Конструирование электронного таймера

Введение. 

     Современные рыночные экономические отношения  требуют качественную и надежную продукцию, а также быстрое и  качественное предоставление услуг. Низкая стоимость и высокое надежность продукции обусловливает конкурентоспособность товара и услуг. Реализовать это не возможно без автоматизации всех сфер деятельности общества. Такое интенсивное развитие  технологий в обществе, где основным предметом труда становится автоматизация процессов производства, является следствием растущего спроса на основные орудия труда – компьютеры, интегральные микросхемы, контроллеры, и другие различные устройства осуществляющие управление технологическими процессами на производстве.

     На  сегодняшний день автоматизация  является одним из главных направлений  научно-технического прогресса. Количество и качество производимых в стране схем и устройств управления степень насыщенности вычислительной техники самых разных отраслей становится одним из основных критериев её экономического и военного потенциала.

       Универсальными средствами   автоматизации в настоящее время является компьютер и различные электронные устройства, обеспечивающие управление работой оборудования в автоматическом режиме без постоянного участия человека.

       Одним из представителей устройств  такого типа,  несомненно, является  устройства выдержки времени или электронный таймер. Электронные таймеры предназначены для установки интервалов времени, сигнализации и окончания отсчета, управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. 
 
 

           

       

       Их применение на производстве  очень целесообразно и актуально  особенно при использовании оборудования  с ЧПУ  (Частным программным  управлением) так как при небольшой  себестоимости они обладают высокими  техническими характеристиками, малым энергопотреблением.

     

     При использования  таймеров , за счет точности выдержки времени при управлении технологическим процессом  уменьшается  вероятность возникновения бракованных изделий, скорость срабатывание таймера составляет несколько микро секунд то соответственно сокращается время простоя оборудования, и как следствие увеличивается объем произведенной продукции по сравнению с аналогичным производством не использующим устройства выдержки времени.  

       Целью данного проекта является  анализ схемотехнических решений электронных таймеров, разработка структурной и принципиальной схемы цифрового таймера. По полученным в результате разработки схемам построить макет устройства и провести его испытания, подтверждающие работоспособность схемы, сравнение его с существующими на сегодняшний день аналогами, как отечественных производителей, так и зарубежных разработчиков.

     Отличительной особенностью электронного таймера  разбалтываемого в  проекте по сравнению с аналогами должно стать низкая себестоимость, высокие  показатели точности и надежности, долгий срок службы устройства. А так же быстрая окупаемость, минимальные расходы по эксплуатации, не сложная замена деталей, доступная даже специалистам среднего уровня и простая замена в случае выхода детали из строя.

В ходе данного проекта будут рассмотрены следующие задачи:

1. “Анализ функций устройств выдержки времени”, - рассматривается принцип действия цифровых и аналоговых устройств выдержки времени (УВВ).

 

2. “Разработка структурной схемы” - по результатам  анализа, будет разработана структурная схема УВВ с диапазоном выдержек от 1 до 99 условных интервалов времени.

3. “Характеристика применяемой элементной базы”- рассмотрены  основные параметры применяемых  элементов.

 

4. “Разработка принципиальной схемы” - расчет конструктивных параметров печатной платы устройства.

 
 
 

 

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Общая часть. 

1.1 Цель разработки. 

   Основной  целью создания данного электронного таймера в первую очередь является, облегчить труд персонала, освободить людей от вредной тяжелой и утомительной работы, а именно автоматизированное управление некоторыми технологическими процессами на производстве. 

1.2 Анализ использования  разработки. 
 

   Разрабатываемый электронный таймер должен найти место применения в различных отраслях промышленности, на заводах с автоматизированной технологией производства и стать не последним звеном в управлении технологическим процессом. 

1.3 Анализ методов решения проблемы.

       На сегодняшний день для отсчетов  интервалов времени и управления  технологическим процессом, существует несколько разновидностей таймеров: это и механические - таймеры, состоящие из большого набора шестеренок и взводящей пружины в которых интервалы времени отсчитывает маятник, а по окончании отсчета размыкают контакты устройства тем самым, отключая его. Электронно-механические таймеры – этот вид таймеров имеет электрическую схему управления отсчетом времени, но запускает технологический процесс уже механическое устройство.  Электронные таймеры – это последний вид таймеров они не имеют в своей конструкции механической составляющей. Если проанализировать схемы различных вариантов устройств выдержки времени (УВВ),то можно сделать вывод, что алгоритм действия устройств во всех случаях одинаковый.

  Устройство  формирует на выходе функцию,  представленную на рис.1. Здесь по оси абсцисс отложено время  t, а по оси ординат – функция состояния устройства.

Рис.1

  Если  не принимать во внимание детали  то любое УВВ (в том числе  и механическое) можно представить  в виде некоторого черного  ящика имеющего один вход и один выход. На вход поступает некоторое внешнее воздействие X(t), а на выходе формируется функция S(t). 

Рис 2.

Характер  внешнего воздействия зависит от конструкции УВВ и в каждом конкретном случае может быть различным. Что касается выходной функции то она для любой конструкции УВВ имеет одну общую деталь – она принимает только два значения, причем в одном из них она может находиться только в течении строго определенного интервала времени T.  
 
 

Обозначим эти состояния как 0 и 1. Устройство находится в состоянии 0 (пассивное состояние) до тех пор пока на его вход не поступит какое либо внешнее воздействие X(t). После этого оно переходит в состояние 1 (активное состояние). По прошествии времени T устройство возвращается в состояние 0.

       В неэлектрических УВВ работающих  по такому принципу (например  в механическом таймере) активное  и пассивное состояния могут  проявляться в различных углах  поворота управляющих рычагов,  воздействующих на исполнительные  механизмы. В электрических, УВВ функция S(t) как правило, проявляется в изменениях значений напряжения на выходе.

     Так как целью создания устройства является   автоматизированное управление некоторыми технологическими процессами на производстве, для облегчения труда персонала. Освобождения людей от вредной тяжелой и утомительной работы, а  на сегодняшний день большинство процессов управляется различными электронными устройствами, для решения поставленной цели был выбран вариант, основанный на применении только электронных компонентах без механической составляющей, то есть  «Электронный таймер». 

1.4 Обзор и  сравнение существующих изделий  (аналогов).

На сегодняшний  день на Российском рынке существует множество подобных изделий (аналогов) как отечественного, так и зарубежного производства они подобны как принципиально, так и  конструктивно. Одни из них очень точны и функциональны и их главным недостатком является высокая цена к таким устройствам относят и отечественный таймер – таймертрон S он имеет следующие характеристики:

2 однополюсных переключающих контакта

Переключение второго однополюсного переключающего контакта программируется как мгновенный контакт. 
 

Широкий диапазон применения внешним контактом.

Управляются 3-проводным бесконтактным выключателем.

Запоминающее  устройство времени (доступно) на ERS, AHS, AWS, EAS, MBS, MFS, 2 или 3 светоизлучающих диода для индикации рабочего состояния.

Подсоединение дистанционного потенциометра. Во время  подключения дистанционного потенциометра, встроенный потенциометр не функционирует.

Просты в использовании, легко регулируются, имеется шкала непосредственного отсчёта показаний для установки времени.

Маркер  для идентификации. Стоимость на Российском рынке – 3340руб.

     Другие  довольно дешевые но у них есть один на мой взгляд существенный недостаток это погрешность в отмере интервалов времени у некоторых разница в измерениях одного и того же большого интервала времени может достигать нескольких минут при повторном запуске - это связано с применением в них RC – фильтра.

Такие устройства имеют очень низкую себестоимость, и небольшую долговечность эксплуатации.

Таблица№1 – Сравнение аналогов.

 
 
 

2. Специальная  часть. 

2.1 Технические  характеристики проекта. 

Конструкция электронного таймера должна обеспечить безопасность персонала при эксплуатации изделия. Общие требования к электрической и механической безопасности согласно ГОСТ 12.2.007.0-75. Параметры устройства должны контролироваться посредством стандартных измерительных приборов, обслуживающим персоналом среднего уровня квалификации. У прибора должен быть интуитивно понятный интерфейс и органы управления, разрабатываемый таймер дожжен стать альтернативой дорогим и мощным таймерам. 

     Разрабатываемое  устройство  должно иметь следующие  технические характеристики:

Напряжение  питания, В – 220,

Максимальная  мощность подключаемого электроприбора, Вт – 600,

Ток потребления, мА – 50,

Диапазон устанавливаемого времени, сек - 1...99,

Длительность  звукового сигнала, с 5,

Размеры печатной платы, мм 45x67. 
 
 

 
 

2.2 Требования  к надежности изделия. 

      Изделие по степени надежности должно удовлетворять  требованиям ГОСТ 27.003-90.

Средняя наработка на отказ, час..............не менее 27000;

Вероятность безотказной  работы:.................0.75;

Среднее время восстановления, час............. 0.3; 

2.3 Требования к уровню унификации и стандартизации. 

      В качестве комплектующих единиц и  деталей (коммуникационные изделия  электроники, детали крепления, детали установки) должны использоваться серийные изделия. 

2.4 Эстетические и эргономические требования. 

      Изделие по своим эргономичным показателям  должно обеспечивать удобство при монтаже  и эксплуатации. 

2.5  Обоснование  выбора схемы электрической структурной. 

     Схема электрическая структурная была выбрана с учетом ее информативности - точного описания всех основных компонентов устройства и как вывод более наглядного представления о работе разрабатываемого электронного таймера. Схема электрическая структурная представлена в приложении Б. Расшифровка условных обозначений:

ККП – клеммник контактов питания,

БС –  блок стабилизации,

ЗИ –  звуковой индикатор,

МК –  микроконтроллер,

КУ –  клавиши управления,

ДИ –  двухразрядный индикатор,

ИР –  исполнительное реле,

Н –  нагрузка.  

2.6 Обоснование  выбора схемы электрической принципиальной. 

     За  основу в разрабатываемом устройстве был взят специализированный  микроконтроллер серии AVR - AT90S1200 фирмы ATMEL. Особенность его в том, что он изначально запрограммирован на отчисление времени с интервалом в одну секунду. Принципиальная электрическая схема была выбрана с учетом того что она должна наиболее полно отображать все электрические элементы, компоненты и устройства, необходимые для осуществления контроля в изделии заданных электрических процессов, все связи между ними, а также оголённые элементы схемы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.  
 Все схемы были разработаны самостоятельно с учетом  правил выполнения электрических схем установленных в ГОСТ 2.702-75. Электрическая  схема представлена в приложении А.  

2.7 Принципы  работы проектируемой модели. 

     Напряжение  сети 220 В поступает с клемника XS1 через конденсатор на диодный  мост VD4. Выпрямленное напряжение ограничивается стабилитроном VD3 до величины 24 В и  используется для питания катушки  реле. Замыкание реле K1 происходит при открытии транзистора VT3 в момент появления высокого уровня на выводе 11 микроконтроллера. 

       При этом в начальный момент  реле замыкается током заряда  конденсатора C4 , а в дальнейшем  якорь реле удерживается в  притянутом состоянии током 11 мА, протекающим через резистор R8. Диод VD2 предохраняет транзистор VT3 от пробоя импульсом напряжения самоиндукции, возникающем при размыкании реле K1. Интегральный стабилизатор DA1 формирует напряжение 5В для питания цифрового индикатора и микроконтроллера DD1.

     

     

       Тактовая частота работы микроконтроллера определяется частотой кварцевого резонатора ZQ1, подключённого к выводам 4 и 5. К выводам 8, 9, 12 подключены кнопки управления. Эти выводы запрограммированы на вход таким образом, что при разомкнутой кнопке на них присутствует напряжение лог.1, а при замыкании кнопки – напряжение лог.0. Звукоизлучатель подключён к выводам 2 и 3 микроконтроллера, которые запрограммированы на выход таким образом, что напряжение звуковой частоты поступает на них в противофазе. Вывод 11 микроконтроллера используется для управления электромагнитным реле через транзистор VT3. Для отображения времени служит двухразрядный семисегментный индикатор VD1, который в данном устройстве работает в динамическом режиме, т.е. цифры на нём горят не одновременно, а поочерёдно, при этом их переключение происходит с такой скоростью, что для человеческого глаза создаётся иллюзия их одновременного свечения. Это сделано для того, чтобы использовать для вывода информации на двухразрядный индикатор не 14, а 7 выводов микроконтроллера. При этом сегменты обоих разрядов индикатора VD1 соединены параллельно и через резисторы R1…R7 подключены к выводам 13…19 микроконтроллера. На выводах 6, 7 микроконтроллера формируется противофазное напряжение для поочерёдного включения разрядов индикатора. Под действием этого напряжения поочерёдно открываются транзисторы VT1,VT2, соединяя с шиной питания 5В общий анод либо младшего, либо старшего разряда индикатора.

2.8 Описание  проектируемой модели.

     Устройство  монтируется на двухсторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размером 45х67 мм. Расположение элементов и чертёжи верхней и нижней стороны печатной платы приведены соответственно на «Приложении В.», и «Приложении Г.»

     

     

       На верхней стороне печатной  платы устанавливаются все элементы, кроме кнопок SB1 – SB3, Звукоизлучателя BQ1 и индикатора VD1, которые устанавливаются на нижней стороне платы. Применяемый в устройстве пьезокерамический Звукоизлучатель ЗП-3 имеет особенность в том, что одним из его выводов является вся его нижняя сторона и подача электрического сигнала на этот вывод должна осуществляться через пружинный контакт. Этот контакт может представлять собой отрезок стальной пружины диаметром 0,3 – 0,5 мм и длиной 1 см, впаянный одним концом в контактную площадку, распложенную под реле. Корпус устройства выполнен из пластмассы в виде продолговатой коробочки небольшого размера. Полностью укомплектованное устройство имеет вес порядка 120г. В следствии небольших габаритов, малого веса, простоты в установке и эксплуатации устройство является довольно эргономичным  и удобным в использовании.  

2.9 Выбор  элементной базы разработки. 

      Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом изложенных в ТЗ условий  и требований. Эксплуатационная надежность элементной базы в основном определяется правильным выбором типа элементов при проектировании и при использовании в режимах, которые не превышают предельно допустимые.

      Для правильного выбора типа элементов  необходимо на основе требований по установке в частности климатических, механических и др. влияний проанализировать условия работы каждого элемента и определить:

• эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, атмосферное давление, механические нагрузки и др.);

• значения  параметров и их разрешенные изменения в процессе эксплуатации (номинальное значение, допуск, сопротивление изоляции, шумы, вид функциональной характеристики и др.);
• разрешенные режимы и рабочие электрические нагрузки (мощность, напряжение, частота, параметры импульсного режима и др.);
• показатели надежности, долговечности и срока сохранения.

Критерием выбора в устройстве электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ, заданных условиями работы и эксплуатации.

      Основными параметрами при выборе ЭРЭ является:

      Технические параметры:

• номинальное значение параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схемы прибора;
• допустимые отклонения величины ЭРЭ от их номинального значения;
• допустимое рабочее напряжение ЭРЭ;
• диапазон рабочих частот ЭРЭ;
• коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

      Эксплуатационные параметры:

• диапазон рабочих температур;
• относительная влажность воздуха;
• атмосферное давление;
• вибрационные нагрузки;
• другие показатели.

      Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ является:

• унификация ЭРЭ;
• масса и габариты ЭРЭ;
• наименьшая стоимость.

      

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям  позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации ЭРЭ при конструировании изделия позволяет получить следующие преимущества:

• значительно уменьшить сроки и стоимость проектирования;
• сократить на предприятии номенклатуру примененных деталей и сборочных единиц;
• увеличить масштабы производства;
• исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта схемы, то есть упростить подготовку производства;
• создать специализированное производство стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятия;
• улучшить эксплуатационную и производственную технологичность;
• снизить себестоимость выпуска проектируемого изделия.

      Учитывая  сказанное, сделаем выбор элементной базы для разрабатываемого УВВ. 

В устройстве применены:

• микросхема: AT90S1200
• конденсаторы: К10-62 , К50-7, К50-29, К75-10
• стабилизатор: LM2931
• резисторы: ПЭВ-20, ПЭВ-50, С2-29В

 

• диоды: N4148

• транзисторы: DTА144ES, DTС144ES
• стабилитрон: ZENER 24 V 1W

 

• реле: JS1 24 V

 

• кварцевый резонатор: 1 МГц

 

• Клеммник 2 контакта: ED350V-02P

 

• Клеммник 3 контакта: ED350V-03P

 

      Проведем  сравнительный анализ, вышеуказанных  элементов с их аналогами, диапазон эксплуатационных характеристик  которых  отвечает предъявленным техническим требованиям. За цель ставим выбор ЭРЭ наиболее дешевых, распространенных, которые поставляются многими организациями – поставщиками электронных компонентов, при условии соблюдения принципа наименьших габаритов и размеров.  

2.10 Выбор  микросхем. 

В схеме, в качестве управляющей микросхемы, применена микросхема AT90S1200, которую выпускает фирма ATMEL на сегодняшний день аналогов нет. 

2.11 Выбор  резисторов. 

      При выборе резисторов руководствуемся  такими характеристиками как электрическое  сопротивление и стоимость. Для работы устройства нам нужны резисторы с сопротивлением равным: 1,0 кОм, 2,2 кОм, 220 кОм поэтому были выбраны следующие резисторы обладающие подходящими оптимальными характеристиками в соотношении цена качество: ПЭВ-20, ПЭВ-50, С2-29В. 

 

2.12 Выбор  конденсаторов. 

      При выборе конденсаторов главным образом руководствуемся такими критериями как низкая стоимость, малая площадь установочного места и габариты. Для работы устройства нам нужны конденсаторы удовлетворяют следующим требованиям: 27...30 пФ, 100 мкФ х 25 В, 470 мкФ х 25В, 0,47 мкФ х 400 В. Проведя анализ доступных элементов было решено остановить свой выбор на недорогих конденсаторах отечественного производства а именно на:   К10-62 , К50-7, К50-29, К75-10. 

2.13 Выбор диодов. 

      В схеме  использованы низковольтный диод N4148, аналогом которого является диоды отечественного производства КД521, КД522. За показателем стоимости и распространенности N4148 есть лучший выбор.