Многофункциональный прибор для учебного автомобиля

• РЕФЕРАТ

Данный дипломный проект содержит 75 страниц машинописного текста, 13 рисунков, 10 таблиц.

В проекте разрабатывается многофункциональный прибор для учебного автомобиля.

В введение рассмотрены основные моменты, на которые следует обратить внимание при разработке. В разделе анализа технического задания определены контроллируемые прибором параметры и рассмотрены требования к качеству контроля. В главе 2 разработана функциональная и обобщенная техническая структура прибора. В главе 3 произведена разработка алгоритмов работы прибора. При разработке технической структуры прибора (глава 4) выбраны типы датчиков и УСО, рассчитаны погрешности, произведен расчет необходимой разрядности переменных и быстродействия микроконтроллера, выбран тип микроконтроллера. В главе 5 произведен выбор элементной базы и разработана схема электрическая принципиальная, а также (глава 6) рассмотрены вопросы конструкции прибора. При проведении экономического обоснования (глава 7) произведены выбор аналога для сравнения, расчет интегрального коэффициента качества. Оценен годовой экономический эффект как для потребителя, так и для изготовителя. В главе 8 рассмотрены вопросы экологичности и безопасности проекта.

• ВВЕДЕНИЕ
• 1.АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
• 1.1. Описание и модель прибора. Возможные режимы работы. Контролируемые параметры.
• 1.2.Требования к качеству контроля
• 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРИБОРА
• 2.1 Функциональная структура прибора
• 2.2 Режимы работы и структура укрупненных алгоритмов работы прибора
• 2.3 Техническая структура системы
• 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
• 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИБОРА
• 4.1 Выбор датчиков
• 4.1.1 Датчик частоты вращения вала двигателя
• 4.1.2 Датчик скорости
• 4.1.3 Датчик напряжения
• 4.1.4 Сопряжение датчиков с контроллером
• 4.2 Выбор метода измерения. Оценка погрешностей методов измерения и выбор разрядности переменных
• 4.2.1 Датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя
• 4.2.2 Датчик скорости
• 4.3 Выбор разрядности переменных и микроконтроллера
• 4.4 Расчет быстродействия микропроцессора
• 5. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРИБОРА
• 6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА
• 7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА
• 7.1. Введение
• 7.2. Обоснование выбора аналога для сравнения
• 7.3. Вычисление интегрального показателя качества
• 7.4 Расчет затрат на разработку
• 7.5 Расчет производственной себестоимости и цены прибора
• 7.6 Рассчет годового экономического эффекта потребителя
• 7.7 Рассчет годового экономического эффекта потребителя
• 8. ЭКОЛОГИЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОЕКТА
• 8.1 Действие электрического тока на человека
• 8.2 Факторы, влияющие на опасность поражения электрическим током
• 8.3 Методы повышения безопасности
• 8.4 Выводы по зкологичности и безопасности
• ЛИТЕРАТУРА

В наше время в связи с развитием электроники вообще и автомобильной электроники в частности ставится задача создания многофункционального прибора для учебного автомобиля, которая включает в себя задачи точного измерения и индикации параметров работы двигателя автомобиля и выработки рекомендаций для водителя. Актуальность выбора именно этой темы связана с увеличением автомобильного парка в стране; в данной ситуации такой прибор мог бы помочь многим начинающим водителям научиться правильно управлять автомобилем.

Данный прибор должен измерять и отображать параметры работы двигателя, а также формировать рекомендации для водителя, в частности относящихся к правильному переключению коробки передач.

Индикация должна быть простой и понятной начинающему водителю. В настоящее время существует множество систем, выполняющих функции системы цифровой индикации частоты вращения коленчатого вала; системы квазианалоговой индикации частоты вращения коленчатого вала с линейной шкалой, цифровых спидометров и прочее. Проведя детальный анализ этих типов систем, находим присущие им недостатки:

Для аналоговых приборов очевидный недостаток — повышенная погрешность отображения, связанная как с погрешностью самой шкалы прибора, так и с инерционностью прибора.

Для систем цифровой индикации частоты вращения коленчатого вала — неудобство использования, так как при вождении машины очень неудобно отслеживать изменения на цифровом индикаторе, кроме того, все рассмотренные аналоги измеряют число импульсов, что приводит к увеличению инерционности (время подсчета составляет порядка 1 сек с небольшими вариациями от системы к системе) и абсолютной погрешности в области низких частот вращения вала (при частоте 400 об/мин — частота холостого хода число импульсов равно 6 и погрешность приближается к цифре 17%).

Для приборов квазианалоговой индикации частоты вращения коленчатого вала с линейной шкалой характерно объединение недостатков и тех и других.

Исходя из этих данных можно заключить, что актуальным является решение вопроса, создания учебного прибора, выполняющей функции как цифрового, так и квазианалогового тахометра с учетом требований к точности измерения, а также удобству считывания информации.

В данной работе примем ряд основных положений:

1. Разрабатываемый прибор должен быть смешанным (объединить систему цифровой и квазианалоговой индикации частоты вращения коленчатого вала), что приведет к уменьшению погрешности отображения и повышению наглядности отображения одновременно.

2. В разрабатываемом приборе должна быть уменьшена инерционность за счет применения другого метода измерения, а также применения различных методов сглаживания информации.

3. В разрабатываемом приборе должна быть существенно уменьшена погрешность измерения (особенно в области низких частот вращения коленчатого вала), что может быть достигнуто применением другого метода подсчета. При подсчете времени погрешность измерения уменьшается в области низких частот, но повышается в области высоких частот, но это не так критично, нам не необходимы особо точные значения в этой области. Поэтому необходимо предусмотреть разбиение диапазона измеряемых частот на несколько интервалов, и введение нелинейной шкалы для удобства отображения информации.

4. В прибор должны быть включены также функции измерения пройденного расстояния, скорости и расхода топлива, это повысит позволит эксплуатационные характеристики прибора при незначительном его усложнении и удорожании.

5. Обязательно введение функций выработки рекомендаций управлением автомобилем, таких как значение ступени передачи коробки передач, превышение скорости и пр.

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Прибор относится к устройствам, выполняющим в основном функции наблюдения. Определим параметры наблюдения и их характеристики.

1.1 Описание и модель прибора. Возможные режимы работы. Контролируемые параметры

Тахометр, входящий в состав прибора, представляет собой счетчик измерительных импульсов датчика частоты вращения коленчатого вала автомобиля.

Структурная схема системы представлена на рис. 1.1.

Структурная схема тахометра прибора

Рис. 1.1.

Измерение числа оборотов коленчатого вала и скорости движения автомобиля производится с помощью счетчиков импульсов, поступающих от соответствующих датчиков. Для индикации используется цифровой индикатор, а для наглядного представления информации о частоте вращения вала двигателя используется также квазианалоговый индикатор — шкала с логарифмическим масштабом. Работа счетчиков синхронизируется часами реального времени.

К режимам работы прибора относятся: режим ожидания, режим измерения. В режиме ожидания система находится во время стоянки автомобиля и не производит никаких измерений. В режим измерения система переходит при замыкании замка зажигания автомобиля, то есть при включении двигателя.

Контролируемые параметры и их значения приведены в таблице 1.1. К дополнительным функциям относятся возможность измерения пройденного автомобилем расстояния и измерение напряжения бортовой сети автомобиля.

Таблица 1.1.

Контролируемые прибором параметры

1.2 Требования к качеству контроля

Основными функциональными частями прибора является тахометр и спидометр, так как на основании их измерений прибор формирует рекомендации по переключению скоростей.

Для обеспечения надежности и достоверности отображения данных, а также для удобства использования тахометра определим требования к качеству контроля. Для этого проанализируем параметры некоторых используемых в настоящее время тахометров (таблица 1.2).

Таблица 1.2.

Сравнительные характеристики тахометров

многофункциональный прибор микроконтроллер датчик

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРИБОРА

2.1 Функциональная структура прибора

Набор функций которые должны выполняться данным прибором приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Мнемоническое изображение комплекса функций, которые выполняются прибором для обеспечения основных функций, приведенных в таблице 2.1, отображено на рис. 2.1.

Измерение частоты вращения коленчатого вала двигателя используется для функций тахометра. Измерение скорости движения используется для функций спидометра и вычисления пройденного автомобилем расстояния.

Под обработкой данных понимается анализ данных, поступающих с датчиков на достоверность, а также преобразование их для вывода на индикатор.

Рис. 2.1. Функциональная структура прибора Все функции, выполняемые прибором, привязаны к реальному времени, поэтому можно выделить отдельную подфункцию системного времени, которая обеспечивает привязку работы системы к реальному времени, а именно:

смена отображаемых данных;

период измерения данных;

оценка измеряемых частот;

часы реального времени.

Управление режимами работы обеспечивает управление отображением данных, а также работой алгоритмов анализа данных, полученных с датчиков.

2.2 Режимы работы и структура укрупненных алгоритмов работы прибора

Как указывалось выше, прибор имеет два основных режима работы: режим ожидания и режим измерения.

Структурная схема режимов работы приведена на рис. 2.2.

В режим измерения система переходит автоматически при обнаружении импульсов с датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя. При снижении числа оборотов до 0 система переходит в режим ожидания.

В режиме ожидания в системе остаются работать часы, цифровой вольтметр, индикатор и клавиатура (для задания параметров работы).

В режиме измерения производится измерение и отображение всех параметров: частоты вращения вала двигателя (тахометр), скорости движения (спидометр), часов, пройденного расстояния и напряжения бортовой сети автомобиля, а также формирование рекомендационных сигналов для водителя.

Рис. 2.2. Структурная схема режимов работы

2.3 Техническая структура системы

Техническая структура — совокупность аппаратных средств, необходимых для выполнения системой определенных функций.

Техническая структура прибора для учебного автомобиля изображена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Техническая структура прибора

Аппаратно прибор состоит из датчиков, УСО, контроллера и устройств ввода/вывода. А именно:

датчик частоты вращения коленчатого вала;

датчик скорости;

датчик напряжения бортовой сети автомобиля;

датчик положения коробки передач;

УСО (блок сопряжения датчиков с портами ввода микроконтроллера);

однокристальный микроконтроллер (с ОЗУ данных, ПЗУ программ, портами ввода/вывода, таймерами/счетчиками, задающим генератором).

энергонезависимое ЗУ (Flash ROM) для запоминания режимов работы, пользовательских настроек и измеренных данных (например, для технического обслуживания);

индикаторы — многофункциональный алфавитно-цифровой, квазианалоговый, светодиодный и звуковой;

клавиатура, состоящая из минимального количества основных кнопок выбора режима и задания параметров работы;

последовательный интерфейс для связи прибора с бортовым компьютером системы управления автомобилем (если предусматривается совместное использование нескольких систем), или для технического обслуживания автомобиля.

Датчик частоты вращения коленчатого вала производит формирование импульсов в единицу времени, соответствующих оборотам коленчатого вала двигателя автомобиля. Как правило, в качестве такого датчика в современных системах используется формирователь импульсов зажигания, снимаемых с первичной обмотки катушки зажигания. При этом для 4-х цилиндрового двигателя число импульсов датчика делится на 4 для получения числа оборотов вала. Такой тип датчика наиболее дешев и удобен в установке.

Датчик скорости служит для измерения числа оборотов колес в единицу времени и служит для вычисления значения скорости движения автомобиля и пройденного расстояния. Как правило, в качестве данного датчика применяется индуктивный датчик или датчик Холла.

Датчик напряжения бортовой сети автомобиля представляет собой АЦП с диапазоном входных напряжений +7,0…16 В.

Датчик положения рычага коробки передач передает в контроллер информацию о номере текущей включенной передачи.

Клавиатура служит для оперативного изменения режимов работы системы, а также для задания начальных условий вывода информации.

Интерфейсный блок (сопряжение с последовательным интерфейсом) служит для связи прибора с прочими подсистемами автомобиля, а также используется при диагностических работах для передачи параметров работы двигателя.

Цифровой индикатор служит для отображения цифровой информации с заданной точностью, а именно — частоты вращения коленчатого вала двигателя, скорости движения, измеренного расстояния, текущего времени.

Квазианалоговый индикатор представляет собой одномерную шкалу, которая отображает в наглядной форме значение числа оборотов коленчатого вала двигателя.

Светодиодные и звуковой сигнализаторы предназначены для индикации текущего режима и состояния аппаратуры прибора, и используются для привлечения внимания водителя к изменениям различных параметров.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

Алгоритм работы прибора приведен ниже. Алгоритм разработан на основе определенных выше требованиях к измеряемым данным, а также на основе разработанной в п. 4 технической структуры.

Работа системы организована по прерываниям от датчика скорости, датчика частоты, а также системных часов (прерывание с интервалом 1 сек от таймера).

При измерении скорости производится подсчет числа импульсов v за 1 период измерения и индикации (1 сек). Измеренное значение нормируется к единицам измерения [км/ч] с помощью преобразования V=v*200/333. Импульсы датчика скорости также используются для подсчета расстояния. Так как зависимость числа импульсов (~6004 имп./км) для разных автомобилей может отличаться, то вводится изменяемый пользователем коэффициент K2, равный числу импульсов датчика на 100 м расстояния. Увеличение значения S производится каждые 100 м. На индикацию выдается значение S/10 [км].

При измерении частоты вращения коленчатого вала N, производится измерение длительности периода импульсов датчика частоты T1 в квантах времени 2 мкс. Для повышения достоверности считывания информации и защиты от импульсных помех производится последовательное считывание и сравнение длительностей двух соседних периодов. При несовпадении, принимается, что одно из двух значений — ошибочно, поэтому цикл измерения повторяется. Так как вероятность появления двух подряд ложных значений мала, то такой алгоритм позволяет получить достаточную надежность считывания данных. В качестве измеренного значения принимается среднее арифметическое 2-х соседних измерений. Значение периода Т преобразуется в число оборотов с помощью преобразования N=K1510⁵/T, где коэффициент K1=60/N_цил, то есть данный тахометр может использоваться в автомобилях с разным числом цилиндров (или разными системами зажигания, так как точнее будет сказать, что N_цил — число импульсов зажигания на 1 оборот вала двигателя).

Измерение напряжения бортовой сети автомобиля производится по алгоритму для интегрирующего АЦП. Сначала производится сброс интегратора, затем запуск АЦП и счет квантов времени. Так как значению напряжения 16 В соответствует 512 квантов, то после измерения времени интегрирования T2 значение напряжения с точностью 0,1 В вычисляется по формуле U=10T2/32 [100 мВ]. На индикацию выдается величина U/10 [В].

Все измеренные значения, а также информация о текущих режимах работы сохраняется в энергонезависимой памяти.

При значении измеренной частоты вращения вала двигателя меньшей 100 об/мин тахометр переходит в режим ожидания, то есть считается, что двигатель остановлен.

Рис. 3.1.1. Алгоритм работы прибора Рис. 3.1.2. Алгоритм работы прибора (продолжение) Рис. 3.2. Алгоритм обработки прерывания от датчика скорости

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИБОРА

4.1 Выбор датчиков

4.1.1 Датчик частоты вращения вала двигателя

Для получения импульсов, соответствующих оборотам коленчатого вала двигателя (измерительные импульсы тахометра), используем импульсы первичной обмотки системы зажигания.

При этом датчик частоты вращения коленчатого вала представляет собой формирователь импульсов, которые поступают на вход (прерывания) контроллера. Данный датчик представляет из себя дифференцирующую цепь и ограничитель напряжения импульсов.

При измерении периода следования импульсов, число оборотов в минуту коленчатого вала определяется выражением

[об/мин], (4.1)

где N_изм. — измеренное число квантов времени;

N_цил.— число цилиндров в двигателе автомобиля;

tвеличина кванта времени [сек].

При t=2 мкс, частота определяется по формуле

[об/мин]. (4.2)

4.1.2 Датчик скорости

Для определения скорости используем стандартный датчик скорости (тип 2112−384 301, 301.3843), в связи с тем, входит в состав оборудования автомобиля (или легко в него встраивается). Датчик выдает около 6004 импульса на каждый километр пройденного расстояния. Используем частотный способ измерения скорости (рис. 4.1).

Рис. 4.1.

При этом скорость вычисляется по формуле:

V=n/T_изм, (4.3)

где Т_изм— время измерения, сек;

nчисло измеренных импульсов.

На рис. 4.2 показан выходной сигнал датчика угловой скорости колеса при высокой (сплошная линия) и низкой (прерывистая линия) скорости.

Рис. 4.2. Выходной сигнал датчика скорости

Выбранный датчик соответствует следующим характеристикам:

4.1.3 Датчик напряжения

Датчик напряжения представляет собой АЦП, на вход которого подается напряжение, пропорциональное напряжению бортовой сети автомобиля.

U_in=kU, (4.4)

где 0

U=7,0…16,0 В — измеряемое напряжение.

Необходимость введения делителя заключается в том, что максимальное измеряемое напряжение U выше напряжения питания АЦП.

Так как требования к времени преобразования не велики (измерение постоянного напряжения), а повышенные требования к минимизации аппаратных затрат системы, то применим программно-аппаратный АЦП.

Алгоритм работы АЦП состоит в следующем. Сигнал LV подается на вход операционного усилителя, включенного в качестве интегратора. В результате этого на выходе получается ГЛИН, возрастающий до уровня переключения компаратора. В случае достижения равного значения, подается сигнал, по которому и происходит фиксирование момента уравнивания сигналов. В этой цепи ставят резистор и стабилитрон для предохранения от пробоя. Функциональная схема АЦП приведена на рис. 4.3. На схеме изображены сигналы:

EOC — конец цикла преобразования (к контроллеру);

RES — сброс интегратора;

LVзапуск цикла преобразования.

Рассчитаем параметры АЦП следующим образом.

Погрешность измерения по напряжению требуется U=0,1 В. Число разрядов АЦП определится по следующей формуле:

9 (4.5)

Рис. 4.3. Функциональная схема АЦП датчика напряжения АЦП девятиразрядный (то есть 512 квантов). Операционный усилитель используем с диапазоном выходных напряжений 0.5 В. Пусть 1 квант равен 10 мкс, для более удобного измерения будем считать, что уровень 5 В достигается за 5120 мкс (512*10=5120).

Тогда параметры интегратора вычисляются, исходя из формулы:

U_вых = U_вхt/R1C. (4.6)

Подставляя имеющиеся данные, зададимся сопротивлением и вычислим емкость. Зная, что входное напряжение равно 2.5 В, а R1=10 кОм, получим:

С = 2.5 * 5120 / 1500 85 нФ Исходя из полученных данных, определим время, необходимое для сброса (разряжения емкости).

Учтем, что R — сопротивление открытого канала ключа VT равно около 100 Ом. Тогда время сброса равно

T_сбр=100 003/10⁹ = 3 мкс.

Возьмем время сброса с запасом — 5 мкс, тогда полный период преобразования будет длиться 5120 + 5 = 5125 мкс.

4.1.4 Сопряжение датчиков с контроллером

Сигнал с датчика частоты вращения коленчатого вала поступает в виде положительных импульсов напряжения, амплитудой до 600 В с первичной обмотки катушки зажигания. Данные импульсы должны поступать на вход прерывания микроконтроллера, поэтому требуется их преобразование к напряжению логических уровней. Также необходимо учесть, что прерывание происходит по отрицательному фронту импульса.

Функциональная схема устройства сопряжения сигналов датчика частоты с контроллером приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. УСО датчика частоты

Конденсатор С и сопротивление R1, R2 образуют дифференцирующую цепочку, которая служит для задержки НЧ составляющих сигнала и постоянной составляющей.

Сопротивления R1 и R2 образуют делитель напряжения для ограничения входного сигнала. Диод VD1 стабилизирует амплитуду импульсов на уровне +5 В.

Элемент D1 выполняет роль 1-разрядного АЦП, то есть компаратора. Сформированный таким образом цифровой сигнал поступает на вход прерывания контроллера.

Блок сопряжения с датчиком скорости выполнен по аналогичной схеме, за исключением того, что так как выходная амплитуда датчика скорости 10 В, то требуется другое соотношение сопротивлений делителя напряжения R1 и R2.

УСО для датчика напряжения представляет собой (рис. 4.5.) делитель напряжения для приведения значения напряжения к уровню +5 В и ФНЧ для подавления помех и переменной составляющей с частотой среза порядка 10 Гц.

Рис. 4.5. УСО датчика напряжения Делитель напряжения образован сопротивлениями R1, R2. ФНЧ состоит из конденсатора C и сопротивления R1. Стабилитрон VD1 и диод VD2 служат для защиты входа АЦП от перенапряжения.

4.2 Выбор метода измерения. Оценка погрешностей методов измерения и выбор разрядности переменных

4.2.1 Датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя

Датчик использует импульсы системы зажигания. Т. е. одному обороту коленчатого вала соответствуют 4 импульса датчика для 4-х цилиндрового двигателя.

При максимальных оборотах интервал между импульсами составит

t₈₀₀₀=60/4*n_max=1,875 мс. (4.7)

Рассмотрим метод измерения частоты с помощью подсчета числа импульсов за измерительный интервал времени T=1 сек.

Максимальная частота импульсов составит 533,(3) Гц. Относительная инструментальная погрешность измерения частоты, при времени измерения T=1 сек, составит

_N=t/T = 0,1 875, (4.8)

а абсолютная

n=_N*n_max=15 об/мин. (4.9)

Минимальная частота следования импульсов, соответствующая значению измеряемых оборотов 100 об/мин, равна f₁₀₀=6,6 Гц, интервал между импульсами составит t₁₀₀=60/4*n_min=150 мс.

Относительная инструментальная погрешность измерения частоты, при времени измерения T=1 сек, составит

_N=t/T = 0,15,а абсолютная n=_N*n_min=15 об/мин.

Заданная погрешность измерения частоты составляет 10 об/мин. Для получения погрешности измерения менее 10 об/мин требуется другой метод измерения частоты. В данном случае это метод измерения длительности периода следования импульсов.

За T принимается измеренное значение периода следования импульсов, t — шаг квантования по времени.

К определению достоверности измерения периода

Рис. 4.4.

Требуемая относительная погрешность измерения по времени составит

=n /n_max=10/8000=0,125.

Значение кванта времени можно определить как

t8000*=0,0023 мс.

Выберем t=2 мкс.

При этом инструментальная погрешность измерения периода равна

_T=t/T = 0,1 067<.

Трансформированная погрешность вычисления частоты из периода по формуле

n=60/(4*n_T), (4.10)

где n_Т — число квантов времени в периоде,

равна

=0,1 810^-6. (4.11)

Так как приближенных методов вычислений не используется, то методическая погрешность вычисления операции деления будет равна инструментальной погрешности представления переменных.

Диапазон измеряемых значений длительности составляет n_T=937…75 000. Разрядность переменной N[n_T]=17. Методическая погрешность:

_n=_n=½¹⁸=3,810^-6.

Для определения достоверности считываемой информации (рис. 4.4), производится последовательное вычисление значений периода до тех пор, пока разница между соседними измеренными значениями будет не более T*_доп. Выберем _доп=10%. На рисунке 4.4 изображены 1,2,4 — истинные импульсы, 3 — импульс помехи, T2` - ложное измеренное значение периода.

Для усреднения измеренных значений применим скользящее сглаживание, в результате которого значение периода на шаге i будет равно

T_i=(T_i-1+T1+T2)/3. (4.12)

В результате, общая погрешность измерения частоты вращения вала двигателя равна

=max||+ max||+max||=3,810^-6+0,1 810^-6+0,1 067

=0,1 071<.

Суммарная погрешность не превышает заданной.

4.2.2 Датчик скорости

Датчик скорости формирует на выходе 6004 имп./км. В таблице 4.1 приведены значения частоты следования импульсов и их период для крайних значений диапазона измеряемых значений скорости.

Таблица 4.1

Характеристики датчика скорости

Для измерения значения скорости с заданной погрешностью используем метод вычисления частоты следования импульсов (подсчет числа импульсов за время измерения), так как при допустимом времени измерения 1 сек (максимально возможное время индикации) Инструментальная погрешность датчика при измерения частоты составит:

_Vдатч=t/T = 5*0,12/1=0,6 км/ч.

Так как приближенных методов нет, то методическая погрешность составит _V=0.

Заданная абсолютная погрешность равняется V=1 км/ч. Относительная максимальная допустимая погрешность равна

_V=V/V_min=1/5=0,2.

Для выполнения условия баланса ошибок системы

_V>|_Vдатч|+|_V|,

где _V — инструментальная погрешность вычислительного устройства,

необходимо выбрать разрядность переменных, чтобы _Vдатч>_V.

Разрядность переменных будет определяться аналогично разрядности входного преобразователя, то есть

где V_min=8,3388 Гц,

V_max=333,55 Гц,

=_V=0,2,

=0,4.

Тогда N_V=11. То есть для получения заданной инструментальной погрешности вычислительного устройства, разрядность переменной измерения частоты сигнала датчика скорости составляет N_V=11 бит.

4.3 Выбор разрядности переменных и микроконтроллера

Диапазон измеряемых значений длительности составляет T1=937…75 000.

Разрядность переменной T1 выбирается как

N[T1]log₂(T1). Получим, что N[T1]=17.

Пересчет значений длительности T1 в частоту производится по формуле

.

Пусть T1`=510⁵/N_изм, разрядность константы k3=510⁵,

N[k3]=19.

Разрядность переменной T1,

N[T1`]log₂(510⁵/937)=10.

Разрядность константы

k1=60/N_цил=5.

Разрядность переменной N_k=100…8000 (значение числа оборотов в об/мин) равна

N[N_k]log₂(8000)=13.

Так как величина N_k выводится на индикатор в виде 4-х разрядного десятичного числа, то разрядность двоично-десятичного значения N_k,

N[N_k10]=4*4=16.

Для датчика скорости:

Разрядность переменной измеренного числа импульсов

v=0…533, N[v]=10.

Для приведения значения скорости к величине км/час используется преобразование

V=v*200/333=v2/333, где v2=v*200.

Разрядность

N[v2]log₂(533)+log₂(200)=17.

Разрядность

N[V]17-log₂(333)=8.

Так как величина V выводится на индикатор в виде 3-х разрядного десятичного числа, то разрядность двоично-десятичного значения V,

N[V₁₀]=3*4=12.

Для датчика напряжения:

Разрядность АЦП равна 9, то есть

N[T2]=9.

Нормировка выходного значения к значению напряжения в единицах вольт производится по формуле

U=10*T2/32=T2`/32.

Следовательно, разрядность

N[Т2`]=9+4=13,

а разрядность

N[U]=13−5=8.

Так как величина U выводится на индикатор в виде 3-х разрядного десятичного числа, то разрядность

N[U₁₀]=3*4=12.

В настоящее время распространены однокристальные микроконтроллеры с разрядностью 8 и 16 бит. Для данной работы был выбран 8-разрядный микроконтроллер AT89С51, исходя из требований к стоимости тахометра.

Микроконтроллер имеет 2 16-разрядных аппаратных таймера-счетчика. Для датчика частоты разрядность счетчика N[T1]=17, поэтому 17-й бит формируется программно по признаку переполнения счетчика.

Остальные счетчики, с разрядностью N[v]=10 и N[T2]=9 организуются программно.

В соответствии с выбранным значением разрядности контроллера равной 8 бит, уточним разрядности переменных:

N[T1]=N[k3]=N[v2]=24

N[T1`]=N[Nk]=N[v]=N[T2]=N[T2`]=16

N[k1]=N[V]=N[U]=8.

АЛУ микроконтроллера AT89С51 позволяет производить арифметические и логические операции с 8-разрядными данными. Поэтому для операций сложения чисел с большей разрядностью (например для организации счетчиков) используется число сложений (с учетом переноса из младших разрядов) n_сл=N[оп]/8, где N[оп] - разрядность операндов.

Для выполнения деления и умножения в микроконтроллере предусмотрены операции 8-разрядного деления и умножения. Так как в данной работе требуется выполнять При обработке данных используется 16-разрядное умножение, которое реализуется с помощью 8-разрядного следующим образом:

P_16*16[31…0]=A[15…0] B[15…0]=

=(a[7…0] 2⁸+b[7…0]) (c[7…0] 2⁸+d[7…0])=

=a[7…0]c[7…0]2¹⁶+(a[7…0]d[7…0]+b[7…0]c[7…0])2⁸+d[7…0] b[7…0].

То есть заменяется на 4 операции 8-разрядного умножения и 3 операции сложения.

Операция умножения 16-разрядной величины на 8-разрядную соответственно заменится на

P_16*8[23…0]=A[15…0] B[7…0]=

=(a[7…0] 2⁸+b[7…0]) d[7…0]=a[7…0]d[7…0]2⁸+d[7…0] b[7…0].

Операция деления 24/24 бит, 24/16 бит реализуется алгоритмом целочисленного деления, приведенному в.

4.4 Расчет быстродействия микропроцессора

Расчет быстродействия процессора системы произведем аналитическим методом. В соответствии с данным методом, для критичных к времени выполнения участков алгоритма выбирается наиболее длинная ветвь, составляется граф программы для данной ветви и производится подсчет нормированных операций Nоп, выполняемых за время T. Затем вычисляется требуемое быстродействие

P=Nоп/Т [оп/сек],

а также длительность нормированной операции

t_оп=1/P [сек].

В данной системе критичными к времени выполнения являются алгоритмы аппаратно-программного АЦП (время одного кванта времени T1=10 мкс), алгоритм определения периода импульсов датчика частоты (минимальное значение периода T2=1,875 мс).

Можно утверждать, что если быстродействие микропроцессора обеспечит выполнение критичных ко времени участков алгоритма за заданное время, то полученное значение быстродействия также будет удовлетворять выполнению других участков алгоритма (так как частоты поступления сигналов с датчика скорости и часов намного меньше).

В качестве нормированной операции выберем простую операцию из системы команд MCS-51, которая выполняется за 1 цикл процессора или 12 тактов задающего генератора.

В цикле АЦП выполняются следующая последовательность команд:

результат (9 бит) в A, R1

начало цикла счетчика квантов

xrlA, A;(1 такт)

mov R1, A;(1)

M1:jbEOC, M2;(2)проверка конца цикла

incA;(1)увеличение счетчика квантов

jz M3;(2)проверка 256 квантов

NOP;(1)выравнивание по времени

NOP;(1)

NOP;(1)

sjmpM1;(2)

M3:incR1;(1)формирование 9-го бита

cjneR1,#02,M4;(2)проверка на переполнение

sjmpM1;(2)

M2:…; обработка данных

M4:…; переполнение АЦП Таким образом, в цикле АЦП выполняется

N_ц=2+2+1+1+1+1+2=2+1+2+1+2+2=10 циклов процессора.

Время выполнения одного цикла выбрано равным (см. п. 4.1.3) 10 мкс, то есть требуемое быстродействие процессора составит

P=10/10 мкс=10⁶ оп/сек Время выполнения одной операции

tоп=1/P=1 мкс.

Это соответствует частоте тактового генератора микроконтроллера семейства MCS-51 12 МГц.

5. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРИБОРА

Для разработки принципиальной схема прибора была выбрана следующая элементная база.

Микроконтроллер AT89C51.

Сдвоенный операционный усилитель К574УД2 для построения ГЛИН и компаратора АЦП.

Микросхема КР1533ТЛ2 для схемы УСО.

Микросхема TC232 для интерфейса RS-232.

Микросхемы КР1533ИР23 для управления индикаторами и опроса клавиатуры.

Разработанная принципиальная схема приведена в приложении.

Прибор состоит из двух блоков — блока ввода и индикации, и блока контроллера.

Рассмотрим подробнее работу принципиальной схемы.

Сигнал с датчика скорости (контакт 5 разъема Х1) поступает на УСО (DD1A). Сформированный сигнал поступает на вход INT1 микроконтроллера. Сигнал с датчика частоты (контакт 4 разъема Х1) поступает на УСО (DD1B). Сформированный сигнал поступает на вход INT0 микроконтроллера. Стабилизатор напряжения питания прибора выполнен на интегральном стабилизаторе DA1 КР142ЕН5. Напряжение на выходе +5 В. По входу и выходу стабилизатора имеются фильтры по питанию (L1, С5-С9). Для защиты прибора на входе схемы по питанию имеется диод VD3. АЦП выполнен на ОУ DA2. УСО датчика напряжения составляют элементы R6, C17, VD4, R16, R17. ГЛИН выполнен на элементах DA2B, R20, C16. Генератор запускается сигналом START с порта вывода P2.7 микроконтроллера. Разряд накопительной емкости C16 производится сигналом RES с порта P2.6. На элементе DD1C выполнено УСО датчика положения коробки передач. Данные о включенной передаче поступают в последовательном коде на вход P1.3 микроконтроллера.

На элементах DD1(D-F) выполнен генератор импульсов 32 768 Гц, который служит для привязки работы контроллера к реальному времени. Сигнал от генератора поступает на вход таймера T1 микроконтроллера DD2. Для сопряжения контроллера прибора с интерфейсом RS-232 используется микросхема DD5 (TC232). Интерфейс реализован с применением сигналов аппаратного управления DTR и DSR. Для хранения долговременных данных используется микросхема Flash ПЗУ 24С02. Объем данных составляет 256 байт. Для сопряжения микроконтроллера с индикаторами и клавиатурой используются 2 регистра — DD3 и DD4. Для уменьшения энергопотребления и аппаратных затрат используется динамическая индикация Для того, чтобы не вводить дополнительные схемы регистра и дешифрации адреса запись в регистры производится по сигналам с портов вывода P2.0 и P2.1. Регистр DD4 — регистр адреса индикатора. Регистр DD3 — это регистр данных индикатора, в него записывается код символа, выводимого на индикатор, номер которого в данный момент находится в регистре адреса.

Блок индикации включает в себя дешифратор адреса индикатора DD1 (555ИД3), семисегментные индикаторы тахометра HS1-HS4 (АЛС324А), семисегментные индикаторы спидометра HS5-HS7 (АЛС324А), линейные светодиодные индикаторы квазианалогового тахометра HL1-HL4 (АЛС345А), светодиодные индикаторы HL5-HL12.

Клавиатура SB1-SB8 подключается через разделительные диоды VD1-VD8 к выходам дешифратора DD1. Сигнал сканирования клавиатуры KB1 поступает на порт P1.2 микроконтроллера. Звуковой пьезокерамический сигнализатор BA1 подключается непосредственно к порту вывода микроконтроллера Р2.2.

6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА

Для легковых автомобилей частота колебаний подвески 0,3 Гц при амплитудах до 80 мм. Резонансная частота подрессоривания (=4, 20, 80Гц и выше при амплитуде (=40, 0,15 0,01 мм, а вибрации В и удары У возникают от толчков неровностей дороги у двигателя В лежат в диапазоне 20 Гц и выше при (=0,05 мм. Перегрузки от линейных ускорений 1,96…78,5 м/с. Поэтому собственные частоты систем амортизации в области выше 20Гц (вдали от резонансных частот элементов конструкции машины), что позволяет избежать сложных резонансных явлений с устройствами подвески и подрессоривания.

Прибор выполняется в корпусе из пластика, габаритные размеры корпуса около 75×150×140 мм.

Все детали располагаются на двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. На первой плате (размеры 100×105 мм) размещается схема контроллера, а на второй (размеры 65×140 мм) — элементы управления и индикации.

Расположение компонентов на платах приведено на сборочных чертежах в приложении.

Размещение компонентов производилось исходя из габаритных размеров корпусов компонентов и обеспечения минимальной длины соединений между компонентами.

Печатные платы — с двусторонним расположением печатных проводников и металлизацией отверстий.

Платы соединяются между собой гибким ленточным 20-жильным кабелем. Плата индикации располагается на под передней панелью устройства, на которую наносятся соответствующие органам индикации и управления обозначения.

Все компоненты платы контроллера располагаются на одной стороне печатной платы. После установки компонентов плата покрывается защитным лаковым покрытием, так как устройство соответствует классу изделий, предназначенных для работы на подвижной технике. Лаковое покрытие выполняет функции защиты от неблагоприятных воздействий окружающей среды и усиления механической прочности, так как элементы приклеиваются лаком к плате.

7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

7.1 Введение

Чтобы определить необходимость разработки и внедрение нашего товара произведем оценку рынка. Рассмотрим существующий рынок, разделив его на наших потенциальных покупателей и конкурентов.

1. Потребители: нашими потребителями являются автошколы, а также владельцы автомобилей. Полного аналога данному прибору найдено не было, но выпускаются в большом количестве приборы, имеющие сходные функции. Следовательно, если разрабатываемый прибор по своим техническим и экономическим параметрам будет превосходить системы других фирм, то он будет пользоваться спросом.

2. Конкуренты: конкурентом у данной разработки являются тахометр «Гном» производства НПП «Симикон» (г.Санкт-Петербург) и подобные, но проект обладает рядом преимуществ с аналогом в плане использования его для учебного автомобиля.

7.2 Обоснование выбора аналога для сравнения

Нашей задачей является создание нового прибора для учебного автомобиля.

При проектировании необходимо оценить ее технико — экономические показатели. Эта оценка может быть проведена в результате сравнения разрабатываемого устройства с уже имеющимся аналогом.

В качестве аналога в данном проекте выбран антирадар-тахометр «Адвайзер М242», разработанный НПП «Симикон». Этот тахометр близок по функциональным возможностям к разрабатываемому прибору и может также использоваться в учебных автомобилях. Но, у данного прибора отсутствуют некоторые фунциональные возможности.

Целесообразно оценить экономическую эффективность изделия, достигнутую за введения новых режимов работы и расширения функциональных возможностей.

7.3 Вычисление интегрального показателя качества

Для оценки актуальности и целесообразности разработки используется метод бальной оценки, основанный на сравнении основных параметров разработанного устройства и аналога.

Для количественной оценки сравнения указывается удельный вес каждого параметра и оценка по десятибальной системе. Затем определяют интегральный коэффициент качества разработки (К_И).

Таблица 7.1.

Вычисление интегрального показателя качества

Интегральный показатель качества проекта определяется формулой:

.

е_П — сумма показателей проекта, а е_А — сумма показателей аналога.

7.4 Расчет затрат на разработку

В таблице 7.2 приведен перечень работ и персонала, необходимого для проведения разработки данного устройства.

Таблица 7.2

Затраты на заработную плату разработчиков

Также в таблице 7.2 приведен расчет стоимости оплаты труда разработчиков.

В таблице 7.3 приведена стоимость материалов и комплектующих, необходимых для сборки устройства.

Таблица 7.3

Стоимость материалов и комплектующих изделия

Стоимость разработки будет складываться из следующих статей затрат:

Основной фонд оплаты труда при ОКР составляет

Ф_ОСН=1100,2 руб.

Дополнительный фонд оплаты труда определим на уровне 20% от основного, то есть Ф_ДОП=Ф_ОСН*0,2=0,2*1100,2=220,04 руб.

Отчисления на социальные нужды составляют 38,5% от общего фонда оплаты труда:

О_СН=(Ф_ОСН+Ф_ДОП)*0,385=(1100,2+220,04)*0,385=508,29 руб.

Стоимость оплаты труда составит:

С_ОТ=О_СН+Ф_ОСН+Ф_ДОП=508,29+1100,2+220,04=1828,53 руб.

Основная стоимость материалов и комплектующих (таблица 1.3) составляет

С_мат=383 руб.

Затраты на материалы, комплектующие и прочее, которые могут появиться в процессе разработки, отладки и испытаниях определим на уровне 100% от стоимости С_мат, то есть

С_{мат.доп.}=С_мат.=383 руб.

Общие затраты на материалы и комплектующие при разработке М=С_{мат.доп.}+С_мат.=383+383=766 руб.

Также следует учесть накладные расходы, на уровне 5% от стоимости материалов и комплектующих.

С_накл.=0,05*M=0,05*766=38,3 руб.

Полная производственная себестоимость разработки и изготовления опытного образца составит

С_разр=С_от+М+С_накл=1828,53+766+38,3=2632,83 руб.

Статьи затрат на разработку и изготовления опытного образца отображены в таблице 7.4.

Таблица 7.4

Статьи затрат при разработке

7.5 Расчет производственной себестоимости и цены прибора

Рассчитаем производственную себестоимость изготовления прибора, отпускную цену предприятия и прибыль, получаемую от производства 1 изделия.

Как видно из таблицы 7.5 трудоемкость одного изделия равна 9 часов. Штат из 4-х человек за один рабочий день, учитывая обеденный и производственные перерывы, таким образом, может производить 3 изделия.

Таблица 7.5.

Заработная плата производственных рабочих

Для расчета количества рабочих дней в году из общего числа дней в году вычтем выходные дни (два дня в неделю), праздники (10 дней), отпуск (25 дней), и возможные дни неявки на работу в связи с болезнью или по семейным обстоятельствам (10 дней).

Д = 365 — (51*2 + 10 + 25 +10) = 218 дней.

Планируемое количество выпускаемой продукции за год равно:

Q_год = 3* 218 = 654 шт.

А в месяц в среднем планируется выпускаться

Q_мес = 654/12 = 54 шт.

Основной фонд оплаты труда при производстве из расчета на 1 изделие равен (таблица 7.5):

Ф_ОСН=38,16 руб.

Дополнительный фонд оплаты труда составляет 20% от основного, то есть

Ф_ДОП=0,2*Ф_ОСН=0,2*38,16=7,63 руб.

Отчисления на социальные нужды составляют 38,5% от общего фонда оплаты труда:

О_СН=(Ф_ОСН+Ф_ДОП)*0,385=(38,16+7,63)*0,385=17,63 руб.

Стоимость оплаты труда составит:

С_ОТ=О_СН+Ф_ОСН+Ф_ДОП=17,63+38,16+7,63=63,42 руб.

Стоимость материалов и комплектующих (таблицы 7.3) составляет

С_МАТ=383 руб.

Дополнительные общецеховые затраты определим на уровне 100% от основного фонда оплаты труда:

З_ОЦ=Ф_ОСН=38,16 руб.

Так как предполагается, что разработка и производство изделия будет производиться одним юридическим лицом, то внесем также в себестоимость изделия стоимость разработок, при условии, что все разработки должны окупиться за 1 год.

З_РАЗР=С_РАЗР/Q_ГОД=2632,83/654=4,03 руб.

Внепроизводственные расходы, учитываемые в себестоимости, составляют 3…5% от вышеперечисленных затрат на производство:

З_ВН=0,05*(С_ОТ+З_ОЦ+З_РАЗР+С_МАТ)=

=0,05*(63,42+38,16+4,03+383)= 24,41 руб.

Итого производственная себестоимость составит:

С_ПР=З_ВН+С_ОТ+З_ОЦ+З_РАЗР+С_МАТ=

=24,41+63,42+38,16+4,03+383=503,02 руб.

Определим уровень рентабельности производства прибора на уровне 30% от производственной стоимости. Тогда прибыль от производства 1 изделия и цена равны:

П₁=0,3*С_П=0,3*503,02=150,9 руб.

Ц= С_П+П₁=503,02+150,9=653,92 руб.

Таблица 1.6

Статьи калькуляции при производстве

По данным НПП «Симикон» цена прибора «Адвайзер М242» на данный момент (апрель 2000 г.)равна 654 руб (информация с официального сайта НПП «Симикон» http://www.simicon.com/order/price.htm). То есть, практически равна цене разрабатываемого прибора. Определим значение цены аналога и разрабатываемого прибора 654 руб.

7.6 Рассчет годового экономического эффекта потребителя

Годовой ожидаемый экономический эффект у потребителя, при приобретении разрабатываемого изделия вместо аналога может быть рассчитан по формуле:

Э_{ож.г.потр.} =(И₁*К_инт-И₂)-Е_н*К₂, (1.2)

где И₁ — эксплуатационные издержки при применении аналога, руб.;

И₂ — эксплуатационные издержки при применении разрабатываемой системы, руб.;

К₂ — капиталовложения потребителя при использовании разрабатываемого варианта, руб.;

Енпредполагаемый коэффициент экономической эффективности капиталовложений.

Срок эксплуатации прибора определим равным 5 лет. Срок гарантии — 1 год.

Эксплуатационные издержки будут складываться из оплаты стоимости установочных работ, а также затрат на ремонт после окончания срока гарантии. Так как прибор используется на автомобиле, то затраты на электроэнергию не включаем в эксплуатационные издержки. Так как прибор используется учебными организациями, то учтем аммортизационные отчисления (в течение 5 лет).

Затраты на установку и настройку прибора определим в размере 10% от цены изделия. Из рассчета на 1 год это значение составит 1,25%.

З_УСТ=0,0125*Ц=0,0125*654=8,17 руб.

В течение гарантийного срока эксплуатации (1 год) производится бесплатный ремонт.

Затраты на ремонт и комплектующие, после гарантийного срока определим на уровне до 20% от цены системы за весь срок эксплуатации. Из расчета на 1 год (из 4-х лет после гарантийного срока эксплуатации) это значение составит 5%.

З_РЕМ=0,05*Ц=0,05*654=32,7 руб.

Отчисления на аммортизацию (срок 5 лет) равны 20% от стоимости прибора, то есть

О_АММ=0,2*Ц=0,2*654=130,8 руб.

Итого, эксплуатационные затраты составят

И₂=З_УСТ+З_РЕМ+О_АММ=8,17+32,7+130,8=171,67 руб.