Разработка автомобильного стробоскопа

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Сравнительный анализ стробоскопов и обоснование выбора темы

2. Принцип действия и порядок работы стробоскопа

2.1 Подготовка к работе

2.2 Подготовка автомобиля к проверке

2.3 Программирование режима работы тахометра

2.4 Порядок работы

2.5 Временные диаграммы работы

3. Принципиальные электрические схемы

3.1 Принципиальная электрическая схема стробоскопа со светодиодом

3.2 Принципиальная электрическая схема стробоскопа с лампой вспышкой

3.2.1 Физические принципы построения ламп-вспышек

3.2.2 Конфигурация ламп-вспышек

3.2.3 Разрядная характеристика

3.2.4 Световая энергия вспышки

3.2.5 Схема включения

4. Описание используемых микросхем

4.1 Описание модуля MT-16S2H

4.2 Описание микроконтроллера

4.3 Описание стабилизатора напряжения КР1158ЕН501А

4.4 Описание микросхемы UC3843

5. Расчетная часть

6. Блок схемы программного обеспечения стробоскопа

7. Программное обеспечение стробоскопа

8. Печатные платы

9. Конструкторская часть

10. Организационно-экономическая часть

11. Безопасность и экологичность проекта

11.1 Характеристика оборудования

11.2 Опасные и вредные производственные факторы

11.3 Метеорологические условия в производственном помещении

11.4 Производственное освещение

11.5 Мероприятия по защите от вибрации и шума

11.6 Защитные меры от электромагнитных полей и теплового излучения

11.7 Меры защиты от поражения электрическим током

11.8 Способы обеспечения безопасности на автомобиле

11.9 Пожарная безопасность

11.10 Защита окружающей среды

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Автомобилистам хорошо известно, насколько важна правильная установка начального момента зажигания, а также исправная работа центробежного и вакуумного регуляторов опережения зажигания. Неправильная установка момента зажигания всего на 2—3° и неисправности регуляторов могут явиться причиной повышенного расхода топлива, перегрева двигателя потери мощности и могут даже сократить срок службы двигателя.

Автомобильный стробоскоп позволяет упростить обслуживание системы зажигания. С его помощью даже малоопытный автолюбитель может в течение 5ч10 мин проверить и отрегулировать начальную установку момента зажигания, а также проверить исправность центробежного и вакуумного регуляторов опережения.

Работа стробоскопа основана на так называемом стробоскопическом эффекте. Суть его состоит в следующем: если осветит движущийся в темноте объект очень короткой яркой вспышкой, он зрительно будет казаться как бы неподвижно «застывшим' в том положении, в каком его застала вспышка. Освещая, например, вращающееся колесо вспышками, следующими с частотой, равной частоте его вращения, можно зрительно остановить колесо, что легко заметить по положению какой — либо метки на нем.

Для установки момента зажигания запускают двигатель на холостые обороты и стробоскопом освещают специальные установочные метки. Одна из них — подвижная — размещена на коленчатом валу (либо на маховике, либо на шкиве привода генератора), а другая — на корпусе двигателя. Вспышки синхронизируют с моментами искрообразования в запальной свече первого цилиндра, для чего емкостный датчик стробоскопа крепят на ее высоковольтном проводе.

В свете вспышек будут видны обе метки, причем, если они находятся точно одна против другой, угол опережения зажигания оптимален, если же подвижная метка смещена, корректируют положение прерывателя — распределителя до совпадения меток.

Основным элементом прибора является импульсная безынерционная стробоскопическая лампа, вспышки которой происходят в моменты появления искры в свече первого цилиндра двигателя. Вследствие этого установочные метки, нанесенные на маховике или шкиве коленчатого вала, а также другие детали двигателя, вращающиеся или перемещающиеся синхронно с коленчатым валом, при освещении их стробоскопической лампой кажутся неподвижными. Это позволяет наблюдать сдвиг между моментом зажигания и моментом прохождения поршнем верхней мертвой точки на всех режимах работы двигателя, т. е. контролировать правильность установки начального момента зажигания и проверять работоспособность центробежного и вакуумного регуляторов опережения зажигания.

1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРОБОСКОПОВ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ Рассмотрим три стробоскопа обладающих различными функциями и по ним составим сравнительную таблицу.

Таблица 1.1 — Стробоскопы

Из таблицы видно, что стробоскоп Focus F10 обладает самой большой функциональностью. Большая часть функций данного стробоскопа для рядового автовладельца будет излишний. Данные функции включены в стоимость стробоскопа, следовательно, произойдет переплата.

Стробоскоп Astro M5 обладает также излишней функциональностью и высокой стоимостью.

Стробоскоп MULTITRONICS SC-10 обладает следующими преимуществами:

а) непрерывное время работы;

б) малый потребляемый ток.

Но с помощью него нельзя померить угол опережения зажигания (УОЗ), определить количество оборотов и померить напряжение аккумуляторной батареи.

Выделим основные функции среди стробоскопов:

1) измерение напряжения;

2) измерение количества оборотов двигателя;

3) измерение УОЗ.

Необходимо разработать стробоскоп, который будет обладать основными функциями и отличаться от представленных легкостью восприятия на жидкокристаллическом модуле (ЖКМ) информации.

2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПОРЯДОК РАБОТЫ СТРОБОСКОПА Автомобильный стробоскоп с регулируемой задержкой предназначен для проверки регулировки и измерения угла опережения зажигания, измерения оборотов двигателя, а также для проверки работоспособности центробежного и вакуумного регуляторов опережения зажигания автомобильных карбюраторных двигателей.

2.1 Подготовка к работе Провод стробоскопа с черным зажимом присоединить к «массе» автомобиля.

Провод с красным зажимом присоединить к плюсовой клемме аккумулятора или к клемме катушки зажигания на которой появляется напряжение +12 вольт при включении зажигания (например +б для «классики»).

Провод с белым (желтым) зажимом подключить к клемме катушки зажигания, соединенной с механическим прерывателем или электронной системой зажигания. В случае установки прибора на автомобиль оборудованный нештатной системой зажигания (например, многоискровой), подключение провода с белым (жёлтым) зажимом осуществляется непосредственно с выходом механического прерывателя или датчиком холла.

При невозможности соединения с сигналом прерывателя (коммутатора) используется емкостной синхронизатор на высоковольтном проводе свечи первого цилиндра в непосредственной близости от неё.

2.2 Подготовка автомобиля к проверке Необходимо проверить и если это необходимо отрегулировать зазор между контактами прерывателя. Проверить наличие меток для установки зажигания поставленных заводом изготовителем. Очистить метки от грязи, при необходимости зачистить область метки на шкиве шкуркой или провести мелом по метке. Протереть сухой тряпкой высоковольтный провод 1-го цилиндра, а также центральный высоковольтный провод катушки.

Прогреть двигатель и отрегулируйте обороты холостого хода при помощи встроенного цифрового тахометра, установив их штатными.

Подключение стробоскопа производится при остановленном двигателе и выключенном зажигании.

2.3 Программирование режима работы тахометра Подключить прибор в соответствии c пунктом 2.2.

При наличии соединения с сигналом прерывателя (коммутатора) позволит измерять обороты и регулировать угловую задержку классического четырехцилиндрового четырехтактного двигателя с одной катушкой зажигания имеющему два импульса на выходе прерывателя за один оборот колен вала.

В случае, если подключение осуществляется только емкостным синхронизатором, то одному импульсу на высоковольтном проводе свечи первого цилиндра соответствует два оборота коленвала.

2.4 Порядок работы Измерение оборотов холостого хода, а так же проверку и измерение угла опережения зажигания и работы регуляторов угла опережения зажигания производите только на прогретом двигателе в следующей последовательности:

1) подключить стробоскоп согласно пункту 2.1;

2) проверить правильность установки начального угла опережения зажигания. Для этого необходимо запустить двигатель и при штатных оборотах холостого хода нажать на кнопку осветить лучом стробоскопа установочные метки. При правильной установке зажигания и устойчивой работе двигателя метка на шкиве двигателя вследствие стробоскопического эффекта будет казаться неподвижной и совпадать с меткой на корпусе двигателя. При несовпадении меток необходимо остановить двигатель, ослабить винт (или гайку) крепежной скобы распределителя, повернуть корпус распределителя влево или вправо на необходимую величину и повторите проверку. При совпадении меток закрепить корпус распределителя. Если при проверке положение подвижной метки в луче стробоскопа не стабильно, это может быть вызвано чрезмерным износом деталей привода распределителя, втулок приводного валика, заеданием рычага прерывателя на оси;

3) для проверки работы центробежного регулятора опережения зажигания необходимо отсоедините трубку вакуумного регулятора от распределителя. Плавно увеличивать скорость вращения коленчатого вала двигателя и наблюдать за положением метки освещаемой стробоскопом. При исправной работе центробежного регулятора подвижная метка должна плавно смещаться относительно неподвижной в сторону увеличения угла опережения зажигания. При неисправном регуляторе смещение метки будет отсутствовать или происходить рывками. В этом случае распределитель нужно отремонтировать или заменить на исправный;

4) для проверки работы вакуумного регулятора опережения зажигания необходимо установить обороты двигателя, соответствующие наибольшему центробежному регулированию и, наблюдая за положением метки, подключить трубку вакуумного регулятора. В случае исправности последнего подвижная метка должна отклониться в сторону противоположную вращению. Если метка остается в той же точке, то нужно проверить камеру разряжения распределителя и соединительную трубки. Возможными причинами неисправностей может быть неплотное соединение, засорение, трещины в трубке;

5) измеряемый параметр индицируется на дисплее прибора. Для того чтобы перейти на необходимую опцию измерений необходимо сначала нажать на кнопку «Режим». Если необходимо знать напряжение бортовой сети то нужно нажать на кнопку «Выбор» один раз; для того чтобы измерить количество оборотов двигателя необходимо нажать на кнопку «Вверх» два раза тем самым произведется выход в режим «Тахометр». а для того чтобы перейти в режим «Стробоскоп» необходимо нажать на кнопку «Вверх» три раза. Данный алгоритм реализован в блок схеме;

6) для перехода в режим «Стробоскоп» необходимо нажать на кнопку «Вверх» три раза. Для измерения угла опережения необходимо циклически перебирать последовательность от 0 до 40. Каждое изменение на единицу соответствует одному градусу.

Изменяя задержку и наблюдая стробоскопический эффект добиваемся совмещения установочной метки и метки верхней мертвой точки (ВМТ) на валу двигателя. Цифра на дисплее прибора в момент совмещения меток будет соответствовать углу опережения зажигания.

При нахождении прибора в режиме управляемой задержки, вспышка стробоскопа происходит в соответствии с индицируемой в градусах задержкой.

Для выхода из режима «Стробоскоп» нужно нажать на кнопку «Режим» и на дисплеи появится надпись «Работа»

Точные измерения угла опережения зажигания гарантированы только при стабильном измерении оборотов (разброс в показаниях тахометра не более 10−20 оборотов в минуту, например перед измерением угла тахометр стабильно показывает 750 ч760), поэтому если показания тахометра скачут, перед измерением угла нужно добиться устойчивых показаний тахометра.

Погрешность П, в град. при измерении угла определяется формулой 2.1

(2.1)

б — угловая задержка, в градусах;

Дщ — разброс показаний тахометра, об/мин;

щср — усредненные показания тахометра, об/мин Погрешность установки угловой задержки и соответствующее ей визуальное «дрожание» метки напрямую связано с нестабильностью оборотов двигателя.

2.5 Временные диаграммы работы управления углом опережения зажигания При скорости вращения равной скорости холостого хода метка на шкиву совпадает с меткой на двигателе (если исправно работает прерыватель — распределитель).

Если скорость вращения стала больше скорости холостого хода, то метка на шкиву плавно сместится в сторону противоположную вращению на угол б.

Для того чтобы определить угол б необходимо сместить вспышки на эту величину. Далее микроконтроллер обрабатывает входную информацию и выдает числовое значение угла на дисплеи.

3. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ В качестве излучающих элементов могут использоваться как мощный светодиод, так и импульсная лампа — вспышка. В зависимости от выбранной модификации будут различаться системы питания этих элементов.

3.1 Принципиальная электрическая схема стробоскопа со светодиодом В принципиальной электрической схеме в качестве излучающего элемента используется мощный светодиод. Он обеспечивает узконаправленный луч высокой интенсивности, что позволяет контролировать работу системы зажигания во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя.

Для синхронизации вспышек с моментом искрообразования использован емкостной датчик.

Основная часть стробоскопа — микроконтроллер DD1.

По фронту сигнала на входе PD2, микроконтроллера на его выходе PA1 формируется импульс высокого уровня в результате открывается транзистор VT1, в цепь коллектора которого включен излучатель — светодиод VD1.

Использованный светодиод LXHL-LW3C серии «STAR» фирмы LUMILEDS обеспечивает световой поток 65 Лм. При токе 700 мА прямое падение напряжения на нем около 3,7 В, максимально допустимый ток — 1 А. Даже кратковременное превышение этого значения может необратимо повредить светодиод, поэтому последовательно с ним включен токоограничивающий резистор R1. Диод VD1 защищает прибор от ошибочной перемены полярности напряжения питания.

Управляющая программа микроконтроллера формирует импульсы, длительность которых равна приблизительно 1,3 мс. Например, 3000 об/мин соответствует частоте искрообразования 25 Гц, период импульсов в этом случае равен 40 мс, а длительность вспышки приблизительно 1,3 мс для емкостного датчика.

Учитывая, что микроконтроллер работает в условиях мощных электромагнитных помех, его неиспользуемые выводы соединены с общим проводом, а вывод RESET подключен непосредственно к источнику питания +5 В.

Светодиод LXHL-LW3C имеет угол излучения 140 град, но для серии «STAR» фирма LUMILEDS выпускает линзу-коллиматор LXHL-NX05, применение которой позволяет получить световой пучок с углом 10 град.

Кнопки SB1, SB2, управляют работой стробоскопа. SB1 — разрешает работу стробоскопу, SB2 -осуществляет выбор между режимами работы стробоскопа.

Через разъем ХР1 на входы контроллера (PD1, PD4)поступают дискретные информационные сигналы, которые подлежат дальнейшей логической обработке и в зависимости от выбранной функции пользователем (тахометр или стробоскоп), выдается результат на жидкокристаллический модуль по восьми битной шине данных.

С вывода порта РА1 поступает последовательность импульсов идущих на светодиод стробоскопа.

От аккумулятора аналоговый сигнал поступает на вход цифро-аналового преобразователя (АЦП) контроллера (РА0). После логической обработки этого сигнала результата выдается на ЖКМ.

Конденсатор С4 обеспечивает аппаратный сброс контроллера при включении питания. При отсутствии напряжения или его пропадании конденсатор С4 оказывается разряженным. После появления напряжения питания на контакте RESET микроконтроллера удерживается низкий уровень до тех пор, пока конденсатор С4 не зарядится через резистор.

Для АЦП используется внешний источник опорного напряжения к которому подключен фильтр (L1С5) для повышения помехозащищенности.

Для регулировки подцветки ЖКМ используется резистор R8.

Резистор R12 необходим для управления контрастностью ЖКМ.

3.2 Принципиальная электрическая схема стробоскопа с лампой вспышкой Импульсные лампы обеспечивают высокую яркость вспышек, но имеют ограниченный срок службы и требуют источника повышенного напряжения.

3.2.1 Физические принципы построения ламп-вспышек Принцип работы любой лампы-вспышки основан на явлении отдачи мощного светового импульса инертным газом в момент прохождения через него импульса тока большой величины. В качестве рабочего наполнителя для ламп-вспышек часто используются такие газы, как ксенон и криптон. Ксеноновые лампы-вспышки предназначены для использования в фотографических аппаратах, высокоскоростных копирах, стробоскопах и т. д. Лампы, в которых наполнителем служит криптон, предназначены в основном для использования в схемах накачки лазеров.

3.2.2 Конфигурация ламп-вспышек Лампа-вспышка конструктивно представляет собой баллон из кварцевого или боросиликатного стекла, заполненный под высоким давлением инертным газом ксеноном или криптоном. В баллон впаяны два электрода — анод и катод. На внешней стороне баллона наносится полоска токопроводящего покрытия, к которому присоединяется третий — поджигающий электрод.

Часто функции поджигающего электрода выполняют несколько витков тонкой проволоки, намотанной на баллон снаружи.

Формы баллона бывают самые различные: дугообразные, кольцевые, спиральные и т. д.

Устройство лампы-вспышки показано на рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 — Устройство лампы-вспышки Вне зависимости от материала используемого стекла и электродов, лампы-вспышки имеют три основных конструктивных характеристики, определяющих степень их применения. К таким параметрам относятся:

1) расстояние между внутренними электродами (e);

2) внутренний диаметр колбы (r);

3) используемый газ.

Соотношение этих величин определяет длительность разряда, интенсивность светового излучения и, соответственно, сферу применения. Так, например, если отношение e/r<5, лампы будет иметь короткую разрядную дугу и высокую интенсивность излучения, если же это соотношение находится в пределах 10<e/r<20, лампа будет обладать большим внутренним сопротивлением и длительной фазой разряда.

3.2.3 Разрядная характеристика Процесс вспышки можно условно разделить на две основные фазы: фазу поджига и фазу разряда. На рисунке 3.6 приведена разрядная характеристика, поясняющая процессы, происходящие в лампе.

В момент подачи напряжения на поджигающий электрод напряжение между анодом и катодом лампы максимально и равно значению, до которого заряжен разрядный конденсатор. По мере ионизации газа внутри лампы происходит постепенное снижение напряжения между анодом и катодом при незначительном увеличении анодного тока, что является следствием постепенного образования ионной дорожки между электродами внутри лампы. В какой-то момент времени внутреннее сопротивление лампы достигнет такого предела, при котором произойдет резкое увеличение анодного тока и разряд конденсатора, иными словами, наступает электрический пробой. Внутри лампы в этот момент происходит образование плазмы, разогретой до температуры 7000ч10 000 К, и высвобождение яркого светового импульса с длительностью от 10 мкс до 10 мс. Сопротивление лампы в этот период времени составляет примерно 0,1ч5 Ом. Процесс образования плазмы показан на рисунке 3.5.

По мере разряда конденсатора происходит уменьшение анодного напряжения при постепенном снижении разрядного тока, что ведет к прекращению процесса. Вспышка продолжает «гореть», пока напряжение на лампе не упадет до уровня гашения.

Такой процесс генерации светового импульса является разовым и краткосрочным по времени своего действия. Для его возобновления необходимо повторение описанных выше фаз.

3.2.4 Световая энергия вспышки Световая энергия определяется произведением светового потока вспышки на ее длительность и косвенно может быть выражена электрической энергией заряженного конденсатора W, Дж:

(3.1)

где С — емкость конденсатора, Ф;

U — напряжение, до которого заряжается конденсатор, В.

Таким образом, изменять световую энергию (мощность) вспышки можно путем увеличения емкости накопительного конденсатора или изменением напряжения на лампе. При этом необходимо учитывать, что электрическая энергия заряда конденсатора может превышать аналогичный параметр самой лампы не более чем на 20% (за счет потерь в соединительных проводах лампы и источника питания). Напряжение должно быть не ниже напряжения зажигания лампы и не должно приближаться к напряжению самопробоя.

3.2.5 Схема включения Инициация вспышки происходит в момент подачи высоковольтного импульса величиной 2−20 кВ на поджигающий электрод лампы.

Импульс высокого напряжения снимается со вторичной обмотки импульсного высоковольтного трансформатора. Как правило, эти трансформаторы двухобмоточные и имеют соотношение витков первичной обмотки к виткам вторичной обмотки от 1:20 до 1:100.

Рисунок 3.2 — Типовая схема включения Первичная обмотка имеет небольшое количество витков, предназначена для разряда «поджигающего» конденсатора и выполняется, как правило, «толстым» медным проводом.

Типовая схема включения лампы-вспышки приведена на рисунке 3.2.

Принцип работы управляющей схемы следующий. При подаче напряжения U на схему начинается заряд конденсатора C_Z через ограничивающее сопротивление R и первичную обмотку трансформатора. Одновременно с этим происходит процесс заряда накопительного конденсатора C_B.

Тиристор VS в этот момент находится в закрытом состоянии. При подаче запускающего импульса на управляющий электрод тиристора VS он открывается, тем самым замыкая разрядный конденсатор C_Z на «землю». В этот момент времени конденсатор C_Z начинает разряжаться по цепочке тиристор — «земля» — первичная обмотка трансформатора. Образуется своеобразный колебательный контур, в котором возникают затухающие гармонические колебания, частота которых зависит от параметров L и C. Вокруг первичной обмотки трансформатора возникает переменное магнитное поле, которое, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, наводит в нем ЭДС.

Величина ЭДС зависит от коэффициента трансформации и соотношения витков первичной и вторичной обмоток. Напряжение U_Z, равное единицам или десяткам киловольт и снимаемое со вторичной обмотки трансформатора, подается на поджигающий электрод лампы, тем самым вызывая разряд накопительного конденсатора C_B через лампу.

4 ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МИКРОСХЕМ

4.1 Описание модуля MT-16S2H

Жидкокристаллический модуль MT-16S2H состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели. Контроллер управляется КБ1013ВГ6, производства ОАО «АНГСТРЕМ», аналогичен HD44780 фирмы HITACHI. Модуль выпускается со светодиодной подсветкой.

Модуль позволяет отображать 2 строки по 16 символов. Символы отображаются в матрице 5*8 точек. Между символами имеется интервал в одну отображаемую точку. Каждому отображаемому на ЖКИ символу соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля.

Модуль содержит два вида памяти — кодов отображаемых символов и пользовательского знакогенератора, а также логику для управления ЖК панелью.

Недопустимо воздействие статического электричества больше 30 вольт.

Модуль позволяет:

— модуль имеет программно — переключаемые две страницы встроенного знакогенератора;

— работать как по 8 -ми, так и по 4-х битной шине данных;

— принимать команды с шины данных;

— записывать данные в ОЗУ с шины данных;

— читать данные из ОЗУ на шину данных;

— читать статус состояния на шину данных;

— выводить мигающий (или не мигающий) курсор двух типов;

— управлять контрастностью и подсветкой.

Таблица 4.1- Характеристики модуля MT-16S2H

4.2 Описание микроконтроллера Atmega16

В работе используется 8 — разрядный микроконтроллер семейства AVR Atmega16 (рисунок 4.1). Микроконтроллер изготовлен по КМОП — технологии, которая в сочетании с RICS архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения показателей быстродействие/энергопотребление

Atmega16 включает в себя:

Высокопроизводительный, маломощный 8-разрядный AVR-микроконтроллер;

— 131 мощных инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл;

— 32Ч 8-разрядных регистров общего назначения и регистры управления встроенной периферией;

— полностью статическая работа;

— производительность до 16 миллионов операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц;

— встроенное умножающее устройство выполняет умножение за 2 машинных цикла;

— шестнадцат кбайт внутрисистемно перепрограммируемой флэш-памяти;

— память данных (ОЗУ) 512 байт;

— память данных (EEPROM) 512 байт;

— программируемая защита кода программы;

— два 8-разрядных таймера-счетчика с раздельными предделителями и режимами сравнения;

— один расширенный 16-разразрядный таймер-счетчик с отдельным предделителям, режимом сравнения и режимом захвата;

— счетчик реального времени с отдельным генератором;

— два 8-разразрядных канала широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

— модулятор выходов сравнения;

— 8 мультиплексированных каналов 10-разрядного аналогово-цифрового преобразования;

— двухпроводной последовательный интерфейс, ориентированный не передачу данных в байтном формате;

— последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущий/подчиненный;

— программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;

— встроенный аналоговый компаратор;

— сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания;

— встроенный калиброванный RC-генератор;

— внешние и внутренние источники прерываний;

— программный выбор тактовой частоты;

— общее выключение подтягивающих резисторов на всех линиях портов ввода-вывода.

— напряжение питания 4.5 — 5.5 В;

— потребляемый ток при частоте 8Мгц, при температуре 25 ^ос и напряжении питания 5 В равен 13 мА.

Рисунок 4.1 — Микроконтроллер Atmega16

4.3 Описание стабилизатора напряжения КР1158ЕН501А Серия интегральных стабилизаторов фиксированного положительного напряжения КР1158ЕНхх, КФ1158ЕНхх с малым падением напряжения вход — выход охватывает диапазон выходных напряжений от 3 до 15 В. Все стабилизаторы предназначены для широкой области применения и идеально подходят для нужд автомобильной электроники, так как имеют встроенную защиту от выбросов входного напряжения при сбросе нагрузки генератора до 60 В, защиту при подключении входного напряжения в обратной полярности и от перегрева ИС. Для ограничения рассеиваемой мощности введена блокировка выходного напряжения при входном напряжении более 30 В. Стабилизаторы не выходят из строя при кратковременном подключении выводов в зеркальной последовательности При превышении режима по одному из параметров происходит срабатывание схем внутренней защиты микросхемы — стабилизатор выключается.

Таблица 4.2 — Параметры стабилизатора напряжения

4.4 Описание микросхемы UC3843

Интегральная схема (ИС) UC3843 выпускается в корпусах SOIC-8 и SOIC-14, но в подавляющем большинстве случаев встречается ее модификация в корпусе DIP-8. На рисунке 4.3 представлена цоколевка.

Микросхема UC3843 предназначена для построения на ее основе стабилизированных импульсных источников питания (ИП) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Поскольку мощность выходного каскада ИС сравнительно невелика, а амплитуда выходного сигнала может достигать напряжения питания микросхемы, то в качестве ключа совместно с этой ИС применяется n-канальный МОП транзистор.

Рисунок 4.3 — Цоколевка микросхемы UC3842

Рассмотрим подробнее назначение выводов ИС для наиболее часто встречающегося восьмивыводного корпуса.

Comp (1) — этот вывод подключен к выходу усилителя ошибки компенсации. Для нормальной работы ИС необходимо скомпенсировать АЧХ усилителя ошибки, с этой целью к указанному выводу обычно подключается конденсатор емкостью около 100 пФ, второй вывод которого соединен с выводом 2 ИС.

Vfb (2) — вход обратной связи. Напряжение на этом выводе сравнивается с образцовым, формируемым внутри ИС. Результат сравнения модулирует скважность выходных импульсов, стабилизируя, таким образом, выходное напряжение ИП.

C/S (3) — сигнал ограничения тока. Данный вывод должен быть присоединен к резистору в цепи истока ключевого транзистора (КТ). При повышении тока через КТ (например, в случае перегрузки ИП) напряжение на этом резисторе увеличивается и, после достижения порогового значения, прекращает работу ИС и переводит КТ в закрытое состояние.

Rt/Ct (4) — вывод, предназначенный для подключения времязадающей RC-цепочки. Рабочая частота внутреннего генератора устанавливается подсоединением резистора R к опорному напряжению Vref и конденсатора С к общему выводу. Эта частота может быть изменена в достаточно широких пределах, сверху она ограничивается быстродействием КТ, а снизу — мощностью импульсного трансформатора, которая падает с уменьшением частоты. Практически частота выбирается в диапазоне 35…85 кГц. Следует заметить, что в качестве времязадающего должен применяться конденсатор с возможно большим сопротивлением постоянному току.

Gnd (5) — общий вывод.

Out (6) — выход ИС, подключается к затвору КТ через резистор.

Vcc (7) — вход питания ИС. Рассматриваемая ИС имеет некоторые весьма существенные особенности, связанные с питанием.

Vref (8) — выход внутреннего источника опорного напряжения, его выходной ток до 50 мА, напряжение 5 В.

Источник образцового напряжения используется для подключения к нему одного из плеч резистивного делителя, предназначенного для оперативной регулировки выходного напряжения ИП, а также для подключения времязадающего резистора.

ИС имеет некоторые особенности, связанные с ее питанием. Рассмотрим их подробнее. В первый момент после включения ИП в сеть внутренний генератор ИС еще не работает, и в этом режиме она потребляет от цепей питания очень маленький ток. Для питания ИС, находящейся в этом режиме, достаточно напряжения, получаемого с резистора R2 и накопленного на конденсаторе C5. Когда напряжение на этих конденсаторе достигает значения 7.8…9 В, запускается генератор ИС, и она начинает формировать на выходе импульсы управления КТ. На вторичных обмотках трансформатора ТV1, в том числе и на обмотке 3−4, появляется напряжение. Это напряжение выпрямляется импульсным диодом VD4, фильтруется конденсатором C4, и через диод VD5 подается в цепь питания ИС. В цепь питания включается стабилитрон VD6, ограничивающий напряжение на уровне 14…16 В. После того, как ИС вошла в рабочий режим, она начинает отслеживать изменения своего питающего напряжения, которое через делитель R5, R8 подается на вход обратной связи Vfb. Стабилизируя собственное напряжение питания, ИС фактически стабилизирует и все остальные напряжения, снимаемые со вторичных обмоток импульсного трансформатора.

При замыканиях в цепях вторичных обмоток, например, в результате пробоя электролитических конденсаторов или диодов, резко возрастают потери энергии в импульсном трансформаторе. В результате напряжения, получаемого с обмотки 3−4, недостаточно для поддержания нормальной работы ИС. Внутренний генератор отключается, на выходе ИС появляется напряжение низкого уровня, переводящее КТ в закрытое состояние, и микросхема оказывается вновь в режиме низкого потребления энергии. Через некоторое время ее напряжение питания возрастает до уровня, достаточного для запуска внутреннего генератора, и процесс повторяется.

5. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ Произведем расчет делителя напряжения по каналу измерения напряжения аккумуляторной батареи Примем R₁₇ = 1 кОм, U_вхmax = 40 В, U_выхmax = 5 В. Тогда, Ом определим по формуле (5.1)

Ом (5.1)

где

Для нахождения параметров время задающей цепи (R4C6) примем:

f = 60 кГц (частота преобразований), R4 = 20 кОм. Тогда С6, в нФ выразим из формулы:

(5.2)

нФ Произведем расчет выходной мощности, Вт преобразователя собранного на микросхеме UC3843.

(5.3)

где f_р — частота импульсов идущих на лампу вспышку, Гц.

Вт Определим коэффициент трансформации повышающего трансформатора преобразователя по формуле 5.3

(5.3)

где В, рабочее напряжение транзистора;

В — выходное напряжение преобразователя;

В — напряжение питания;

— коэффициент запаса;

— коэффициент трансформации;

Выразим К₁₂ из формулы 5.3

Приведем емкость высоковольтного конденсатора к первичной цепи

мкФ (5.4)

Рисунок 5.1 — Фаза заряда дросселя

(5.5)

(5.6)

Рисунок 5.2 — Режим прерывистых токов дросселя

(5.7)

(5.8)

(5.9)

(5.10)

(5.11)

(5.12)

Найдем индуктивность дросселя L, в Гн приравняв (5.12) к (5.3), получим

где (5.13)

= 60 000 Гц, частота работы преобразователя.

С учетом КПД

(5.14)

Примем = 0.25 А, = 0.8. Подставим эти значения в формулу 5.14 найдем индуктивность дросселя.

В

мкГн Выбираем магнитопровод К12Ч5Ч5.5 из феррита 4000НМ с параметрами

S_o =20 мм², S = 18.1 мм², l_ср=23.6 мм Число витков в первичной обмотки определим по формуле 5.15

(5.15)

где — коэффициент индуктивности, Гн.

Вычислим величину немагнитного зазора д, в мм по формуле 5.16

мм (5.16)

Определим число витков во вторичной обмотке

(5.17)

Определим число витков в обмотке обратной связи

(5.18)

Рассчитаем диаметры проводов обмотки d, в мм трансформатора [3], значения токов первичной и вторичной обмоток возьмем из математической модели построенной в MATLAB.

Зададимся плотностью тока J = 2.5 А/мм².

i₁ = 0.096 A;

i₂ = 0.005 A;

мм (5.19)

мм

мм

6. БЛОК СХЕМЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТРОБОСКОПА Блок — схема «основной цикл»

Рисунок 6.1 — Основной цикл

Блок — схема «инициализация ЖКИ»

Рисунок 6.2 — Инициализация ЖКИ

Блок — схема «вывод информационной строки»

Рисунок 6.3 — Вывод информационной строки Блок — схема «подпрограмма — установка курсора на начало строки»

Рисунок 6.4 — Подпрограмма — установка курсора на начало строки Блок — схема «подпрограмма — передача данных»

Рисунок 6.5 — Подпрограмма — передача данных

Блок — схема «подпрограмма напряжение»

Рисунок 6.6 — Подпрограмма напряжение Блок — схема «подпрограмма — импульсы на лампу»

Рисунок 6.7 — Подпрограмма — импульсы на лампу

Блок — схема «Выбор»

Обработка подпрограммы «Выбор» осуществляется по внешнему прерыванию INT0 микроконтроллера.

Рисунок 6.8 — Подпрограмма — выбор

7. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТРОБОСКОПА

#include

#include //для доступа к sei

#include //для доступа к макросу SIGNAL

#include

#include

#include

#define Freq 8 000 000//частота системной синхронизации в Гц

int ZhachPreob, Napr, n, R, Pezim, c, U, Z, Z1,I, N;

unsigned int CurrentTime, PreviousTime, T, UGL;// временные переменнные

unsigned char addr;

//————-Интерфейс ЖКИ—————-//

// A0 R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7//

// PA5 PA6 PA7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7//

//————————————————-//

#define A0 PA5//линия выбора регистра

#define RW PA6//линия выбора операции

#define E PA7//линия стробирования / синхронизации

#define BS PC7//флаг занятости

unsigned char str1[] = «Работа» ;

unsigned char str2[] = «Стробоскоп» ;

unsigned char str3[] = «Тахометр» ;

unsigned char str4[] = «Вольтметр» ;

char buffer[15];

//———————————————Ожидание готовности—————————————————————;

void LCD_wait (void)

{

do

=_BV (E);//E=1

_delay_us (0);//задержка в 1 mc

PORTA &=~_BV (E);//E=0

while (bit_is_set (PINC, BS)); //ожидать сброса флага занятости

PORTA &=~_BV (RW);//RW=0

PORTA &=~_BV (E);//E=0

}

//——————————————-Запись в LCD———————————————————————————;

void LCD_write (unsigned char p)

PORTA &=~_BV (RW);//RW=0

PORTA

//——————————————-Чтение из LCD——————————————————————————;

unsigned char LCD_read (void)

=_BV (RW); //RW=1 (чтение)

PORTA

//——————Функция ЗАПИСИ КОМАНДЫ (IR) в ЖКИ————————————————;

void LCD_com_write (unsigned char p)//p-байт команды

{

LCD_wait ();//ожидание готовности

PORTA &=~_BV (A0);//A0=0 (команда)

LCD_write (p);//запись команды в ЖКИ

}

//—————-Функция ЗАПИСИ ДАННЫХ (DR) в ЖКИ—————————————————;

void LCD_data_write (unsigned char p)//p-байт данных

LCD_wait ();//ожидание готовности

PORTA

//—————-Функция ЧТЕНИЯ СЧЕТЧИКА АДРЕСА ЖКИ——————————————;

unsigned char LCD_addr_read (void)

{

unsigned char p;//содержимое счетчика адреса

LCD_wait ();

PORTA &=~_BV (A0);//A0=0 (команда)

p = LCD_read ();//чтение команды из ЖКИ

p = (p & 0b01111111);//отбрасывание бита занятости

return (p);//функция возвращает прочитанное

// содержание адреса счетчика

}

//—————-Функция ЗАПИСИ команды в ЖКИ (при инициализации)————————-;

void LCD_com_init (unsigned char p)

DDRC = 0b11111111;//порт D на выход

PORTC = 0b00000000;//подтяжка порта D

PORTA &=~_BV (A0);//A0=0 (команда)

PORTA &=~_BV (RW);//RW=0

PORTA

//——————————-Функция иницилизации ЖКИ————————————————————-;

void LCD_init ()

{

_delay_ms (20);//ожидание 20 мс

LCD_com_init (0×33);//установка разрядности интерфейса

_delay_ms (40);

LCD_com_init (0×33);//установка разрядности интерфейса

_delay_ms (40);

LCD_com_init (0×33);//установка разрядности интерфейса

_delay_ms (40);

LCD_com_init (0x3A);//8 битный интерфейс, 1 страница знакогенератора

LCD_com_init (0×08);//включение дисплея

LCD_com_init (0×01);//очистка дисплея

LCD_com_init (0×06);//сдвиг курсора вправо

LCD_com_init (0x0F);//включение дисплея, мигающий курсор

}

//—————-Функция вывода строки в ЖКИ по адресу «addr» ———————————

void LCD_out_str (unsigned char str[], unsigned char addr)

{

unsigned char a;//номер символа в стоке

unsigned char addr_t;//текущее содержание счетчика адреса ЖКИ

a = 0;

LCD_com_write ((addr + 0×80));//установка курсора на начало строки

while (str[a] ≠'')//ждать окончания строки

{

addr_t = LCD_addr_read ();//стение текущего адреса вЖКИ

if (addr_t > 0×10)//если курсор уходит из видимой

{// области первой строки, то

LCD_com_write (0×80);// восстанавливаем его на начало

// первой строки

}

LCD_data_write (str[a]);//Передача данных

a++;

}

}

//————————————————————Процедура Импульс 1———————————————;

void P (void)//формирование импульса к лампе вспышке

{

if (Z1>Z) { _delay_loop₂(Z1);}

DDRA = 0xE2;

PORTA = 0x1D;

_delay_loop₂(40);//длительность вспышки

Z1 = 0;

DDRA = 0x1 °F;

PORTA = 0xE0;

}

//——————————————-Прерывание—————————————————————————-;

SIGNAL (SIG_INTERRUPT1)

{

Z1 = UGL;//сдвинуть периода на градус

R++;//отсчет градусов

Pezim++;

if (Pezim < 3)

{

_delay_loop₂(31 250);}//задержка в 1 секунду

}

}

//—————-Процедура расчета напряжения——————————————————————;

void Haprezenie (void)

{

DDRA = 0xE2;

PORTA =0x1D;

ADCSRA = (1<

loop_until_bit_is_set (ADCSRA, ADIF); //ожидаем флаг прерывания ADIF

ZhachPreob = (ADCH*255) + ADCL; //вычисляем текущее значение

// преобразования

Napr = ZhachPreob*5/255; //получим значение измеренного

// напряжения в десятичной форме

sprintf (buffer," %06u", Napr); //форматирование — представление

//числового результата

LCD_out_str (buffer, 0×40);//вывод числового значения на ЖКИ, 2

// строка

}

//——————————————————————————————————————-;

void Tahometr (void)

{

if (PIND & 0×01)== 0×01)//высоковольтный провод (емкостной //синхронизатор)

{

CurrentTime = TCNT1; //записываем текущее значение таймера

//если нет переполнения, то

if (CurrentTime > PreviousTime) T = CurrentTime — PreviousTime;

//если есть переполнение Т/С

else T = 0xFFFF + CurrentTime — PreviousTime;

PreviousTime = CurrentTime;//текущее значение стало предыдущим

U=60.0*2*31 250/(T);//скорость вращения коленвала

sprintf (buffer," %06u", U); //форматирование

LCD_out_str (buffer, 0×40);//Вывод числового значения на ЖКИ, 2

// строка

}

if (PIND & 0×04)== 0×04)//низковольтный провод (коммутатор)

{

CurrentTime = TCNT1; //записываем текущее значение таймера

//если нет переполнения, то

if (CurrentTime > PreviousTime) T = CurrentTime — PreviousTime;

//если есть переполнение Т/С

else T = 0xFFFF + CurrentTime — PreviousTime;

PreviousTime = CurrentTime;//текущее значение стало предыдущим

U=60.0*31 250/(0.5*T);//скорость вращения коленвала

sprintf (buffer," %06u", U); //форматирование

LCD_out_str (buffer, 0×40);//вывод числового значения на ЖКИ, 2

// строка

}

}

void Stroboskop (void)

{

int c ++;

CurrentTime = TCNT1;//записываем текущее значение таймера

//если нет переполнения, то

if (CurrentTime > PreviousTime) T = CurrentTime — PreviousTime;

//если есть переполнение Т/С

else T = 0xFFFF + CurrentTime — PreviousTime;

PreviousTime = CurrentTime;//текущее значение стало предыдущим

if (c=3)

{

if (PIND & 0×01)== 0×01)высоковольтный провод (емкостной //синхронизатор)

{

UGL=T/720; //2 оборота 1 импульс

n = 31 250/T; // частота искрообразований

R = 0;//обнуление счетного регистра

Z = 0;

while ((PINB & 0×01)== 0×01) //пока режим нажат в цикле «режим»

i = 0;

{

for (i = 0, i = n, i ++)//импульсы на HL

{

if (i = 1) P ();

else if (i = n/2) P ();

else if (i = n) P ();

_delay_loop₂(T/n);

sprintf (buffer," %06u", R); //форматирование

LCD_out_str (buffer, 0×40);//вывод числового значения на ЖКИ

}

}

}

if (PIND & 0×04) == 0×04)//низковольтный провод (коммутатор)

{

UGL=T/180; //1 оборот 2 импульс

n = 31 250/T; // частота искрообразований

R = 0;//обнуление счетного регистра

Z = 0;

while ((PINB & 0×10)== 0×10) //пока режим нажат в цикле «режим»

i = 0;

{

for (i = 0, i = n, i ++)//импульсы на HL

{

if (i = 1) P ();

else if (i = n/2) P ();

else if (i = n) P ();

_delay_loop₂(T/n);

sprintf (buffer," %06u", R); //форматирование

LCD_out_str (buffer, 0×40);//вывод числового значения на ЖКИ

}

}

}

}

int main (void)

{

//——————————————————/*Настройка портов*/——————————————————;

DDRB = 0×00;//PB0 — режим

PORTB =0xFF;

DDRD = 0×00;// PD2 — выбор (по внешнему прерыванию),

PORTD =0xFF;

DDRA = 0xE2;//PA1-вход c датчика напряжения

PORTA =0x1D;//PA2-выход на лампу HL

//——————————————————————————————————————————————————;

//——————————————————/*Настройка таймера*/—————————————————-;

TCCR1A = 0;//режим ШИМ выключен

TCCR1B = _BV (CS12);//коэффициент деления частоты системной

// синхронизации = 256

//——————————————————————————————————————————————————;

//————————————————————/*Настройка АЦП*/—————————————————-;

ADCSRA = (1<<<

// работу АЦП, делитель частоты

// АЦП =64(8 000 000МГц/64=125кГц)

ADMUX = (1<<

// по правому краю выбран первый канал

// напряжение питания AVcc

//——————————————————————————————————————————————————;

//———————————————————/*Настройка прерываний*/——————————————;

GICR = 0×40;//разрешить прерывания по выводу INT0

MCUCR = (1<<<<

//——————————————————————————————————————————————————;

sei ();//разрешить прерывания

//—————————————————————————ЖКИ—————————————————————-;

LCD_init ();//инициализация

while (1)

{

Pezim = 0;//обнуление счетного регистра

LCD_out_str (str1,0×00);

while ((PINB & 0×01) == 0×01)

{

if (Pezim ==1) Haprezenie ();

if (Pezim ==2) Tahometr ();

if (Pezim ==3) Stroboskop ();

if (Pezim ==3) LCD_out_str (str2,0×00);//стробоскоп

if (Pezim ==2) LCD_out_str (str3,0×00);//тахометр

if (Pezim ==1) LCD_out_str (str4,0×00);//вольтметр

}

}

}

При использовании стробоскопа с лампой вспышкой необходимо заменить «процедуру Импульс 1» на «процедуру Импульс 2»

//————————————————————Процедура Импульс 2———————————————;

void P (void)//формирование импульса к лампе вспышке

{

if (Z1>Z) { _delay_loop₂(Z1);}

DDRA = 0xE2;

PORTA = 0x1D;

_delay_loop₂(40);//длительность вспышки

Z1 = 0;

DDRA = 0x1 °F;

PORTA = 0xE0;

}

8. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ Для обеспечения нормальной работы электронных устройств, необходимо чтобы печатные платы, на которых монтируются электрические схемы, удовлетворяли целому ряду требований:

1) В зависимости от числа проводящих слоев содержащих печатные проводники печатные платы делятся на:

— односторонние;

— двухсторонние без металлизации отверстий,

— двухсторонние с металлизацией отверстий;

— многослойные.

В зависимости от точности выполнения элементов печатного рисунка печатные платы в соответствии с ГОСТ 23 751 делятся на 5 классов точности.

2) Печатные платы 1 и 2 класса точности изготавливаются из прецизионного сырья на простом технологическом оборудовании. Печатные платы 3 и 4 класса точности изготавливаются чистого сырья на простом технологическом оборудовании. Печатные платы 5 класса точности изготавливают из чистого сырья на прецизионном оборудовании.

3) Для изготовления односторонних и двухсторонних печатных плат без металлизированных отверстий широко используется химический метод (метод травления).

4) Для обеспечения постоянства электрических параметров печатной платы используются металлические и неметаллические конструкционные покрытия.

Металлические конструкционные покрытия используются для увеличения нагрузочной способности по току и улучшения пайки выводов к печатным площадкам (Сплав РОЗЕ).

Неметаллические конструкционные покрытия:

— лак УР-231, который наносят на печатные проводники для защиты их от электрических замыканий на металлические конструкционные элементы аппаратуры;

— эмали для защиты печатной платы от расплавленного припоя при пайке групповым методом.

4) Трассировка печатных проводников

1) Печатные проводники должны располагаться равномерно по всей площади печатной платы.

2) Печатные проводники должны быть параллельны сторонам печатной платы, либо быть под углом кратным 15 град.

3) Существуют две разновидности трассировки печатных плат:

— прямая (для односторонних и двухсторонних печатных плат);

— ортогональная или координатная (для двухсторонних печатных плат).

4) Расстояние от края печатной платы до ближайшего печатного проводника должно быть не менее толщины печатной платы.

5) Расстояние между проводниками должно быть максимально возможным;

6) Если пайка печатного узла выполняется волной, то печатные проводники на стороне пайки должны быть расположены параллельно движению волны припоя.

9. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ На рисунке 9.1 изображен внешний вид автомобильного стробоскопа. Данное устройство выполняет следующие функции: измерение напряжения, измерение количества оборотов двигателя, измерение УОЗ. Это устройство в своем составе имеет следующие элементы: жидкокристаллический индикатор, кнопки управления работой стробоскопа («Режим и Выбор»), излучающий элемент зависимости от исполнения может быть либо лампой — вспышкой либо светодиодом.

Питание стробоскоп получает от бортовой сети автомобиля.

Рисунок 9.1 — Внешний вид стробоскопа

10. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Разработка и создание автомобильного стробоскопа с микроконтроллерным управлением относится к научно-исследовательской работе (НИР).

Затраты на проведение НИР З_нир, в руб по данной устройству определяются по формуле [18]:

З_нир=З_зп+З_отч+З_нр +З_м,(10.1)

гдеЗ_зп — затраты на заработную плату руководителя, инженера исследователя и техника;

З_отч — отчисления на социальное, медицинское страхования и в другие фонды;

З_нр — затраты на накладные расходы;

З_м — затраты на материалы и оборудование.

Заработная плата исполнителей работ состоит из основной и дополнительной заработной платы. Исходные данные для расчёта затрат на заработную плату исполнителей работ сведены в таблицу 10.1.