Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Удобство применения газа в быту перевешивает опасности связанные с утечкой газа из магистрали или газобалонного оборудования. В настоящее время, в связи с развитием технологий, появилась возможность существенно снизить вероятность утечки, связанную с опасностью последующего возгорания. При установке датчика утечки газа необходимо следовать следующим рекомендациям, от которых зависит эффективность обнаружения газа. На выбор места установки влияет состав используемого газа. В случае магистрального газа, где преобладающим компонентом является метан (газ легче воздуха), установку производят под потолком на расстоянии 20-30 см от него. При применении в быту привозного (балонного) газа установку рекомендуется производить вблизи пола на расстоянии 20-30 см, то есть там где существует вероятность скопления пропана (тяжелого газа, доля которого в балонне достигает 40% от объема).

Степень контроля условно можно разделить на три уровня по применяемому оборудованию:

· Простой сигнализатор утечки газа

· Сигнализатор с запорной газовой арматурой

· Удаленный контроль за утечкой газа

Стоимость бытовых приборов варьирует в больших пределах в зависимости от сложности конструкции и страны изготовителя. Наиболее дешевые сигнализаторы стоят 20 $, а самые сложные и многофункциональные - до 300 $. Поскольку вопросы безопасности неотделимы от вопросов надежности аппаратуры, то надо рассматривать не только стоимость, но и ремонтопригодность, гарантии проведения периодических поверок, долговременную стабильность газочувствительных сенсоров, устойчивость работы в реальных условиях российского климата.

Рынок газоаналитических систем безопасности в России бурно развивается, и будут постоянно появляться новые модели, а для их правильного функционирования необходимо сформулировать технические требования к приборам этого класса на основе нормативных требований, здравого смысла и опыта работы уже существующих приборов.

сигнализатор утечка бытовой газ

1. Аналитическая часть

1.1 Требования к функционированию бытовых сигнализаторов

Приборы бытового класса предназначены для обеспечения безопасности жилища человека. Это стационарные приборы, устанавливаемые в местах возможного газовыделения. Приборы для контроля метана (СН₄), который преобладает в природном газе и легче воздуха, устанавливают на кухнях вблизи газовой плиты, желательно под воздухозаборником или по ходу воздушного потока от горелки плиты. Чем ближе к плите, тем быстрее пройдет сигнал, но вблизи плиты много сажи, копоти, жирных паров, которые отравляют газочувствительный сенсор - значит надо соблюдать оптимум, т.е. около 0,5-1,5 метра от горелки и использовать пылезащитный фильтр на сенсорах. Запитывается стационарный газосигнализатор от сетевого напряжения 220 В с помощью понижающего трансформатора-адаптера. Крепление прибора к стене - на шурупах, а к кафельной плитке - на липкой ленте.

Приборы для контроля сжиженного газа, который тяжелее воздуха, устанавливают в нижней зоне помещений, но для сохранности их приподнимают над полом до 0,5-1 метра, т.к. приборы могут быть залиты водой при уборке или поломаны при передвижении вещей (например, сумкой или ведром).

Порог аварийного срабатывания прибора для горючих газов - это 10% или 20% от нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПР). У метана (СН₄) НКПР равен 5% объемных долей (% об.), следовательно, 10 и 20% - это 0,5 и 1,0% объема метана в воздухе. Соответственно для сжиженного газа (пропан-бутановой смеси) НКПР равен 2% объема, и пороги выбирают 0,2 или 0,4% объема. Иногда применяют второй предупреждающий порог. Величина устанавливается произвольно: от 0,05% до 0,5% объема, но логичнее сделать предупреждающий порог на уровне ниже предельно допустимой концентрации метана в воздухе (ПДК).

Бытовые газовые извещатели наличия горючих газов - это приборы длительного пользования, и необходимо периодически проверять их работоспособность, но газочувствительные сенсоры, которые входят в состав извещателей, могут "стареть" и менять свою чувствительность, поэтому приборы должны предусматривать удобную конструкцию подачи эталонного газа для проверки и легкую замену сенсоров. Можно сделать приборы настолько дешевыми, чтобы менять их целиком [2, 3].

1.2 Обзор устройств и методов измерения газового вещества

1.2.1 Первичные преобразователи газовых веществ

Фирма Figaro Engineering Inc. (Япония) является одним из мировых лидеров по производству первичных преобразователей газовых веществ (датчиков) и определения концентрации газов и газовых примесей в составе воздуха [4]. Весь производственный процесс, включающий разработку новых типов датчиков, их изготовление и тестирование, имеет международный сертификат качества ISO 9001, который гарантирует потребителям хорошие технические параметры датчиков, а также их надежность и стабильность в эксплуатации. На сегодняшний день Figaro производит 1 млн. датчиков в месяц. Среди потребителей датчиков Figaro такие известные мировые компании, как BMW, Mitsubishi Heavy Industries, General Motors, Daikin и др. Первое место по потреблению датчиков Figaro на мировом рынке (более 40% объема продаж) занимают бытовые детекторы утечки природного газа в домах, оборудованных газовыми плитами или газовыми системами отопления. В Японии наличие подобных устройств закреплено законодательно в целях обеспечения безопасности населения. И хотя в России принятие таких законодательных актов даже не планируется, тем не менее вопрос обеспечения безопасности жилищ особенно актуален в нашей стране в связи с распространенностью газа в быту и участившимися в последние годы случаями утечки и взрывов газа. Второе место по потреблению датчиков Figaro (около 20%) занимает производство воздухоочистителей, кондиционеров и систем вентиляции помещений. На третьем месте (15%) - приложения автомобильной электроники - системы кондиционирования и климат-контроля салона, детекторы взрывоопасных газов для газовых двигателей и др. Это направление также представляется перспективным для российского рынка.

1.2.2 Датчики на основе оксида олова

Принцип действия датчика основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции газа на ее поверхности [5]. На трубчатую подложку из оксида алюминия (см. рис. 1.1) нанесен тонкий слой оксида олова (SnC02), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Pt, Си, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси.

Рисунок 1.1 Конструкция датчика на основе оксида олова

1 - керамическая трубка держателя; 2 - резистивный нагреватель; 3 - электрод; 4 - зажимы; 5 - легированный оксид олова

При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400°С) при помощи нагревательного элемента, выполненного в едином конструктиве с датчиком, на поверхности сенсора, имеющей мелкозернистую структуру, происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода. Протекание адсорбции зависит от концентрации газа примеси. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость сенсора. Отклик датчика выражается изменением его сопротивления в зависимости от концентрации газа, влияющего на адсорбцию кислорода на материале сенсора. Быстрота отклика зависит от модели датчика и конкретного газа примеси.

Соотношение между сопротивлением сенсора и концентрацией газа примеси задается выражением:

R = А [С]-alpha, (1.2.2.1)

где R - электрическое сопротивление сенсора, А, alpha - константы, [С] - концентрация газа примеси.

В соответствии с этой формулой, зависимость сопротивления датчика от концентрации газа примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от нескольких миллионных долей (ррт) до нескольких тысяч ррт). Датчик проявляет чувствительность к различным типам газов примеси одновременно, но оптимальная селективность к определенному типу обеспечивается, во-первых, путем ввода специальных легирующих добавок в оксид олова на этапе изготовления и, во-вторых, выбором рабочей температуры сенсора, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения.

Поскольку принцип детектирования основан на химической адсорбции газов на поверхности, температура и влажность окружающей среды влияют на скорость протекания химической реакции и как следствие - на чувствительность датчика.

В настоящее время фирма Figaro выпускает два семейства датчиков на основе оксида металла - «серию 8» и «серию 2000», отличающуюся от предыдущей более современной технологией изготовления и конструкцией нагревательного элемента.

1.2.3 Датчики на основе жидкого электролита

Чувствительным элементом кислородных датчиков является гальваническая ячейка с раствором электролита. Обычно в качестве электролита используется водный раствор щелочи калия (КОН), однако ему присущ ряд недостатков, среди которых малый срок годности и пониженная сопротивляемость присутствию в газовой смеси [4]. В датчиках Figaro применяется многокомпонентный электролитический раствор кислоты, созданный по оригинальной технологии, стойкий к воздействию газов (таких, как СO2), легко вступающих в реакцию окисления. Срок годности электролита кислотного типа в десять раз превышает срок годности щелочных электролитов.

Рисунок 1.2. Конструкция кислородного датчика:

1 - крышка (пластмасса); 2 - диск (пластмасса); 3 - кольцо; 4 - анод (свинец); 5 - контакт катода; б - контакт анода; 7 - резистор; 8 - термистор; 9 - электролит кислотного типа;10 - диск из пористого материала; 11 - катод; 12 - мембрана (тефлон)

1.2.4 Датчик газового вещества на основе твердого электролита

Датчик представляет собой гибридную структуру из чувствительного элемента и внутреннего термистора [6]. Сенсор, чувствительный к угарному газу, состоит из твердого электролита, заключенного между двумя электродами, носителями заряда в котором являются катионы натрия (Na⁺), а также нагревательного элемента, выполненного в виде платиновой подложки. Катод (электрод сравнения) изготавливается из карбоната лития и золота, анод (измерительный электрод) - из золота. Внутренний термистор служит для компенсации температурной зависимости сенсора.

Рисунок 1.3. Конструкция чувствительного элемента датчика на основе твердого электролита

1 - нагревательный элемент (платина); 2 - контакты; 3 - герметизация (стекло); 4 - измерительный электрод (анод); 5 - твердый электролит; 6 - электрод сравнения (катод)

При использовании подобной схемы изменение выходной величины происходит в соответствии с изменением концентрации угарного газа в среде. Для того чтобы обеспечить максимальную

точность измерений, фирма Figaro предлагает специально разработанный для этих целей измерительный модуль, содержащий микропроцессор цифровой обработки сигнала. Датчик TGS2442 дает хорошую линейную зависимость между выходным сигналом и концентрацией угарного газа.

1.3 Устройства измерения газового вещества

1.3.1 Газосигнализатор «МАК»

Назначение

Индивидуальный газосигнализатор угарного газа (CO) «Мак» предназначен для оснащения [7]:

* персонала, помещений и рабочих мест предприятий, производственные процессы которых связаны с возможностью возникновения избытка угарного газа в атмосфере,

* коммунальных служб и систем коммуникаций,

* экологических служб,

* аварийно-спасательных бригад.

Рисунок 1.4. Газосигнализатор «МАК»

Описание

Принцип действия ИГС «Мак» основан на амперометрическом методе измерения, при котором

электрохимический сенсор преобразует значение концентрации газа в атмосфере в электрический сигнал, сила тока которого пропорциональна величине концентрации газа. Нагрузкой сенсора являются усилитель и двухпороговое устройство включения сигнализации.

Питание ИГС осуществляется от аккумуляторной или гальванической батареи. Газосигнализатор «Мак» позволяет осуществлять непрерывный автоматический контроль концентрации газа в атмосфере и оповещение об опасных уровнях концентрации, не требуя обслуживания и замены элементов питания в течение 1 года. Пороги срабатывания сигнализации ГС «Мак» установлены на уровнях 20 и 100 мг/м3. Если концентрация CO достигает 1-го порога, включается прерывистая световая (желтый светодиод) и звуковая сигнализация. При достижении 2-го порога включается прерывистая звуковая сигнализация и начинает мигать красный светодиод, причём частота повторения тревожного сигнала увеличивается.

ИГС «Мак» может быть использован в качестве стационарного энергонезависимого прибора, управляющего

внешними средствами оповещения (включение звуковой и/или световой сигнализации) и защиты (включение вентиляции). Конструкция прибора предусматривает возможность его использования в качестве газоанализатора благодаря встроенному цифровому индикатору или внешнему вольтметру-индикатору для определения численного значения концентрации контролируемого газа.

Газосигнализатор является избирательным устройством и работает при наличии в атмосфере примесных газов (однако, нежелательным является присутствие в атмосфере в высоких

концентрациях кислых и щелочных паров, аэрогелей, паров спирта и органических растворителей). Устройство обладает встроенной системой самоконтроля, основанной на имитации сигнала от газо-чувствительного сенсора.

Таблица 1.1. Основные характеристики газосигнализатора угарного газа «МАК»

1.3.2 Анализатор АPI 300 E

Рисунок 1.5. Анализатор АPI 300 E

Назначение

Газоанализатор API мод. 300Е предназначен для измерения концентрации газовой смеси [8].

Принцип действия - ИК - оптический, с корреляционным газовым фильтром.

Дополнительные особенности прибора

Прибор имеет встроенный насос для отбора пробы, аэрозольный фильтр для очистки пробы от взвешенных частиц.

Во встроенной памяти сохраняются измеренные значения, а также широкий набор расчетных и сервисных характеристик, которые в любой момент могут быть выведены на встроенный дисплей или переданы через серийный порт на удаленный компьютер.

Обмен данными через серийный порт имеет двунаправленный характер, что позволяет управлять прибором с внешнего компьютера.

Прибор может иметь встроенное меню на русском языке.

Таблица 1.2. Основные характеристики анализатор оксида углерода АPI 300 E

Диапазоны измерений	от 0-150 мг/м3
Относительная инструментальная погрешность	1,5%
Аналоговый выход	0-0,1;0-1;0-5;0-10 В (выбирается пользователем)
Цифровой выход	RS - 232 (два порта)
Питание	220В, 50Нz
Потребляемая мощность	250 Вт
Масса	18 кг
Габаритные размеры	432х178х597 мм

Вывод

При разработке дипломного проекта произведен анализ научной литературы, информации всемирной сети “Internet”, который показал, что разработка сигнализатора утечки бытового газового вещества является актуальной задачей.

В силу чего возрастает вероятность увеличения источников опасных газов, и как следствие этого, нарастающая опасность отравления. Это приводит к необходимости контролировать их допустимые концентрации. Одним из наиболее распространенных и опасных газов является угарный газ и бытовой газ.

Для решения данных задач разрабатываются различные компьютеризированные системы.

Такие системы довольно дороги и требуют квалифицированного обслуживания как при установке так и при эксплуатации, и как правило такие системы отсутствуют даже в крупных гостиничных комплексах.

Предлагаемый сигнализатор утечки бытового газового вещества достаточно прост, надежен.

Данная конструкция спроектирована и собрана на современной отечественной и импортной недорогой базе, и потому имеет хорошую повторяемость, ремонтопригодность и отсутствие дорогого оборудования, как для производства, так и для ремонта. Производство данных систем возможно на любом предприятии выпускающим бытовую либо промышленную радиотехнику.

2. Конструкторская часть

Согласно заданию в конструкторской части проекта содержатся следующие разделы: разработка отдельных блоков сигнализатора утечки бытового газового вещества и расчет основных элементов схемы.

2.1 Блок первичного преобразования

В качестве блока первичного преобразования выберем цифровой датчик FSG-2442 фирмы Figaro Engineering Inc. Датчик FSG-2442 с цифровым вводом/выводом, обеспечивает погрешность измерений 2% [9]. При использовании данные считываются через I²C/SMBus последовательную шину в дополнительном 9-битном коде. Для приложений требующих более высокого разрешения, пользователь может прочитать дополнительные регистры и произвести простые арифметические действия, чтобы достичь более чем 12-битового разрешения. Выходные каскады линий SCL и SDA построены с открытым коллектором, поэтому к этим линиям необходимо подключить подтягивающие резисторы

Рисунок 2.1 - Технологическое исполнение датчика FSG-2442

Особенности:

· Погрешность измерения - 2%

· Диапазон измерений: 0-120 мг/м3

· 9-битовое разрешение, расширяемое до 12-битового

· Данные передаются через I²C/SMBus последовательный интерфейс

· Диапазон рабочего питающего напряжения от 2.7В до 5.5В

· Диапазон рабочих температур: от -60 до 125 С⁰.

2.2 Микропроцессорное устройство

В качестве микропроцессора выберем микропроцессор фирмы MicroChip Technolohy Inc [10]. Так как микропроцессоры данной фирмы крайне популярны во всем мире у производителей электронной техники. Данные микропроцессоры обеспечены мощной и продуманной поддержкой разработчиков со стороны фирмы, обладают низкой стоимостью микросхем. Кроме этого, сам продукт обладает целым рядом неоспоримых достоинств. Микроконтроллеры PIC фирмы MicroChip объединили в себе все передовые технологии, применяемые в производстве микроконтроллеров: развитую RISC-архитектуру, минимальное энергопотребление при высоком быстродействии, ППЗУ, программируемое пользователем, функциональную законченность.

Микроконтроллеры PIC также интересны простотой освоения и применения, разработчик освобождается от непроизводительного труда, направленного на подбор и поиск подходящих компонентов, разработку сложной схемотехники, реализованной на микросхем жесткой логики [11]. Значительно упрощается сама конструкция устройства и повышается надежность.

Все микроконтроллеры серии PIC (Peripheral Interface Controller - периферийный контроллер интерфейса) построены по так называемой Гарвардской архитектуре, когда используются раздельные области памяти и шины для данных и команд. Это позволяет одновременно, за один цикл, получить доступ как к памяти команд, так и к данным. Кроме того, существует двухступенчатый конвейер, который обеспечивает одновременное исполнение команды и выборку следующей. Все команды, кроме команд перехода, выполняются за один машинный цикл. Переходы, включая возврат из подпрограмм, выполняются за два цикла.

Система команд высокосимметрична, т.е. позволяет выполнять любую операцию над любым регистром с применением любого способа адресации. Такая система команд значительно упрощает процесс программирования, сокращает объем программы и увеличивает производительность.

Память программ располагается на кристалле и снабжается битом защиты. Микроконтроллеры выпускаются в отладочном, однократно программируемом и масочным вариантах.

Отладочные кристаллы бывают как с электрически стираемой FLASH-памятью, так и с ультрафиолетовым стиранием.

Однократно программируемые контроллеры дешевле отладочных и позволяют пользователю самому записать в них окончательную версию программ. Кроме того, некоторые однократно программируемые контроллеры дополнительно имеют EEPROM (электрически перепрограммируемое ПЗУ) памяти данных, что позволяет, даже после записи программы в кристалл, изменять константы программы. Таким образом, осуществляется индивидуальная настройка устройства.

Масочно программируемые кристаллы имеют самую низкую стоимость и программируются при изготовлении крупных партий на заводе фирмы MicroChip.

Некоторые микроконтроллеры обладают специальными функциями: встроенный драйвер ЖКИ, до 16-ти каналов АЦП, контроль за напряжением питания, USB контроллером и т.д.

Остановимся на микроконтроллерах семейства PIC16, являющимся 8-разрядными и обладающими наилучшим соотношением цена-качество, простотой программирования, достаточно высоким быстродействием [11]. В качестве реализации микроконтроллера PIC16 выберем PIC16C745 (рис 2.2).

Рисунок 2.2 Микроконтроллер PIC16C745

Структура микроконтроллера:

1. Ядро микроконтроллера - оно заставляет микроконтроллер работать. В состав этой группы входит:

· Тактовый генератор;

· Логика сброса;

· Центральный процессор;

· Арифметико-логическое устройство;

· Организация памяти;

· Прерывания;

· Система команд.

2. Периферийные модули - особенности, которые добавляются независимо от центрального процессора. Периферийные модули позволяют организовать интерфейс связи с внешней схемой (например, универсальные порты ввода/вывода, драйверы ЖКИ, входы АЦП) и выполнять отсчет временных интервалов (таймеры).

3. Специальные особенности микроконтроллера - уникальные особенности микроконтроллера, позволяющие придать одно или более следующих свойств конечному изделию:

· Уменьшить стоимость устройства;

· Увеличить надежность системы;

· Предоставить дополнительную гибкость разработчикам при проектировании устройства.

Рассмотрим USB модуль микропроцессора. Он в первую очередь предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Интерфейс USB обеспечивает следующие характеристики:

· Высокая скорость передачи данных;

· Высокая помехозащищенность;

· Подключение нескольких устройств на одну линию;

· Автоматическое определение и настройка периферийного устройства;

· Малое количество соединительных проводов;

· Низкая стоимость.

Сеть USB строится по топологии звезда с шести уровневой древовидной структурой. В USB может быть только одно «Master» устройство (компьютер) и до 127 «Slave» периферийных устройств. Инициирует передачу только Master, Slave устройства не могут самостоятельно начать передачу в шину USB.

Основные электрические характеристики:

· Диапазон рабочих температур -55⁰С ... +125⁰С;

· Напряжение питания - 5В;

· Рассеиваемая мощность - 1Вт;

· Максимальный ток вывода Vss - 300мА;

· Максимальный ток вывода Vdd - 250мА.

2.3 Блок индикации

Блок индикации реализуем на ЖК-индикаторе ИЖЦ21-4/7 [12]. Индикатор представляет собой герметическую структуру, в которой промежуток между электродом подложки и электродом сегмента заполнен специальной рабочей жидкостью, молекулярные структуры которой способны вращаться в электрическом поле. Для начала переориентации молекул достаточно очень небольшой разности потенциалов, обычно менее одного вольта.

Рис. 2.3 Схематическое строение простейшего ЖК-индикатора

Электроды подложки и сегментов стараются сделать максимально прозрачными, напыляя тончайший проводящий слой на стекло. Чаще всего используются соединения титана и, в последнее время, проводящие полимеры.

В исходном состоянии, когда сегмент не активизирован, свет проходит через первую поляризующую пленку, наклеенную на внешнюю поверхность стекла и поляризуется. Далее он проходит через слой неактивной рабочей жидкости, которая разворачивает плоскость поляризации светового потока на 90°.

Благодаря тому, что плоскость поляризации светового потока развернулась, он проходит через вторую поляризующую пленку, отражается от светоотражателя на задней стенке и возвращается обратно. Когда к электродам приложено напряжение, рабочая жидкость активируется. В этом случае свет, пройдя через первую поляризующую пленку, поляризуется. Но при прохождении через активированную рабочую жидкость плоскость поляризации светового потока не разворачивается. Поэтому, достигнув задней поляризующей пленки, свет не может через нее проникнуть и отразиться от отражателя. В этом месте мы видим черный сегмент. Иначе говоря, чтобы сегмент стал активным, почернел, на него надо подать напряжение.

К сожалению, в использовании ЖК-индикаторов есть важные ограничения, порождающие большие сложности. Самое главное из них состоит в том, что категорически запрещается прикладывать к электродам напряжение постоянной полярности. В этом случае начнется электролитическая диссоциация рабочей жидкости и, в некоторых случаях, разрушение напыленных проводников. Индикатор очень быстро выйдет из строя. Поэтому применяют чередование высокого и низкого уровней на подложке и электродах. При этом уровень на активном сегменте меняется в противофазе к

уровню подложки, благодаря чему постоянно инвертируется полярность приложенного к электродам напряжения. На неактивном сегменте уровень переключается синфазно с подложкой, поэтому для него разность потенциалов всегда равна нулю.

На частоту изменения уровней тоже есть ограничения. С одной стороны, частота не должна быть слишком маленькой, чтобы за один полупериод не успевала начаться диссоциация. С другой стороны, рабочая жидкость обладает инерционностью и при слишком высокой частоте ее молекулы не будут успевать переориентироваться в электрическом поле. Обычно достаточно, чтобы частота переключений составляла 100...200 Гц. Для уменьшения числа выводов сегменты соединяют в группы, применяют несколько подложек и/или подают на них ступенчатое напряжение с несколькими уровнями. При этом напряжение на сегментах также меняется ступенчато, по достаточно сложному принципу, который невозможно реализовать простейшими методами. В этом случае применяют либо микроконтроллеры со встроенными драйверами ЖКИ, либо специальные микросхемы контроллеров ЖКИ.

ЖК индикаторы нормально работают при подаче на выводы ТТЛ-уровней, поэтому выводы индикатора можно подключать прямо к выводам микросхем. Количества выводов микроконтроллера PIC16C745 недостаточно для подключения индикатора напрямую. Поэтому принято решение выводить данные в последовательном виде и преобразовывать их в параллельный вид при помощи последовательно-параллельных сдвиговых регистров КР1533ИР24. В этом случае для вывода информации задействованы только два вывода микроконтроллера: вывод данных и вывод строба. Еще один вывод используется для управления уровнем на подложке индикатора.

Таблица 2.1. Взаимное соответствие битов выходного кода и сегментов знакоместа

Бит	7	6	5	4	3	2	1	0
Сегмент	Н*	О	Р	Е	О	С	В	А

Рисунок 2.4 Цоколевка индикатора ИЖЦ21-4/7

Первым выгружается старший бит первого знакоместа, и далее по порядку. После выгрузки всех восьми бит первого знакоместа выгружается старший бит второго знакоместа и т.д. Таким образом, старший бит первого знакоместа последовательно проходит по всем регистрам, пока не достигнет своего разряда. Благодаря инерционности ЖКИ, мерцания сегментов во время загрузки не заметно.

2.4 Принцип работы устройства

Сущность работы устройства можно пояснить при помощи структурной схемы (рис 2.5).

Рисунок 2.5 Структурная схема устройства

Работа устройства происходит следующим образом, блок источника напряжения формирует постоянное напряжение 5В, необходимое для питания схемы. При подаче напряжения происходит опрос схемы управления. Данные отсхемы управления поступают на микроконтроллер, который ждет прихода сигнала на включение прибора. Блок схемы управления осуществляет функции включения прибора и его настройки, реализуется выбор предела опасной концентрации газа. При помощи блока первичного преобразования происходит формирование некоторого электрического сигнала на выходе датчика, соответствующего измеренной концентрации. С помощью блока обработки сигнала постоянное, усиленное и отфильтрованное напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Блок АЦП преобразует входное напряжение в цифровой код, который поступает на входы микропроцессора, который в свою очередь обрабатывает полученный код и выполняет функции обеспечивающие контроль концентрации угарного газа, выводит численное значение концентрации на устройство индикации, функции которого выполняет ЖК-индикатор. Полученный результат измерения концентрации также может передаваться от микропроцессора на внешнее выходное устройство (ВУ). Передача данных осуществляется по запросу от внешнего выходного устройства по USB шине, так как само устройство не может инициировать начало передачи. Это может выполнить только внешнее устройство, в качестве которого можно использовать компьютер.

2.5 Расчет блока питания

Произведем расчет блока питания (рис. 2.6) для разрабатываемой охранной сигнализации который включает трансформатор, выпрямитель, пассивный электрический фильтр и стабилизатор напряжения [13].

2.5.1. Расчет трансформатора блока питания

Рисунок 2.6. Принципиальная схема блока питания

Расчет трансформатора позволяет найти сечение сердечника, число, число витков в обмотках и диаметр провода. В сети переменное напряжение 220 В, а для транзисторных схем нужно 10-15 В. Все напряжение, необходимое для какого-либо устройства, получают от одного трансформатора.

Трансформатор собран на разборном стальном сердечнике из изолированных друг от друга тонких Ш-образных пластин. Площадь сечения средней части сердечника выбираются с учетом общей мощности, которую трансформатор должен передать из сети всем своим потребителям. Трансформатор с сердечником, имеющим стороны 3 см и 2 см, то есть с площадью сердечника 6 см², может потреблять от сети и перерабатывать 36 Вт.

В данном трансформаторе две обмотки. Первая, сетевая, для включения в сеть с напряжением 220 В. Вторая обмотка используется для питания транзисторных схем.

Исходные данные:

-напряжение в сети U1=220 В;

-ток вторичной обмотки I2=0.15 А;

-напряжение вторичной обмотки U2=12 В;

Для определения сечения трансформатора определяем мощность вторичной обмотки:

P=I₂U₂=0.15*12=1.8 Вт.

Вт,

где _Тр=0.8.

Площадь сечения трансформатора определяется по следующей формуле:

см².

C учетом коэффициента заполнения:

см²,

где K_З=0.85.

Выбираем тип трансформаторного железа Ш-20 и толщину набора 30мм;

Получаем площадь сердечника 6 см².

Число витков первичной и вторичной обмотки определяем по формуле:

- число витков первичной обмотки.

- число витков вторичной обмотки.

Далее выбираем намоточный провод. Диаметр провода определяется по формуле:

,

где I- ток обмотки.

- плотность тока.

 А.

мм.

Выбираем провод первичной обмотки ПЭВ-2 d=0.1.

мм.

Выбираем провод вторичной обмотки ПЭВ-2 d=0.3.

2.5.2 Расчет пассивного электрического фильтра блока питания

В практике часто используют источник, в котором гасящий конденсатор включен в сеть последовательно с диодным мостом, а нагрузка, зашунтирована другим конденсатором, питается от выходной диагонали моста. В этом случае цепь становится резко не линейной и форма тока, протекающего через мост и гасящий конденсатор, будет отличатся от синусоидальной [13].

Для гасящего конденсатора C₁ диодный мост (вместе с С₁ и R_H) в установившемся режиме представляет собой некий эквивалент симметричного стабилитрона. При напряжении на этом эквиваленте, меньшем некоторого значения (оно практически равно напряжению U_вых на конденсаторе С₁), мост закрыт и тока не проводит, при большем - через открытый мост течет ток, не давая увеличиваться напряжению на входе моста.

Рассмотрение начнем с момента t₁, когда напряжение сети максимально (рис. 2.5.2). Конденсатор С₁ заряжен до амплитудного напряжения сети U_с.амп за вычетом напряжения на диодном мосте U_м, примерно равного U_вых. Ток через конденсатор С₁ и закрытый мост равен нулю. Напряжение в сети уменьшается по косинусоидальному закону ( рис. 2.2.2., график 1), на мосте также уменьшается (рис. 2.7., график 2), а напряжение на конденсаторе С₁ не меняется.

Ток конденсатора остается нулевым до тех пор, пока на диодном мосте, сменив знак на противоположный, не достигает значения - U_вых (момент t₂). В этот момент появится скачком ток I_C1 через конденсатор С₁ и мост. Начиная с момента t₂, напряжение на мосте не меняется, а ток определяется скоростью изменения напряжения сети, и следовательно, будет точно таким же, как если бы к сети был подключен только конденсатор С₁ (рис. 2.5.2., график 3).

Когда напряжение сети достигнет отрицательного амплитудного значения (момент t₃), ток через конденсатор С₁ снова станет равным нулю. Далее процесс повторяется каждый полупериод.

Ток через мост протекает лишь в интервале времени от t₂ до t₃, его среднее значение может быть рассчитано как площадь заштрихованной части синусоиды на (рис. 2.5.2., графике 3).

Полное сопротивление последовательно включенных конденсатора С₁ и резистора R_н равно:

,

где - емкостное сопротивление конденсатора при частоте f. Поэтому эффективный переменный ток в цепи:

,

где - U_C - напряжение питающей сети.

Нагрузочный ток связан с емкостью конденсатора, выходным напряжением источника и напряжением сети следующим соотношением:

,

где 0.1 Вт - мощность на выходе, 5 В - напряжение на выходе выпрямителя.

Расчетная емкость гасящего конденсатора:

.

Рассчитываем источник питания обеспечивающее выходное напряжение 5 В при токе нагрузке, изменяющейся от I_{H мах}=15 мА до I_{Н min}=5 мА, напряжение на выходе изменяется от U_{С мах}=14 В до U_{С min}=12 В, принимаем I_{ст min}=5 мА.

Для оценки емкости конденсатора С₂ обеспечивающий заданную амплитуду пульсаций выходного напряжения, будем считать, что зарядка этого конденсатора длится четверть периода напряжения сети, и столько же разрядка. При размахе пульсации 0.2 В емкость сглаживающего конденсатора равна:

.

где ток в миллиамперах, емкость в микрофарадах, напряжение в вольтах.

Для ограничения броска тока через диоды выпрямительного моста в момент выключения источника питания в сеть последовательно с гасящим конденсатором необходимо включать токоограничивающий резистор. Чем меньше сопротивление этого резистора, тем меньше потери в нем. Для диодного моста КЦ 407 А или моста из диодов КД 103 А достаточно резистора сопротивлением 36 Ом [13].

Рисунок 2.7. Графики зависимости напряжения от времени

3. Технологическая часть

3.1 Производство печатных плат

В производстве изделий приборостроения, бытовой электро, радио аппаратуры широко применяются печатные платы как средство, обеспечивающие автоматизацию монтажно-сборочных операций, снижение габаритных размеров аппаратуры, металлоемкости и повышения ряда конструктивных и эксплутационных качеств изделия [14].

При изготовлении печатных плат в зависимости от их конструктивных особенностей и масштабов производства применяются различные варианты технологических процессов, в которых используются многочисленные химико-технологические операции и операции механической обработки [14].

Охранные сигнализации являются одним из наиболее важных средств автоматизации производства и повышения качества продукций, а также служат основой наиболее перспективных технологий. Эффективное использование современных охранных сигнализаций определяет уровень научно-технического прогресса во многих отраслях промышленности. Получение высоконадежных охранных сигнализаций, содержащих большое число схемных деталей, решается путем отказа от использования дискретных элементов и замены их интегральными схемами.

Основной особенностью производства охранных сигнализаций является использование большого количества стандартных и нормализованных элементов. Выпуск этих элементов в больших количествах и высокого качества - одно из основных требований производства охранных сигнализаций. Важным вопросом, решаемым в настоящее время, является массовое производство стандартных блоков с использованием новых элементов. Унификация отдельных элементов создает условия для автоматизации их производства.

Другой особенностью является высокая трудоемкость сборочных и монтажных работ, что объясняется наличием большого числа соединений и сложностью их выполнения вследствие малых размеров контактных соединений и высокой плотности монтажа.

Повышение качества и экономичности производства во многом зависит от уровня автоматизации технологического процесса. Предпосылки для широкой автоматизации производства элементов и блоков охранных сигнализаций обеспечиваются высоким уровнем технологичности конструкции, широким внедрением типовых и групповых технологических процессов, а также средств автоматизации.

Автоматизация развивается в направлении от автоматизации отдельных операций (пайка, сварка и др.) к широкому использованию автоматизированных линий.

Особенностью производства охранных сигнализаций является также большая трудоемкость контрольных операций. На отдельных предприятиях количество контролеров достигает до 30 ...40% от общего числа рабочих. Производительность ручного контроля крайне низка и не отвечает современным требованиям. Поэтому возникла необходимость в создании высокопроизводительных методов контроля с использованием ЭВМ и автоматических измерительных устройств.

Важное значение приобрели методы неразрушающего контроля, которому можно подвергать 100% изделий на всех стадиях производства.

Весьма эффективны активные методы, контроля, при которых проверяются режимы технологического процесса, и исключается возможность появления брака. Такой контроль осуществляется по ходу технологического процесса и облегчает внедрение автоматизированных систем.

Полное решение проблемы качества возможно лишь на основе системного подхода к планированию, организации, управлению проектно-конструкторскими работами, производству, испытаниям и эксплуатации.

Решение сложных технических задач на всех этапах конструирования и производства охранных сигнализаций существенно повышает требования к подготовке инженеров.

Они должны обладать комплексом знаний, обеспечивающих качественное изготовление всех компонентов современной охранной сигнализации [14].

3.2 Общие правила конструирования печатных плат

Толщину двухсторонней печатной платы определяют толщиной выбранного материала, но в основном она лежит в пределах от 1.0 до 1.5 мм.

Для печатных проводников для двухсторонней печатной платы допускается плотность тока до 20 А/мм. Напряжение между проводниками зависит от величины минимального зазора между ними. По плотности рисунка печатные платы делятся на четыре класса: первый и второй характеризуются наименьшей плотностью и точностью изготовления; Третий характеризуется повышенной плотностью и точностью изготовления; Четвертый характеризуется высокой плотностью и точностью изготовления.

Класс точности определяется в зависимости от плотности проводящего рисунка и выбирается из ряда: 1; 0.5; 0.25; 0.15мм, т.к. из расчета расстояние между соседними элементами составляет 1 мм, то выбран первый класс точности.

В печатной плате при пересечении проводников получается электрический контакт. Если он не нужен, необходимо изменять линию проведения одного из проводников, либо один из проводников выполнять на другой стороне платы. Длина проводников должна быть минимальной. Рисунок проводников должен наилучшим способом использовать отведенную для него площадь. При ширине проводника более 3 мм могут возникнуть трудности, связанные с пайкой. Чтобы при пайке не появилось мостиков из припоя, минимальный зазор между проводниками должен быть 0.5 мм.

По первому классу выполняются платы всех размеров, по второму - платы размером не более 240х400 мм, по третьему - платы размером не более 170х170 мм.

При выборе размеров печатной платы необходимо руководствоваться

следующими правилами:

1.Печатная плата должна быть квадратной или прямоугольной, а линейные

размеры сторон кратными.

2.5 при длине 100мм.

5.0 при длине до 350 мм.

2. Толщина печатной платы должна соответствовать одному из чисел 0.8, 1

3. Ширина проводников 1 - 2 мм, а зазор 0.4 - 1 мм.

Монтажные и переходные металлизированные отверстия следует выполнять без зенковки, но для обеспечения надежного соединения металлизированного отверстия с печатным проводником вокруг него на наружных сторонах печатной платы со стороны фольги делают контактную площадку. Контактные площадки выполняют круглой или прямоугольной формы, а контактные площадки, обозначающие первый вывод активного навесного электро-радиоэлемента выполняют по форме отличной от остальных.

Печатные проводники должны выполняться прямоугольной формы параллельно сторонам платы и координатной сетки или под углом 45⁰ к ним. Ширина проводника должна быть одинаковой по всей длине. Расстояние между неизолированными корпусами электрорадиоэлементов, между корпусами и выводами, между выводами соседних электрорадиоэлементов или между выводом и любой токопроводящей деталью следует выбирать с учетом допустимой разностью потенциалов между ними и предусматриваемого теплоотвода, но не менее 1 мм (для изолированных деталей не менее 0.5 мм).

Расстояние между корпусом электрорадиоэлементом и краем печатной платы не менее 1 мм, между выводом и краем печатной платы не менее 2 мм, между проводником и краем печатной платы не менее 1 мм.

На основе рассмотренных конструктивных требований и ограничений была разработана топология печатной платы.

3.3 Выбор технологического процесса

Проанализировав электрическую принципиальную схему, а также топологию было установлено, что данный узел можно выполнить на двухсторонней печатной плате не требующей высокой плотности монтажа.

В настоящее время для изготовления односторонних и двусторонних печатных плат наибольшее распространение получили три метода: химический, электрохимический, комбинированно позитивный.

Химический метод широко применяется в производстве не только односторонних печатных плат, но и для изготовления внутренних слоев многослойных печатных плат, а также гибких. Основным преимуществом химического метода является простота и малая длительность технологического цикла, что облегчает автоматизацию, а недостатком отсутствие металлизированных отверстий и низкое качество.

Электрохимический метод дороже, требует большого количества специализированного оборудования, менее надежен.

Комбинированно позитивный метод основан на химическом и электрохимическом методах. Позволяет получить проводники повышенной точности. Преимуществом позитивного комбинированного метода по сравнению с негативным является хорошая адгезия проводника, повышенная надежность монтажных и переходных отверстий, высокие электроизоляционные свойства. Последнее объясняется тем, что при длительной обработке в химически агрессивных растворах (растворы химического меднения, электролиты и др.) диэлектрическое основание защищено фольгой.

Проанализировав все методы, выбран метод комбинированно позитивный т.к. по сравнению с химическим он обладает лучшим качеством изготовления, достаточно хорошими характеристиками, что необходимо в радио аппаратуре и есть возможность реализации металлизированных отверстий.

3.4 Выбор материалов печатной платы

Для изготовления печатной платы необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал для защитного покрытия от воздействия влаги. Сначала определяется материал для диэлектрического основания.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

-на бумажной основе;

-на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.

Из сопоставления характеристик оснований следует, что (за исключением стоимости) снования из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса.

Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса.

Последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит. Для изготовления печатной платы с хорошими характеристиками следует применять эпоксидный стеклотекстолит.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая - из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбирается медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17.5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое подтравливание.

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений для изготовления печатной платы позитивным комбинированным способом выбран фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35.

Самый распространенный и дешевый способ защиты гетинаксовых и

стеклотекстолитовых печатных плат - покрытие их бакелитовыми, эпоксидными и другими лаками или эпоксидной смолой. Наиболее стойко к действию влаги покрытие из эпоксидной смолы, обеспечивающее самое высокое поверхностное сопротивление. Несколько хуже защитные свойства перхлорвиниловых, фенольных и эпоксидных лаков. Плохо защищает покрытие из полистирола.

Далее приведены наиболее распространенные материалы, применяемые для защитных покрытий.

Лак СБ-1с, на основе фенолформальдегидной смолы, нанесенный на поверхность сохнет при температуре 60 С в течение 4 ч, наносят его до пяти слоев с сушкой после каждого слоя, получается плотная эластичная пленка толщиной до 140 мкм.

Лак УР-231 отличается повышенной эластичностью, влагостойкостью и температуростойкостью, поэтому может применяться для гибких оснований. Лак приготовляют перед нанесением в соответствии с инструкцией и наносят на поверхность пульверизацией, погружением или кисточкой. Наносят четыре слоя с сушкой после каждого слоя при температуре 18-23 С в течение 1.5 ч.

Для аппаратуры, работающей в тропических условиях, в качестве защитного покрытия применяют лак на основе эпоксидной смолы Э-4100. Перед покрытием в лак добавляют 3,5% отвердителя № 1, смешивают и разводят смесью, состоящей из ацетона, этилцеллозольва и ксилола до вязкости 18-20 сек по вискозиметру ВЗ-4. После смешивания жидкость фильтруют через марлю, сложенную в несколько слоев. В полученную смесь погружают чистую высушенную аппаратуру. После каждого погружения стряхивают излишки смеси и ставят сушить на 10 мин, таким образом, наносят шесть слоев. Это покрытие обладает малой усадкой и плотной структурой.

Исходя из вышеперечисленных сравнений, выбран для защитного покрытия от действия влаги лак УР-231.

3.5 Описание технологического процесса изготовления печатной платы комбинированным позитивным способом

Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным

позитивным методом состоит из следующих операций:

...