Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Дипломный проект: 89 с., 18 рис., 15 табл., 16 ист., 2 прил.

Индикатор, температура, время, медицинская техника, микроконтроллер, температурная среда

Целью проекта «Индикатор температурного режима и времени проведения процедур в медицинской технике» является разработка устройства индикации температуры и времени проведения процедур, анализ существующих решений по изготовлению индикаторов времени и температуры.

В процессе дипломного проектирования выполнена следующая работа: спроектирована система индикации температурного режима и времени проведения процедур, произведено экономическое обоснование системы, разработаны методические указания по охране труда и технике безопасности при работе с системой.

Разработаны схема электрическая функциональная, схема электрическая принципиальная, чертеж печатной платы, блок-схема алгоритма работы устройства, габаритный чертеж устройства.

Требования технического задания выполнены полностью.

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Обзор и анализ существующих конструкций и технических решений
• 1.1Универсальный цифровой термометр
• 1.2 Универсальное устройство: часы, термометр, термостат, будильник
• 1.3 Цифровые часы-секундомер-таймер
• 1.4 Часы-термометр с радиодатчиком
• 1.5 Часы-термометр-секундомер на PIC16F628A
• 2. Назначение и область применения индикатора
• 3. Техническая характеристика индикатора
• 4. Описание и обоснование выбранной конструкции индикатора
• 4.1 Описание схемы функциональной индикатора
• 4.2 Выбор элементной базы индикатора. Обоснование выбора
• 4.3 Описание схемы электрической принципиальной индикатора
• 5. Расчеты, подтверждающие надежность и работоспособность индикатора
• 5.1 Расчет элементов схемы электрической принципиальной
• 5.2 Расчет надежности
• 6. Экономическое обоснование индикатора
• 6.1 Расчет условно-переменных расходов
• 6.2 Расчет условно-постоянных расходов
• 6.3 Расчет отпускной цены индикатора температурного режима и времени проведения процедур
• 6.4 Расчет годового экономического эффекта
• 7. Охрана труда
• 7.1 Мероприятия по производственной санитарии
• 7.2 Пожаробезопасность
• 7.3 Расчет естественного освещения
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЕ А. (обязательное) - Техническое задание на дипломное проектирование
• ПРИЛОЖЕНИЕ Б. (рекомендуемое) - Графический материал дипломного проекта

ВВЕДЕНИЕ

Производство изделий медицинской техники и изделий медицинского назначения во всем мире является приоритетным, прибыльным и перспективным в связи с выраженной социальной значимостью проблемы сохранения здоровья и продолжения активной фазы жизни человека.

В Республике Беларусь за последние 10 лет достигнуты значительные успехи по снижению младенческой смертности. Однако заболеваемость новорожденных детей остается высокой (до 250 на 1000 родившихся живыми) и имеет тенденцию к возрастанию.

Новорожденный ребенок имеет ограниченную способность регулировать теплоотдачу, которая при расчете на единицу массы тела может в 4 раза превышать таковую у взрослого человека. В связи с чем, одним из важнейших условий ухода за новорожденными детьми является обеспечение нейтральной температурной среды.

Теплопотеря у новорожденного ребенка в первые минуты жизни происходит в основном за счет испарения с кожи (с поверхности головы, несколько меньше с конечностей и еще меньше с передней части туловища). После рождения температура кожи новорожденного снижается при нормальных условиях окружающей среды на 0,3є С в минуту, а глубокая температура - на 0,1єС в минуту, сопровождаясь общим снижением глубокой температуры на 2-3 єС. Развитие холодового стресса приводит к увеличению заболеваемости и смертности новорожденных. Поэтому мероприятия по обеспечению адекватного температурного режима важны как в первые минуты жизни ребенка, так и в течение всего раннего неонатального периода.

Целью проекта «Индикатор температурного режима и времени проведения процедур в медицинской технике» является разработка устройства индикации температуры и времени проведения процедур (далее - индикатора). Данное устройство будет являться частью процедурного стола для новорожденных и грудных детей. Выносной датчик температуры должен обеспечивать точность измерения температуры 0,1^_С.

1. Обзор и анализ существующих конструкций и технических решений

1.1 Универсальный цифровой термометр

Рисунок 1.1 - Универсальный цифровой термометр

Устройство одновременного контроля температуры в помещении и на улице. Кроме измерения температурных параметров, на дисплей выводится информация о текущем времени и дате.

В качестве датчиков контроля температуры, применены широко распространенные DS18B20. Один датчик устанавливается внутри помещения, другой - снаружи. Принципиальная схема (рисунок 1.2) представляет собой микроконтроллер, который управляет 4-х строчным символьным ЖКИ-индикатором и часами реального времени DS1307. Часы реального времени включены по типовой схеме - стабилизация частоты осуществляется кварцевым резонатором 32768 Гц, в качестве резервного источника питания применён литиевый элемент напряжением 3В. Управление от микроконтроллера проводится по шине I2C, реализация данного интерфейса в микроконтроллере - программная. Питание устройство получает от внешнего источника 7-14 В через стабилизатор LM7805. С этого же стабилизатора напряжение подаётся на датчики температуры DS18B20. Управление подсветкой индикатора производится кнопкой. По умолчанию (после включения устройства) подсветка включена.



Рисунок 1.2 - Принципиальная схема универсального цифрового термометра

1.2 Универсальное устройство: часы, термометр, термостат, будильник

Универсальное устройство содержит в себе функции нескольких устройств, которые сильно облегчают жизнь людям, автоматизируя жилую площадь. Устройство имеет свой USB загрузчик.

Универсальное устройство имеет такие функции:

- Отображение времени в формате «чч - мм - сс» (время автоматически синхронизируется с компьютером, к которому устройство подключено по USB-интерфейсу);

- 5 будильников с возможностью подключения внешнего, более громкого сигнализатора (например, рупора). Все настройки будильников можно сохранять во встроенной энергонезависимой памяти, которая имеет до 1000000 циклов записи/стирания;

- 2 термометра (от - 55^_С до +125^_С) с 8-канальным термостатом (термостаты не автономные).



Рисунок 1.3 - Принципиальная схема универсального устройства

Основой устройства является микроконтроллер ATmega16, он работает на частоте 16 МГц. Его питание может быть от USB порта или внешнего блока питания.

На устройстве есть 2 дисплея: символьный 16х2, и сегментный (2 штуки по 4 сегмента). Сегментный дисплей предназначен для отображения времени и температуры.

1.3 Цифровые часы-секундомер-таймер

Устройство предназначено для индикации текущего времени, либо времени секундомера, либо времени таймера (максимальное значение 23:59:59) на 6-разрядном светодиодном индикаторе. Также имеется возможность работы со светодиодными семисегментными индикаторами большего размера (максимально 9”, приобретаются отдельно), возможность управлять внешними двенадцативольтовыми реле (максимально 2, приобретаются отдельно).

Таблица 1.1

Технические характеристики

Напряжение питания постоянное, В	12
Ток потребления, мА	< 115
Размеры печатной платы, мм	99Ч119

Электрическая схема цифровых часов-секундомера-таймера изображена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Схема электрическая принципиальная

Данное устройство не является профессиональным прибором и может применяться только для бытовых целей. Конструктивно устройство выполнено на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размером 99 Ч 119 мм.

1.4 Часы-термометр с радиодатчиком

Часы-термометр с радиодатчиком отображают по кольцу часы/день недели, температуру с радиодатчика, имеет функцию будильника.

Дополнительные функции: уменьшение яркости индикатора ночью, время отображения данных настраивается: 1-20 секунд часы, 0-10 секунд день и температура, резервное питание: CR2032, ток потребления 0,7 мА, будильник работает.

Электрическая схема часов-термометра изображена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Электрическая схема часов-термометра с радиодатчиком

В часах применен индикатор CA56-12GWA (14,2 мм 4Ч7 зеленый ОА, 10,5 мКд), в его анодах стоят эмиттерные повторители КТ3102. В каналах сегментов резисторы 100-120Ом. Пищалка взята от компьютера с последовательно включенным резистором 20Ом. Питание часов осуществляется от телефонной зарядки. Потребляемый ток примерно 50-70 мА.

PIC12F629 работает от внутреннего генератора 4МГц (+ / - 2 %). Модуль питается от литиевого элемента 3В CR2032. Передатчик отправляет данные о температуре (DS18S20), серийный номер и CRC8 либо каждую секунду, либо троекратно через 5 минут. Остальное время контроллер потребляет ток порядка 0,02 мА.

1.5 Часы-термометр-секундомер на PIC16F628A

Данное устройство позволят считать время, измерять температуру, использовать секундомер. Дополнительно это устройство ведет простую статистику температуры - минимум/максимум, а в остальном мало отличается от уймы подобных устройств. Для индикации используются светодиодные 7-ми сегментные индикаторы с десятичной точкой, зеленого свечения. Индикация динамическая.

Часы-термометр-секундомер (рисунок 1.6) имеет следующие функции:

- Индикация текущего времени в формате ЧЧ.ММ в течение 3-х секунд, показания переключаются на температуру (отображение с точностью до 0,1 градуса)

- Индикация предельно низкой температуры на текущие сутки;

- Индикация предельно высокой температуры на ткущие сутки;

- Средняя температура на текущие сутки;

- Индикация предельно низкой температуры за всю историю работы термометра;

- Индикация предельно высокой температуры за всю историю работы;

- Средняя температура за всю историю;

- Индикация времени в формате ММ.СС (т.е. минуты и секунды);

- Секундомер имеет несколько пределов индикации (М.СС.Д - ММ.СС - Ч.ММ.С - ЧЧ.ММ);

- Рекорды температуры (общей за всю историю) сохраняются в энергонезависимой памяти.

Рисунок 1.6 - Часы-термометр-секундомер

Для измерения температуры используется датчик DS18B20, этот датчик выносной. Остальные функции устройства реализованы исключительно программно. Вывод данных на индикатор осуществляется последовательно по 2-м проводам данные и синхронизация.

Для управления устройством используется 2 кнопки. Кнопка S1 последовательно переключает все режимы индикации. А кнопка S2 служит для включения режима коррекции часов или для запуска/остановки секундомера. Коррекция часов возможно только в режиме индикации часов/температуры. В остальных режимах (кроме секундомера) кнопка S1 никаких действий не производит. В режиме секундомера кнопка S1 запускает счет, а повторное нажатие на нее останавливает.

Все рассмотренные выше устройства имеют возможность отображения, как температуры, так и времени. Некоторые имеют также дополнительные функции таймера, секундомера, ведения некоторой статистики. При этом у всех приведенных выше устройств имеется недостаток в том, что они не имеют возможности единовременно отображать требуемые параметры (время/длительность и температуру), а только лишь поочередно с некоторым заданным интервалом. Такой недостаток существенен для устройств, применяемых в медицинской технике. Потому в дипломном проекте будет разработана конструкция индикатора температурного режима и времени проведения процедур, позволяющая единовременное отображение требуемых величин.

2. Назначение и область применения индикатора

Разрабатываемый индикатор температурного режима и времени проведения процедур является функциональным узлом стола процедурного для новорожденных (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Стол процедурный для новорожденных

Стол процедурный для новорожденных предназначен для размещения в детских лечебных учреждениях, обеспечивает комфортные условия (рисунок 2.2) для проведения медицинских процедур с новорожденными и грудными детьми, включая медицинский осмотр, диагностические процедуры, санитарную и медикаментозную обработку, фототерапию, массаж, пеленание и одевание ребенка.

Комфортными называются такие условия окружающей среды, при которых температура тела ребенка находится в нормальных пределах (36,5 - 37,5 градусов), а потребление кислорода (уровень метаболизма) минимально.

Рисунок 2.2 - Диаграмма: зона комфортной температуры и влажности

Состав стола процедурного для новорожденных:

- штатив металлический;

- многодиапазонный оптический модуль (лампа дневного света, ИК-нагрев);

- выносной датчик температуры;

- индикатор температурного режима и времени проведения процедур;

- устройство аварийной сигнализации;

- столешница;

- мягкий элемент (матрас) в съёмном непромокаемом гигиеническом чехле;

- съемные борта с ростомером;

- выдвижной лоток для белья, фиксируемый в двух положениях (верхнем и нижнем);

- две полки для медицинского инструментария и лекарственных средств;

- два держателя под дезинфицирующие растворы;

- четыре колеса, два из которых с тормозами;

- возможна дополнительная установка медицинских приборов различного назначения.

В данном устройстве индикатор температурного режима и времени проведения процедур используется для контроля над протеканием процедур и поддержания комфортной (нейтральной) температуры окружающей среды.

3. Техническая характеристика индикатора

Конструирование аппаратуры на цифровых микросхемах включает следующие основные этапы: создание макета печатных плат, разработку топологии изготовления печатных плат, конструирование корпуса прибора, в котором должны быть размещены печатные платы. Значение этапа конструирования при построении аппаратуры на микросхемах очень велико, потому что именно такие элементы конструкции как печатные платы, элементы крепления и другие, в значительной мере определяют объем, массу и надежность аппаратуры.

Сборка цифровых устройств требует особого внимания, так как поиск и устранение ошибок занимают гораздо больше времени, чем сборка устройства в целом.

Проектируемый индикатор температурного режима и времени проведения процедур выполняется на двух печатных платах (плата индикации - односторонняя, плата контроллера и питания - двухсторонняя), скрепленных межплатными перемычками, что облегчает техническое обслуживание и ремонт устройства.

Для изготовления печатной платы используется технология печатного монтажа. Это более современный метод монтажа радиоаппаратуры: в качестве проводников, соединяющих элементы, используют узкие и тонкие полоски медной фольги, нанесенные на основание из электроизоляционного материала. Печатный монтаж уменьшает вероятность ошибок при копировании схемы на монтажной плате. Монтажные платы получают из листов фольгированного материала, покрытого с одной стороны тонким слоем меди.

После изготовления печатной платы приступают к установке данной платы в корпус.

Для обеспечения требований по климатическому исполнению (УХЛ 4.1 по ГОСТ 15150), а также по степени защиты (IP 55 по ГОСТ 14254) корпус для индикатора изготавливается из пластика, части корпуса скрепляются защелками.

Передняя панель устройства выполнена из прозрачного пластика, за которым размещены 2 семисегментных индикатора. Также на передней панели индикатора находятся кнопки управления часами-секундомером.

Печатные платы должны устанавливаться в корпус прибора таким образом, чтобы обеспечивалось их устойчивое положение в нем.

Таблица 3.1

Основные технические характеристики прибора

тип индикатора	светодиодная матрица
высота знакоместа, мм	10,16
количество знакомест для отображения времени	4
количество знакомест для отображения температуры	4
формат отображения времени (секундомера)	ЧЧ.ММ (ММ.СС)
формат отображения температуры	-
функциональные кнопки в передней части корпуса, шт	3
допустимый диапазон сетевого напряжения, 50 Гц	198 В - 242 В
класс защиты	IP 55
условия эксплуатации	УХЛ 4.1

4. Описание и обоснование выбранной конструкции индикатора

4.1 Описание схемы функциональной индикатора

Рисунок 4.1 - Схема функциональная индикатора температурного режима и времени проведения процедур

Индикатор температурного режима и времени проведения процедур состоит из шести основных блоков:

- датчика температуры;

- кварцевого резонатора;

- микроконтроллера;

- двух светодиодных индикаторов;

- блока питания.

Индикатор температурного режима и времени проведения процедур, разработанный в данном проекте работает от сети общего питания (220В, 50 Гц). Блок питания на выходе имеет однополярное напряжение в + 5В, необходимое для работы микроконтроллера и индикаторов.

Для определения температуры используется выносной датчик DS18B20, который обменивается по шине 1-Wire данными с микроконтроллером.

Кварцевый резонатор с частотой 4,096 МГц, работает как тактирующее устройство микроконтроллера.

В устройстве применены 2 семисегментных четырехразрядных светодиодных индикатора, которые позволяют отображать текущие показания при слабом освещении.

Один из индикаторов отображает температуру окружающей среды, воспроизводимую с датчика. Второй индикатор отображает текущее время, а по нажатию кнопки начинает работу в режиме секундомера с форматом отображения времени ММ.СС (минуты и секунды), что позволяет определять длительность процедуры. По повторному нажатию кнопки секундомер останавливается, обнуляется, и индикатор вновь переходит в режим индикации текущего времени.

Таким образом, устройство индикатора температурного режима и времени проведения процедур имеет возможность одновременного вывода информации о температуре и текущем времени (либо длительности процедуры), что выгодно отличает конструкцию данного индикатора от его аналогов, в которых не предусмотрено единовременное отображение требуемых параметров.

4.2 Выбор элементной базы индикатора. Обоснование выбора

В данном дипломном проектировании применена широко распространенная элементная база, что связано с ее доступностью, а также наличием описания на русском языке.

4.2.1 Датчик температуры DS18B20

В качестве датчика температуры применен DS18B20 (рисунок 4.2). DS18B20 цифровой термометр с программируемым разрешением, который обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии так и работать в группе.

Рисунок 4.2 - DS18B20 в корпусе ТО-92

Диапазон измерений от -55°C до +125°C и точностью 0.1°C в диапазоне от -10°C до +85°C. В дополнение, DS18B20 может питаться напряжением линии данных (“parasite power”), при отсутствии внешнего источника напряжения.

В таблице 4.1 приведено назначение выводов датчика температуры.

Таблица 4.1

Назначение выводов DS18B20

ТО-92	Символ	Описание
1	GND	Общий
2	DQ	Вывод данных ввода/вывода Вывод 1-Wire интерфейса. По этой линии подается питание в режиме работы с паразитным питанием.
3	VDD	VDD Вывод питания. Для режима работы с паразитным питанием VDD необходимо соединить с общим проводом.

64-битовый ROM запоминает уникальный последовательный код прибора. Оперативная память содержит 2-байтовый температурный регистр, который хранит значение температуры по окончанию температурного преобразования. Два однобайтовых регистра температуры контроля температуры (триггерной схемы TH и TL), и к регистру конфигурации. Регистр конфигурации позволяет пользователю устанавливать разрешающую способность цифрового преобразователя температуры к 9, 10, 11, или 12 битам, это и влияет на время конвертирования температуры. TH, TL и регистры конфигурации энергонезависимы (EEPROM), таким образом, они сохранят данные, когда прибор - выключен.

Рисунок 4.3 - Блок-схема DS18B20

DS18B20 использует исключительно 1-Wire протокол - при этом формируется соединение, которое осуществляет коммуникацию на шине, используя всего один управляющий сигнал. Шина должна быть подключена к источнику питания через подтягивающий резистор, так как все устройства связаны с шиной, используют соединение через Z-состояния или вход открытого стока. Используя эту шину микропроцессор (устройство управления) идентифицирует и обращается к датчикам температуры, используя 64-битовый код прибора. Поскольку каждый прибор имеет уникальный код, число приборов, к которым можно обратиться на одной шине, фактически неограниченно.

Особенность DS18B20 - способность работать без внешнего питания. Эта возможность предоставляется через подтягивающий резистор. Высокий сигнал шины заряжает внутренний конденсатор (CPP), который питает прибор, когда на шине низкий уровень. Этот метод носит название «Паразитное питание» (рисунок 4.4). При этом максимальная измеряемая температура составляет + 100°C. Для расширения диапазона температур до + 125°C необходимо использовать внешнее питание.

Применение датчика DS18B20, традиционного для микропроцессорных термометров, позволило исключить аналоговые элементы.

Рисунок 4.4 - Подключение DS18B20 в режиме паразитного питания

4.2.2 Микроконтроллер PIC16F876A

Рисунок 4.5 - Блок-схема микроконтроллера PIC16F876A

Основные характеристики:

Высокопроизводительный RISC-процессор:

- 35 простых для изучения инструкции;

- Все инструкции исполняются за один такт (200 нс), кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта; минимальная длительность такта 200 нс;

- 14 битные команды;

- 8 - битовые данные;

- Вход внешних прерываний;

- 8-уровневый аппаратный стек;

- Прямой, косвенный и относительный режимы адресации для данных и инструкций.

Периферия:

- 22 линии ввода/вывода с индивидуальным контролем направления;

- Сильноточные схемы портов ввода/вывода;

- Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик;

- Timer1: 16-разрядный таймер/счетчик;

- Timer2: 8-разрядный таймер/счетчик;

- 2 ШИМ модуля;

- Последовательные интерфейсы;

- 5 каналов 10-битного АЦП;

- 2 аналоговых компаратора;

- Интегрированный программируемый источник опорного напряжения.

Особенности микроконтроллера:

- Сброс при включении питания (POR);

- Таймер включения питания (PWRT) и таймер запуска генератора (OST);

- Сброс по снижению напряжения питания (BOR);

- Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы;

- Режим экономии энергии (SLEEP);

- Выбор источника тактового сигнала;

- Программирование на плате через последовательный порт (ICSPT) (с использованием двух выводов);

- Отладка на плате через последовательный порт (ICD) (с использованием двух выводов);

- Возможность самопрограммирования;

- Программируемая защита кода;

- 1000 циклов записи/стирания FLASH памяти программы;

- 100 000 циклов записи/стирания памяти данных ЭСППЗУ;

- Период хранения данных ЭСППЗУ > 40 лет.

Технология КМОП:

- Экономичная, высокоскоростная технология КМОП;

- Полностью статическая архитектура;

- Широкий рабочий диапазон напряжений питания - от 2,0 В до 5,5 В;

- Промышленный и расширенный температурный диапазоны;

- Низкое потребление энергии;

- Полная совместимость по выводам с семействами микроконтроллеров (только 28-выводными): PIC16CXXX; PIC16FXXX.

Основные параметры микроконтроллера приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Основные параметры микроконтроллера PIC16F876A

ЦПУ: Ядро	PIC16
ЦПУ: F, МГц	от 0 до 20
Память: Flash, КБайт	8
Память: RAM, КБайт	0.365
Память: EEPROM, КБайт	0.25
I/O (макс.), шт.	22
Таймеры: 8-бит, шт	2
Таймеры: 16-бит, шт	1
Таймеры: Каналов ШИМ, шт	2
Таймеры: RTC	Нет
Аналоговые входы: Разрядов АЦП	10
Интерфейсы: UART, шт	1
Интерфейсы: SPI, шт	1
Интерфейсы: I2C, шт	1
VCC, В	от 2 до 5,5
ICC, мА	25
TA, °C	от - 40 до 125
Корпус	SOIC-28 SSOP-28 DIP-28 QFN-28



Рисунок 4.6 - Цоколёвка микроконтроллера PIC16F876A

4.2.3 Светодиодные индикаторы

Для отображения температуры использованы семисегментные индикаторы CA 04-41 GWA (рисунок 4.7)

Рисунок 4.7 - Светодиодный индикатор CA 04-41 GWA

Индикаторы знакосинтезирующие, на основе соединения фосфид?галлий. Индикаторы имеют семь сегментов и децимальную точку, излучающих свет при воздействии прямого тока. Различные комбинации элементов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9 и децимальную точку. Высота символа 10,16 мм (0,4 дюйма). Легко устанавливается на печатную плату или гнездо. Имеет малый ток потребления.

Таблица 4.3

Основные параметры

Цвет	Зеленый (GaP)
Высота символа, мм	10,16
IF (тип.), мА	20
Размер, мм	40,4 Ч 16,0 Ч 7,0
Кол-во символов, шт	4
Цвет лицевой панели	Серый
VF (тип.), В	2,2
Конфигурация	Общий анод
IV, мКд	от 1,9 до 6,4
Дес. точка	Справа
лd, нм	568
Рабочая температура, _С	От - 40 до +85

4.2.4 Кварцевый резонатор 4.096 МГц имп. HC-49U

Кварцевые резонаторы (рисунок 4.8) предназначены для использования в аналогово-цифровых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определённой частоты или полосы частот.

Рисунок 4.8 - Внешний вид кварцевого резонатора (корпус МД (HC_49/U))

Принцип работы: в широкой полосе частот сопротивление прибора имеет ёмкостной характер и только на некоторых (рабочих) частотах имеет широко выраженный резонанс (уменьшение сопротивления).

Кварцевый резонатор имеет лучшие характеристики, чем другие приборы для стабилизации частоты (колебательные контуры, пьезокерамические резонаторы): такие как стабильность по частоте (уход частоты) и температуре (изменение частоты резонанса в зависимости от температуры окружающей среды).

Основные области применения кварцевых резонаторов - высокостабильные генераторы тактовых сигналов и опорных частот, цепи частотной селекции, синтезаторы частоты и т.д

Таблица 4.4

Технические параметры 4,096 МГц имп. HC-49U

Резонансная частота, МГц	4,10
Точность настройки dF/Fх10-6	30
Температурный коэффициент, Ктх10-6	30
Нагрузочная емкость, пФ	32
Рабочая температура, _С	От - 20 до + 70
Корпус	HC-49U
Длина корпуса L., мм	13.5
Диаметр(ширина) корпуса, D(W), мм	11.5

Так как часы реального времени организованы с использованием прерываний по таймеру 0, который тактируется системной частотой поделенной на 256. Таймер предварительно загружается числом 176, что задает период генерации прерываний по переполнению таймера каждые 5 мс. Для обеспечения высокой точности хода часов, рекомендовано использовать кварцевый резонатор на 4,096 МГц

4.3 Описание схемы электрической принципиальной индикатора

Устройство позволяет измерять температуру с точностью до 0,1^оС, с отображением результатов измерения на цифровом индикаторе. Диапазон измеряемых температур от - 55^оС до +100^оС. Цифровой термометр предназначен для контроля температуры окружающей среды (датчик выносной).

В роли датчика температуры используется микросхема DS18B20, работающая без внешнего питания, что реализовано с помощью подтягивающего резистора. Высокий сигнал шины заряжает внутренний конденсатор, который питает прибор, когда на шине низкий уровень.

Обмен данными датчика и микроконтроллера происходит по 1-Wire шине. Далее с выходов микроконтроллера на светодиодный индикатор выводится значение измеренной температуры. Датчик температуры использует исключительно 1-Wire протокол - при этом формируется соединение, которое осуществляет коммуникацию на шине, используя всего один управляющий сигнал. Шина должна быть подключена к источнику питания через подтягивающий резистор, так как все устройства связаны с шиной, используют соединение через Z-состояния или вход открытого стока. Используя эту шину, микропроцессор идентифицирует и обращается к датчикам температуры, используя 64-битовый код прибора.

Одновременно с измерением температуры, устройство позволяет измерять время, тактовая частота высокой точности поступает на микроконтроллер с кварцевого резонатора 4,096 МГц. Также устройство позволяет настраивать время. Для чего используются 2 кнопки: кнопкой S1 выбираются минуты или часы (выбранные разряды будут мигать), а кнопкой S2 устанавливается текущее время. После того, как значение разрядов часов будет установлено, нажатием кнопки S1 переходят в рабочий режим. В этом режиме ни один из разрядов не мигает. Третья кнопа S3 предназначена для переключения индикатора часов в режим секундомера по первому нажатию, а по второму нажатию - сброс секундомера и переход к отображению реального времени. Сопротивления R5-R20 предназначены для установки (регулирования) яркости свечения светодиодных индикаторов.

5. Расчеты, подтверждающие надежность и работоспособность индикатора

5.1 Расчет элементов схемы электрической принципиальной

Для обеспечения точности отсчета времени используются прерывания по таймеру 0, который тактируется системной частотой поделенной на 256. Таймер прерываний загружается числом 176, что задает период генерации прерываний по переполнению таймера каждые 5 мс.

Для обеспечения высокой точности используется кварцевый резонатор (ZQ1) на 4, 096 МГц.

Конденсаторы С4 и С5 выбираются согласно схеме подключения кварцевого резонатора по 22 нФ: К10 - 17Б - 50В - 22 нФ.

Транзисторы (VT1-VT4) выбираются таким образом, чтобы ток коллектора был не менее тока потребления индикатора: 2SD2088.

Расчет элементов блока питания (рисунок 5.1):

Рисунок 5.1 - Блок питания

Для обеспечения выходного напряжение блока питания +5 В выбираем стабилизатор напряжения К142ЕН5А (DA1):

I_потр = 10 мА, I_вых = 2 А, U _вх = 15В ч 7,5 В

ф_з = R_вн • С1(5.1)

ф_р = R_н • С1(5.2)

ф_з << ф_р, откуда R_вн >> R_н

С_min1 = 10⁶ / f • R_н, f = 50 Гц (5.3)

С_min1 = 200 мкФ

U₃ = 7,5 В ч 15 • 15 / В ? 10,6В (5.4)

U₂ = U_н + 2U_vo (5.5)

Выбираем диодный мост КЦ407А (VD1 - VD4):

I_{пр ср} = 0,5 А, U_пр = 2,5 В, U_2max = 17,5 В, U_2min = 10

Выбираем трансформатор (T1):

U_{тр max} = 17,5 / = 12,3 В (5.6)

U_{тр min} = 10 / = 7 В (5.7)

U_тр = 7 В ч 12,3 В (5.8)

U_2(xx) = 10 В

Трансформатор ТПП 253 - 127/220-50:

на входе 50 Гц, 220 В, U_вт = 10 В, I_вт = 600 мА, Р_ном = 22 В • А, I_перв = 0,25 / 0,145

Конденсаторы:

С1: К50 - 46 - 25 В - 1000 мкФ

С2: К10 - 17 - 60 В - 0,1 мкФ

С3 выбирается по стандартной схеме включения микросхемы К142ЕН5А 2,2 мкФ: К50 - 51 - 50 В - 2,2 мкФ

5.2 Расчет надежности

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности устройства по известным характеристикам компонентов, составляющих схему.

Интенсивность отказов всего устройства рассчитывается по формуле:

_m

= ? _{i ,} (5.9)

ⁱ⁼¹

m - число компонентов,

_i - номинальная интенсивность отказов одного компонента (из справочника)

Рассчитываем _I для каждой группы компонентов:

Резисторы пленочные:

₁ = ₀₁ · n= 0,03 · 10^-6 ·28 = 0,84 · 10^-6 1/ч;

Конденсаторы керамические:

₂ = ₀₂ · n= 0,15 · 10^-6 ·4 = 0,6 · 10^-6 1/ч;

Конденсаторы электролитические:

₃ = ₀₃ · n= 0,35 · 10^-6 ·2 = 0,7 · 10^-6 1/ч;

Микросхемы:

₄ = ₀₄ · n= 0, 13 · 10^-6 · 3= 0,39 · 10^-6 1/ч;

Индикаторы:

₅ = ₀₅ · n= 0,9 · 10^-6 ·2 = 1,8 · 10^-6 1/ч;

Диоды кремниевые:

₆ = ₀₆ · n= 0,6 · 10^-6 ·4 = 2,4 · 10^-6 1/ч;

Плата печатная:

₇ = ₀₇ · n= 0,7 · 10^-6 ·2 = 1,4 · 10^-6 1/ч;

Провода соединительные:

₈ = ₀₈ · n= 0,015 · 10^-6 ·38 = 0,57 · 10^-6 1/ч;

Пайка монтажа:

₀ = ₀₉ · n= 0,01 · 10^-6 ·97= 0,97 · 10^-6 1/ч;

Резонаторы:

₁₀ = ₀₁₀ · n= 0,1 · 10^-6 ·1 = 0,1 · 10^-6 1/ч;

Трансформатор:

₁₁ = ₀₁₁ · n= 2,4 · 10^-6 ·1 = 2,4 · 10^-6 1/ч;

Кнопки:

₁₂ = ₀₁₂ · n= 0,07 · 10^-6 ·3 = 0,21 · 10^-6 1/ч;

Транзисторы:

₁₃ = ₀₁₃ · n= 0,3 · 10^-6 ·4 = 1, 2 · 10^-6 1/ч.

Для всего устройства интенсивность отказов составит:

= ₁ + ₂ +₃ +₄ +₅ +₆ +₇ +₇ +₈ +₉ +₁₀ +₁₁ +₁₂ +₁₃ = (0,84+

+0,6+ 0,7+ 0,39+ 1,8+ 2,4+ 1,4 + 0,57 + 0,97 + 0,1 + 2,4+ 0,21+ 1,2) · 10^-6

= 13,38 · 10^-6 1/ч (5.10)

Среднее время наработки на отказ определяется по формуле:

Т_ср = 1/ ч (5.11)

Для устройства в целом среднее время наработки на отказ составит:

Тср = 1/ = 1/(13,58 · 10^-6) ч = 73637,7 ч

индикатор элементный медицинский процедура

6. Экономическое обоснование индикатора

В данном разделе дипломного проекте произведен расчет стоимости изготовления индикатора температурного режима и времени проведения процедур, который в себя включает расчет условно-переменных расходов, условно-постоянных расходов, его опускной цены, годового экономического эффекта. Расчет условно-переменных и условно-постоянных расходов необходим для определения полных расходов. На основании полных расходов была определена производственная себестоимость одного индикатора, а по этой себестоимости рассчитана его отпускная цена. Рассчитан годовой экономический эффект, по годовому экономическому эффекту и сроку окупаемости сделаны выводы о целесообразности изготовления индикатора в современной экономической обстановке.

6.1 Расчет условно-переменных расходов

Условно-переменные расходы, Р_пер ,тыс. руб. вычисляют по формуле:

Р_пер = Р_ом + Р_вм + Р_от + Р_эл (6.1)

где Р_ом - расходы на основные материалы, тыс. руб.;

Р_вм - расходы на вспомогательные материалы, тыс. руб.;

Р_от - расходы на оплату труда, тыс. руб.;

Р_эл - расходы на электроэнергию, тыс. руб.

Стоимость основных материалов, Р_ом руб вычисляют по формуле:

Р_ом = ?(С_общ • Н) • 1,05 (6.2)

где С_общ - общая стоимость материала (итого), тыс. руб.;

Н - норма расхода материала, тыс. руб.;

1,05 - коэффициент транспортно-заготовительных расходов.

Общую стоимость материала (итого), С_общ руб. вычисляют по формуле:

С_общ= N • С (6.3)

где С - стоимость единицы материала, руб.;

N - количество, шт.

Таблица 6.1

Стоимость основных материалов

Обозначение	Наименование	Стоимость руб.	Количество, ед.	Общая стоимость, тыс. руб.
	Диоды
VD1-VD4	КЦ407А	4500	1	4.5
	Конденсаторы
С1	К50-46 1000мкф*25В	3000	1	3.0
С2	K10-17 0,1мкФ±10%	1500	1	1.5
C3	К50-51 2,2мкФ*50В	3000	1	3.0
С4-С5	K10-17 22 нФ*50 В	1500	2	3.0
	Микросхемы
DA1	K142EН5A	6000	1	6.0
DD1	PIC16F876a	27000	1	27.0
DD2	DS18B20	10000	1	10.0
HG1- HG2	CA 04-41 GWA	18000	2	36.000
	Кварц
ZQ1	HC-49 U-4,096 МГц	2000	1	2.0
	Резисторы
R1 - R4	ОМЛТ 0,125 - 100	500	4	2.0
R5 - R20	ОМЛТ 0,125 - 470	500	16	8.0
R21	ОМЛТ 0,125 - 10к	500	1	0.5
R22 - R24	ОМЛТ 0,125 - 5,6к	500	3	1.5
R25 - R27	ОМЛТ 0,125 - 39к	500	3	1.5
R28	ОМЛТ 0,125 - 4,7к	500	1	0.5
	Трансформатор
T1	ТПП 253-127/220-50	1500	1	1.5
	Транзисторы
VT1 - VT4	BC337	3000	4	12.0
	Переключатели
S1 - S3	3SA8-BA21	8000	3	24.0
Итого:	146.5

Стоимость единицы материала и его количество были взяты из таблицы 6.1.

Стоимость основных материалов вычисляют в соответствии с формулой (6.2):

Р_ом = 1,05 • 146500= 153,8 тыс. руб.;

Стоимость вспомогательных материалов, Р_вм руб. вычисляют по формуле:

Р_вм = ?(С_общ • Н) • 1,05 (6.4)

где С_общ - общая стоимость материала (итого), тыс. руб.;

Н - норма расхода материала, тыс. руб.;

1,05 - коэффициент транспортно-заготовительных расходов.

Общую стоимость материала (итого) вычисляют в соответствии с формулой (6.3).

Стоимость единицы материала и его количество были взяты из таблицы 6.2.

Таблица 6.2

Стоимость вспомогательных материалов

Наименование материла	Количество	Стоимость единицы, руб.	Общая стоимость, тыс. руб.
припой ПОС-61, г	60	8000	8,0
Канифоль, г	70.	5000	5,0
плата монтажная, шт	2	22000	44,0
ABS - пластик, г	120.	52000	52,0
провод монтажный, см	150	11000	11,0
Итого:	120.0

Стоимость вспомогательных материалов вычисляют в соответствии с формулой (6.4):

Р_ом = 1,05 • 120,0 = 126,0 тыс. руб.;

Сумму материальных ресурсов, Р_м руб вычисляют по формуле:

Р_м = Р_ом + Р_вм (6.5)

Р_м = 153,8 + 126,0 = 279.8 тыс. руб.;

Часовую тарифную ставку рабочего первого разряда, ЧТС_1р руб. / ч вычисляют по формуле:

ЧТС_1р = (6.6)

где Т_ст- тарифная ставка первого разряда (месячная), руб;

Ф_эф- эффективный фонд времени, ч.

ЧТС_1р = = 5200 руб. / ч;

Часовую тарифную ставку рабочего, ЧТС_(р) руб./ч вычисляют по формуле:

ЧТС_(р)= ЧТС_1р • К_р (6.7)

где К_р - коэффициент соответствующего разряда;

Часовую тарифную ставку рабочего пятого разряда, ЧТС₍₅₎ руб./ч вычисляют по формуле:

ЧТС₍₅₎ = 5200 • 1,73 = 8996 руб./ч;

Основную заработную плату, З_осн руб. вычисляют по формуле:

З_осн = ЧТС_5р • Т (6.8)

где Т - время работы рабочего пятого разряда.

З_осн = 8996 • 192 = 1,727 млн. руб.;

Дополнительную заработную плату З_доп руб. вычисляют по формуле:

З_доп= З_осн • П (6.9)

где П - премия, %.

З_доп=1727,2 • 0,3 = 518,5 тыс. руб.;

Сумму налогов, руб вычисляют по формуле:

(6.10)

где ФСЗН - фонд социальной защиты населения, 35%;

=(1727,2 + 518,5) • 0,35 =763,4 тыс. руб.;

Расходы на оплату труда, Р_от руб. вычисляют по формуле:

Р_от= З_осн + З_доп + (6.11)

Р_от=1,727 + 0,518 + 0,763 = 3,008 млн. руб.;

Расходы на электроэнергию, Р_эл тыс. руб. вычисляют по формуле;

Р_эл= W_уст • К_пот • Т • Ц_эл (6.12)

где W_уст - потребляемая мощность, 1кВт/ч;

К_пот - коэффициент потерь в сети (1,05);

Т - время изготовления измерителя, ч;

Ц_эл - цена электроэнергии, руб.

Р_эл = 0,6 • 1,05 • 192 • 2550=619,9 тыс. руб.;

Условно-переменные расходы вычисляют в соответствии с формулой (6.1):

Р_пер = 0,197 + 0,791 + 3,008 + 0,619 = 4,614 млн. руб.

6.2 Расчет условно-постоянных расходов

Условно-постоянные расходы, Р_пост млн. руб. вычисляют по формуле:

Р_пост = Р_сод.об + Р_цех + Р_{общ.хоз} (6.13)

где Р_сод.об - расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, млн. руб.;

Р_цех - цеховые расходы, руб;

Р_{общ.хоз} - общехозяйственные расходы, руб.

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, Р_сод.об млн. руб. вычисляют по формуле:

Р_сод.об = А_об + Р_экспл (6.14)

где А_об - амортизация оборудования;

Р_экспл - расходы на эксплуатацию оборудования, млн. руб.

Амортизацию оборудования, А_об руб вычисляют по формуле:

А_об = (6.15)

где С_об - стоимость оборудования, млн. руб.;

N_A - норма амортизации, %.

А_об = 15,0 • 0,1 = 1,5 млн. руб.

Расходы на эксплуатацию оборудования, Р_экспл млн. руб. вычисляют по формуле:

Р_экспл = Р_м + Р_от (6.16)

где Р_м - расходы на материалы, млн. руб.;

Р_от - расходы на оплату труда, млн. руб.;

Расходы на оплату труда, Р_от млн. руб. вычисляют по формуле:

Р_от = З_осн + З_доп + (6.17)

Основную заработную плату, З_осн млн. руб. вычисляют по формуле:

З_осн = ЧТС • К₍₅₎ • Ф_эф.об • n (6.18)

где Ф_эф.об - эффективный фонд работы оборудования, ч;

n - количество сборщиков, чел.

З_осн = 5200 • 1,73 • 192 • 1= 1,727 млн. руб.

Дополнительную заработную плату, З_доп тыс. руб. вычисляют по формуле:

З_доп = (6.19)

где П - премия, %.

З_доп =1,727 • 0,3=518,169 тыс. руб.

Сумму налогов вычисляют в соответствии с формулой (6.10):

= (1727,0 + 518,169) • 0,35=763,436 тыс. руб.

Расходы на оплату труда вычисляют в соответствии с формулой (6.11):

Р_от = 1727,232 + 518,169 + 763,436 = 3,008 млн. руб.;

Расходы на эксплуатацию оборудования вычисляют в соответствии с формулой (6.16):

Р_экспл = 0,791 + 3,008 = 3,800 млн. руб.

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования вычисляют в соответствии с формулой (6.14):

Р_сод.об = 1,5 + 3,8 = 5.3 млн. руб.;

Цеховые расходы, Р_цех руб. вычисляют по формуле:

Р_цех = Р_с.а. + А_зд. + Р_ох.т. + Р_зд (6.20)

где Р_с.а. - расходы на содержание аппарата управления, млн. руб.;

А_зд. - расходы на амортизацию зданий, млн. руб.;

Р_ох.т. - расходы на охрану труда и технику безопасности, млн. руб.;

Р_зд - расходы на содержание зданий и сооружений, млн. руб.

Расходы на содержание аппарата управления, Р_с.а. млн. руб. вычисляют по формуле:

Р_с.а. = З_осн + З_доп + (6.21)

Дополнительную заработную плату вычисляют в соответствии с формулой (6.19):

З_доп = 3,7 • 0,25 = 925,0 тыс. руб.

Сумму налогов вычисляют в соответствии с формулой (6.10):

= (3,7+0,925) • 0,35 = 1,572 млн. руб.

Расходы на содержание аппарата управления вычисляют в соответствии с формулой (6.21):

Р_с.а. = 3,7 + 0,925 + 1,572 = 5,517 млн. руб.

Расходы на амортизацию зданий, А_зд млн. руб. вычисляют по формуле:

А_зд = (6.22)

где С_зд - стоимость здания, млн. руб.

А_зд = 78,0 • 0,06=4,68 млн. руб.

Расходы на содержание зданий и сооружений, Р_зд млн. руб., вычисляют по формуле:

Р_зд = Р_м + Р_{усл др цех} + Р_от (6.23)

где Р_{усл др цех} - расходы на оплату услуг других цехов, млн. руб.;

Р_от - расходы на оплату труда, млн. руб.

Дополнительную заработную плату вычисл...