сравнения, режим захвата;
- Таймер реального времени с независимым генератором;
- 3 канала ШИМ;
- 6 каналов 10-разрядного АЦП;
- Двухпроводный последовательный интерфейс;
- Программируемый последовательный USART;
- Интерфейс SPI с режимами Master/Slave;
- Программируемый сторожевой таймер с отдельным независимым генератором;
- Встроенный аналоговый компаратор;
- Сброс при включении питания, программируемая защита от провалов питания;
- Встроенный калиброванный RC-генератор;
- Обработка внутренних и внешних прерываний;
- 5 режимов с пониженным энергопотреблением: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, и Standby;
- Напряжение питания 4.5 - 5.5В;
- Тактовая частота 0-16 МГц
- 23 порта ввода/вывода, объединенных в 3 группы:
Порт В (PB0 - РВ7): Два вывода (РВ6 и PB7) используются для подключения кварцевого резонатора. Выводы РВ2 - РВ5 зарезервированы для внутрисхемного программирования. Таким образом, для общего применения остаются порты PB0 и PB1.
Порт С (PC0 - РС6 : 7 выводов): Порты PC0 - РС5 можно использовать в качестве аналоговых входов. РС6 обычно используется для сброса.
Порт D (PD0 - PD7 : 8 выводов): Эти порты можно использовать для общего применения.
Описание выводов микроконтроллера ATmega8:
Питание:
№ Название Тип Описание
7 VCC Вход напряжение питания от +4.5 до +5.5 В8,22 GND Вход Общий (земля)
20 AVccВход напряжение питания + 5 В для модуля АЦП
21 ARefВход вход опорного напряжения для АЦП
Порт B:
№ Название Тип Описание
14 PB0 Вход/Выход цифровой порт РВ014 ICP1 Вход захват входа 1
15 PB1 Вход/Выход цифровой порт РВ115 OC1A Выход выход сравнения/ШИМ 1А
16 PB2 Вход/Выход цифровой порт PB2
16 OC1B Выход выход сравнения/ШИМ 1В
16 SS Вход вход Slave для SPI
17 PB3 Вход/Выход цифровой порт РВЗ
17 OC2 Выход выход сравнения/ШИМ 2
17 MOSI Вход/Выход вход данных в режиме Slave для SPI и ISP / выход данных в режиме Master для SPI и ISP
18 PB4 Вход/Выход цифровой порт РВ418 MISO Вход/Выход вход данных в режиме Master для SPI и ISP / выход данных в режиме Slave для SPI и ISP
19 PB5 Вход/Выход цифровой порт РВ5
19 SCK Вход/Выход тактовый вход в режиме Slave для SPI и ISP / тактовый выход в режиме Master для SPI и ISP
9 PB6 Вход/Выход цифровой порт РВ6 при работе от встроенного генератора
9 XTAL1 Вход тактовый вход, кварцевый или керамический резонатор
9 TOSC1 Вход не используется при работе от внешнего генератора
10 PB7 Вход/Выход цифровой порт РВ7 при работе от встроенного генератора
10 XTAL2 Вход для подключения кварцевого или керамического резонатора
10 TOSC2 Выход тактовый выход при работе от встроенного генератора
Порт C:
№ Название Тип Описание
23 PC0 Вход/Выход цифровой порт РС023 ADC0 Вход аналоговый вход канал 0
24 PC1 Вход/Выход цифровой порт РС124 ADC1 Вход аналоговый вход канал 1
25 PC2 Вход/Выход цифровой порт PC2
25 ADC2 Вход аналоговый вход канал 2
26 PC3 Вход/Выход цифровой порт РСЗ
26 ADC3 Вход аналоговый вход канал 3
27 PC4 Вход/Выход цифровой порт РС427 ADC4 Вход аналоговый вход канал 4
27 SDA Вход/Выход канал данных для 2-проводного последовательного интрефеиса28 PC5 Вход/Выход цифровой порт РС5
28 ADC5 Вход аналоговый вход канал 5
28 SCL Выход тактовый выход для 2-проводного последовательного интерфейса
1 PC6 Вход/Выход цифровой порт РС61 RESET Вход внешний сброс
Порт D:
№ Название Тип Описание
2 PD0 Вход/Выход цифровой порт PD0
2 RxDВход вход приемника USART
3 PD1 Вход/Выход цифровой порт PD1
3 TxDВыход выход передатчика USART
4 PD2 Вход/Выход цифровой порт PD2
4 INT0 Вход внешнее прерывание канал 0
5 PD3 Вход/Выход цифровой порт PD3
5 INT1 Вход внешнее прерывание канал 1
6 PD4 Вход/Выход цифровой порт PD4
6 XCK Вход/Выход внешний такт для USART
6 T0 Вход внешний вход Timer 0
11 PD5 Вход/Выход цифровой порт PD5
11 T1 Вход внешний вход Timer 1
12 PD6 Вход/Выход цифровой порт PD6
12 AIN0 Вход вход аналогового компаратора канал 0
13 PD7 Вход/Выход цифровой порт PD7
13 AIN1 Вход вход аналогового компаратора канал 1
Характеристика микроконтроллера atmega16.
- AVR RISC-архитектура - архитектура высокой производительности и малого потребления;
- система команд содержит 130 инструкций, большинство которых выполняется за один машинный цикл;
- единый 16-разрядный формат команд;
- производительность 16 MIPS на частоте 16 Мгц;
- наличие аппаратного умножителя;
- 16 Кбайт Flash ПЗУ программ, с возможностью до 1000 циклов стирания/записи;
- 512 байт ЭСППЗУ (EEPROM) данных, с возможностью до 100000 циклов стирания/записи;
- Кбайт оперативной памяти (SRAM);
- возможность программирования непосредственно в целевой системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;
- возможность самопрограммирования;
- возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG);
- различные способы синхронизации: встроенный RC-генератор с внутренней и внешней задающей RC-цепочкой или с внешним резонатором (пьезокерамическим или кварцевым); внешний сигнал синхронизации;- 6 режимов пониженного энергопотребления (Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby и Extended Standby);
- детектор снижения напряжения питания (BOD);
- программное снижение частоты тактового генератора;
- 21 источник прерываний (внутренних и внешних);
- многоуровневая система прерываний, поддержка очереди прерываний;
- возможность защиты от несанкционированного чтения и модификации памяти программ и данных;
- загрузочный сектор с независимыми битами защиты;
- возможность чтения памяти программ во время ее записи;
- два 8-разрядных таймера/счетчика с предварительным делителем частоты и режимом сравнения;
- 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем частоты, режимом сравнения и режимом внешнего события;
- сторожевой таймер WDT;
- четыре канала генерации выходных ШИМ-сигналов;
- аналоговый компаратор;
- 8-канальный 10-разрядный АЦП как с несимметричными, так и с дифференциальными входами;
- полнодуплексный универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик USART;
- последовательный синхронный интерфейс SPI, используемый также для программирования Flash-памяти программ;
- последовательный двухпроводный интерфейс TWI (аналог I2C)
- 32 программируемые линии ввода/вывода с уровнями ТТЛ; на эти линии выведена также поддержка периферийных функций;
- напряжения питания 2.7 … 5.5 В.
В таблице 25.1 представлен электрический интерфейс микроконтроллера  ATmega16. Тип вывода условно обозначен как: “I” – вход, “O”– выход, “I/O”– двунаправленный вывод, который может работать как вход или как выход в зависимости от режима или настройки, “P”– потенциальный вывод (например, напряжение питания). Номера выводов даны для корпусов типа DIP (продолговатый корпус с двухрядным расположением выводов) и TQFP (плоский квадратный корпус с расположением выводов по периметру).
Таблица 25.1 Описание выводов микроконтроллера AVR ATmega16(L)
Обозначение Номер вывода Тип
вывода Описание XTAL1 13 I Вход тактового генератора XTAL2 12 O Выход тактового генератора 9 I Вход сброса AREF 32 P Вход опорного напряжения для АЦП AGND 31 P Общий вывод (аналоговый) AVCC 30 P Вывод источника питания АЦП GND 11 P Общий вывод VCC 10 P Вывод источника питания PA0 (ADC0) –– PA7 (ADC7) 40 – – 33 I/O A0 – А7 (Вход канала 0–7 АЦП) PB0 (T0/XCK) 1 I/O B0 (Вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика Т0 / Вход/выход тактового сигнала USART) PB1 (T1) 2 I/O B1 (Вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика Т1) PB2 (AIN0/INT2) 3 I/O B2 (Положительный вход компаратора / Внешнее прерывание) PB3 (AIN1/OC0) 4 I/O B3 (Отрицательный вход компаратора / Выход таймера/счетчика Т0 (режимы Compare, PWM)) PB4 (  )5 I/O B4 (Выбор Slave-устройства на шине SPI) PB5 (MOSI) 6 I/O B5 (Выход (Master) или вход (Slave) данных модуля SPI) PB6 (MISO) 7 I/O B6 (Вход (Master) или выход (Slave) данных модуля SPI) PB7 (SCK) 8 I/O B7 (Выход (Master) или вход (Slave) тактового сигнала модуля SPI) PC0 (SCL) 22 I/O C0 (Тактовый сигнал модуля TWI) PC1 (SDA) 23 I/O C1 (Линия данных модуля TWI) PC2 (TCK) 24 I/O C2 (Тактовый сигнал JTAG) PC3 (TMS) 25 I/O C3 (Выбор режима JTAG) PC4 (TDO) 26 I/O C4 (Выход данныхJTAG) PC5 (TDI) 27 I/O C5 (Вход данныхJTAG) PC6 (TOSC1) 28 I/O C6 (Выход для подключения резонатора к таймеру/счетчику Т2) PC7 (TOSC2) 29 I/O C7 (Вход для подключения резонатора к таймеру/счетчику Т2) PD0 (RXD) 14 I/O D0 (Вход USART) PD1 (TXD) 15 I/O D1 (Выход USART) PD2 (INT0) 16 I/O D2 (Вход внешнего прерывания) PD3 (INT1) 17 I/O D3 (Вход внешнего прерывания) PD4 (OC1B) 18 I/O D4 (Выход B таймера/счетчика Т1 (режимы Compare, PWM)) PD5 (OC1A) 19 I/O D5 (Выход A таймера/счетчика Т1 (режимы Compare, PWM)) PD6 (ICP) 20 I/O D6 (Вход захвата таймера/счетчика Т1 (режим Capture)) PD7 (OC2) 21 I/O D7 (Выход таймера/счетчика Т2 (режимы Compare, PWM)) По характеристикам, а так же для минимизации цены при больших возможностях из рассмотренных вариантов более подходящим и целесообразным считается atmega16, поэтому в этом проекте будет использоваться именно она.
Выбор стандарта для обмена данными
Рассмотрим два стандарта физического уровня для обмена данными: RS 485 и RS422 в таблице 2.2
Таблица 2.2 сравнения параметров интерфейсов RS 422 и RS485
Стандартные параметры интерфейсов RS-422 RS-485
Допустимое число передатчиков / приемников 1 / 10 32 / 32
Максимальная длина кабеля 1200 м 1200 м
Максимальная скорость связи 10 Мбит/с10 Мбит/сДиапазон напряжений "1" передатчика +2...+10 В+1.5...+6 ВДиапазон напряжений "0" передатчика -2...-10 В-1.5...-6 ВДиапазон синфазного напряжения передатчика -3...+3 В-1...+3 ВДопустимый диапазон напряжений приемника -7...+7 В-7...+12 ВПороговый диапазон чувствительности приемника ±200 мВ ±200 мВ
Максимальный ток короткого замыкания драйвера 150 мА 250 мА
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика 100 Ом 54 Ом
Входное сопротивление приемника 4 кОм 12 кОм
Максимальное время нарастания сигнала передатчика 10% бита 30% бита
Стандарт RS485 определяет, что соединение между передающим и принимающим устройствами осуществляется с помощью двух или трех проводов: провод с данными, провод с инвертированными данными и, часто, нулевой провод (земля, 0 В). Два провода с данными представляют собой витую пару, которая заключена в металлический экран, который представляет собой нулевой провод. Использование такого кабеля позволяет уменьшить влияние помех и шумов.
Данные по линии пересылаются в виде последовательности импульсов высокого и низкого уровня. Считается, что по линии передается импульс высокого уровня в том случае, когда провод с данными находится под положительным потенциалом относительно провода с инвертированными данными. Аналогично считается, что по линии передается импульс низкого уровня в том случае, когда провод с данными находится под отрицательным потенциалом относительно провода с инвертированными данными. В некоторых системах нулевой провод используется только в качестве экрана и не подключается к схеме принимающего устройства .Метод передачи, при котором по одному проводу пересылается нормальный сигнал, а по другому - инвертированный, называется балансированной передачей. Для декодирования сигнала принимающее устройство оценивает разность потенциалов между этими двумя проводами. Любое внешнее воздействие на кабель (электромагнитное и т.п.) будет в одинаковой мере влиять на оба провода, а следовательно будет игнорироваться принимающим устройством.
Два провода, по которым производится передача сигнала, скручены в витую пару для того, чтобы гарантировать, что влияние внешних возмущений в одинаковой мере скажется на обоих проводах. Использование витой пары для ослабления влияния помех является более эффективным, чем применение экрана. По этой причине, не рекомендуется использовать кабель, в котором два нескрученных провода находятся в экране. Такие кабели обычно используются для бытовой и аудио-аппаратуры. Уровни напряжений в соответствии со стандартом EIA485. Согласно стандарта EIA485 принимающее устройство должно определять разность потенциалов между двумя проводами с данными порядка 200 милливольт (200 мВ, 0.2 В). Это позволяет принимающему устройству корректно функционировать даже в том случае, когда на линии передачи сигнала имеет место большое падение напряжения.
Обратите внимание на то, что устройства, использующие оптическую изоляцию DOL, могут не отвечать этим требованиям. Светодиод, расположенный внутри изолятора, обычно требует для своей нормальной работы напряжения порядка 1 В. Это является еще одной причиной, по которой устройства DOL вызывают проблемы в сети и не рекомендуются для использования. Стандарт EIA485 также допускает, что оба провода с данными могут находиться под общим потенциалом смещения относительно нулевого (заземляющего) провода. Потенциал смещения должен находиться в пределах от +12 В до -7 В. Это означает, что нулевые точки передающего и принимающего устройств могут не соединяться непосредственно друг с другом в том случае, если разность потенциалов между ними постоянна и лежит в диапазоне от +12 В до -7 В.
Таблица 2. Значения уровней напряжения при передаче данных по каналу RS-485
  Минимум Максимум
Логическийуровень Данные + Данные - Данные + Данные -
0 -7 В-6.8 В+11.8 В+12 В1 -6.8 В-7 В+12 В+11.8 ВОбратите внимание на то, что не допускается для одной линии иметь потенциал смещения +2.5 В, а потенциал смещения для другой линии изменять в пределах от 0 В до +5 В. Стандарт EIA485 требует, чтобы изменение разности потенциалов между нулевыми точками устройств не превышало 200 мВ. Максимально допустимые отклонения напряжений по стандарту EIA485 (измерения проводятся между любым из проводов с данными и экраном - штырек 1).
Если потенциал смещения проводов с данными выходит за указанные пределы, это может привести к повреждению электронной части принимающего и передающего устройств...
Исходя из рассмотренной информации более подходящим по параметрам является стандарт RS485. Так как для передачи данных в производственных цехах/ помещениях необходима высокая помехоустойчивость, необходимо иметь не малое количество приемников/передатчиков.
Для приема-передачи информации по RS485 требуется устанавливать специализированный приемо- передатчик. В своей работе я использовал MAX485.
Этот приемо-передатчик имеет следующие характеристики:
Блок-схема

Таблица 2. Основные параметры приемо-передатчика RS-485
Скорость (макс.),Мбит/с 10
Интерфейс RS-485
Tx,шт1
Rx,шт1
Устройств на шине 32
Rx/Tx EnableДа
VCC,В от 3 до 3.6
ICC,мА2.2
TA,°C от -40 до 85
Корпус DIP-8 SOIC-8Общее описание
Отличительные особенности:
Единое напряжение питания 3.3 Вольта
Совместим с 5-вольтовой логикой
Максимальная скорость передачи данных до 10 МБит/сТок потребления в режиме Shutdown 2 нА
Диапазон напряжения входного синфазного сигнала -7...+12 Вольт
Позволяет подключать до 32 приемопередатчиков на одну шину
Стандартное расположение выводов
Ограничение по току и функция отключения по температуре для защиты передатчика от перегрузки
Рассмотрев характеристики, можно сказать что стандарт RS485 является наиболее подходящим для передачи информации, так как обладает большой степенью помехоустойчивостью, большим возможным количеством подключений к одной линии а так же за счет рабочего расстояния, на которую драйвер(преобразователь) может передавать информацию.
Преобразователь из RS-485 в USB или COM порт.
При подключении наших счетчиков к компьютеру или к северному оборудованию нам необходимо преобразовать стандарт RS-485в другой, понятный для сервера, так как на сегодня в ПК больше используются последовательные порты USB, более удобным считаю вариант преобразования сигнала RS-485 в USB.
В основе схемы преобразователя чип CP2102.
Характеристики чипа ср2102:
РаспиновкаКорпус у неё, конечно, страшноват, но к этому мы ещё вернёмся.Структура микросхемы

Рисунок 2. – Структура чипа СР2102
Как можно заметить из схемы — CP2102 содержит встроенный генератор на 48 МГц, контроллер UART с поддержкой всех модемных сигналов, буфуры на прием и передачу, USB 2.0 (скорость до 12Мбит/сек) контроллер и EEPROM для хранения настроек. Микросхема требует минимальной обвязки — пара кондёров по питанию.
Возможные форматы данных UART
- 5,6,7 и 8 бит данных
- 1,1.5,2 стоповых бита
- бит четности по четности, нечетности, установленный, сброшенный или отсутствует
Драйвер виртуального ком-порта поддерживается Windows, Mac OS и Linux.
Во встроенную EEPROM прошиваются такие параметры как:
1) Vendor ID (VID) — Идентификатор производителя. По умолчанию10C4 — SiLabs;
2) Product ID (PID) — Идентификатор продукта. Актуально, если к одному компьютеру подключается несколько CP2102.
3) Max Power — энергопотребление вашего устройства от USB. Шаг этого параметра — 2 мА. Например, если вам нужно 200 мА от шины USB, то сюда необходимо записать 100 (0x64).
4)Release Version — По умолчанию 1.0. Можно указывать от 1 до 99 как в десятичной так и в дробной частях отдельно.
5) Serial Number — Серийный номер устройства. Это текстовое поле длинной до 64 символов. Рекомендуется назначать разные номера всем устройствам.
6) Product string — Имя устройства (текстовое поле до 126 символов). По умолчанию это «CP210x USB to UART Bridge Controller».

Преобразователь мощности.
Выпускаемые отечественной промышленностью микросхемы КР1095ПП1А-КР1095ПП1Г относятся к классу БИС. Приборы обеспечивают преобразование электрической мощности переменного тока промышленной частоты в частоту следования импульсов с нормированными значениями коэффициента преобразования, допустимой погрешности преобразования, амплитуды и формы выходных импульсов. Микросхемы изготавливают по технологии КМДП-транзисторов с поликремниевым затвором. Каждый прибор содержит около 1500 элементов.
Предприятие-изготовитель микросхем серии КР1095ПП1 рекомендует использовать их в счетчиках активной и реактивной электрической энергии промышленной частоты классов точности от 0,1 до 1. Применение этих микросхем  позволяет свести  к минимуму число дорогих прецизионных компонентов электронного счетчика и повысить его технологичность благодаря упрощению регулировки. При этом в качестве образцовых компонентов использованы только кварцевый резонатор и стабилитрон.
Преобразователи выпускают в пластмассовом корпусе 2107.18-4 (DIP-18) с увеличенным расстоянием между рядами выводов. Выводы - штампованные плоские луженые. Масса прибора - не более 2 г.
Цоколевка микросхемы представлена в таблице.
Номер вывода Обозначение Функциональное назначение вывода
1 IB Вход управления потребляемым током
2 I1 Вход 1 датчика тока
3 I2 Вход 2 датчика тока
4 Общ. Общий
5 +U0 Плюсовой вход образцового напряжения
6 -UoМинусовой вход образцового напряжения
7 +U Плюсовой вывод напряжения питания
8 FOC Контрольный частотный выход
9 FOP Частотный выход положительной мощности
10 FON Частотный выход отрицательной мощности
11 FT Выход сигнала тактовой частоты
12 X Вывод для подключения кварцевого резонатора
13 X Вывод для подключения кварцевого резонатора
14 FoВыход сигнала образцовой частоты
15 -U Минусовой вывод напряжения питания
16 u1 Вход 1 датчика напряжения
17 u2 Вход 2 датчика напряжения
18 - Свободный
 
Основные технические характеристики при Токр.ср=25°С-Частота переменного тока измеряемой мощности, Гц...........50+2,5; 60+3
-Входное напряжение на измерительных входах, при котором гарантируется линейность преобразования, мВ............1...4000
-Частота выходных импульсов, Гц   ..................2...8000
-Точность       перемножения (отношение сигнал/шум), дБ, не хуже   ...................96;
-Напряжение смещения нуля, мВ, не более, для
КР1095ПП1А, КР1095ПП1Б   ...20
КР1095ПП1В, КР1095ПП1Г   ...60
-Напряжение питания, В   . .2х(5,7...6,3) Потребляемый ток, мА, не более, для
КР1095ПП1А, КР1095ПП1В   ....7
КР1095ПП1Б, КР1095ПП1Г     ..10
Предельные значения параметров
- Наибольшее напряжение на измерительных входах (постоянное напряжение или амплитудное значение переменного), В   ..........6,3
- Наибольший ток частотного выхода (выводы 8-11), мА, при напряжении высокого и низкого уровней........5
- Наибольшая рассеиваемая мощность, мВт...............150
- Рабочий интервал температуры окружающей среды, °С .........-60...+60
- Допустимое значение статического потенциала, В  .200
Как известно, электрическая мощность - это физическая величина, характеризующая скорость изменения электрической энергии. В цепях переменного тока различают мощность мгновенную, активную, реактивную и полную. Мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений напряжения и тока. Активная мощность - это среднее за период значение мгновенной мощности переменного тока. Она затрачивается на совершение какой-либо полезной работы (механической, тепловой, химической и пр.), при этом электрическая энергия преобразуется в другой вид энергии. Реактивная мощность не совершает работы и характеризует скорость накопления энергии в конденсаторах и катушках. Полная мощность равна алгебраической сумме активной и реактивной мощностей.
Микросхема серии КР1095ПП1 измеряет только активную мощность. Для этого в микросхеме реализован принцип импульсного перемножения двух сигналов, пропорциональных мгновенным значениям напряжения и тока, с помощью широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции, Полученные значения, пропорциональные мгновенной мощности, микросхема суммирует в течение определенного интервала времени (равного одному периоду колебаний переменного тока), после чего делением на число слагаемых находит среднее значение мгновенной мощности. Это значение пропорционально активной мощности. Далее микросхема полученный сигнал преобразует в последовательность импульсов, частота которых оказывается пропорциональной произведению значений напряжения на входах датчиков тока и напряжения, т. е. активной мощности потребителя.

Рисунок 2. – структурная схема преобразователя мощность-частота
Структурная схема преобразователя мощность-частота представлена на рис. 2. Перемножающие преобразователи выполняют перемножение сигналов образцового напряжения (на выводах 5, 6) и сигналов, пропорциональных измеряемым току через нагрузку (на выводах 2, 3) и напряжению на ней (выводы 16,17). Изменение образцового напряжения позволяет масштабировать коэффициент преобразования мощности в частоту. Образцовое напряжение поступает одновременно на оба преобразователя - напряжения и тока.
К внутренним входам преобразователей подведены импульсы тактовой частоты, вырабатываемые формирователем тактовой последовательности. Таким образом, в результате обработки аналоговых сигналов датчиков перемножающие преобразователи формируют последовательности импульсов. Для обеспечения стабильности тактовой частоты использован кварцевый резонатор, подключаемый к выводам 12 и 13 микросхемы.Оба перемножителя представляют собой преобразователи напряжение- частота, причем к верхнему по схеме на рис. 2 поступает сигнал, пропорциональный напряжению контролируемой цепи, а к нижнему - входной сигнал, снятый с датчика тока в этой цепи, т. е. падение напряжения на измерительном резисторе. В преобразователе цепи датчика напряжения использован метод широтно-импульсной модуляции сигнала импульсами тактовой частоты. Модулируемый сигнал - произведение сигнала с датчика напряжения и образцового напряжения. В преобразователе цепи датчика тока реализована амплитудно-импульсная модуляция сигнала импульсами тактовой частоты. Здесь модулируемый сигнал - произведение напряжения с датчика тока и образцового напряжения. Оба преобразователя работают по принципу дельта-сигма модулирования с использованием коммутируемых конденсаторов. Поскольку на один из внутренних входов преобразователя цепи датчика тока поступает импульсная последовательность с выхода преобразователя цепи датчика напряжения, сигнал на выходе токового преобразователя содержит информацию об измеряемой мощности.Девятиразрядный двоичный реверсивный счетчик усредняет число импульсов положительной и отрицательной мощности, поступающих с выхода токового преобразователя.
Узел цифровой обработки сигнала содержит пятиразрядный двоичный счетчик, который служит для деления частоты реверсивного счетчика. Кроме того, в этом узле есть шестнадцатиразрядный двоичный счетчик (он уменьшает частоту импульсов, подаваемых на частотные выходы), а также логические устройства и электронные переключатели, обеспечивающие подачу импульсов на частотные выходы положительной (вывод 9) и отрицательной (вывод 10) мощности.
Формирователь тока смещения позволяет при необходимости регулировать ток, потребляемый преобразователями микросхемы. Этого достигают включением внешнего резистора между выводом 1 и плюсовым или минусовым выводами питания (выводы 7 и 15 соответственно). В первом случае потребляемый ток увеличивается, во втором - уменьшается. Сопротивление этого резистора может находиться в пределах от 51 до 510 кОм. Чем меньше сопротивление резистора, тем сильнее изменение потребляемого тока. Он изменяется как по плечу +6 В, так и -6 В.
В зависимости от знака мощности выходная последовательность импульсов формируется либо на выходе FOP (положительная мощность), либо FON (отрицательная).
Типовая схема включения преобразователя мощность-частота серии КР1095ПП1 в качестве измерителя мощности переменного тока представлена на рисунке 2. . Резисторы R1 и R2 образуют делитель сетевого напряжения. С выхода делителя сигнал, пропорциональный напряжению сети, поступает на измерительный вход U1-U2 микросхемы. Падение напряжения на резисторе
R3, являющемся датчиком тока, пропорциональное току нагрузки, приложено к измерительному входу I,-l2. На входы +U0 и -Uo подано образцовое напряжение (около 9 В) с параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на резисторах R4, R5 и стабилитроне VD1.

Рисунок 2. – типовая схема подключения КР1095ПП1А
При подаче напряжения питания и подключении нагрузки на выходах преобразователя мощность-частота появляются следующие сигналы: на выходе FT - импульсы тактовой частоты 1 МГц (частота основной гармоники кварцевого резонатора ZQ1); на FO - импульсы с частотой, в 218 (262144) раз меньше тактовой, т. е. около 3,81 Гц; на FOP - импульсы с частотой, которая пропорциональна мощности, потребляемой нагрузкой; на FON - постоянное напряжение -6 В; на FOC - импульсы с частотой, в 16 раз большей частоты импульсов на выходе FOR
Коэффициент Kui*F преобразования произведения сигналов напряжения и тока в частоту зависит от частоты тактового генератора и образцового напряжения, снимаемого со стабилитрона VD1. Значение коэффициента Ku,.F прямо пропорционально частоте тактового генератора и обратно пропорционально квадрату образцового напряжения, т. е. с уменьшением образцового напряжения оно увеличивается. Для указанных на рис. 3 частоты кварцевого резонатора и типа стабилитрона Kui.F равен примерно 800 Гц/В2. При этом импульсы снимают с выхода FORКоэффициент преобразования потребляемой нагрузкой мощности в частоту - КР, который обеспечивает узел по схеме на рис. 3, зависит как от значения коэффициента Кuif микросхемы, так и от параметров датчиков тока и напряжения. Зная сопротивление элементов датчика напряжения R1R2 и датчика тока R3, несложно вычислить коэффициент преобразования мощности КР в частоту Fвых:
где Рн, Uн и Iн - соответственно мощность нагрузки, напряжение на ней и ток через нее.
При определении коэффициента преобразования в формулы следует подставлять действующие значения напряжения и тока. Для указанных на схеме рис. 3 параметров элементов (тактовая частота - 1 МГц, образцовое напряжение - 9 В) коэффициент преобразования КР равен примерно 1 Гц/Вт. По выходу FOC коэффициент преобразования в 16 раз больше, чем по выходам FOP и FON.
Термины "положительная" мощность и "отрицательная" - условны. Они отражают то обстоятельство, что микросхема по-разному реагирует на направление потока электрической энергии: от питающей сети слева к нагрузке справа (см. рис. 3) или, наоборот, от сети справа к нагрузке слева. Как было указано выше, для случая питания нагрузки по схеме, показанной на рис. 3, импульсы снимаются с выхода положительной мощности FOR Если выводы подключения нагрузки и питающей сети поменять местами, то импульсы, пропорциональные мощности, появятся на выходе отрицательной мощности FON (на выходе FOP при этом установится напряжение -6 В).Такой же результат будет, если поменять местами подключение выводов Ui и U2 (либо l1 и l2) микросхемы. Можно также сказать, что "знак" мощности определяется знаком падения напряжения на датчике тока - резисторе R3. Оно определено, в свою очередь, направлением протекания тока через этот резистор. Говоря более строго, речь идет о фазе тока относительно фазы напряжения: если разность фаз равна нулю, микросхема измеряет положительную мощность, если же равна 180°, - отрицательную.
При построении устройств на базе описываемой микросхемы последовательность импульсов можно снимать с выходов FOP и FON. Если удобнее работать с большей частотой, то выходной сигнал снимают с выхода FOC. Сигнал на этом выходе не зависит от "знака" мощности.Как уже было отмечено выше, стабильность коэффициента преобразования мощности в частоту зависит от стабильности образцового напряжения и частоты кварцевого генератора. Высокую температурную стабильность образцового напряжения обеспечивают применением прецизионного термо-компенсированного стабилитрона Д818Е или аналогичного (серии КС191 и др.). Для дополнительного повышения стабильности образцового напряжения его источник следует питать стабилизированным напряжением. Для повышения стабильности частоты кварцевого резонатора он может быть помещен в термостабилизированную камеру, однако в большинстве случаев в этом нет необходимости.
Убедиться в том, что микросхема учитывает только активную мощность переменного тока, можно следующим образом. В качестве нагрузки подключают конденсатор, например, К73-17 емкостью 1 мкФ на номинальное напряжение не менее 400 В. При этом импульсы на выходе FOP микросхемы должны отсутствовать, хотя сигналы на входах U и I, микросхемы не равны нулю. При использовании конденсаторов с большими потерями (например, МБГО емкостью 10 мкФ) на выходе FOP могут присутствовать импульсы невысокой частоты (порядка 20...30 Гц).При проведении экспериментов с конденсаторами следует помнить, что в момент подключения конденсатора через него протекает значительный импульс тока, что вызывает всплеск напряжения на датчике тока до нескольких десятков вольт. Если не принять мер к защите входов микросхемы, она выйдет из строя. Напряжение на ее входах можно ограничить двумя стабилитронами КС139А или КС147А, включенными последовательно встречно, либо с помощью диодных ограничителей.На входы U1 U2 и 1I, l2 может быть также подано постоянное напряжение не более 4 В той или иной полярности. Это позволяет применять микросхему для стабилизации напряжения или тока. Коэффициент Kui.F при этом сохраняет свое значение.
Микросхема может также работать и с пульсирующим однополярным напряжением, получающимся в результате одно-или двуполупериодного выпрямления.
2.4 Расчет потребляемой мощности и надежности устройства
Потребляемая мощность – значение мощности, потребляемой устройством от источника питания в рабочем режиме.
Мощность, потребляемая всей схемой, Рпот.сх численно равна алгебраической сумме мощностей, потребляемых всеми элементами одного типа, Рпот:
Рпот. сх = Рi пот , (2.1)
где Рпот. сх – мощность, потребляемая всей схемой, Вт;
Рi пот – мощность, потребляемая всеми элементами i-го типа, Вт;
K – количество разновидностей элементов.
Мощность, потребляемая всеми элементами одного типа, Рпот равна произведению мощности, потребляемой одним элементом, Рпот.эл на количество элементов одного типа N:
Рпот = Рпот. эл ∙ N , (2.2)
где Рпот – мощность, потребляемая всеми элементами одного типа, Вт;
Рпот. эл – мощность, потребляемая одним элементом, Вт;
N – количество однотипных элементов, шт.
Данные, необходимые для расчета потребляемой мощности всей схемы, сводятся в таблицу 2.2 на основании официальных руководств по применяемым микросхемам. Вычисление Рпот будет вестись по формуле (2.1).
Таблица 2.2 - Потребляемая мощность электронных компонентов
Название элемента Тип Рпот. эл, мВт N, штPпот, мВт
ИМС микроконтроллера Atmega16 5.5 2 11
Чип преобразователя RS485 СР2102 85,8 1 85,8
Преобразователь мощности КР1095ПП1 60 1 60
Приемо-передатчик RS485 МАХ485 2,5 4 10
По формуле (2.1) определяется мощность, потребляемая всей схемой, Рпот.сх= 166,8 мВт.
Расчет надежности производят на этапе разработки объекта для определения его соответствия требованиям. В результате расчета должны быть определены количественные характеристики надежности объектов. Расчет производится по известным данным об интенсивности отказов элементов, составляющих рассматриваемый объект; в частности, надежность какой-либо сборочной единицы ЭВМ определяется значениями интенсивности отказов (электрорадиоэлементов) ЭРЭ и элементов конструкции, составляющих сборочную единицу.
Интенсивность отказов показывает, какая часть элементов по отношению к общему количеству исправно работающих элементов в среднем выходит из строя в единицу времени.
Интенсивность отказов объекта есть сумма интенсивностей отказов всех входящих в объект элементов iэ:
о = iэ , (2.3)
где о - интенсивность отказов объекта, 1/час;
iэ - интенсивность отказов элементов i-го типа и режима использования, 1/час;
K - количество разновидностей элементов по типам и режимам использования.
Интенсивность отказов э ЭРЭ в реальных условиях эксплуатации связана с величиной интенсивности отказов н ЭРЭ при номинальном электрическом режиме, коэффициентом нагрузки Кн, температурным коэффициентом Кт и количеством элементов N с интенсивностью отказов iэ соотношением:
э = н∙Кн∙Кт∙N , (2.4)
где э - интенсивность отказов ЭРЭ в реальных условиях эксплуатации, 1/час;
н - интенсивность отказов ЭРЭ при номинальном электрическом режиме, 1/час;
Кн - коэффициент нагрузки - отношение количества используемых ножек микросхемы к общему числу ножек микросхем;
Кт - температурный коэффициент;
N - количество элементов с интенсивностью отказов н, шт.
Все данные, необходимые для расчета интенсивности отказов объекта, сводятся в таблицу 2.3, вычисление э будет вестись по формуле (2.4).
Таблица 2.3 - Интенсивность отказов электронных компонентов
Наименование и тип элемента н∙10-6, 1/час КнКтN, штэ∙10-6, 1/час
ИМС 0,1 1 0,1 Диод 0,3 1 0,1 Датчик 0,3 1 0,1 Резистор 0,15 1 0,1 Конденсатор 0,2 1 0,1 Трансформатор 1,2 1 0,1 Транзисторы 0,35 1 0,1 Подставив значение э в формулу (2.3), определяется о:
о = __________∙10-6 1/час.
Средняя наработка до отказа, или среднее время безотказной работы, есть ожидаемая наработка объекта до первого отказа.
Средняя наработка до отказа То обратно пропорциональна интенсивности отказов объектов о:
То = 1/о , (2.5)
где То - средняя наработка до отказа, час;
о - интенсивность отказов объекта, 1/час.
Подставив значение о в формулу (2.5) определяется То:
То = _______ часов.
Вероятность безотказной работы объекта Ро(t) - это вероятность того, что в пределах заданной наработки, т. е. заданного интервала времени, отказ объекта не возникнет.
Величина Ро(t) определяется выражением
Ро(t) = еxp(-o∙t) , (2.6)
где Ро(t) - вероятность безотказной работы в течении t часов;
о - интенсивность отказов объекта, 1/час;
еxp - основание натурального логарифма.
По формуле (2.6) рассчитывается вероятность безотказной работы устройства в течение 1000 часов:
Ро(1000) ___________ = ________%.
Таким образом, существует 98,67% вероятности безотказной работы устройства в течение 1000 часов.

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
3.1 Разработка электрической принципиальной схемы устройства
Принципиальная схема – это схема, содержащая полный и детальный состав элементной базы и связи между элементами, а также представляющая принципы работы электронного устройства. По имеющейся структурной схеме построим электрическую принципиальную схему проектируемого устройства.
Принципиальная электрическая схема узлов автоматизированной системы контроля и учета потребляемых ресурсов показана на рисунке 3.1, 3.2 и 3.3
3.2 Разработка управляющей программы
Упрощенный алгоритм работы автоматизированной системы контроля и учета потребляемых ресурсов приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Алгоритм работы автоматизированной системы
Автоматизированная система контроля и учета потребляемых ресурсов на предприятии предназначено для введения учета за потребляемыми ресурсами, сбора и обработки этих данных, а так же при возможности автоматизированной передачи этих данных в организации предоставляющие ресурсы. При этом так же требуется постоянный контроль за отдельно взятыми узлами данной системы.
Рассмотрим алгоритм работы автоматизированной системы:
Происходит опрос всех подключенных к системе устройств, которые в ответном сообщении должны прислать данные о работоспособности, состоянии сети, свои идентификаторы. Данные ответы отмечаются в базе данных об устройствах. В случае, если пришел ответ от неизвестного (не зарегистрированного) устройства, система оповещает об этом оператора АРМа соответствующим сообщением. Система в дальнейшем сохраняет полученные данные от этого устройства отдельно от основных, зарегистрированных устройств в целях безопасности и экономии места (если в определенный срок не зарегистрировать новое устройство, данные удаляются, новые данные с этого узла более не сохраняются).
Далее система проверяет по полученным ответам и списку зарегистрированных узлов состояние системы. Если от какого либо зарегистрированного узла ответа не пришло, или пришли неизвестные (битые данные), к этим узлам отправляется контрольный запрос о состоянии. Данные о не ответивших или о приеме битых данных заносятся в базу данных.
Если узлы не отвечают и на контрольный запрос, то система оповещает оператора АРМа сообщением об этом, но продолжает работать дальше, но без этого узла. В сообщении указываются идентификатор неисправного узла, данные с предыдущих состояний, исходя из которых можно определить вероятную причину неисправности. Если же узел ответил, то система дальше работает в штатном режиме, но при этом выдает сообщение оператору о необходимости контроля за этим узлом.
Данные приходят с определенной частотой, обрабатываются и сохраняются. При обработке данные считаются по времени и ежечасно записываются. При сохранении сохраняются не только сами показания, но и идентификатор узла, время.
При условии если система принимает данные от главного счетного устройства (основные счетчики предприятия), система собирает данные со всех узлов, суммирует показания однотипных счетных устройств и сравнивает общее потребление и потребление по основному счетчику.
В случае большой разницы между данными основного счетчика и общего значения со счетных устройств выдает сообщение об утечке ресурса. Это удобно, если предприятие занимает определенную площадь территориально и каналы передачи ресурсов на территории предприятия скрыты разного рода преградами: сообщение – это сигнал на обследование участка или всей системы передачи ресурса.
Если у организации, предоставляющей предприятию тот или иной вид ресурса, есть соответствующее оборудование и программное средство, данная система через определенный (учетный) период времени отправляет данные о потреблении соответствующих ресурсов.
При ошибке отправки или если не пришел отчет о доставке данных, на операторском месте выводится соответствующее сообщение об ошибке.
Далее через определенный период система переходит на следующий цикл всего алгоритма. Это позволяет своевременно обнаружить неисправные узлы системы, утечки в системах обеспечения предприятия ресурсами.
3.3 Разработка печатной платы
Конструктивной несущей частью узлов разрабатываемой системы является плата с печатным монтажом. Необходимо ограничить влияние внешней среды на устройство. Для защиты устройства от пыли и влаги плату необходимо упаковать в специальный корпус. Корпус должен предусматривать отверстие для индикатора. Так же корпус должен предусматривать возможность ремонта устройства, то есть иметь съемную крышку.
Процесс разработки чертежа к печатной плате складывается из следующих операций:
- компоновка печатной платы, в процессе который находится оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате; в результате компоновки находят положение контактных площадок для подключения всех элементов;
- разводка печатных проводников; цель этой операции – провести проводники, соединяющие контактные площадки так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов в другие слои с целью устранения пересечений;
- оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.
Чертеж должен содержать основные проекции платы с печатными проводниками и отверстиями. На чертеж печатной платы необходимо наносить координатную сетку в соответствии с выбранным масштабом. Координаты сетки нумеруют через 1-5 шагов.
Проводники, ширина которых на чертеже менее 2 мм, рекомендуется изображать сплошными линиями; более широкие проводники, в том числе контактные площадки, необходимо штриховать под углом 45 градусов. Круглые контактные площадки отверстий следует изображать второй концентрической окружностью диаметром, соответствующим минимальному размеру контактной площадки.
Монтажные и переходные отверстия с зенковкой следует изображать одной окружностью.
На плате должна быть произведена необходимая маркировка указывающая номер платы, координаты рядов ИМС, номера печатных слоев и т.д.
Плотность тока в печатном проводнике должна быть не более 20 А/мм, для одно- и двухсторонних печатных плат и наружных слоев МПП не более 15 А/мм для внутренних слоев МПП.
Печатные платы должны иметь прямоугольную форму. Металлизированные отверстия должны иметь контактные площадки. Рекомендуемая форма контактных площадок – круглая или прямоугольная с плавными переходами к проводнику. Проводники шире 5 мм должны иметь вырез; эти вырезы показывают на чертеже печатной платы.
Исходным при конструировании печатной платы является монтажная схема для данной принципиальной схемы. Расстояние между корпусами соединенных компонентов на плате должно быть не менее 1 мм, а расстояние между ними по торцу не менее 1,5 мм. Все монтажные отверстия располагаются в узлах координатной сетки. В нашем случае он равен 1,25 мм. Формы и размеры отверстий зависят от геометрических выводов компонентов.
Диаметр отверстия вывода детали, должен быть больше не менее, чем на 0,15-0,25 мм. Такое соотношение обеспечивает лучшее условие пайки.
Толщина платы 1+0,5 мм. Чертеж платы выполнен в масштабе 1:1. Минимальная ширина проводников 0,6 мм. Расстояние между ними 0,65 мм.
Плата крепится к пластмассовому корпусу четырьмя винтами.
Для разработки печатной платы устройства будет применена система P-CAD 2006, которая представляет собой пакет программного обеспечения для сквозного проектирования аналоговых, цифро-аналоговых и аналогово-цифровых устройств.
В частности, она позволяет выполнять следующие операции:
- подбирать элементную базу в соответствии с техническим заданием;
- вести библиотеки символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов;
- осуществлять графический ввод схемы и ее упаковку на печатную плату;
- выполнять трассировку в ручном, интерактивном и автоматическом режимах;
- проводить смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;
- выявлять ошибки в схеме и печатной плате, вплоть до анализа целостности сигналов и перекрестных искажений;
- выпускать полный комплект конструкторско-технологической документации для передачи на предприятие - изготовитель печатных плат.
В состав данного программного комплекса входит несколько тесно интегрированных между собой модулей:
1. Library Executive - диспетчер библиотек, значительно упрощающий процесс подбора элементной базы для конкретного проекта.
2. Symbol Editor - графический редактор для формирования условно графических обозначений (УГО) библиотечных компонентов.
3. Pattern Editor - графический редактор для формирования посадочных мест компонентов.
4. Schematic - графический редактор для ввода принципиальных схем изделия.
5. РСВ - графический редактор, позволяющий пользователю самостоятельно или с помощью набора функций Visual Placement Area (VPA) разместить модули на монтажно-коммутационном поле и провести трассировку проводников в ручном, интерактивном или автоматическом режимах. 6. Document Toolbox - включенная в приложения РСВ и Schematic утилита, значительно облегчающая подготовку конструкторской документации.
7. Автотрассировщики - особые модули для автоматической прокладки проводников на печатной плате.
8. Interroute Gold и Advanced Route - дополнительные наборы команд для РСВ, позволяющие в интерактивном режиме прокладывать проводники, автоматически раздвигая помехи.
9. DBX-utils - обширный набор утилит, использующих для работы интерфейс DBX (Data Base Exchange).
10. InterPlace/PCS - многофункциональная DBX-утилита, облегчающая размещение компонентов.
11. Signal Integrity - инструмент для анализа влияния конструкции печатной платы на условия распространения сигналов (задержка, потери, паразитные наводки, согласование с источниками и нагрузками).
Общие характеристики системы проектирования P-CAD 2006:
- 32-разрядная база данных;
- разрешающая способность - 0,001мм;
- количество электрических цепей в проекте - до 64 000;
- допускается включать в отдельную библиотеку до 20 000 компонентов и одновременно открывать неограниченное количество библиотек;
- каждый компонент может содержать до 10 000 выводов и до 5000 секций (вентилей);
- программа поддерживает до 8 символов в имени файла, до 16 символов в названии типа компонента, до 20 символов в именах вывода и цепи и в позиционном обозначении вывода и до 30 символов в позиционном обозначении компонента;
- предусмотрен многошаговый «откат» вперед и назад (по умолчанию количество запоминаемых шагов равняется 10, но эту величину можно при необходимости изменить, редактируя файл конфигурации).
3.4 Описание технологии изготовления печатной платы
Печатная плата (ПП) — пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь (электронная схема). Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, накруткой, склёпкой, впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).
В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на односторонние (ОПП), двухсторонние (ДПП) и многослойные (МПП). На печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги аддитивным или субтрактивным методом. Оценивая сложность схемы, количество компонентов в ней, можно сделать вывод, что печатная плата будет двусторонней.
Печатная плата обычно содержит монтажные отверстия и контактные площадки, которые могут быть дополнительно покрыты защитным покрытием: сплавом олова и свинца, оловом, золотом, серебром, органическим защитным покрытием. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, внешнее изоляционное покрытие («защитная маска») которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы, маркировка обычно наносится с помощью шелкографии.
Материал для печатной платы выберем стеклотекстолит фольгированный односторонний марки FR4, толщиной 1,5 мм. Печатная плата будет односторонней, и для ее изготовления выберем комбинированный позитивный метод.
Комбинированный метод основан на комбинации технологических процессов, когда печатные платы изготавливаются из фольгированных диэлектриков вытравливанием рисунка химическим методом с металлизацией отверстий электрохимическим методом.
Последовательность технологического процесса изготовления ДПП выбранным методом:
1. Входной контроль электро-радио изделий (ЭРИ) осуществляют для выявления деформаций используемого материала.
2. Раскрой материала основания ПП определенного размера. Заготовка ПП должна иметь технологическое поле, на котором располагаются фиксирующие, технологические отверстия.
3. Получение заготовок и базовых отверстий. Единичные заготовки получают в два этапа: разрезки листа диэлектрика на полосы и сверление или пробивка базовых и технологических отверстий.
4. Подготовка поверхности заготовки ПП осуществляется с целью: удаления заусенцев, смолы и механических частиц из отверстий после сверления; удаление оксидов, масляных пятен, захватов пальцами, пыли, грязи, мелких царапин и пр. При ручной подготовке поверхности используется наждачная бумага («нулёвка»).
5. Получение защитного рельефа - процесс переноса изображения рисунка печатных проводников на материал основания ПП. Он может осуществляться следующими способами: фотохимическим, сеткографическим, офсетной печатью, лучом лазера, паяльной маской.
6. Сушка осуществляется в сушильном шкафу.
7. Травление меди с пробельных мест - процесс химического разрушения металла (в основном меди) в результате действия жидких или газообразных травителей на участки поверхности заготовки незащищённые защитной маской (травильным резистом). Наиболее широко применяют травильные растворы на основе хлорного железа, кислые и щелочные растворы меди, растворы на основе персульфата аммония и др.
8. Удаление защитного рельефа осуществляется при помощи наждачной бумаги.
9. Получение монтажных отверстий. Применяют следующие способы получения монтажных отверстий: механический, пробивка, лазерное сверление, фотолитографии, воздействие плазмы. Наиболее широко применяют сверление и пробивку. Операция сверления обеспечивает качество токопроводящего слоя в отверстиях (d=0,1…0,4мм) путём их металлизации; точность совмещения токопроводящих рисунков схемы; брак на этой операции является необратимым.
10. Нанесение паяльной маски. Она предназначена для защиты всей поверхности ПП кроме контактных площадок от воздействия расплавленного припоя и флюса при групповых процессах пайки ЭРИ и проводники от перегрева. Паяльные маски по способу формирования рисунка бывают двух основных типов: наносимые через трафарет и фотопроявляемые. Фотопроявляемая паяльная маска бывает жидкой и сухой. Наносимая в жидком состоянии она лучше, чем сухая плёночная, защищает проводники, особенно при высокой плотности рисунка.
11. Сушка осуществляется в сушильном шкафу.
12. Лужение – покрытие спаиваемых поверхностей расплавленным припоем тонким слоем. Применяется оловянно-свинцовый припой ПОС-61 с содержанием олова 61%.
13. Отмывка от флюса. Флюс – это вещество или сплав, предназначенный для растворения и удаления оксидов с поверхности спаиваемых деталей. Отмывают специальными растворителями.
14. Маркировка ПП необходима для их идентификации в процессе изготовления, сборки электронной аппаратуры, для компьютерного считывания при учёте расхода материала и пр.
15. Контроль электрических параметров. При электрическом контроле проверяется: целостность проводников; наличие короткого замыкания между проводниками; качество изоляции.
16. Вырубка по контуру и получение крепежных отверстий. Операция обработки ПП по контуру является заключительной и необходимой для удаления технологического поля и получения заданных размеров ПП. Для обработки по контуру применяют один из следующих способов: штамповку; обработку на дисковой или алмазной пиле; фрезерование; скрайбирование механическое и лазерное.
3.4 Расчет печатной платы
Печатные платы по плотности проводящего рисунка делятся на 5 классов. Первый класс характеризуется наименьшей плотностью проводящего рисунка; второй и третий класс характеризуются повышенной и высокой плотностью проводящего рисунка соответственно. Выбранный комбинированный позитивный метод изготовления печатной платы применяется для плат первого и второго классов точности.
Поскольку элементы печатной платы имеют средние по величине геометрические размеры, было принято решение использовать класс плотности 1.
Требования к геометрическим параметрам печатной платы выбранного класса точности представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Минимальные значения геометрических параметров печатных плат класса плотности 1
Наименование параметра Условное
обозначение
параметра Размеры проводящего рисунка, ммШирина проводника t 0,5
Расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой. S 0,5
Расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки bm 0,05
Отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы j 0,400
Исходя из того, что минимальный диаметр вывода элемента, устанавливаемого на печатную плату, составляет 0,5 мм, следует, что с учетом допуска 0,4 мм минимальный диаметр отверстия на плате составит 0,9 мм. Следовательно, максимальная толщина платы будет равна и составит 2,25 мм. Исходя из стандартного ряда и учитывая вышеприведенное соотношение, выберем толщину платы равной 2,5 мм.
Минимальный диаметр контактной площадки выбирают исходя из условия сохранения целостности контактной площадки при сверлении плат. B нашем случае минимальный эффективный диаметр контактной площадки D1min равен
, (3.1)
где - максимальный диаметр просверленного отверстия;
отв - погрешность расположения отверстия (мм), определяется как и учитывает неточности сверления станка и погрешности базирования платы на станке;
кп - смещение центра контактной площадки (мм), зависит от точности расположения рисунка на шаблоне, погрешности экспонирования, погрешности расположения базовых отверстий и находится как 0,095 мм;
bm - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки.
В свою очередь , где ,
dМотв - диаметр металлизированного отверстия, который выбирают из ряда рекомендуемых.
d определяется точностью изготовления сверла и его биением.
=1,47.
Минимальный диаметр контактных площадок для двусторонних печатных плат, изготавливаемых комбинированным позитивным методом, рассчитаем по формуле:
=1,574, (3.2)
где hпм - толщина наращенной гальванической меди, hпм=0,006 мм;
- hф - толщина предварительно осажденной меди, hф=0,05 мм;
- hр- толщина металлического резиста, hр=0,02 мм.
Рассчитаем минимальную ширину проводника:
,
подставляя в эту формулу значения и получим tmin=0,504 мм.
Найдем минимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне:
.
Значения, полученные при hр =0,02 мм, указаны в таблице 3.2.
.
При hp=0,02 мм получим t1min=0,584 мм.
Найдем максимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне:
.
Значения, полученные при Dш=0,05 мм, tш=0,04 мм, указаны в таблице 2.6.
.
Получим tш max=0,524 мм.
Найдем максимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне при экспонировании
.
Значения, полученные при Э=0,02 мм указаны в таблице 3.3.
,
получим tmax =0,564 мм.
Таблица 3.2. - Значения диаметров отверстий
,мм,мм,мм,мм,мм,мм0,9 1,47 1,574 1,554 1,604 1,644
Выберем шаг координатной сетки равным 2,5 мм.
Таблица 3.3 - Таблица выбранных предельных значений технологических параметров
Наименование коэффициента Обозначение Величина
Толщина предварительно осажденной меди, ммhпм0,006
Толщина металлического резиста, мм hp0,02
Погрешность расположения отверстия относительно координатной сетки, обусловленная точностью сверлильного станка, ммо 0,06
Погрешность базирования плат на сверлильном станке, ммб 0,02
Погрешность расположения относительно координатной сетки на фотошаблоне: Контактной площадки, ммш 0,05
Проводника, ммшt0,03
Погрешность расположения печатных элементов при экспонировании на слое, ммэ 0,02
Погрешность расположения контактной площадки на слое из-за нестабильности его линейных размеров, % от толщины м 0-0,1
Погрешность расположения базовых отверстий на заготовке, ммз 0,02
Погрешность положения базовых отверстий фотошаблона, ммп0,03
Погрешность диаметра отверстия после сверления, ммd 0,02
Погрешность изготовления окна фотошаблона, ммDш0,05
Погрешность диаметра контактной площадки фотокопии при экспонировании рисунка, ммЭ 0,02

4 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЕКТА
В данной выпускной квалификационной работе проектируется автоматизированная система контроля и учета потребляемых ресурсов на предприятиях. Данная система предназначена для ведения учета потребления предприятиями таких ресурсов, как электроэнергия, водоснабжение, отопление, газоснабжение и т.д. Она основана на счетных устройствах, которые подсчитывают потребленные объёмы ресурсов, соединенных с автоматизированным рабочим местом оператора.
4.1 Расчет себестоимости устройстваРасходы на приобретение материалов вычисляются на основании норм их расходования и цен, с учетом транспортно-заготовительных расходов. Расчет по стоимости материалов занесен в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 - Стоимость материалов
Наименование материала Стандарт, марка Единица измер. Норма расхода на одно изделие Цена за ед.,рубСумма рубПрипой ПОС-61 кг 48 Провод монтажный МГШВ-0.35 м 9,7 Провод монтажный МГШВ-1,5 м 15,2 Железо оцинкованное Ст3-1.5 кг 70 Алюминий Амг-3 кг 54,8 Флюс ФС-1 кг 60 Краска ПФ-115 кг 48 Итого Неучтенные материалы, 5% Транспортно-заготовительные работы, 10% Всего: Произведем расчет расходов на покупные изделия и полуфабрикаты.
В данную статью включается стоимость готовых изделий, приобретенных для разработки устройства. Покупные изделия определяются по схеме электрической принципиальной. Расчеты занесены в таблицу 4.2.
Таблица 4.2 - Покупные изделия
Наименование Марка Кол-во Цена,
руб. Сумма, руб.
Микроконтроллер АТ2313 1 35,00 35,00
Трансформатор ТБ-2-5 1 250,00 250,00
Диоды BAS-7004 15 2,00 30,00
Оптрон TLP521 5 50,00 250,00
Разъем PLS-40 1 10,00 10,00
Кнопки But5-12 1 5,00 5,00
Транзисторы BS1840 4 2,00 8,00
Конденсаторы SMD1210 16 1,00 16,00
Резисторы МЛТ-0.125 21 1,00 21,00
Микросхема LM317 2 25,00 50,00
Итого 687,60
Транспортно-заготовительные работы.10% 68,80
Всего: 756,40
4.2 Расчет основной заработной платыЗатраты по данной статье рассчитываются по каждому виду работ, в зависимости от нормы времени и почасовой тарифной ставки рабочих по формуле (4.1).
(4.1)
где: - почасовая тарифная ставка; tі – время на одну операцию;
Нормы времени на операциях были взяты из технологических карт. Перечень работ отвечает технологическому процессу производства изделия. Нормы времени для монтажных и сборочных работ определяются типичными нормами времени на сборочно-монтажные работы. Данные сведены в таблицу 4.3.
Таблица 4.3 - Основная заработная плата
Название работ Тарифный
разряд Часовая ставка руб./час Норма
времени,
час Сумма з/п,
руб.
1 Заготовительные 3 280,00 3 840
2 Сверлильные 3 290,00 2 580
3 Монтажные 4 310,00 6 1860
4 Сборочные 5 500,00 4 2000
5 Маркировочные 3 190,00 5 950
6 Регулировочные 5 500,00 6 3000
7 Программные 5 390,00 8 3120
Итого 12350,00
Доплаты и надбавки (20%-60%) 3024,00
Всего: 13104,00
Расходы по дополнительной заработной плате определяются в процентах от основной заработной платы (4.2). Ориентировочная величина норматива дополнительной заработной платы для приборостроительных предприятий может быть принята в размере 30-40 %. Примем 35%.
,(4.2)
где Сзо- основная заработная плата.
Тогда руб.
Нормативы отчислений на социальное страхование составляет 30% от суммы основной и дополнительной заработной платы (4.3):
.(4.3)
Получим
Сумма отчислений составит 5110,56 рублей.
Условный расчет сметы на опытно-конструкторскую разработку изделия.
Затраты на материалы составляют 1700 руб. (фотобумага для принтера – 370 руб., катридж для принтера – 1330 руб.) – постоянные затраты.
Таблица 4.4 - Смета затрат на ОКР устройства№ п/п Затраты по элементам Сумма, руб.
1 Материалы 1700,00
2 Основная заработная плата 13104,00
3 Дополнительная заработная плата 3931,20
4 Отчисления на страховые взносы 5110,56
Итого 23845,76
4.3 Общепроизводственные затратыУчитывая, что себестоимость изделия определяется на ранних стадиях его проектирования в условиях ограниченной информации относительно технологии производства и расходов на его подготовку, в общепроизводственные расходы включаются, кроме этих расходов, расходы на: освоение основного производства, возмещение износа специальных инструментов и устройств целевого назначения, содержание и эксплуатацию оборудования. При этом общепроизводственные расходы определяются в процентах к основной заработной плате. При таком комплексном составе общепроизводственных расходов их норматив достигает 60% по данным ООО «ЧЭТА». Расчет проведем по формуле 4.4.
. (4.4)
Получим:руб.
Таким образом, производственная себестоимость составляет 7862,40 рубля.
Административные расходы относятся к себестоимости изделия пропорционально основной заработной плате и на приборостроительных предприятиях они составляют 100–200% (4.5). Зададимся суммой административных расходов на уровне 100%.
(4.5)
Тогда: руб.
Накладные расходы на сбыт определяются в процентах к производственной себестоимости (обычно 2,5 - 5,0%) по формуле (4.6). Зададимся уровнем 2,5%. Тогда:
руб. (4.6)
Полученные результаты расчета сведем в таблицу 4.5.
Таблица 4.5 - Калькуляция себестоимости
Статьи расходов Сумма, руб.
1. Сырье и материалы 352,70
2.
Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты, работы и услуги производственного характера посторонних предприятий 756,40
3. Основная заработная плата 13104,00
4. Дополнительная заработная плата 3931,20
5. Отчисление на социальное страхование 5110,56
6. Административные расходы 7862,40
7. Накладные расходы 196,56
Полная себестоимость 31124,80
Следовательно, полная себестоимость устройства составит 31124,80 руб. Постоим структуру статей расходов на изготовление устройства (см. рис. 4.1).

Рисунок 4.1 - Структура расходов на изготовление устройства
Сумма по всем нижеприведенным статьям является полной себестоимостью продукции.
Расчет цены единицы продукции
В случае возможной продажи устройства рассчитаем цену продукции. Переменные затраты складываются из затрат на основные и вспомогательные материалы и на комплектующие материалы из таблиц 4.1 и 4.2. Постоянные затраты – это смета затрат на ОКР устройства из таблицы 4.4. Все данные вносим в итоговую таблицу 4.6 для формирования цены на единицу продукции и на количество 100 штук.
Таблица 4.6 - Формирование цены

п/п Затраты На единицу продукции На 100 штук
1 Переменные 1109,10 110910
2 Постоянные 23845,76 ―
3 Валовые (1+2) ― 134755,76
Определим цену продукции:
(4.2)
где Р - цена единицы продукции,
Зперем – переменные затраты,
Зпост – постоянные затраты,
Приб. – прибыль 25%.

Рассчитаем количество продукции, при котором возместятся затраты:
(4.3)
где Q – количество продукции.

С – точка безубыточности.
Произведем поверку расчёта точки безубыточности графическим методом (рисунок 4.2).
46482036639500График безубыточности

Рисунок 4.2 – График безубыточности


5 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙИзучение и решение проблем, связанных с обеспечением здоровых и безопасных условий, в которых протекает труд человека – одна из наиболее важных задач в разработке новых технологий и систем производства. Мониторинг возможных причин производственных несчастных случаев, профессиональных заболеваний, аварий, взрывов, пожаров, и разработка мероприятий и требований, направленных на устранение этих причин позволяет создать безопасные и благоприятные условия для труда человека.
Охрана труда − система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия (ст. 209, «Трудовой кодекс Российской Федерации» от 30.12.2001 N 197-ФЗ (ред. от 29.12.2012).Основным методом охраны труда является использование техники безопасности. При этом решаются две основные задачи:
– создание машин и инструментов, при работе с которыми исключена опасность для человека;
– разработка специальных средств защиты, обеспечивающих безопасность человека в процессе труда;
Также проводится обучение работников безопасным приемам труда и использования средств защиты, создаются условия для безопасной работы.
Основная цель улучшения условий труда – достижение социального эффекта, т.е. обеспечение безопасности труда, сохранение жизни и здоровья работающих, сокращение количества несчастных случаев и заболеваний на производстве.
В этом разделе будут рассмотрены следующие вопросы: выявление и анализ опасных и вредных факторов, возникающих при производстве печатных плат; описание и обоснование мероприятий для устранений вредных факторов при производстве печатных плат, выбор и расчет системы вентиляции, расчет выбросов паров при монтажных работах.
5.1 Краткая характеристика объекта разработки и помещения

Приложенные файлы

  • docx 26722356
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий