Автор: Пользователь скрыл имя, 21 Марта 2013 в 15:52, курсовая работа
На сегодняшний день водитель может защитить своё личное средство передвижения очень многими способами. Это может быть как обычная сигнализация с датчиком удара, так и целый вычислительный комплекс позволяющий обнаружить потенциального злоумышленника ещё на подходе к объекту. Устанавливаются всевозможные блокираторы, центральные замки, датчики механического воздействия, иммобилайзер, сигнализации, радиоканалы GSM, навигация о дислокации по «Глонасс» и многое другое.
Среди всех этих приспособлений стоит выделить датчики объёма или, как стоит их правильно называть, датчики проникновения в салон, которые являются на сегодняшний день надёжным гарантом защиты от угона.
Введение 3
Анализ существующих конструкций 4
Техническое задание 21
Конструкция датчика и описание его работы 22
Выбор электронных компонентов 33
4.1. Преобразователь напряжения постоянного тока 34
4.2. Реле 36
4.3. Интегральный таймер 38
4.4. Микроконтроллер 46
4.5. ИК светодиод 49
4.6. ИК фотоприемник 51
4.7. Транзисторы 53
5. Расчет электронных компонентов 55
5.1. Блок питания 55
5.2. ИК передатчик (Transmitter) 55
5.3. ИК приемник (Receiver) 57
5.4. Обработчик сигнала 59
6. Принципиальная схема 60
7. Моделирование процессов 66
8. Алгоритмы процессов 70
Заключение 73
Приложение 1 74
Библиографический список 77
Основные особенности:
Рисунок 4.15Характеристики излучения.
На рисунке 4.15 слева показана зависимость фазы от длины волны, справа диаграмма направленности пучка исходящего излучения инфракрасного светодиода.
4.6. ИК фотоприемник
Излучаемый светодиодом пучок света необходимо принимать фотоприемником, вырабатывающим напряжение от попадающих на него инфракрасных лучей. Наиболее подходящим оказался миниатюрный инфракрасный приемник TSOP2240 производства Vishay c частотой модуляции 40 кГц (рисунок 4.16).
Рисунок 4.16 Ик-приемник TSOP2240 производства Vishay. Выводы устройства: 1-Выход; 2-Питание; 3-Общий.
На рисунках 4.17 и 4.18 показаны схема и подключение приемника.
Рисунок 4.17 Блок-схема фотоприемника TSOP2240:
Рисунок 4.18 Типовая схема включения фотоприемника TSOP2240:
Таблица 1. Основные параметры фотоприёмника TSOP2240
Напряжение питания |
4,5..5,5В |
Ток потребления |
<1,5мА |
Выходной ток (max) |
5мА |
Угол обзора |
±45° |
Дистанция приема |
до 35м |
Диапазон температур |
-25..+85°С |
Размеры(без выводов) |
6х7х5,6мм |
Фотоприемники TSOP2238 применяются в различных системах дистанционного управления на ИК лучах.
4.7. Транзисторы
В схеме для коммутаций напряжений используются транзисторы а) 2N3905 (1 шт.) и б) PN2222A (2 шт.). Рассмотрим их подробнее.
а) 2N3905 представляет собой pnp транзистор на основе кремния (Si) (рисунок 4.19). Цоколевка транзистора изображена на рисунке 4.20.
Рисунки 4.19 Общий вид (слева) и 4.20 цоколевка (справа).
Обозначение контактов:
Международное: C - коллектор, B - база, E - эмиттер.
Технические характеристики:
б) PN2222A представляет собой npn транзистор на основе кремния (Si). Общий вид и цоколевка транзистора изображены на рисунке 4.21.
Рисунок 4.21 Общий вид и цоколевка PN2222A.
Обозначение контактов:
Международное: C - коллектор, B - база, E - эмиттер.
Технические характеристики:
5. Расчет электронных компонентов
Для того чтобы схема правильно работала и работала вообще, необходимо рассчитать и выбрать номиналы элементов.
5.1 Блок питания
Ядром блока питания является DC/DC преобразователь - LM2576, преобразующий 12 Вольт АКБ в 5 вольт на выходе для функционирования устройства. Для этого элемента существует необходимая электронная «обвязка», предусмотренная производителем в спецификации на изделие. В неё входят 2 полярных конденсатора C1 и C2 номиналами по 100 мкФ, катушка индуктивности L1 номиналом 100 мкГн и стабилитрон D1 серии 1N5822.
Преобразователь соединяется с аккумуляторной батареей через плавкий автомобильный предохранитель F1, выдерживающий ток до 5 А. Такой предохранитель является стандартным.
5.2 ИК передатчик (Transmitter)
Основными элементами излучателя являются светодиод D2 серии TSAL6100, излучающий электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне частот и 2 одинаковых интегральных таймера U2 и U3 серии LM555C. 1-й для создания колебаний c частотой приемника сигнала (40 кГц), 2-й для модуляции этих колебаний с более низкой частотой (1,6 кГц).
Светодиод был выбран из расчета его длины волны в 950 нм. Напряжение питания его равняется 3 В, ток 10 мА. Учитывая, что диод включен между двумя выходами таймеров, то максимальное падение напряжения на нём будет составлять:
Ud = (Vпит-1,7) - 0,25 = 5 – 1,95 = 3,05 В ≈ 3 В, (5)
где Vпит = 5 В – напряжение питания таймера,
(Vпит-1,7) = 3,3 В – напряжение высокого лога на выходе («1»),
0,25 В – напряжение низкого лога на выходе («0»).
Отсюда можно сделать вывод, что максимальное напряжение, падающее на диоде равняется его номинальному напряжению питания.
Чтобы ограничить ток на диоде, последовательно с ним включен резистор R3. Требуемый ток: Id = 10 мА. Отсюда находим сопротивление R3:
R3 = Ud / Id = 3,05/0,01 ≈ 330 Ом. (6)
Напряжение питания таймеров
составляет 5 В, так же они заземлены
на «массу». Так как сброс не используется,
то выводы 4 – «Сброс» подключены
непосредственно к линии
Выбор сопротивлений для таймеров связан с частотами работы этих таймеров, формула (7):
R1 = 1,2 кОм; R2 = 470 Ом; R4 = 33 кОм; R5 = 8,2 кОм.
При этих сопротивлениях так же на выводах 2 - «Запуск» и 6 – «Останов» устанавливается напряжение равное 1/3 от напряжения питания, что позволяет запустить таймер.
Включены таймеры по схеме в режиме импульсных генераторов.
Т.к. известны частоты работы этих таймеров (f1 = 40 кГц, f2 = 1,6 Гц), то можно посчитать RC цепочки к ним по следующей формуле:
f = 1 / (0.693*C*(R1+2R2)); (7)
Отсюда находим формулу для расчета конденсаторов:
С = 1 / (f*(R1+2R2)*0.693), (8)
где C емкость в Фарадах, а R1 и R2 – сопротивления в Омах RC цепочки, f – частота в Герцах на выходе таймера, 0,693 – константа времени зарядки конденсатора на 63%.
Частота и период - понятия обратные друг другу и зависимость между ними следующая:
f = 1/t, t = t1+t2, (9), (10)
t1 = 0.693(R1+R2)C; t2 = 0.693R2C; (11)
В итоге получаем значения емкостей:
C3 = 0,017 мкФ; С7 = 0,01 мкФ;
Т.к. точные номиналы не всегда доступны для приобретения, то можно эти значения округлить до ближайших реальных значений:
C3 = 0,015 мкФ; С7 = 0,01 мкФ.
Емкость С5 = 470 мкФ и выбирается для фильтрации нежелательных изменений уровня напряжения питания приблизительно.
5.3 ИК приемник (Receiver)
Приемник состоит из фотоприемника ИК излучения TSOP2240, работающего с частотой 40 кГц (первый таймер передатчика задает именно эту частоту сигнала), RC-фильтра обеспечивающего частоту модуляции (частота второго таймера), 2-х транзисторов: pnp – 2N3905 и npn – PN2222A, второго RC-фильтра и токоограничивающих резисторов.
Сам фотоприемник представляет собой целое устройство, описанное в предыдущей главе. У него есть 3 вывода: VCC (питание +5В), GND (земля) и DATA (выходной сигнал +5 В).
Между питанием и землей
включены 2 конденсатора С8 (полярный) –
10 мкФ и С9 – 1 нФ для фильтрации
нежелательных изменений
RC-цепь, состоящая из резистора R6 и конденсатора C10 обеспечивает частоту переключения транзистора VT1 равную:
Fср = 1 / (2*π*R*C) = 1643 кГц, (12)
где R = 20 кОм, C = 0,0047 мкФ, номиналы были выбраны методом подбора. Формула (х) служит для расчета RC-цепей.
Сопротивление резистора R7 было выбрано номиналом 100 кОм, что в 5 раз больше номинала резистора R6. Резистор R7 служит для уменьшения времени релаксации зарядов на базе транзистора VT1.
Так как выходной сигнал приемника поступает на микроконтроллер, то необходимо ограничить ток выходного сигнала. Резистор R11 выбирается таким, чтобы ток Iвых был равен 5 мА:
R11 = Uпит / 5 мА = 1 кОм; (13)
RC-цепь транзистора VT2 состоит из R8 – 1 кОм и С - 0,47 мкФ, которые были подобраны методом подбора. Эти элементы обеспечивают частоту колебаний по формуле (12) F2ср ≈ 340 Гц. Такое значение частоты выбрано для увеличения надежности выходного сигнала (без потерь).
Величина сопротивления R10 в 10 раз выше величины сопротивления R8, благодаря чему так же уменьшается время релаксации заряда VT2.
Резистор R9 ограничивает ток, управляющий базой VT2.
Ib2 = (Uпит – 0,2) / 47000 = 0,1 мА, (14)
где R9 = 47 кОм, номинал был выбран методом подбора.
5.4 Обработчик сигнала
Выходной сигнал с ресивера поступает на обработчик, который сделан на базе МК Attiny13. Выбор микроконтроллера Attiny13 описан в разделе «Выбор элементов», как наиболее подходящий по многим параметрам для этих целей. Контроллер управляет реле через транзистор VT3.
Параллельно реле, для защиты от индуктивности установлен выпрямительный диод серии 1N4001 с максимальным прямым током до 1 А.
Ток обмотки реле составляет: Irele = W/Urele = 1,8/12 = 150 мА, (15)
где W = 1,8 Вт – мощность реле, Urele = 12 В – напряжение обмотки.
Напряжение на базе VT3 - Ub3 = 5 В, а а ток базы вычисляется так:
Ib3 = Irele / α = 150 / 100 = 1,5 мА, (16)
где Irele – так же ток на коллекторе VT3, а α = 100 – статический коэффициент передачи тока.
Отсюда можно найти сопротивление R12:
R12 = Ub /Ib3 = 5 / 1,5 = 3,3 кОм ≈ 3,7 кОм. (17)
6. Принципиальная схема
Теперь можно приступить к выбору всех электронных компонентов устройства и составлению его принципиальной схемы (рисунок 6.1).
Как видно из схемы устройство условно разделяется на 4 блока:
Рассмотрим устройство каждого из них подробнее.
Блок питания
Большинство электронных
компонентов имеют напряжение питания
5В, поэтому преобразователь
Питание берётся от автомобильного свинцового аккумулятора (АКБ) (на схеме Bat1), напряжение которого составляет 12 В. Для преобразования к 5 В был выбран DC/DC преобразователь постоянного тока LM2576, на схеме показано его подключение (U1). На вход подается + 12 В, с выхода снимается + 5 В и ток 5 А.
Между преобразователем напряжения
АКБ для сохранности устройства
находится плавкий
ИК-передатчик (Transmitter)
Схема ИК-передатчика использует модулированный сигнал для облегчения фокусировки луча. Модуляция ИК потока делает систему нечувствительной к уровню фоновой засветки.