Маршрутный компьютер-тестер для автомобилей

1 Функциональные возможности МКТ

2 Выбор и обоснование схемы электрической структурной МКТ

3 Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной МКТ

3.1 Выбор элементной базы и разработка схемы электрической принципиальной МКТ

3.2 Описание принципа работы и настройка МКТ

4 Расчетная часть

4.1 Расчет потребляемой мощности МКТ

4.2 Расчет надежности МКТ

5 Конструкторская часть

5.1 Описание конструкции МКТ

5.2 Определение уровня унификации МКТ

6 Технологическая часть

6.1 Разработка техпроцесса сборки и монтажа МКТ

7 Организационно-экономическая часть

7.1 Оценка технического уровня МКТ

7.2 Расчёт затрат на техническую подготовку производства

7.3 Расчёт затрат на разработку и отладку программы

7.4 Расчёт себестоимости МКТ

7.5 Расчёт стоимости оборудования и капитальных затрат

7.6 Экономическая эффективность внедрения МКТ

8 Безопасность и экологичность

8.1 Анализ условий труда по факторам опасности и вредности, тяжести и напряжённости трудового процесса

8.2 Методы и средства улучшений условий труда и оптимизации трудового процесса

8.3 Электро и пожарная безопасность

8.4 Экологичность разрабатываемого устройства

9 Экспериментальная часть

9.1 Макетная сборка МКТ

9.2 Подсистема маршрутного компьютера-тестера Заключение Список используемой литературы

Как-то незаметно к нам подкрался новый век — век информационных технологий. И кто бы мог подумать, ну хотя бы лет десять назад, что компьютеры займут такие основательные позиции в нашей жизни.

Компьютер сегодня перестал быть вещью самодостаточной, вызывающей восторг и удивление, это повседневный инструмент для решения широкого круга задач. Компьютер нашел место и дома, и на работе.

А чем автомобиль хуже? Тем более, что для многих автомобиль — и работа, а зачастую и второй дом. Да и вообще за последние несколько лет в продукции автомобильного производства заметно прибавилось электронной начинки, а автомобилисту все сложнее управляться с ней в одиночку.

Именно для желающих жить с комфортом везде и всегда, в том числе и в собственном автомобиле, для этого необходимы специальные устройства, которые способны заметно облегчить нелегкую жизнь автомобилиста. Называются такие устройства бортовыми или маршрутными компьютерами.

В настоящее время на автомобилях широко применяются электронные блоки управления (ЭБУ) двигателями типа Бош М1.5.4 (N), Январь-5.1.x., ВС5.1, Январь-7.2. Работу этих блоков невозможно проконтролировать без специальных приборов, которые всегда желательно иметь «под рукой». Однако даже простейшие из них довольно сложны и поэтому недешевы.

Кроме управления двигателем, вышеназванные ЭБУ, вырабатывают сигналы с датчиков скорости и расхода топлива, которые выведены в салон автомобиля на специальный разъем для подключения маршрутного компьютера. Маршрутный компьютер позволяет отобразить различные параметры: время в пути, время в движении, пройденный путь, общий расход топлива, расход топлива на холостом ходу, текущую скорость, а также широкий спектр величин, рассчитанных на их основе (средняя скорость пути, средняя скорость движения и т. д.).

Технически возможно, а экономически целесообразно объединить маршрутный компьютер и диагностический тестер в одно устройство.

Целью дипломного проекта является разработка маршрутного компьютера-тестера для автомобилей (МКТ), который устанавливается в салоне автомобиля на штатное место, предусмотренное для бортового компьютера.

1 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МКТ

Маршрутный компьютер является мозгом машины и у него можно спросить, что в машине не работает или не попадает в заданные пределы нормы. Хотя, конечно, это не полный анализ, который может произвести квалифицированный мастер, но все же большую часть о состоянии машины выяснить можно. Количество функций современного бортового компьютера измеряется десятками, а для некоторых моделей переваливает за сотню.

Возможности:

— отображает все доступные параметры системы

— управляет доступными исполнительными механизмами

— регулирует СО

— показывает неисправности с текстовой расшифровкой ошибок!

— сбрасывает вышеуказанные ошибки

— показывает идентификационные данные блока управления

— пройденное расстояние от начала маршрута (в метрах).

— время нахождения на маршруте (включенное зажигание).

— время нахождения в движении (скорость движения не равна нулю).

— текущая скорость движения автомобиля (в км/час).

— средняя скорость движения на маршруте (в км/час).

— общий расход топлива на маршруте (в литрах).

— средний расход топлива на маршруте (в литрах на 100 км).

— мгновенный расход топлива (в литрах в час).

— остаток топлива в баке

— пробег на остатке.

— время разгона в указанном диапазоне скоростей Мгновенные параметры

Самое первое, на что способен бортовой компьютер, это отображать мгновенные параметры: текущее время, скорость автомобиля, обороты двигателя, температуру двигателя, температуру в салоне и температуру наружного воздуха, остаток топлива в баке, бортовое напряжение и т. д. Многие возразят, что большинство этих значений можно увидеть по показанию индикаторов на панели приборов, и окажутся не правы. Точность показаний штатных систем оставляет желать лучшего, а самое главное, не поддается коррекции.

Скажем, при установке колес большего диаметра скорость вашего автомобиля при тех же оборотах двигателя будет выше. Однако штатный спидометр ничего не знает о ваших новых колесах и будет отображать неверную информацию. В то время, как большинство бортовых компьютеров позволят внести коррективы в работу и сообщат вам об истинном значении скорости.

Маршрутные параметры

С бортовым компьютером становится доступной информация о текущем расходе топлива, среднем расходе на 100 км, расходе топлива за текущую поездку, времени поездки, пройденном пути. Некоторые бортовые компьютеры умеют не только отображать информацию о совершенной поездке, но и помогут запланировать новую. Например, сообщат время, необходимое для преодоления пути, рассчитают рекомендуемую скорость, сообщат о нужном количестве бензина или о количестве километров, которые удастся преодолеть на остатке топлива.

Контроль над ситуацией

Возможность увидеть на экране ряд параметров — это приятно. Однако важно не только увидеть, но и вовремя среагировать на нештатную ситуацию. Здесь крайне полезной окажется возможность бортового компьютера постоянно контролировать ряд параметров и при необходимости оперативно сигнализировать об их изменении.

При нарушении работы системы охлаждения или в просто очень жаркий день можно не заметить, что температура двигателя превысила норму, в этом случае есть большой риск «закипеть», что в конечном итоге обернется серьезными проблемами для автомобиля. Бортовой компьютер ни на секунду не потеряет контроль над ситуацией и немедленно предупредит вас о перегреве двигателя звуковым сигналом. Точно так же он проконтролирует и предупредит о превышении рекомендуемой скорости движения, о значении бортового напряжения, о необходимости очередного техобслуживания.

Существуют системы, сохраняющие работоспособность автомобиля даже в случае выхода из строя того или иного датчика, чтобы вы могли добраться до автосервиса или гаража и устранить неисправность. Стратегия состоит в том, что при возникновении неисправности в цепи какого-то датчика компьютер заменит сигнал этого датчика на постоянное значение, хранящееся в памяти (Fale Safe Mode — параметр по умолчанию).

При переходе в режим ограниченной управляемости двигатель продолжает работать, хотя и с меньшей эффективностью. Некоторые системы управления настолько «сообразительны», что водитель даже может не заметить, что продолжает ехать с неисправностью. Только горящая сигнальная лампочка говорит о том, что с двигателем не все в порядке, либо его параметры работы не соответствуют принятым нормам.

При неисправности особо важных датчиков, определяющих режим работы двигателя, его экономичность и экологичность, таких как датчик расхода воздуха или датчик давления в коллекторе, температурный датчик — компьютер может ограничить динамические характеристики двигателя. После устранения неисправности система возвращается к нормальному функционированию.

Сервисные функции и диагностика двигателя

Для владельцев автомобилей с инжекторными двигателями бортовой компьютер превращается в личного автомеханика, который перед каждой поездкой произведет диагностику двигателя и узлов автомобиля и сообщит о наличии неполадок и причинах, вызвавших их.

Как работает бортовой компьютер

Автомобильный компьютер является прямым родственником настольной персоналки и работают они по схожей схеме. Компьютер получает некоторые исходные данные, обрабатывает их по заданной программе и выводит на экран в форме, понятной любому пользователю.

Исходные данные

В случае с персональным компьютером все достаточно ясно. Данные вводятся с клавиатуры, сканера или считываются с носителей информации, например, жесткого диска. Откуда же берет информацию бортовой автомобильный компьютер, и что она собой представляет? Все очень просто. Современный автомобиль кишит разного рода датчиками, актуаторами и блоками управления. Бортовой компьютер подключается в цепь датчиков, таких как уровень топлива, скорости, к цепи зажигания, к колодке диагностики, к датчику расхода топлива и другим системам. То есть вся информация, которой оперирует бортовой компьютер, была в автомобиле и до появления оного. Но увидеть мы могли лишь ее малую часть.

Обработка данных

Здесь стопроцентная аналогия с обычным компьютером. В памяти автомобильного бортового компьютера заложена программа, которая обрабатывает полученные данные. Скажем, получив информацию с датчика уровня и датчика расхода топлива, компьютер дает возможность спрогнозировать пробег на остатке топлива. Так же и по ряду других параметров.

Самое главное, на что стоит обратить внимание при разработке компьютера, это возможность вносить поправки в полученные данные. Как уже говорилось, бортовой компьютер сам ничего не замеряет, всю информацию о процессах, происходящих с вашим автомобилем, он получает от штатных систем. Как правило, информация эта обладает большой погрешностью. Как следствие, все значения, вычисленные на основании неверных данных, будут иметь мало общего с действительностью.

Программа хорошего бортового компьютера позволяет подстроить показания по расходу топлива, расчету скорости, пробегу и т. д. Отсутствие данной функции не позволит получить достоверную информацию от вашего бортового компьютера.

Отображение информации

Немаловажную роль играет способ отображения полученной и вычисленной информации. А это напрямую зависит от типа установленного дисплея.

Дисплей может быть цифровой, трехили четырехразрядный. Для большей информативности этих дисплеев может быть два. Также встречаются модели с жидкокристаллическим дисплеем, похожие на те, что устанавливаются в мобильные телефоны. Бортовые компьютеры с этим типом дисплея наиболее удобны, однако цена их значительно выше.

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ МКТ

Алгоритм функционирования и особенности построения практически любого диагностического тестера начального уровня, работающего по протоколу KWP2000 и подключенного к К-линии, следующие:

1) Производится опрос клавиатуры и, в случае необходимости, модификация выбранного режима работы. Количество кнопок управления не превышает 4 штуки и выбор режима работы, которое осуществляется с помощью меню.

2) Формируется запрос на ЭБУ, соответствующий заданному режиму работы. Виды запросов весьма многообразны, однако их содержание (за небольшим исключением, например запросов на изменение состояния исполнительных механизмов) постоянно.

3) Ожидается ответ от ЭБУ и осуществляется прием данных при его получении. Длина принимаемого сообщения не превышает 128 байт.

4) По истечении времени ожидания или завершении приема данных производится анализ сложившейся ситуации и в соответствии с ней возможна модификация заданного режима работы.

5) При необходимости обновляется информация на индикаторе с преобразованием полученных из ЭБУ данных. Информация для пользователя должна выводиться в удобной форме, т. е. в виде развернутых буквенно-цифровых сообщений и подсказок, что требует применения знакосинтезирующего индикатора как минимум с 1 строкой на 16 символов (лучше 2*20). Объем информации для отображения в развернутом виде очень большой, что влечет за собой увеличение памяти для ее хранения. Полученные из ЭБУ данные, в некоторых случаях, должны быть пересчитаны по несложной формуле (точность вычислений при этом может быть невелика) и преобразованы из двоичной формы в символьный формат.

6) Делается пауза, т.к. согласно протокола, запросы на ЭБУ должны выдаваться не раньше 100 мс по окончании предыдущего сеанса обмена, и все повторяется сначала.

Алгоритм функционирования и особенности построения маршрутного компьютера примерно следующие:

1) Постоянно производится подсчет времени, импульсов с датчиков расхода топлива и скорости, а также измерение длительности между импульсами с датчика скорости.

2) Производится опрос клавиатуры и, в случае необходимости, модификация выбранного режима работы. Количество кнопок управления не превышает 4 штуки и выбор режима работы осуществляется с помощью меню.

3) Обновляется информация на индикаторе с преобразованием накопленных первичных данных. Информация для пользователя должна выводиться в удобной форме, т. е. в виде развернутых буквенно-цифровых сообщений и подсказок, что требует применения знакосинтезирующего индикатора как минимум с 1 строкой на 16 символов (лучше 2*20). Объем информации для отображения в развернутом виде очень большой, что влечет за собой увеличение памяти для ее хранения. Первичные данные должны быть пересчитаны по несложным формулам (точность вычислений при этом может быть невелика) и преобразованы из двоичной формы в символьный формат.

4) Делается пауза, т.к. исходя из психофизиологических особенностей человека частота обновления информации не должна превышать 10Гц, и все повторяется сначала.

Как видно из вышесказанного, между функционированием устройства в режиме тестера или маршрутного компьютера много общего, что позволяет совместно использовать аппаратные и программные ресурсы.

С точки зрения построения программы, учитывая большой объем текстовых сообщений, все их желательно вынести за пределы внутреннего сравнительно небольшого ПЗУ микроконтроллера. Т.к. между обновлениями информации существует большая пауза (не менее 100 мс), а количество одновременно отображаемых символов невелико, то эти данные могут быть размещены во внешнем ПЗУ с последовательной выборкой и извлекаться оттуда по мере необходимости. Развивая эту идею, можно вынести во внешнее ПЗУ сами запросы, описание формул для пересчета различных параметров, а также и весь сценарий работы с меню. Таким образом, в микроконтроллере остается программа-монитор, которая осуществляет:

· инициализацию устройства;

· обработку прерываний;

· опрос клавиатуры;

· вывод на жидкокристаллический индикатор;

· передачу и прием данных из буфера по К-линии;

· формирование временных задержек;

· выдачу звуковых сигналов;

· считывание данных из внешнего ПЗУ, их интерпретацию и преобразование.

Такой подход и применен в предлагаемом устройстве, что позволяет легко наращивать и видоизменять набор контролируемых параметров, не затрагивая микроконтроллера.

Схема электрическая структурная представлена на чертеже АКВТ.230 101.ДП00.10Э1.

Маршрутный компьютер-тестер состоит из следующих компонентов: микроконтроллер; интерфейс подключения к К-линии; пульт управления; дисплей; ПЗУ.

МКТ подключается к системе электрооборудования автомобиля в соответствии со схемой включения предусмотренной для бортового компьютера.

3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ МКТ

3.1 Выбор элементной базы и разработка схемы электрической принципиальной МКТ

Задание для дипломного проектирования предусматривает создание МКТ, представленного на схеме электрической структурной АКВТ.230 101.ДП00.10Э1.

Для того, чтобы МКТ обеспечивал выполнение своих рабочих функций с необ-ходимыми параметрами, используются в качестве элементной базы инте-гральные микросхемы (ИМС) и дискретные элементы.

В настоящее время существуют несколько вариантов логик цифровых микросхем: транзисторно-транзисторная логика ТТЛ, металл-окисел-проводник МОП и эммиторно-связная логика ЭСЛ.

Отметим, что микросхемы МОП разрабатывали после внедрения в аппаратуру первых серий ТТЛ, поэтому во многом копировали их структуру. Большое распространение получили микросхемы КМОП — комплиментарные полевые транзисторы со структурой МОП. Микросхемы КМОП почти не потребляют электроэнергию от источника питания во время ожидания. При обработке сигналов ток потребления микросхем тем выше, чем выше быстродействие схемы.

Микросхемы ТТЛ также как и КМОП отвечают таким требованиям, как минимальное потребление энергии, но КМОП имеют наименьшие габариты и вес. Микросхемы логики КМОП целесообразно использовать в бортовых условиях работы.

ЭСЛ — это самая быстродействующая логика, но является самой спорной. Потребителей отпугивает очень большая рассеиваемая мощность.

Основным требованием к блоку является обеспечение минимального потребления электроэнергии, высокая надежность и минимальные габаритные размеры.

Маршрутный компьютер тестер рассчитан на бортовые условия эксплуатации, что следует учитывать при выборе элементной базы.

Выбор микроконтроллера:

В качестве микроконтроллера выбираем микроконтроллер AT89S53, 8-ми разрядный микроконтроллер с Flash памятью объемом 12 Кбайт семейства AT89S.

Использование микроконтроллеров АТ89 позволяет получить более высокие результаты при создании микроконтроллерных систем в плане снижения энергопотребления (за счет полностью статической структуры) и сокращения аппаратных затрат.

AT89S53 наиболее подходит к разрабатываемому блоку и сочетает в себе все функции ранее разработанных МК семейства AT89S. Поддерживает пословную и постраничную запись, используемую при программировании, а так же и побайтную запись, что очень важно при программировании.

Микроконтроллеры серии АТ89, изготовлены по КМОП (CMOS) технологии.

Основные преимущества перед другими моделями:

1) Совместимость с ИС семейства MCS 51

2) 12 Кбайт внутрисистемно-программируемой загружаемой Flash памяти:

3) Последовательный SPIсовместимый интерфейс для загрузки программ

4) Ресурс: 1000 циклов записи/ стирания

5) Напряжение питания от 4 В до 6 В

6) Полностатический режим работы: от 0 Гц до 24 МГц

7) Трехуровневая защита программирования памяти

8) Встроенная 256×8 бит RAM

9) 32 программируемые линии I/O

10) Три 16 — ти разрядных таймера/ счетчика

11) 9 источников прерывания

12) Программируемый последовательный канал UART

13) Последовательный SPI — совместимый интерфейс

14) Экономичные режимы ожидания (Idle) и отключения (Power — down)

15) Пробуждение из режима отключения (Power Down) по прерыванию

16) Программируемый следящий таймер

17) Двойной указатель данных

18) Флаг отключения питания

Описание:

AT89S53 представляет собой экономичный, высокопроизводительный, 8-ми разрядный CMOS микроконтроллер с, загружаемой, программируемой и стираемой ROM памятью объемом 12 Кбайт. Производится с применением технологии энергонезависимой памяти с высокой плотностью размещения, разработанной корпорацией Atmel, и имеет совместимость с, широко используемым, стандартным набором инструкций, и расположением выводов стандарта 80С51. Наличие встроенной Flash памяти с поддержкой функции загрузки позволяет производить внутрисистемное перепрограммирование программного кода посредством последовательного SPI — интерфейса, или с помощью стандартного программатора энергонезависимой памяти. Благодаря объединению универсального, 8-ми разрядного CPU и загружаемой Flash памяти на одном кристалле, микроконтроллер Atmel AT89S53 имеет высокую производительность, гибкость в применении, и конкурентоспособную себестоимость для широкого спектра встраиваемых систем управления.

Загружаемая Flash память имеет возможность изменения одного байта за раз, а обращение к ней производится посредством последовательного SPI интерфейса. Удержание активного уровня сигнала инициализации RESET принудительно переводит шину SPI в режим последовательного программирующего интерфейса и обеспечивает возможность записи, или чтения программной памяти, в случае, если бит 2 блокировки (Lock bit 2) не был активирован.

Рисунок 3.1 — Конфигурация выводов Выбираем тип корпуса TQFP.

Рисунок 3.2 — Парамерты корпуса TQFP

Более подробная информация о микросхеме находиться в Datasheets производителя.

Выбор ПЗУ:

Задание для дипломного проектирования предусматривает использование ПЗУ для хранения констант заведомо известных показаний. Для хранения заведомо известных показаний потребуется память не менее 64кб.

В качестве ПЗУ выбираем память AT24C64, 65 536 битная серийная электрически стираемая и программируемая память только для чтения (EEPROM), организованная как 8192 слова по 8 бит каждое той же фирмы производителя, что и микроконтроллер, производства компании Atmel.

Выбираем тип корпуса PDIP.

Рисунок 3.3 — Конфигурация выводов

Рисунок 3.4 — Параметры корпуса PDIP

Выбор интерфейс для подключения к диагностической линии автомобиля:

В качестве микросхемы выполняющей функцию интерфейса для подключения к диагностической линии автомобиля выбираем ИМС МС33 290, производства компании Моторола.

ИМС МС33 290 — интерфейс подключения к диагностической линии автомобиля. Является последовательным интерфейсом связи, предназначенным для обеспечения двунаправленной полудуплексной связи взаимодействия с автомобильной диагностической системой управления. Предназначен для взаимодействия устройств на основе микроконтроллеров и электронного блока управления через специальный ISO K-линию.

Рисунок 3.3 — Конфигурация выводов

Рисунок 3.4 — Параметры корпуса

Выбор микросхемы часов реального времени.

В качестве ИМС выполняющей функцию часов выбираем микросхему M41T56.

M41T56 — серийные часы реального времени.

Особенности:

1) 32KHz кварцевый генератор

2) Последовательный интерфейс.

3) 5V ± 10% питающего напряжения

4) Батарея питания 450nA (TYP на 3V)

Выбор микросхемы формирования входного сигнала произвольной формы в цифровые сигналы.

Для реализации функции формирования входного сигнала произвольной формы в цифровые сигналы выбираем микросхему SN7413 — два триггера Шмитта с элементом 4И-НЕ на входе.

Выбор ЖК-индикатора Для отображения информации необходим двухстрочный 16-ти символьный русифицированный ЖК-индикатор со светодиодной подсветкой. Данный индикатор может быть любой фирмы изготовителя, главное соблюсти следующие требования: — контроллер ЖКИрусифицированный, 2 строки 16 символов.

Главное при выборе учесть совместимость ЖК-индикатора с микроконтроллером. Кроме Data Vision испытывались индикаторы фирм PowerTips, Wintec, Bolymin и ещё неизвестных производителей, работоспособность прибора не нарушалась. Индикатор — самый дорогой компонент МКТ.

Выбираем индикатор MT-16S2D-2YLG.

MT-16S2D-2YLG ЖКИ индикатор 2 строки 16 символов англо-русский, с подсветкой.

3.2 Описание принципа работы и настройка МКТ

Схема электрическая принципиальная представлена на чертеже АКВТ.230 101.ДП00.10Э3.

Схема питания МКТ питается от бортовой сети автомобиля, в которой возможны значительные броски питания и помехи. Для исключения неблагоприятных факторов предназначен ряд дополнительных элементов. Для защиты схемы от «переполюсовки» служит диод (VD1). Данный диод с прямым током не менее 300 mA. Для защиты схемы от бросков по питанию служат специальные автомобильные варисторы R5 и R17

Интерфейс подключения к диагностической линии автомобиля (k-line) выполнен на специализированной микросхеме МС33 290, которая может быть заменена на МС33 199 или L9243, Si9243.

Биполярные транзисторы — любые маломощные n-p-n, микросхему часов DD1 M41T56 можно заменить на DS1307, пьезоизлучатель ВА1 — обязательно со встроенным генератором.

Загрузка программы в микроконтроллер. Микроконтроллер программируется через параллельный порт (LPT). Схема подключения микроконтроллера (через разъем X1) к LPT порту компьютера приведена в самой программе программирования. Необходимо учесть, что максимальная длина кабеля, соединяющего микроконтроллер с компьютером не должна превышать 20−30 см.

Настройка МКТ В первую очередь необходимо:

— проверить отсутствие замыкания по питанию (между линиями +5 В и GND). При отсутствии замыкания подается напряжение питания (12В) и необходимо убедиться в наличии +5 В во всех точках схемы, куда +5 В должны приходить.

— формирование сигнала «Сброс». При включении питания на выводе 9 RSТ микроконтроллера (МК) DD5 должна кратковременно появляться логическая «1», а затем все время держаться уровень логического нуля.

— работа внутреннего генератора МК. На выводах 18 и 19 МК должен быть синус частотой 12 мГц, а на выводе 30 (ALE) должен быть меандр с частотой 2 мГц.

— правильность адресации к памяти программ. На выводе 29 (PME) МК должен быть уровень логической «1». Если на выводе PME присутствует постоянная генерация — то контроллер работает с внешней памятью программ — необходимо убедится в наличии уровня логической «1» на выводе 31 (DEMA) МК. Если на выводе PME периодически появляются пачки импульсов — происходит выход программы за пределы внутренней памяти программ, чего не должно быть. Скорее всего, микроконтроллер «чистый» или неверно запрограммирована программа.

После старта программа инициализирует последовательный порт и системный таймер (что никак не отражается на выводах МК), а затем инициализирует ЖКИ: на порт P2 микроконтроллера выставляются команды, сопровождаемые импульсами единичной полярности на вход E ЖКИ. После записи каждой команды МК переводит все линии порта P2 в единичное состояние и начинать опрашивать готовность ЖКИ, выдавая импульсы единичной полярности на вход Е ЖКИ. Если по какой-либо причине индикатор не выставляет флаг готовности, программа зацикливается на опросе готовности ЖКИ.

После инициализации экран ЖКИ должен очиститься и на него выводится, какой либо текст. Вывод текста аналогичен программированию ЖКИ. Если на дисплее горят черные квадраты, то необходимо отрегулировать яркость свечения индикатора потенциометром R4. При очищенном экране черных квадратов не должно быть видно (или они должны быть еле заметны).

4 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Расчет потребляемой мощности МКТ

На основании схемы электрической принципиальной МКТ определим потребляемую мощность схемы по формуле

(4.1)

где Pn — потребляемая мощность одной микросхемы;

N — количество микросхем одного типа;

При определении потребляемой мощности каждой микросхемы будем пользоваться справочными данными, в случае их отсутствия мощность ИМС будем рассчитывать по формуле

(4.2)

где Р — мощность потребляемая микросхемой;

U_пит — напряжение питания микросхемы;

I_пот — ток, потребляемый микросхемой Справочные данные, необходимые для расчёта потребляемой мощности приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1

Просуммировав эти мощности, получим суммарную потребляемую мощность блока: Р_об = 376,5 мВт

4.2 Расчет надежности МКТ

Надежность — это свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в допустимых пределах, соответствующих принятым режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

К основным показателям надежности относятся:

1) вероятность безотказной работы;

2) интенсивность отказов;

3) наработка на отказ или среднее время безотказной работы;

Вероятность безотказной работы — это вероятность того, что в заданный интервал времени не произойдет ни одного отказа. Вероятность безотказной работы определяется по формуле

(4.3)

где P (t) — вероятность безотказной работы (вероятность того, что в пределах заданной наработки, при заданных условиях отказа не произойдет);

е — основание натурального логарифма;

— интенсивность отказов;

t — время безотказной работы.

Величина t показывает, какая часть элементов по отношению к общему количеству исправно работающих элементов в среднем выходит из строя за единицу времени.

Интенсивность отказов рассчитывается как сумма интенсивности отказов всех элементов блока. Интенсивность отказов элемента рассчитывается по формуле

(4.4)

где — интенсивность отказов при нормальных условиях;

к_н — коэффициент нагрузки;

к_у — коэффициент условий;

к_Т — температурный коэффициент.

Коэффициент, учитывающий условия работы:

к_у=1 — лабораторные условия;

к_у=10 — стационарные условия;

к_у= 100−700 — бортовые условия;

к_у>700 — космические условия.

Температурный коэффициент (к_Т) находится в зависимости от совокупности воздействующих факторов и учитывает нагрев конструкции.

Коэффициент нагрузки характеризует электрический режим использования ЭРЭ и ИМС. Для разного вида элементов нагрузкой могут быть и являться различные параметры. Для резисторов, транзисторов — отношение мощности рабочей к номинальной; для конденсаторов — отношение рабочего напряжения к номинальному; для микросхем — отношение коэффициента разветвления рабочего к номинальному.

Коэффициент нагрузки резисторов рассчитывается по формуле (4.5), конденсаторов — по формуле (4.6), а ИМС — по формулам (4.7) и (4.8)

(4.5) где Р_раб — нагрузка на резистор в рабочем режиме;

Р_ном — номинальная нагрузка.

(4.6)

где U_раб — напряжение на конденсаторе в рабочем режиме;

U_ном — напряжение номинальное.

(4.7)

где Р_раб — нагрузка на ИМС в рабочем режиме;

Р_ном — номинальная нагрузка ИМС.

(4.8)

где Краз. раб — рабочий коэффициент разветвления;

Краз.ном — номинальный коэффициент разветвления.

Подставив справочные данные в формулы (4.5), (4.6), (4.7), (4.8), рассчитал коэффициенты нагрузки, которые приведены в таблице 4.2.

Согласно техническому заданию на дипломный проект условия эксплуатации бортовые (Ку = 100).

Среднее время наработки на отказ рассчитывается по формуле

(4.9)

где — интенсивность отказов блока;

Т_ср — среднее время наработки на отказ (ожидаемая наработка объекта до первого отказа) С учетом того, что данная схема используется в бортовых условиях (к_у=100) значение = 0,1 327.

Подставив в формулу (4.9) рассчитанное значение найдем среднее время наработки на отказ:

Подставив в формулу (4.3) расчетное значение найдем вероятность безотказной работы блока для t=10 000, аналогично найдем значение вероятности безотказной работы для различных значений t:

Результаты расчетов представлены в таблице 4.2

Таблица 4.2

Данные для построения графика зависимости P (t):

t=1000 P (t)=0,997

t=5000 P (t)=0,981

t=10 000 P (t)=0,972

t=20 000 P (t)=0,946

t=30 000 P (t)=0,911

t=40 000 P (t)=0,882

t=50 000 P (t)=0,854

t=60 000 P (t)=0,816

t=70 000 P (t)=0,784

t=75 000 P (t)=0,785

По полученным данным построим график зависимости P (t)

Рисунок 4.1 — График зависимости P (t)

5 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Описание конструкции МКТ

Большое внимание в настоящее время при конструировании устройств уделяют повышению надежности конструкции, уменьшению габаритов и веса изделия, механизации и автоматизации технологического процесса изготовления того или иного изделия.

Разработанная конструкция МКТ выполнена на двухсторонней печатной плате, изготовленной по типовому технологическому процессу комбинированным способом.

Использование двухсторонней печатной платы позволило сократить материальные и трудовые затраты, использовать средства механизации и автоматизации в процессе изготовления печатной платы, сборки и монтажа.

В качестве материала для изготовления двухсторонней платы использован фольгированный стеклотекстолит СФ-2−35, толщиной 0,8 мм, обладающий хорошим сцеплением с металлом (проводящим слоем), проницаемостью более 7.

Для обеспечения максимального быстродействия и помехоустойчивости схемы МКТ в разрабатываемой конструкции предусмотрено следующее:

— конденсаторы устанавливаются на той же стороне платы, на которой непосредственно находятся ИМС,

— для подведения напряжения питания и подключения шины «земля» используются крайние контакты электрического разъема,

— проводники по максимуму короткие и располагаются на различных сторонах платы и перекрещиваются под углом 45 или 90 градусов, Для соблюдения эксплуатационных требований корпуса ИМС располагаются линейно и многорядно.

Конструкция блока используется в бортовой условиях. Максимальные геометрические размеры платы ограничиваются свободным пространством в корпусе. Максимальные габаритные размеры обеспечиваются рациональным взаимным расположением элементов и повышением плотности монтажа.

Для улучшения теплоотвода элементы установлены на плату с зазором.

В данной конструкции блока использованы ИМС со штыревыми выводами, которые выдерживают большие механические нагрузки.

При разработке печатных проводников схемы учены следующие требования:

1) шаг координатной сетки 2,5 мм;

2) минимальный зазор между соседними проводниками не менее 1,5 мм;

3) толщину и ширину проводников определяется в зависимости от материала диэлектрика и плотности тока;

4) минимальная ширина проводников не менее 1,5 мм;

5) отверстия для конденсаторов, микросхем, резисторов металлизированы Ф 1,5 мм;

6) ширина проводников питания по контуру платы не менее 5 мм.

Рекомендации по размещению элементов устройства на плате можно свести к нескольким:

1) функциональные узлы должны быть размещены компактно;

элементы излучения и приема сигнала должны иметь как можно более короткие провода подключения.

На печатной плате располагаются микросхемы 7805, LM2931, M41T5, 24C64, MC33290, SN7413N, AT89S53 и ЭРЭ с зазором не менее 2 мм для лучшего охлаждения элементов.

Микросхемы расположены на одной стороне печатной платы. Способ установки обеспечивает доступ и замену любой микросхемы.

Для обеспечения помехоустойчивости на плате установлены 12 конденсаторов. Микросхемы, конденсаторы и резисторы распределены равномерно по всей площади печатной платы. На каждую микросхему приходится не менее 0,05 мкФ. Для увеличения защиты от воздействий внешней среды печатная плата покрыта двойным слоем лака УР-231, который повышает электрическую изоляцию схемы, механическую прочность, хорошо защищает конструкцию от влаги и пыли.

5.2 Определение уровня унификации МКТ

Необходимость в сокращении сроков разработки и освоения массового производства электронных вычислительных машин и систем, состоящих из большого числа элементов, остро ставится вопрос о проведении стандартизации и унификации узлов, отдельных конструкций, отдельных функциональных ячеек.

Унификация устройства — это приведение изделий к единообразию на основе установления рационального числа их разновидностей, что повышает технологичность конструкции, т. е. изделие должно отвечать всем эксплуатационным требованиям, может быть изготовлено в данных условиях с наименьшими затратами времени, труда, материалов при использовании наиболее прогрессивных, экономически оправданных методов производства.

Количественно уровень стандартизации и унификации определяется коэффициентом применяемости и коэффициентом повторяемости.

Коэффициент применяемости К_пр — определяет какова доля неоригинальных сборочных единиц и деталей по сравнению с общим количеством сборочных единиц и деталей в конструкции. Коэффициент применяемости рассчитывается по формуле К_пр = (N_ст + N_з + N_ун)/(N_ст + N_з + N_ун + N_ор), (5.1)

где N_ст — число стандартных деталей;

N_з — число заимствованных деталей;

N_ун — число унифицированных деталей;

N_ор — число оригинальных деталей.

В данной схеме к стандартным деталям относятся резисторы и разъем, унифицированным относятся микросхемы, конденсаторы, транзисторы, диоды, оригинальным — плата печатная.

В соответствии с формулой (5.1) определим коэффициент применяемости, учитывая что:

1) конденсаторов — 12 шт.;

2) микросхем — 5 шт.;

3) плата печатная — 1 шт.;

4) разъем — 2 шт.;

5) транзисторов — 4 шт.;

6) диодов — 10 шт.;

7) резисторов — 32 шт.

К_пр = 0.98

Коэффициент повторяемости К_пов определяет отношение общего числа изделий к числу наименований.

Коэффициент повторяемости рассчитывается по формуле К_пов = N_общ / N_н, (5.2)

где, N_общ — общее количество деталей в конструкции;

N_н — число наименований.

В данной конструкции N_общ равно 70, а N_н равно 15. В соответствии с формулой 5.2 определим коэффициент повторяемости.

К_пов = 4,7

Для реализуемого модуля определили следующие коэффициенты:

1) коэффициент применяемости К_пр = 0.98;

2) коэффициент повторяемости К_пов = 4,7.

Из полученных данных можно сделать вывод, что данная конструкция имеет высокий коэффициент применяемости и достаточно высокий коэффициент повторяемости, что играет важную роль при серийном производстве.

6 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Важнейшим направлением научно-технического прогресса является автоматизация и механизация производства. Современный этап автоматизации опирается на новейшие достижения в области микроэлектроники, применение вычислительной техники пятого поколения.

Большой вклад в решение проблемы сокращения сроков подготовки производства, запуска новых изделий вносит разработанная в нашей стране единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП).

ЕСТПП — установленная стандартом система организации и управления производством, система технологической подготовки производства (ТПП), предусматривающая широкое применение прогрессивных процессов, стандартной технологической оснастки и оборудования, средств автоматизации и механизации производственных процессов (ЕСТПП ГОСТ 14.001 — 73). Основное назначение ЕСТПП заключается в обеспечении единого для всех предприятий порядка выбора и применения методов и средств технологической подготовки производства. Для предприятий, выпускающих электронно-вычислительную аппаратуру (ЭВА) следующие основные задачи ТПП:

1) Обеспечение технологичности конструкции изделия;

2) Разработка технологических процессов;

3) Проектирование и изготовление средств технологического оснащения (нестандартного оборудования, приспособлений, спец. инструмента, нестандартных установок для контроля, испытаний и т. д.);

4) Организация и управление процессом ТПП;

5) Разработка норм времени.

6.1 Разработка техпроцесса сборки и монтажа МКТ

Согласно заданию на дипломное проектирование предусмотрена разработка техпроцесса сборки маршрутного компьютера-тестера для автомобилей. Исходными данными являются документы: сборочный чертеж АКВТ.230 101.ДП00.10СБ, схема электрическая принципиальная АКВТ.230 101.ДП00.10Э3, а также нормативные документы и ГОСТы.

Технологическим процессом сборки называется совокупность операций, в результате которых детали соединяются в сборочные единицы, а сборочные единицы — в изделие. Изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих производству на предприятии. Изделия основного производства предназначены для поставки, а вспомогательного производства — только для собственных нужд.

Деталь или сборочная единица, с которой начинается сборка, называется базовой деталью. Такой деталью МКТ является печатная плата. Совокупность операций, в результате которых осуществляется электрическое соединение элементов, называется печатным монтажом.

Применение печатного монтажа повышает надежность, обеспечивает повторяемость параметров от образца к образцу, позволяет более широко механизировать и автоматизировать производительность деталей, микро миниатюризировать размеры изделия (в МКТ выполнен двусторонний монтаж печатных плат, с расположением на них микросхем со штыревыми выводами).

Сборка изделий является наиболее ответственным этапом производственного процесса. Технология сборки отличается большим разнообразием: в зависимости от последовательности выполнения сборочных соединений, способов их осуществления, применения оборудования и технологической оснастки. Сборка сборочных единиц должна производится независимо и параллельно, что уменьшает технологический цикл изготовления изделия.

В разработанном техпроцессе применены типовые операции:

1) подготовка навесных элементов к монтажу, состоящая из входного контроля рихтовки формовки, обрезки и лужение выводов и размещения элементов в технологической таре;

2) установка навесных элементов на печатную плату по ОСТ 4.010.030 позволяет автоматизировать техпроцесс сборки и пайки. В разработанном техпроцессе применены типовые операции: подготовка элементов к монтажу, состоящая из входного контроля, рихтовки, обрезки, лужения выводов, расконсервировании и маркировки печатной платы, нанесения защитного слоя после сборки. В техпроцессе сборки применяются типовые специфические операции склеивание, регулировка, испытание на вибро и удароустийчивость.

3) получение контактных соединений выводов элементов с печатным монтажом методом пайки.

Применение минимального числа разнотипных ЭРЭ, типоразмеров корпусов ЭРЭ и ИМС, а так же элементов, не требующих дополнительного крепления на плате, повышает технологичность конструкции.

Формовка выводов ЭРЭ и ИМС по ОСТ 4.010.030 позволяет механизировать и автоматизировать техпроцесс сборки.

Применение ЭРЭ И ИМС со штыревыми выводами позволяет применить групповую пайку.

В техпроцессе сборки применены специфические операции склеивания, регулировки, климатические испытания.

Испытания влагоустойчивости проводят с целью определения способности изделия сохранить внешний вид, работоспособность и заданные параметры в условиях повышенной влажности. Для этого испытуемое изделие помещают в камеру влажности в положении, обеспечивающие свободный доступ влажного воздуха в глубь изделия: открывают крышки, щитки панелей и т. д. В камере устанавливают температуру 40С, после чего повышается влажность до 95 — 98%. Испытуемое изделие выдерживают в этих условиях в течении 2 — 10 суток.

Ежесуточно изделие включают на 1 час для проверки работоспособность и измерения параметров. По окончанию испытаний, спустя 6 — 12 часов после выдержки в нормальных условиях, производят внешний осмотр и измерение параметров.

В данном техпроцессе необходимо использовать следующее оборудование: автомат рихтовки микросхем СГ2488, автомат для рихтовки ЭРЭ ГГ1422−4009, автомат для формовки выводов микросхем ГГ2126, автоотпайки АП-10.

Таблица 6.1 — Техпроцесс сборки и монтажа

Комплект технологической документации: комплектовочная и маршрутная карты, представлен.

7 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

7.1 Оценка технического уровня МКТ

В условиях расширяющегося рыночного производства, усиливаются темпы обновления, и увеличивается разнообразие видов продукции и применяемой для их производства техники и технологий.

Используя основные из перечисленных критериев, рассчитывается интегральный технический показатель качества изделия. Затем оцениваются коэффициенты весомости данных критериев в общем показателе качества по шкале относительной значимости в диапазоне от 1 до 10, приводится бальная оценка степени удовлетворения каждого варианта данному критерию экспериментальным методом и рассчитывается интегральный показатель качества нового изделия по формуле

(7.1)

где m — количество критериев,

b — удельное значение данного критерия в общем показателе качества,

Aб — значение данного критерия для базового варианта,

Aв — значение данного критерия для внедряемого варианта, Для расчета интегрального показателя качества изделия составляем таблицу 7.1.

Таблица 7.1 — Данные для расчета Киб и Кив

В соответствии с формулой (7.1) и данными таблицы 7.1, рассчитываем интегральный показатель качества маршрутного компьютера тестера для автомобилей.

Кив = 15,7/10

Кив = 1,57

Интегральный показатель качества больше единицы, что свидетельствует об улучшении характеристик изделия.

7.2 Расчёт затрат на техническую подготовку производства

Техническая подготовка производства — это совокупность работ по проектированию и внедрению устройства. Техническая подготовка производства включает в себя этапы по предварительной подготовке к разработке темы, проектированию, разработке программного обеспечения устройства, составлению отчета о проделанной работе. Реализация перечисленных этапов требует определённых затрат времени и материальных средств. Затраты на техническую подготовку производства рассчитаны в таблице 7.2

Таблица 7.2 — Затраты на техническую подготовку производства

Стоимость этапов ТПП можно рассчитать по формуле Стпп = Сч* УТ, (7.2)

где Стпп — стоимость этапов ТПП, руб;

Сч — средняя стоимость одного часа инженерно-технических работ, руб

(принять Сч = 40 руб);

УТ — суммарная трудоемкость всех этапов разработки.

Стоимость ТПП в соответствии с формулой (7.2):

Стпп = 40 * 133;

Стпп = 5320 руб.

7.3 Расчёт затрат на разработку и отладку программы

Для функционирования системы нужен программный продукт. Для расчета капитальных затрат на программный продукт нужно знать себестоимость программы. Исходные данные для расчета себестоимости программы представлены в таблице 7.3

Таблица 7.3 — Себестоимость программы

Трудоёмкость создания программного продукта рассчитывается по формуле

(7.3)

где Tпр — ожидаемая трудоемкость программы, день;

Тmin (Tmax) — наименьшая (наибольшая) трудоемкость по экспертным оценкам, час.

В соответствии сформулой:

Тпр = (2 * 150 + 3 * 120) / 5

Тпр = 132 час Себестоимость программы рассчитывается по формуле Спр = Сч * Тпр * 1.1 * 1.26 + Тм * Счмв + Сч * Тпр * 0.5, (7.4)

где Спр — себестоимость программы, руб;

Сч — стоимость одного часа работы программиста, руб;

Тпр — трудоемкость программы, час;

1.26 — коэффициент, учитывающий отчисления на социальные нужды;

0.5 — коэффициент накладных расходов;

Тм — машинное время, час;

(Тм=50%Тпр) Счмв — стоимость одного часа машинного времени, руб.

Себестоимость программы в соответствии с формулой (7.4):

Спр = 35 * 132 * 1,1 * 1,26 + 20 * 66 + 0,5 * 35 * 132

Спр = 6403,32+1320+2310 руб.

Спр = 10 033,32 руб.

7.4 Расчёт себестоимости МКТ

Себестоимость — сумма затрат в денежной форме, связанных с изготовлением и реализацией продукции. Затраты делятся на прямые и косвенные.

Прямые — непосредственно связаны с выпуском изделия и определяются на основании действующих норм и нормативов. Это затраты на основные и вспомогательные материалы, полуфабрикаты, комплектующие, заработная плата основных производственных рабочих с начислениями.

Косвенные затраты — это расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, общецеховые, общезаводские, внепроизводственные.

При расчете полной себестоимости необходимо знать значение каждого вида затрат.

Основные материалы остаются в составе изделия. Это припои, лак и другие.

Вспомогательные материалы — средства для выполнения технологических операций. Это канифоль, спирт, бензин и другие. Элементарная база определяется на основании чертежа изделия.

Основная заработная плата производственных рабочих представляет собой сумму сдельных расценок, определяемых по формуле РС = ЧТС * t_шт, (7.5)

где РС — расценка сдельная на операцию, руб;

ЧТС — часовая тарифная ставка разряда выполняемой операции, руб;

t_шт — норма штучно — калькуляционного времени (для серийного производства) на данную операцию, час.