Устройство охраны автопоезда
Содержание
Введение 4
1 Обзор литературы 6
2 Обоснование выбора структурной схемы 13
3 Обоснование выбора функциональной схемы 15
4 Обоснование выбора принципиальной схемы 16
5 Описание элементов схемы 21
6 Описание работы устройства 31
Заключение 33
Литература 34
Приложение А – Схема электрическая структурная
Приложение Б – Схема электрическая функциональная
Приложение В – Схема электрическая принципиальная
Приложение Г – Перечень элементов
Введение
Электронные устройства составляют основу важнейших средств современной связи, автоматики, измерительной техники. Область науки, техники и производства, в которой разрабатываются принципы производства и совершенствования электронных приборов, методы их инженерного расчета и технологического обеспечения, способы создания электронных систем для нужд народного хозяйства называется электроникой.
Использование электронной аппаратуры обусловлено ее быстродействием, точностью, высокой чувствительностью, малым потреблением энергии, постоянно возрастающей экономичностью.
Широкое внедрение микропроцессорной техники во все сферы человеческой деятельности, эффективность этого процесса неразрывно связаны как с развитием многочисленных сложных технических разработок, так и с уровнем подготовки в этой области специалистов самого различного профиля. Соответствие функциональных возможностей микропроцессорных систем и технологического назначения связанных с ними объектов обусловливает необходимость соответствующей подготовки специалистов-прикладников в ранее далекой от их профессиональных интересов области [1].
Микропроцессорная техника постепенно замещает и вытесняет традиционную цифровую технику. Универсальность, гибкость, простота проектирования аппаратуры, практически неограниченные возможности по усложнению алгоритмов обработки информации — все это обещает микропроцессорной технике большое будущее. На долю традиционной цифровой техники остаются только узлы и устройства, требующие максимального быстродействия, а также устройства с простейшими алгоритмами обработки информации. Обычная цифровая техника сегодня применяется для увеличения возможностей микропроцессорных систем, для их сопряжения с внешними устройствами, для увеличения их возможностей, то есть играет вспомогательную роль. [2]
Измерение, управление и
регулирование — это три
В данном курсовом проекте разрабатывается устройство охраны автопоезда.
Автомобильное охранное устройство предназначено для предотвращения угона автомобиля, несанкционированного запуска двигателя, а так же для выдачи предупреждающих и оповещающих сигналов при попытке взлома и вторжения в автомобиль.
Как правило подобное охранное устройство позволяет разорвать несколько ответственных электрических цепей в автомобиле, делая невозможным его запуск. Включенная сигнализация контролирует ряд точек в автомобиле, и в случае вторжения включает звуковые и световые сигналы для привлечения внимания. Количество контролируемых точек зависит от комплекта датчиков, подключенных к охранному устройству.
В настоящее время каждый автомобиль необходимо оборудовать специальными устройствами, предотвращающими проникновение в него посторонних лиц и исключающих несанкционированный пуск двигателя и снятие колес. К сожалению, имеющиеся на автомобиле стандартные замки в дверях, багажнике и замок зажигания не обладают надежными противоугонными свойствами. [4]
1 Обзор литературы
По конструктивному исполнению автомобильные охранные устройства делятся па два типа: компактные и модульные.
По конструктивному исполнению автомобильные охранные устройства можно разделить на два типа — компактные и модульные. Устройство в компактном исполнении представляет собой моноблок, содержащий в себе почти все элементы системы — электронные узлы, сирену, ударный датчик или ультразвуковой сканер, реле блокировки. Соединения с проводкой автомобиля минимальны, что обуславливает простоту монтажа. Охранное устройство такого типа обычно имеют только необходимые функции и относительно невысокую цену. Из-за того, что электронные компоненты располагаются вместе с сиреной под капотом и подвергаются атмосферным воздействиям, потенциально более подвержены поломкам. Размещение всей системы в одном месте делает ее более уязвимой для взломщика.
Устройство в модульном исполнении имеет отдельный центральный блок, сирену, внешние датчики и реле блокировки. Центральный блок в этом случае располагается в салоне в защищенном от доступа месте и не подвергается атмосферным воздействиям. Этот тип сигнализаций легче дооборудуется дополнительными датчиками и исполнительными устройствами, шире набор сервисных функций. Рассредоточение узлов делает этот тип устройств более эффективным в случае попыток угона. Монтаж таких сигнализаций сложнее, чем моноблочных, и требует лучшего знания автомобиля.
Отличительная особенность автомобильных систем охранной сигнализации заключается в том, что они должны удовлетворять следующим требованиям:
- питание системы должно осуществляться от источника постоянного тока, как правило, от аккумулятора;
- ток потребления в режиме охраны не должен превышать нескольких десятков миллиампер;
- система должна иметь малые габариты, позволяющие надежно укрыть ее от посторонних наблюдателей;
- система должна иметь высокую надежность и виброустойчивую конструкцию;
- водитель должен быть полностью уверен в том, что система исправна и автомобиль взят под охрану. Для этого в системе должна быть предусмотрена возможность звукового или визуального контроля исправности охранного устройства;
- система должна не только оповещать хозяина о попытке проникновения постороннего в автомобиль, но и предупреждать окружающих о том, что автомобиль находится под охраной.
Автомобильные охранные сигнализации используют множество датчиков — от самых простых до сложных, представляющих собой практически самостоятельные интеллектуальные электронные устройства.
В автомобильных системах применяются следующие типы датчиков:
- контактные датчики;
- датчики битого стекла;
- датчики удара;
- датчики падения напряжения;
- токовые датчики;
- датчики обрыва питания;
- датчики движения
- объемные датчики
Рассмотрим назначение и основные особенности данных датчиков.
Контактные датчики используют все охранные устройства. Эти датчики предназначены для защиты дверей автомобиля, капота и багажника. В качестве таких датчиков обычно используются кнопочные выключатели.
Датчик битого стекла реагирует
на характерный звук разбитого стекла.
Это датчик микрофонного типа и может
быть одноуровневым или
Датчик удара представляет собой устройство, регистрирующее вибрацию и удары по корпусу автомобиля. Если амплитуда вибраций превышает заданную величину, срабатывает сигнализация. Датчик работает на основе пьезоэффекта или электромагнитной индукции, когда постоянный магнит перемещается вдоль обмотки катушки и тем самым наводит в ней переменный ток. К данному классу относится и лазерный датчик, принцип работы которого заключается в смещении чувствительного элемента фотоприемника относительно узкого луча полупроводникового светодиода при вибрациях и ударах но кузову автомобиля.
Датчик удара имеет высокий уровень ложных срабатываний из-за внешних помех (ветра, проезжающего транспорта, и т.п.). Серьезным недостатком датчика удара является низкая чувствительность к плавным покачиваниям автомобиля.
Датчик падения напряжения в режиме охраны контролирует напряжение бортовой сети автомобиля. При возникновении бросков напряжения, вызванных, например, открыванием дверей автомобиля, датчик выдает соответствующий сигнал в блок управления сигнализации. Датчик такого типа встраивается в центральный блок и входит в состав базового комплекта большинства охранных устройств.
Токовый датчик работает аналогично датчику падения напряжения. Однако в режиме охраны он регистрирует скачок тока, возникающий при подключении дополнительной нагрузки к источнику питания (например, при открывании двери автомобиля). Токовый датчик должен обладать очень высокой чувствительностью к малым броскам тока и поэтому в сигнализациях используется довольно редко.
Использование датчика обрыва питания в автосигнализациях считается традиционным. При обрыве цепи питания сигнализации (отсоединении клемм аккумуляторной батареи) датчик срабатывает и, если к сигнализации подключена сирена с автономным питанием, включает ее.
Датчик движения срабатывает при попадании объекта, излучающего тепло, например человека, в зону охраны датчика. Данный датчик обычно имеет одну зону чувствительности (90° —110°) и устойчив к ложным срабатываниям. Недостаток самых простых и дешевых датчиков заключается в том, что они срабатывают при определенной скорости изменения теплового потока. Например, из-за прогрева солнцем салона автомобиля датчик может сработать.
Более совершенные датчики лишены этого недостатка. Их надежность и стойкость к тепловым помехам обеспечивается многоканальными головками и сложной электронной обработкой сигнала в самом датчике. В простых моделях обработка сигналов осуществляется аналоговыми методами, а в более сложных — цифровыми, например, с помощью встроенного процессора.
Объемные датчики относятся к наиболее чувствительным системам охраны салона автомобиля. Они регистрируют любое перемещение в закрытом пространстве салона. К объемным датчикам относятся:
- ультразвуковой датчик;
- микроволновый датчик;
- инфракрасный датчик;
- датчик изменения объема.
Ультразвуковой датчик предназначен для обнаружения перемещений в салоне автомобиля. Действие его основано на интерференции ультразвуковых колебаний. К основному недостатку ультразвукового датчика можно отнести ложные срабатывания при возникновении конвекционных потоков воздуха в системе отопления автомобиля.
Микроволновый датчик предназначен для обнаружения движения внутри салона и вблизи автомобиля. Первая зона охраны находится за пределами автомобиля, а вторая — собственно салон.
Инфракрасный датчик так же, как и ультразвуковой, охраняет только салоп автомобиля. Его действие основано па регистрации изменения интерференционной картины волн инфракрасного диапазона. Этот датчик способен контролировать закрытые помещения большого объема, поэтому рекомендуется для установки в салопах микроавтобусов, фургонов и т.п. Основной недостаток большой потребляемый ток, по сравнению с другими объемными датчиками.
Датчик изменения объема предназначен для регистрации изменения давления воздуха в салоне автомобиля, возникающего, например, при открывании двери либо стекла автомобиля. Этот датчик имеет очень высокую чувствительность и в связи с этим возможны ложные его срабатывания, особенно при остывании салона автомобиля в зимний период. В автосигнализациях применяется крайне редко. [5]
Рассмотрим схему автомобильного охранного устройства на базе микроконтроллера MSP430С1111, представленную на рисунке 1.
В основе функционирования данной схемы лежит работа микроконтроллера DD1. Микроконтроллер DD1, выполняет функцию приема и обработки информации. Информация о состоянии замка зажигания, капота, дверей, багажника, датчика объёма и сигналы управления с брелка поступают на входы Р1.0 – Р1.7 порта ввода - вывода Р1. Ко входам Р2.0 – Р2.5 порта ввода – вывода Р2 подключены выходы микросхемы DD2 содержащей данные о настройках и исходном состоянии сигнализации. Передача данных осуществляется через вывод DO, принимаются данные выводом DI, на вывод CLK подаются тактовые импульсы.
Для защиты портов ввода – вывода микроконтроллера DD1 от подачи на них напряжения 12В от сети автомобиля используются цепочки R1-R7-VD2, R2-R3-VD3, R4-R5-VD4, R6-R8-VD5. Рассмотрим работу первой цепочки. Резистор R1 и стабилитрон VD2 образуют стабилизатор напряжения. Резистор R1 ограничивает ток через стабилитрон VD2. Резистор R7 является подтягивающим и служит для формирования уровня логического нуля на входе Р1.0 порта Р1 в моменты отсутствия напряжения 12В. Остальные цепочки работают аналогично. Конденсаторы С1-С4 предотвращают появление различных наводок, всплесков, помех на входах микроконтроллера.
Рисунок 1 – Принципиальная
электрическая схема
При необходимости блокировки автомобиля на выводе Р2.4 DD1 появится уровень логической единицы, который откроет транзистор VT1, что приводит к срабатыванию реле блокировки. Резистор R9 применяется для надежного закрытия транзистора, предотвращая тем самым ложные сигналы. Диод VD7 применяется для предотвращения входа в Р2.4 микроконтроллера DD1 обратного тока VT1, в случае выхода последнего из строя.
Диод VD6 предназначен для предотвращения выхода из строя микроконтроллера при подаче напряжения питания обратной полярности.
Рассмотрим следующую схему автомобильного охранного устройства на базе микроконтроллера MSP430F122, представленную на рисунке 2.
Рисунок 2 – Принципиальная
электрическая схема
Базовую часть устройства составляет микроконтроллер DD1, который принимает и обрабатывает информацию, поступающую на его порты от концевых выключателей дверей, капота, грузового отделения, замка зажигания, датчика удара, датчика объема, радиомодуля, обеспечивающего связь с брелком.
Настройки и состояния сигнализации хранятся в микросхеме DD2. Обмен данными с микроконтроллером осуществляется по стандартному проводному интерфейсу. Передача данных осуществляется через вывод DO, принимаются данные выводом DI, на вывод CLK подаются тактовые импульсы, работа или запрещение работы микросхемы DD2 осуществляется подачей на вход CS логического нуля или единицы.
Для предотвращения подачи на порты микроконтроллера напряжения 12 В бортовой сети автомобиля используются цепочки R1-R10-VD2, R9-R11-VD6. Рассмотрим работу первой. Резистор R1 и стабилитрон VD1 образуют стабилизатор напряжения. Резистор R1 – гасящий, ограничивает ток через стабилитрон. Резистор R10 является подтяжкой, и служит для надежного формирования уровня лог. единицы на входе порта в моменты отсутствия напряжения 12В (контакт разомкнут). Работа второй цепочки аналогична рассмотренной выше. Резисторы R2, R3 так же являются «подтяжками» и служат для формирования уровня лог. единицы на входе микроконтроллера. Резистор R14 – гасящий, служит для ограничения тока через светодиод. Конденсаторы С1-С5 предотвращают появление различных наводок, всплесков, помех.
Электрозамками, габаритными огнями и другими исполнительными устройствами по команде микроконтроллера DD1 управляет реле К1. Но из-за потребления их обмотками тока 200 мА каждой, при рабочем напряжении 12 В, их невозможно подключить прямо к портам. Поэтому применяется микросхема DA1. Данная микросхема представляет собой набор переключателей на транзисторах Дарлингтона, и позволяет коммутировать ток до 500 мА на канал. При появлении на входе какого-либо канала уровня лог.1 осуществляется коммутация соответствующего выхода с «землей», что приводит к срабатыванию реле. Эта микросхема так же коммутирует ток светодиода, и выдает импульс управления на стеклоподъемник.
При необходимости подачи звукового сигнала на выводе Р3.7 DD1 появится уровень логической единицы, который откроет транзистор VT1, и через сирену потечет ток. Резистор R13 используется для надежного закрытия транзистора, предотвращая тем самым ложные сигналы. Диод VD7 используется для защиты порта микроконтроллера от обратного тока VT1, в случае выхода последнего из строя.
Диод VD7 предназначен для предотвращения выхода из строя всей схемы при подаче напряжения питания обратной полярности.
Конденсаторы С6 и С7 используются для развязки по питанию и предотвращают высокочастотные колебания напряжения. [6]
2 Обоснование выбора структурной схемы
Структурная схема должна определять основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи [7].
Разрабатываемое устройство охраны автопоезда должно предотвращать угон автомобиля и выдавать предупреждающие и оповещающие сигналы при попытке взлома и вторжения. В соответствии с этим в состав данного устройства должны входить следующие функциональные узлы:
- микроконтроллер;
- датчик открытия водительской двери;
- датчик открытия пассажирской двери;
- датчик открытия капота;
- датчик открытия грузового отсека;
- датчик объёма;
- датчик удара;
- сирена;
- блок оптической развязки;
- светодиодный индикатор;
- разъём программирования микроконтроллера;
- источник питания.
Микроконтроллер является ядром устройства охраны автопоезда, выполняет заложенный алгоритм работы, принимает информацию с датчиков и выдает сигналы управления.
Датчики являются первичными источниками информации о том, что происходит с автопоездом.
Сирена служит для реализации звуковой сигнализации в случае нападения на автопоезд.
Блок оптической развязки предназначен для гальванической развязки входных сигналов от датчиков и управляющего сигнала от микроконтроллера к сирене.
Светодиодный индикатор служит визуальным подтверждения того, что в составе автопоезда имеется устройство охраны, а также включено оно либо выключено.
Разъём программирования микроконтроллера предназначен для загрузки программного обеспечения.
Источник питания преобразует входное напряжение 12 В в стабилизированное напряжение 5В для питания всей схемы. Также данный узел гальванически развязывает бортовое напряжение от напряжения питания микроконтроллера.
3 Обоснование выбора функциональной схемы
Функциональная схема разъясняет определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях устройства, и используется для изучения общих принципов работы, а также при наладке, ремонте и регулировки. [7]
Микроконтроллер выбираем PIC18F252. [8]
В качестве датчиков первичной информации выбираем следующие:
- в качестве датчиков
открытия используем концевые
выключатели
- в качестве датчика объёма используем двухзонный цифровой датчик объема VG – 64 [10];
- в качестве датчика удара используем цифровой двухуровневый датчик удара SG – 202 [11];
В качестве звукового сигнализатора используем сирену MS-110P [9].
Основу блока оптической развязки составляют оптроны SFH617 [9].
В качестве светового индикатора используем светодиод ARL2-3214URС [9].
Источником питания служит DC/DC – преобразователь TMA0505S [12].
4 Обоснование выбора принципиальной схемы
Принципиальная схема определяет полный состав элементов и связей между ними и, как правило, даёт детальное представление о принципах работы устройства. [7]
Микроконтроллер и необходимые элементы для его функционирования представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Схема включения микроконтроллера PIC18F258
Кварцевый резонатор BQ1 и конденсаторы С2 и С3 предназначены для создания стабильного синусоидального напряжения для микроконтроллера.
Конденсатор С4 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения в цепи питания микроконтроллера.
Разъём X2 (PBS-5) и резистор R2 предназначены для подключения программатора.
Рисунок 4 – Схема реализации блока оптической развязки.
Схема реализации блока оптической развязки показана на рисунке 4.
Непосредственно оптическая развязка осуществляется оптронами U2 – U10. Резисторные сборки R3 и R5 предназначены для создания рабочих токов в цепях фототранзисторов и диодов оптронов соответственно. Конденсаторы С7 – С14 предназначены для среза пульсаций напряжения на входе оптронов U2 – U9. Резисторы R4 и R6 создают рабочие токи для диода и фототранзистора оптрона U10.
Датчик открытия водительской двери (SA1) подключается к блоку оптической развязки согласно рисунку 5.
Рисунок 5 – Схема подключения датчика открытия водительской двери.
Датчик открытия пассажирской двери (SA2), датчик открытия капота (SA3) и датчик открытия грузового отсека (SA4) подключаются к блоку оптической развязки аналогично датчику SA1.
Датчик объёма (DD2) подключается согласно рисунку 6.
Датчик удара (DD3) имеет аналогичное соединение с датчиком объёма.
Сирена (BA1) подключается по схеме, изображённой на рисунке 7. Полевой транзистор VT1 предназначен для усиления управляющего сигнала, снимаемого с порта RC2 микроконтроллера DD1.
Рисунок 6 – Схема подключения датчика объёма.
Рисунок 7 – Схема подключения сирены.
Светодиод VD2 подключается к микроконтроллеру согласно рисунку 8. Резистор R1 служит для создания рабочего тока через светодиод.
Источник питания схемы собирается на основе DC/DC – преобразователя U1, подключенного по схеме, изображённой на рисунке 9.
Диод VD1 служит для защиты схемы от неправильного подключения электропитания.
Рисунок 8 – Схема подключения светового индикатора к микроконтроллеру.
Рисунок 9 – Схема реализации источника питания
Конденсаторы С1, С5 и С6 предназначены для сглаживания пульсаций напряжения на входе и на выходе преобразователя.
Защитный диод VD3 предназначен для среза всплесков напряжений бортовой сети автопоезда свыше 33 В.
Разъём X1 предназначен для
подачи на устройство напряжения электропитания
12 В.
5 Описание элементов схемы
5.1 Описание микроконтроллера PIC18F252
Микроконтроллер PIC18F252 является однокристальным 8-разряднме FLASH CMOS микроконтроллером с 10 - разрядным АЦП компании.
5.1.1 Высокоскоростной RISC микроконтроллер:
- оптимизированная архитектура
и система команд для
- система команд совместима с командами семейств PIC16C, Р1С17Си PIC18C
- линейное адресное пространство памяти программ 32кбайта;
- линейное адресное пространство памяти данных 1,5кбайт;
- быстродействие до 10MIPS:
а) тактовая частота от 0 до 4МГц;
б) тактовая частота в режиме PLL от 4МГц до 10МГц.
- 16-разрядные команды, 8-разрядные данные;
- система приоритетов прерываний;
- аппаратное умножение 8x8 за один машинный цикл.
5.1.2 Характеристика периферийных модулей:
- высокая нагрузочная способность портов ввода/ вывода;
- три входа внешних прерываний;
- модуль TMR0: 8/16-разрядный таймер/счетчик с программируемым 8-разрядным предделителем;
- модуль TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик;
- модуль TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода (основной для ШИМ);
- модуль TMR3: 16-разрядный таймер/счетчик
- вторичный генератор тактового сигнала на основе TMR1/TMR3;
- два модуля ССР:
а) выводы модуля ССР могут работать как:
б) 16-разрядный захват, максимальная разрешающая способность 6.25нс;
в) 16-разрядное сравнение, максимальная разрешающая способность 100нс (TCY)
г) ШИМ, разрядность от 1 до 10 бит, максимальная частота ШИМ 156кГц 8 бит; 39кГЦ 10 бит.
- модуль ведущего последовательного синхронного порта (MSSP):
а) трёх проводной интерфейс SPITM (поддерживает 4 режима);
б) I2CTM (ведущий и ведомый режим).
- адресуемый модуль USART, поддержка интерфейса RS-485 и RS-232;
- модуль PSP, ведомый параллельный порт.
5.1.3 Аналоговые периферийные модули:
- модуль 10-разрядного АЦП:
а) высокая скорость преобразования;
б) работа модуля АЦП в SLEEP режиме микроконтроллера.
- программируемый детектор пониженного напряжения (PLVD): при обнаружении снижения напряжения возможна генерация прерываний:
в) программируемый сброс по снижению напряжения питания.
5.1.4 Особенность микроконтроллера PIC18F252:
- 100 000 гарантированных циклов стирание/запись памяти программ;
- 1 000 000 гарантированных циклов стирание/запись EEPROM памяти данных;
- возможность самопрограммирования;
- сброс по включению питания (POR), таймер включения питания (PWRT), таймер запуска генератора (OST);
- сторожевой таймер WDT с отдельным RC генератором;
- программируемая защита кода программы;
- режим пониженного энергопотребления и режим SLEEP;
- выбор режима работы тактового генератора, включая:
а) 4 х PLL (от основного генератора);
б) вторичный генератор (32кГц)
- внутрисхемное программирование по двухпроводной линии (ICSP) с одним напряжением питания 5В;
- внутрисхемная отладка по двухпроводной линии (ICD).
5.1.5 КМОП технология:
- высокоскоростная энергосберегающая КМОП технология;
- полностью статическая архитектура;
- широкий диапазон напряжений питания (от 2.0В до 5.5В);
- промышленный и расширенный температурные диапазоны.
5.1.6 Цоколёвка и структурная
схема микроконтроллера
Рисунок 10 – Цоколевка микроконтроллера PIC18F252
Рисунок 11 – Структурная схема микроконтроллера PIC18F252 [8]