Разработка многофункциональных астрономических часов

СОДЕРЖАНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ ВВЕДЕНИЕ РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ

1.1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера

1.1.1 Основные этапы разработки

1.1.2 Разработка и отладка аппаратных средств

1.1.3 Разработка и отладка программного обеспечения

1.2 Астрономические часы РАЗДЕЛ 2 РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ЧАСОВ

2.1 Постановка задачи

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации

2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии PIC16F877A

2.4 Разработка функциональной схемы устройства

2.5 Разработка алгоритма управления

2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

2.7 Выбор, описание и расчет элементной базы

2.8 Разработка схемы электрической принципиальной РАЗДЕЛ 3 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАЗДЕЛ 4 ОХРАНА ТРУДА

4.1 Требования к производственным помещениям

4.1.1 Окраска и коэффициенты отражения

4.1.2 Освещение

4.1.3 Параметры микроклимата

4.1.4 Шум и вибрация

4.1.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения

4.2 Эргономические требования к рабочему месту

4.3 Режим труда

4.4 Расчет освещенности

4.5 Расчет вентиляции

4.6 Расчет уровня шума ВЫВОДЫ ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ АЛУ — арифметическо-логическое устройство АЦП — аналого-цифровой преобразователь КМОП — комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник МПС — микропроцессорная система ЦПУ — центральное процессорное устройство ШИМ — широтно импульсная модуляция

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, при разработке большинства измерительных систем возникает задача преобразования аналоговых сигналов от различных датчиков в цифровую форму и их последующей обработки. В некоторых случаях вся обработка данных возлагается на компьютер. Однако, если потребность рынка в измерительной системе велика, то удобнее использовать системы со встроенным микроконтроллером. Контроллер берет на себя многие задачи, связанные как с оцифровкой, так и с последующей обработкой данных. При этом за счет серийного производства стоимость системы значительно снижается. В результате получается законченное устройство, решающее задачу эффективно и с минимальными затратами.

Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя следующие составные части: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

Мировая промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров. По области применения их можно разделить на два класса: специализированные, предназначенные для применения в какой-либо одной конкретной области (контроллер для телевизора, контроллер для модема) и универсальные, которые не имеют конкретной специализации и могут применяться в самых различных областях микроэлектроники, с помощью которых можно создать как любое из перечисленных выше устройств, так и принципиально новое устройство.

Астрономические часы не отличаются ни по своему назначению, ни по устройству от обыкновенных часов. От них только требуется чрезвычайно правильный ход, для достижения которого астрономические часы снабжаются приспособлениями, слишком дорогими для применения их к обыкновенным часам.

Одно из главных приспособлений состоит в компенсации влияний температуры. Обыкновенные часы, карманные или стенные, спешат при понижении температуры и отстают при повышении её.

В электронных часах для повышения точности во-первых применяют стабильный источник питания, во-вторых — используют термостат для кварцевого резонатора.

Тема дипломной работы — «Разработка многофункциональных астрономических часов», которая и является предметом исследования.

Актуальность данной темы велика, т.к. всю жизнь человечество пыталось «идти в ногу со временем».

Цель работы — разработать особо точные электронные часы на базе микроконтроллера с разнообразными функциями.

За основу для разработки астрономических часов мы взяли микроконтроллер серии PIC16F877A.

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ

1.1 Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера

1.1.1 Основные этапы разработки Микропроцессорная система (МПС) на основе микроконтроллера (МК) используются чаще всего в качестве встроенных систем для решения задач управления некоторым объектом. Важной особенностью данного применения является работа в реальном времени, т. е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Такие устройства получили название контроллеров.

Перед разработчиком МПС стоит задача реализации полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия. Методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рис. 1.1.

В техническом задании формулируются требования к контроллеру с точки зрения реализации определенной функции управления. Техническое задание включает в себя набор требований, который определяет, что пользователь хочет от контроллера и что разрабатываемый прибор должен делать. Техническое задание может иметь вид текстового описания.

На основании требований пользователя составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые контроллером для пользователя после завершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями контроллера.

Рисунок 1.1- Основные этапы разработки контроллера Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств.

При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. При выборе типа МК учитываются следующие основные характеристики:

— разрядность;

— быстродействие;

— набор команд и способов адресации;

— требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;

— объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;

— возможности расширения памяти программ и данных;

— наличие и возможности периферийных устройств, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т. п.);

— возможность перепрограммирования в составе устройства;

— наличие и надежность средств защиты внутренней информации;

— возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;

— стоимость в различных вариантах исполнения;

— наличие полной документации;

— наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;

— количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.

Список этот не является исчерпывающим.

Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителя разнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром. Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов.

1.1.2 Разработка и отладка аппаратных средств После разработки структуры аппаратных и программных средств дальнейшая работа над контроллером может быть распараллелена. Разработка аппаратных средств включает в себя разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его автономную отладку. На этапе ввода принципиальной схемы и разработки топологии используются, как правило, распространенные системы проектирования типа «ACCEL EDA» или «OrCad» .

1.1.3 Разработка и отладка программного обеспечения Содержание этапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентных функций.

В настоящее время самым мощным средством разработки программного обеспечения для МК являются интегрированные среды разработки, имеющие в своем составе менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускающие подключение компиляторов языков высокого уровня типа Паскаль или Си. При этом необходимо иметь в виду, что архитектура многих 8-разрядных МК вследствие малого количества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индексной адресации и некоторых других архитектурных ограничений не обеспечивает компилятору возможности генерировать эффективный код.

1.2 Астрономические часы Астрономические часы не отличаются ни по своему назначению, ни по устройству от обыкновенных часов. От них только требуется чрезвычайно правильный ход, для достижения которого астрономические часы снабжаются приспособлениями, слишком дорогими для применения их к обыкновенным часам.

Одно из главных приспособлений состоит в компенсации влияний температуры. Обыкновенные часы, карманные или стенные, спешат при понижении температуры и отстают при повышении её. В часах с маятником устраивается так называемый компенсационный маятник, в часах с пружиной или хронометрах так называемые chappement.

Иногда под названием астрономических часов понимают также сложные инструменты, которые, указывая час дня, кроме того, дают течение планет и луны, приливы и отливы, подвижные праздники, различные явления неба, в особенности затмения солнца и луны, високосные года и т. п., посредством особых механических приспособлений. Построение таких часов требует большого механического искусства и немало астрономических познаний; наиболее замечательные часы такого рода изготовил Дасиподий в XV-м веке для Страсбургского собора. Мастер Швильге в Страсбурге переделал их заново, и в этом новом виде они до сих пор находятся в соборе. Другие, несколько более простые часы подобного рода находятся в Майнце.

Однако практическая польза подобных сложных инструментов весьма ограничена и не окупает затраченного на изготовление их громадного труда: для астронома удобнее справиться относительно небесных явлений в эфемеридах.

Астрономические часы Федченко (АЧФ) — Высокоточные электронно-механические вычисления часы, завершившие эволюцию маятниковых приборов времени. Погрешность составляет 0,0002−0,0003 секунды в сутки, что на порядок ниже, чем у часов английского ученого В. Шорта, сделанных в 20-х г. 19 в., которыми долгое время оснащались обсерватории мира. Точность достигнута за счет подвеса маятника на специальном трехпружинном подвесе (изобретение Ф.М.Федченко), который обеспечивает изохронные (не зависящие от амплитуды) колебания маятника. Часы Федченко вплоть до 1970;80 гг. выполняли функции хранителей времени — работали в обсерваториях, на космодромах, аэропортах, телецентрах страны.

Была попытка разработать высокоточные электронные астрономические часы, но в связи с высокой стоимостью и рядом непотребных функций они не нашли широкого применения.

РАЗДЕЛ 2. РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ЧАСОВ

2.1 Постановка задачи Требуется разработать схему многофункциональны астрономических часов.

Разработка устройства велась с учётом следующих требований:

— простота схемы (минимальное количество компонентов);

— функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;

— устойчивость к изменениям напряжения и температуры, долговечность;

— отсутствие нагрева компонентов;

— низкое энергопотребление.

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации Рассмотрим структуру разрабатываемого устройства (Рис. 2.1).

Функциональная спецификация:

1. Входы:

а. 16 кнопок управления и регулировки часами;

b. Источник бесперебойного стабильного электропитания часов.

Рисунок 2.1 — Структурная схема многофункциональных астрономических часов

2. Выходы:

а. Двухрядный шестнадцатиразрядный ЖК индикатор;

b. Звуковой излучатель.

3. Функции:

а. 16 таймеров;

b. Таймеры могут показывать Земное, Марсианское, Юпитерское, сидерическое время, Лунных фаз, времени перемещения большого красного пятна Юпитера и т. д. Одновременное отображение 24 часового и Юлианского времен на десятичном дисплее.

с. Выполнение функций будильника;

d. Осуществление бесперебойного электропитания для осуществления стабильности хода часов (должен иметь встроенный источник питания).

2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии PIC16F877A

Общее описание:

PIC16F877A 8-разрядные КМОП микроконтроллеры с Flash памятью.

Основные характеристики:

Высокопроизводительный RISC-процессор:

Всего 35 простых для изучения инструкции Все инструкции исполняются за один такт (200 нс), кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта; минимальная длительность такта 200 нс

14 битовые команды

8 — битовые данные Вход внешних прерываний

8-уровневый аппаратный стек Прямой, косвенный и относительный режимы адресации для данных и инструкций Периферия:

22 линий ввода/вывода с индивидуальным контролем направления Сильноточные схемы портов ввода/вывода:

25 мА макс. вытек. ток

25 мА макс. втек. ток

Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик

Timer1: 16-разрядный таймер/счетчик

Timer2: 8-разрядный таймер/счетчик

2 ШИМ модуля Последовательные интерфейсы

3-проводный SPI

I2C Master и Slave режимы

USART (с поддержкой адреса)

5 каналов 10-битного АЦП

2 аналоговых компаратора Интегрированный программируемый источник опорного напряжения Особенности микроконтроллера:

Сброс при включении питания (POR)

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

Сброс по снижению напряжения питания (BOR)

Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы Режим экономии энергии (SLEEP)

Выбор источника тактового сигнала Программирование на плате через последовательный порт (ICSPT) (с использованием двух выводов) Отладка на плате через последовательный порт (ICD) (с использованием двух выводов) Возможность самопрограммирования Программируемая защита кода

1000 циклов записи/стирания FLASH памяти программы

100 000 циклов записи/стирания памяти данных ЭСППЗУ Период хранения данных ЭСППЗУ > 40 лет Технология КМОП:

Экономичная, высокоскоростная технология КМОП Полностью статическая архитектура Широкий рабочий диапазон напряжений питания — от 2,0 В до 5,5 В Промышленный и расширенный температурный диапазоны Низкое потребление энергии Совместимость:

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

Рисунок 2.2 — Структурная схема микроконтроллера PIC16F877A

Рисунок 2.3 — Расположение выводов микроконтроллера PIC16F877A

Рисунок 2.4 — Общий вид микроконтроллера PIC16F877A

Основные технические характеристики микроконтроллера PIC16F877A приведены в Приложении А.

2.4 Разработка функциональной схемы устройства После выбора микроконтроллера мы можем приступить к разработке функциональной схемы (Рис. 2.5).

+ 12 В С

Рисунок 2.5 — Функциональная схема многофункциональных астрономических часов

2.5 Разработка алгоритма управления Основной алгоритм работы микроконтроллера представлен на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 — Алгоритм работы многофункциональных астрономических часов

2.6 Разработка программного обеспечения микроконтроллера Программа для микроконтроллера написана на языке ассемблера. Сделать ее можно более гибкой, даже ценой увеличения размера кода. Эту программу можно улучшать и улучшать, но, она работает и не слишком беспорядочна. Можно обновлять программу время от времени — удаляя ошибки и добавляя новые возможности.

Программа содержится в Приложении Б.

2.7 Выбор, описание и расчет элементной базы Стабилизированный блок питания напряжением 5 В состоит из стабилизатора напряжения и фильтрующих конденсаторов.

Блок усилителя динамика это усилитель основанный на микросхеме LM386. Динамик любой (например, модема).

Порт PIC программатора предназначенный для перепрограммирования микроконтроллера без разборки часов. Адаптер DB25 в 6 контактный разъем.

Клавиатура от микрокалькулятора или кнопочного телефона.

Использован 16-ти символьный 2-х строчный LCD модуль фирмы Techstar с подсветкой. Эти модули довольно таки стандартны, так что почти любой 16×2 LCD модуль будет работать.

Схема не содержит токовых элементов, кроме стабилизатора напряжения, поэтому поэлементный расчет элементов не производится.

Спецификация элементов устройства приведена в Приложении В.

Следует немного разобраться, как управляются астрономические часы.

Дисплей часов это 2×16 LCD модуль. Первая строка всегда показывает текущий выбранный таймер. Вторая строка используется для показа либо юлианского времени, либо выбора текущего меню.

Рисунок 2.7 — Общий вид дисплея Шестнадцать таймеров имеют имена TmA, TmB и т. д. вплоть до TmP. Здесь TmA это имя таймера, следующего за текущим временем. Вторая строка показывает то же самое время в юлианском формате (используется в астрономии и других науках). Клавиатура выглядит так (Рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 — Клавиатура астрономических часов

Пользовательский интерфейс часов организован в виде различных меню. Нажатие кнопок [DEL] и [TKO] позволит просмотреть пункты меню. При нажатии на [ENT] будет выбран пункт (и произойдет связанное с пунктом действие — откроется другое меню, установка значения и т. д.). выход из меню делается нажатием кнопки [DEL]. Это вызовет открытие предыдущего меню. Ниже приведена диаграмма различных меню часов, с последующим детальным описанием каждого меню (Рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 — Главное Меню — Выбор Таймера Сразу после включения питания часов, мы попадем в меню «Выбор Таймера». В этом режиме можно просмотреть все 16 таймеров, от TmA до TmP (как и с любым меню, используйте кнопки [TKO] и [DEL] для выбора таймеров). Если вы не уверены, в каком меню вы находитесь, нажмите кнопку [ABT] несколько раз, это приведет вас в главное меню.

Установка времени [select timer, ENT]

Если вы хотите изменить что-нибудь в таймере — установить время, установить будильник и т. д., выберете данный таймер и нажмите кнопку [ENT]. Это приведет вас к следующему меню с двумя опциями (Рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 — Меню с двумя опциями Когда опция Adjust Timer видна, вы можете использовать кнопку чтобы поставить таймер на паузу или перезапустить таймер и кнопку [4], для того, чтобы переключить направление таймера (вперед или назад). Это будет воздействовать только на текущий выбранный таймер.

Когда опция Adjust Clock видна, вы можете делать установки для часов, которые влияют на все таймеры. Нажмите кнопку чтобы поставить на паузу или перезапустить часы. Нажатие кнопки вызовет скачок часов вперед на 1 секунду. Таким образом вы можете задать правильное время не перезапуская каждый таймер отдельно.

Установки таймера [select timer, ENT]

Выберите таймер и нажмите кнопку [ENT] дважды (один раз чтобы получить Adjust меню и второй раз, чтобы выбрать опцию Adjust Timer). Появится меню со следующими опциями (Рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 — Опции таймера

Если вы выберите опцию Set Timer и нажмете кнопку [ENT], вам будет показан экран, где вы можете ввести новое время. Введите время используя цифровой клавиши. Новое время будет установлено когда вы введете все шесть цифр (HH:MM:SS) или когда вы нажмете кнопку [ENT]. Нажатие кнопки [ABT] в любой момент отменит операцию и время не будет установлено.

Если вы выберите опцию Set Alarm, это позволит вам установить время будильника, звук и действие.

Чтобы настроить таймер на какой ни будь другой, отличный от стандартного земного (24 часа), временной цикл, выберите опцию Set Cycle Lengt. Более детальная информация и примеры длин циклов (например, как заставить таймер считать марсианское время), находятся в разделе How-To, пункт «Установка длинны цикла таймера». Подтвердите установку новой длинны цикла кнопкой [ENT] или отмените операцию нажав кнопку [ABT] в любой момент.

Каждый таймер имеет будильник, связанный с ним. Это меню позволяет вам выбрать между следующими опциями.

Чтобы установить время будильника выберите опцию Alarm Time и нажмите кнопку [ENT]. Как обычно, кнопка [ENT] подтверждает, а кнопка [ABT] отменяет операцию в любой момент.

2.8 Разработка схемы электрической принципиальной Принципиальная схема многофункциональных астрономических часов в Accel EDA приведена на Рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 — Принципиальная схема многофункциональных астрономических часов в Accel EDA

Принципиальная схема приведена в Приложении Д.

РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТА РАЗРАБОТКИ В данном разделе проводится технико-экономический расчет стоимости астрономических часов.

Стоимость устройства будет состоять из стоимости разработки ПО для микроконтроллера, стоимости разработки конструкторской документации и сборки устройства.

3.1 Расчет расходов ПО для микроконтроллера, которое разрабатывается Исходные данные для расчета стоимости разработки ПО, которое разрабатывается приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Данные на 1.01.2010 г.

Первичными исходными данными для определения себестоимости ПО является количество исходных команд (операторов) конечного программного продукта. Условное количество операторов Q в программе задания может быть оценено по формуле:

(3.1)

где у — расчетное количество операторов в программе, что разрабатывается (единиц);

с — коэффициент сложности программы;

р — коэффициент коррекции программы в ходе ее разработки.

Рассчитанное количество операторов в разработанной программе — 500.

Коэффициент с — относительная сложность задания относительно отношения к типичной задаче, сложность которой принята более 1, лежит в границах от 1,25 до 2,0 и выбирается равным 1,30.

Коэффициент коррекции программы р — увеличение объема работ за счет внесения изменений в программу лежит в границах от 0,05 до 0,1 и выбирается равным 0,05.

Подставим выбранные значения в формулу (3.1) и определим величину Q:

Q = 200•1,3 (1 + 0,05) = 273.

3.2 Расчет расходов на создание ПО Расчет расходов на ПО проводится методом калькуляции расходов, в основу которого положена трудоемкость и заработная плата разработчиков. Трудоемкость разработки ПЗ рассчитывается по формуле:

(3.2)

где-То — расходы труда на описание задания;

Ти — расходы труда на изучение описания задания;

Та — расходы труда на разработку алгоритма решения задания;

Тп — расходы труда на составление программы по готовой блок-схеме;

Тотл — расходы труда на отладку программы на ЭВМ;

Тд — расходы труда на подготовку документации.

Составные расходы труда, в свою очередь, можно определить по числу операторов Q для ПО, что разрабатывается. При оценке составных расходов труда используются:

— коэффициенты квалификации разработчика алгоритмов и программ — к;

— увеличение расходов труда в результате недостаточного описания задания — Z.

Коэффициент квалификации разработчика характеризует меру подготовленности исполнителя к порученной ему работе (он задается в зависимости от стажа работы), к = 1,0.

Коэффициент увеличения расходов труда в результате недостаточного описания задания характеризует качество постановки задания, выданной для разработки программы, в связи с тем, что задание требовало уточнения и некоторой доработки. Этот коэффициент принимается равным 1,3.

Все исходные данные приведенные в таблице 3.1.

а) Трудоемкость разработки П0 составляет:

Расходы труда на подготовку описания задания Т_о принимаются равными 5 чел/час, исходя из опыта работы.

Расходы труда на изучение описания задания Т_е с учетом уточнения описания и квалификации программиста могут быть определены по формуле:

; (3.3)

Т_и = 273•1,3/80•1 = 5(чел/час) Расходы труда на разработку алгоритма решения задачи рассчитываются по формуле:

; (3.4)

Т_а=273/25•1 = 11 (чел/час) Расходы труда на составление программы по готовой блок-схеме Тп рассчитываются по формуле:

; (3.5)

(чел/час) Расходы труда на отладку программы на ПЕОМ Тотл рассчитываются по формуле:

— при автономной отладке одного задания:

; (3.6)

(чел/час)

— при комплексной отладке задания:

; (3.7)

(чел/час) Расходы труда на подготовку документации по заданию Тд определяются по формуле:

(3.8)

где Тдр — расходы труда на подготовку материалов в рукописи:

; (3.9)

(чел/час) Тдо — расходы труда на редактирование, печать и оформление документация:

.(3.10)

(чел/час) Подставляя приобретенных значений в формулу (3.8), получим:

(чел/час) Определим трудоемкость разработки ПО, подставив полученные значения составляющих в формулу (3.2):

Расчет трудоемкости и зарплаты приведен в таблице 3.2.

б) Расчет материальных расходов на разработку ПЗ Материальные расходы М_з, которые необходимы для создания ПО приведенные в таблице 3.3.

Таблица 3.2 — Трудоемкость и зарплата разработчиков ПО

Таблица 3.3 — Расчет материальных расходов на разработку ПО

в) Расходы на использование ЭВМ при разработке ПО

Расходы на использование ЭВМ при разработке ПО рассчитываются, исходя из расходов одного часа, по формуле:

(3.12)

где В_г — стоимость работы одного часа ЭВМ, грн.;

Т_отл — расходы труда на наладку программы на ЭВМ, чел./час.;

Т_д — расходы труда на подготовку документации, чел./час.;

Т_п — расходы труда на составление программы по готовой блок-схеме, чел./час.

(грн.)

г) Расчет технологической себестоимости создания программы Расчет технологической себестоимости создания программы (ПО) проводится методом калькуляции расходов (таблица 3.4).

Таблица 3.4 — Калькуляция технологических расходов на создание ПО

В таблице 3.4 величина материальных расходов Мз рассчитана в таблице 3.3, основная зарплата С берется из таблицы 3.2, дополнительная зарплата составляет 15% от основной зарплаты, отчисление на социальные потребности — 37,2% от основной и дополнительной зарплат (вместе), накладные расходы — 25% от основной зарплаты. Себестоимость разработанной программы С_ПО рассчитывается как сумма пунктов 1 — 6.

Стоимость ПО для микроконтроллера составляет 2899,00 грн. на единицу продукции. Если организовать массовый выпуск продукции эта стоимость разделится на количество выпущенных изделий.

3.2 Расчет стоимости разработки конструкторской документации и сборки устройства а) Трудоемкость разработки КД изделия (Т) рассчитывается по формуле:

(3.13)

где Татз — расходы труда на анализ технического задания (ТЗ), чел./час;

Трес — расходы труда на разработку электрических схем, чел./час;

Трк — расходы труда на разработку конструкции, чел./час;

Трт — расходы труда на разработку технологии, чел./час;

Токд — расходы труда на оформление КД, чел./час;

Твидз — расходы труда на изготовление и испытание опытного образца.

Данные расчета заносятся в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 — Расчет заработной платы на разработку КД изделия

Заработная плата на разработку КД изделия С определяется по формуле:

(3.14)

где — почасовая тарифная ставка разработчика, грн.;

— трудоемкость разработки КД изделия.

б) Расчет материальных расходов на разработку КД Материальные расходы Мв, которые необходимы для разработки (создании) КД, приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 — Расчет материальных расходов на разработку КД

в) Расходы на использование ЭВМ при разработке КД Расходы, на использование ЭВМ при разработке КД, рассчитываются исходя из расходов работы одного часа ЭВМ по формуле, грн.:

(3.15)

где Вг — стоимость работы одного часа ЭВМ, грн.

Трес — расходы труда на разработку электрических схем, чел./час;

Трк — расходы труда на разработку конструкции, чел./час;

Трт — расходы труда на разработку технологии, чел./час;

Токд — расходы труда на оформление КД, чел./час;

При этом, стоимость работы одного часа ЭВМ (других технических средств — ТС) Вг определяется по формуле, грн.:

(3.16)

где Т_е/е — расходы на электроэнергию, грн.;

В_аморт — величина 1-ого часа амортизации ЭВМ (ТС), грн.;

З_перс — почасовая зарплата обслуживающего персонала, грн.;

Т_рем — расходы на ремонт, покупку деталей, грн.;

Стоимость одного часа амортизации В_аморт определяется по формуле, грн.:

при 40 часовой рабочей неделе:

(3.17)

где В_тз — стоимость технических средств, грн.

Н_а — норма годовой амортизации (%).

К_т — количество недель на год (52 недели/год).

Г_т — количество рабочих часов в неделю (40 час/неделя) Почасовая оплата обслуживающего персонала З_перс рассчитывается по формуле, грн.:

(3.18)

где О_кл — месячный оклад обслуживающего персонала, грн.

К_рг — количество рабочих часов в месяц (160 часов/месяц);

Н_рем — расходы на оплату труда ремонта ЭВМ (6% Окл).

Расходы на ремонт, покупку деталей для ЭВМ Трем определяются по формуле, грн.:

(3.19)

где В_тз — стоимость технических средств, грн.

Н_рем — процент расходов на ремонт, покупку деталей (%);

К_т — количество недель на год (52 недели/год).

Г_т — количество рабочих часов в неделю (36 168 час./неделя) Расходы на использование электроэнергии ЭВМ и техническими средствами Т_е/е определяются по формуле, грн.:

(3.20)

где В_е/е — стоимость одного кВт/час электроэнергии, грн.;

W_пот — мощность компьютера, принтера и сканера (за 1 час), (кВт/час.).

Таким образом, стоимость одного часа работы ЭВМ при разработке КД будет составлять (см. формулу 3.16), грн.:

.

Расходы на использование ЭВМ при разработке, грн. (см. формулу 3.15):

г) Расчет технологической себестоимости создания КД Расчет технологической себестоимости создания КД изделия проводится методом калькуляции расходов (таблица 3.7).

Таблица 3.7 — Калькуляция технологических расходов на создание КД изделия

В таблице 3.7 величина материальных расходов Мв рассчитана в таблице 3.6, основная зарплата С берется из таблицы 3.5, дополнительная зарплата 15% от основной зарплаты, отчисление на социальные мероприятия -37,2% - от основной и дополнительной зарплаты (вместе). Общезаводские (накладные) расходы 25% от основной зарплаты. Себестоимость разработанной конструкторской документации Скд рассчитывается как сумма пунктов 1−6.

3.3 Расчет расходов на стадии производства изделия

Себестоимость изделия которое разрабатывается рассчитывается на основе норм материальных и трудовых расходов. Среди исходных данных, которые используются для расчета себестоимости изделия, выделяют нормы расходов сырья и основных материалов на одно изделие.

Таблица 3.8 -Расчет расходов на сырье и основные материалы на одно изделие

В ходе расчета себестоимости изделия, как исходные данные, используют спецификации материалов, покупных комплектующих изделии и полуфабрикатов, которые используются сборке одного изделия (Приложение Ж).

Расчет зарплаты основных производственных рабочих проводим на основе норм трудоемкости по видам работ и почасовым ставкам рабочих (таблица 3.9).

Таблица 3.9 — Расчет основной зарплаты

Калькуляция себестоимости и определения цены выполняется в таблице 3.10.

Таблица 3.10 - Калькуляция себестоимости и определения цены изделия

Общая стоимость изделия будет составлять:

С_общ. = С _прог. + С _{баз. Бл.} (3.21)

где С _прог. — себестоимость составления программы для микроконтроллера;

С _{баз. Бл} — себестоимость подготовки КД и сборки устройства.

При единичном изготовлении С_общ. = 2899,00+ 470,28 = 3369,28 (грн.).

Если же поступит заказ на изготовление 1000 астрономических часов, себестоимость устройства будет:

С_общ.1000 = 2899,00/1000 + 298,35/1000 + 171,93 = 175,21 (грн.)

Вывод: чем больше производится устройств, тем меньше их стоимость (не учитывалась стоимость оптовой закупки комплектующих).

Данное устройство может быть предложено для повторения радиолюбителями, потому что оно не найдет массового применения, ввиду того, что промышленностью массово выпускаются электронные часы, которые намного дешевле астрономических часов и выполняют множество полезных «земных» функций.

РАЗДЕЛ 4 ОХРАНА ТРУДА Научно-технический прогресс внес серьезные изменения в условия производственной деятельности работников умственного труда. Их труд стал более интенсивным, напряженным, требующим значительных затрат умственной, эмоциональной и физической энергии. Это потребовало комплексного решения проблем эргономики, гигиены и организации труда, регламентации режимов труда и отдыха.

В настоящее время компьютерная техника широко применяется во всех областях деятельности человека. При работе с компьютером человек подвергается воздействию ряда опасных и вредных производственных факторов: электромагнитных полей (диапазон радиочастот: ВЧ, УВЧ и СВЧ), инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического электричества и др.

Работа с компьютером характеризуется значительным умственным напряжением и нервно-эмоциональной нагрузкой операторов, высокой напряженностью зрительной работы и достаточно большой нагрузкой на мышцы рук при работе с клавиатурой ЭВМ. Большое значение имеет рациональная конструкция и расположение элементов рабочего места, что важно для поддержания оптимальной рабочей позы человека-оператора.

В процессе работы с компьютером необходимо соблюдать правильный режим труда и отдыха. В противном случае у персонала отмечаются значительное напряжение зрительного аппарата с появлением жалоб на неудовлетворенность работой, головные боли, раздражительность, нарушение сна, усталость и болезненные ощущения в глазах, в пояснице, в области шеи и руках.

4.1 Требования к производственным помещениям

4.1.1 Окраска и коэффициенты отражения Окраска помещений и мебели должна способствовать созданию благоприятных условий для зрительного восприятия, хорошего настроения.

Источники света, такие как светильники и окна, которые дают отражение от поверхности экрана, значительно ухудшают точность знаков и влекут за собой помехи физиологического характера, которые могут выразиться в значительном напряжении, особенно при продолжительной работе. Отражение, включая отражения от вторичных источников света, должно быть сведено к минимуму.

Для защиты от избыточной яркости окон могут быть применены шторы и экраны.

В зависимости от ориентации окон рекомендуется следующая окраска стен и пола:

окна ориентированы на юг: — стены зеленовато-голубого или светло-голубого цвета; пол — зеленый;

окна ориентированы на север: — стены светло-оранжевого или оранжево-желтого цвета; пол — красновато-оранжевый;

окна ориентированы на восток: — стены желто-зеленого цвета; пол зеленый или красновато-оранжевый;

окна ориентированы на запад: — стены желто-зеленого или голубовато-зеленого цвета; пол зеленый или красновато-оранжевый.

В помещениях, где находится компьютер, необходимо обеспечить следующие величины коэффициента отражения: для потолка: 60−70%, для стен: 40−50%, для пола: около 30%. Для других поверхностей и рабочей мебели: 30−40%.

4.1.2 Освещение Правильно спроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует повышению производительности труда, благотворно влияет на производственную среду, оказывая положительное психологическое воздействие на работающего, повышает безопасность труда и снижает травматизм.

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах.

Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности.

Существует три вида освещения — естественное, искусственное и совмещенное (естественное и искусственное вместе).

Естественное освещение — освещение помещений дневным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях помещений.

Естественное освещение характеризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости от времени дня, времени года, характера области и ряда других факторов.

Искусственное освещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удается обеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения (пасмурная погода, короткий световой день).

Освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным, называется совмещенным освещением.

Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное. Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или комбинированным. Общее — освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или применительно к расположению оборудования. Комбинированное — освещение, при котором к общему добавляется местное освещение.

Согласно СНиП II-4−79 в помещений вычислительных центров необходимо применить систему комбинированного освещения.

При выполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размер объекта различения 0,3…0,5мм) величина коэффициента естественного освещения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней точности (наименьший размер объекта различения 0,5…1,0 мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%. В качестве источников искусственного освещения обычно используются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединяются в светильники, которые должны располагаться над рабочими поверхностями равномерно.

Требования к освещенности в помещениях, где установлены компьютеры, следующие: при выполнении зрительных работ высокой точности общая освещенность должна составлять 300лк, а комбинированная — 750лк; аналогичные требования при выполнении работ средней точности — 200 и 300лк соответственно.

Кроме того все поле зрения должно быть освещено достаточно равномерно — это основное гигиеническое требование. Иными словами, степень освещения помещения и яркость экрана компьютера должны быть примерно одинаковыми, т.к. яркий свет в районе периферийного зрения значительно увеличивает напряженность глаз и, как следствие, приводит к их быстрой утомляемости.

4.1.3 Параметры микроклимата Параметры микроклимата могут меняться в широких пределах, в то время как необходимым условием жизнедеятельности человека является поддержание постоянства температуры тела благодаря терморегуляции, т. е. способности организма регулировать отдачу тепла в окружающую среду. Принцип нормирования микроклимата — создание оптимальных условий для теплообмена тела человека с окружающей средой.

Вычислительная техника является источником существенных тепловыделений, что может привести к повышению температуры и снижению относительной влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры, должны соблюдаться определенные параметры микроклимата. В санитарных нормах СН-245−71 установлены величины параметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса и характера производственного помещения (см. табл. 4.1)

Объем помещений, в которых размещены работники вычислительных центров, не должен быть меньше 19,5 м³/человека с учетом максимального числа одновременно работающих в смену. Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры, приведены в табл. 4.2.

Для обеспечения комфортных условий используются как организационные методы (рациональная организация проведения работ в зависимости от времени года и суток, чередование труда и отдыха), так и технические средства (вентиляция, кондиционирование воздуха, отопительная система).

Таблица 4.1- Параметры микроклимата для помещений, где установлены компьютеры

Таблица 4.2 — Нормы подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры

4.1.4 Шум и вибрация Шум ухудшает условия труда оказывая вредное действие на организм человека. Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т. д. Такие нарушения в работе ряда органов и систем организма человека могут вызвать негативные изменения в эмоциональном состоянии человека вплоть до стрессовых. Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума [выше 80 дБ (А)] на слух человека приводит к его частичной или полной потере.

В табл. 4.3 указаны предельные уровни звука в зависимости от категории тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохранения здоровья и работоспособности.

Таблица 4.3 — Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местах

Уровень шума на рабочем месте математиков-программистов и операторов видеоматериалов не должен превышать 50дБА, а в залах обработки информации на вычислительных машинах — 65дБА. Для снижения уровня шума стены и потолок помещений, где установлены компьютеры, могут быть облицованы звукопоглощающими материалами. Уровень вибрации в помещениях вычислительных центров может быть снижен путем установки оборудования на специальные виброизоляторы.

4.1.5 Электромагнитное и ионизирующее излучения Большинство ученых считают, что как кратковременное, так и длительное воздействие всех видов излучения от экрана монитора не опасно для здоровья персонала, обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих данных относительно опасности воздействия излучения от мониторов на работающих с компьютерами не существует и исследования в этом направлении продолжаются.

Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений от монитора компьютера представлены в табл. 4.4.

Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора компьютера обычно не превышает 10мкбэр/ч, а интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в пределах 10−100мВт/м².

Таблица 4.4 — Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542−96)

Для снижения воздействия этих видов излучения рекомендуется применять мониторы с пониженным уровнем излучения (MPR-II, TCO-92, TCO-99), устанавливать защитные экраны, а также соблюдать регламентированные режимы труда и отдыха.

4.2 Эргономические требования к рабочему месту Проектирование рабочих мест, снабженных видеотерминалами, относится к числу важных проблем эргономического проектирования в области вычислительной техники.

Рабочее место и взаимное расположение всех его элементов должно соответствовать антропометрическим, физическим и психологическим требованиям. Большое значение имеет также характер работы. В частности, при организации рабочего места программиста должны быть соблюдены следующие основные условия: оптимальное размещение оборудования, входящего в состав рабочего места и достаточное рабочее пространство, позволяющее осуществлять все необходимые движения и перемещения.

Эргономическими аспектами проектирования видеотерминальных рабочих мест, в частности, являются: высота рабочей поверхности, размеры пространства для ног, требования к расположению документов на рабочем месте (наличие и размеры подставки для документов, возможность различного размещения документов, расстояние от глаз пользователя до экрана, документа, клавиатуры и т. д.), характеристики рабочего кресла, требования к поверхности рабочего стола, регулируемость элементов рабочего места.

Главными элементами рабочего места программиста являются стол и кресло.

Основным рабочим положением является положение сидя.

Рабочая поза сидя вызывает минимальное утомление программиста.

Рациональная планировка рабочего места предусматривает четкий порядок и постоянство размещения предметов, средств труда и документации. То, что требуется для выполнения работ чаще, расположено в зоне легкой досягаемости рабочего пространства.

Моторное поле — пространство рабочего места, в котором могут осуществляться двигательные действия человека.

Максимальная зона досягаемости рук — это часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми максимально вытянутыми руками при движении их в плечевом суставе.

Оптимальная зона — часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми предплечьями при движении в локтевых суставах с опорой в точке локтя и с относительно неподвижным плечом.

На рис. 4.1 показан пример размещения основных и периферийных составляющих ПК на рабочем столе программиста.

Для комфортной работы стол должен удовлетворять следующим условиям :

— высота стола должна быть выбрана с учетом возможности сидеть свободно, в удобной позе, при необходимости опираясь на подлокотники;