close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Анцифоров Иван Андреевич. Разработка лазерного измерителя расстояний

код для вставки
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЛОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И.С. ТУРГЕНЕВА»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
по направлению подготовки 11.04.03 «Конструирование и технология
электронных средств»
направленность (профиль) Информационные технологии проектирования
электронных средств
студента Анцифорова Ивана Андреевича шифр 165184
Факультет (институт) Институт приборостроения, автоматизации и
информационных технологий
Тема выпускной квалификационной работы
Разработка лазерного измерителя расстояний
Студент
Анцифоров И.А.
Научный руководитель
Ерёменко В.Т.
Зав. кафедрой
Мишин В.В.
Орел, 2018
2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЛОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И.С. ТУРГЕНЕВА»
Факультет (институт) Институт приборостроения, автоматизации и
информационных технологий
Кафедра «Электроники, радиотехники и систем связи»
Направление подготовки (специальность) 11.04.03 «Конструирование и
технология электронных средств»
Направленность
(профиль)
Информационные
технологии
проектирования
электронных средств
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы
студента Анцифорова Ивана Андреевича шифр 165184
1. Тема ВКР: Разработка лазерного измерителя расстояний
Утверждена приказом по университету от «01» ноября
20Г7 г. № 2-3107
2. Срок сдачи студентом законченной работы
2018г.
3. Исходные данные к работе: температурный диапазон -
максимально
возможный, тип лазера - импульсный, цвет лазера - зеленый.
4. Содержание ВКР (перечень подлежащих разработке вопросов):
Объект исследования: методы бесконтактного измерения расстояний;
Предмет исследования: лазерные средства измерения параметров (расстояние);
Цель исследования: повышение контрастности в светлое время суток, повышение
рабочего температурного диапазона;
Задачи, выдвигаемые на ВКР:
- сравнительный анализ имеющихся решений по теме;
- выбор базовых технических решений;
- выбор элементной базы;
- разработка алгоритма работы устройства;
5. Перечень графического материала презентация к пояснительной записке ВКР
Дата выдачи задания
«с ±
»_
Научный руководитель ВКР
___ 201 ? г.
В.Т. Ерёменко
(И.О.Ф.)
Задание принял к исполнению
И.А. Анцифоров
(И.О.Ф.)
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
Наименование этапов ВКР
Анализ задания на ВКР
Обзор и сравнительный анализ
существующих решений по теме
Выбор базовых технических
решений по теме__________
Выбор элементной базы
Разработка алгоритма работы
устройства________________
Расчет уровня конструктивных
параметров, надежности_______
Расчеты безопасности
жизнедеятельности
Оформление графических
материалов ВКР________
Оформление пояснительной записки
Проверка ВКР руководителем и
допуск к защите_____________
Срок выполнения
Примечание
этапов работы_______________
01.11.201703.11.2017
06.11.201724.11.2017
27.11.201708.12.2017
11.12.201726.01.2018
29.01.201823.02.2018
05.03.201823.03.2018
06.04.201820.04.2018
01.05.201831.05.2018
01.06.201820.06.2018
21.06.2018
Студент
И.А. Анцифоров
(И.О.Ф.)
Научный руководитель ВКР
В.Т. Ерёменко
(подпись)
(И.О.Ф.)
АННОТАЦИЯ
Тема ВКР: «Разработка лазерного измерителя расстояний».
Год защиты: 2018
ВКР выполнил студент: Анцифоров И.А.
Руководитель проекта: Ерёменко В.Т.
Пояснительная записка содержит 60 страниц, 14 иллюстраций, 5
разделов:
1. Исследовательская часть: анализ технического задания, обзор и
сравнительный анализ существующих решений по теме выпускной
квалификационной работы.
2. Научно-технические предложения по совершенствованию устройств
лазерной дальнометрии: выбор базовых технических решений, выбор
функциональной электрической схемы.
3. Проектная часть: выбор элементной базы, разработка алгоритма
работы устройства.
4. Расчетная часть: расчет потребляемой мощности, расчет
конструктивных параметров изделия, расчет надежности, расчет
минимального диаметра металлизированного отверстия, расчет ширины
проводников, расчет погрешности.
5. Безопасность жизнедеятельности: анализ потенциально опасных
факторов при эксплуатации устройства, анализ потенциально опасных
факторов при производстве устройства, мероприятия по обеспечению
безопасности жизнедеятельности, мероприятия по охране окружающей
среды.
В ходе работы были выполнены все поставленные задачи.
В К Р . 1 6 5 1 8 4 1 1 .0 4 .0 3 П З
изм лит
Ф.
Разраб.
А нциф оров
Руков.
Еременко. В.Т.
И. Под Д ат а
^W
Ж
-
тт
25М М
/
Зав. каф. М иш ин В. В.
/р
Лит.
Разработка лазерного
измерителя расстояний
У
Лист
3
Л ист ов
60
Ф Г Б О У В О «О ГУ им .
И. С. Тургенева»,
ЭРиСС, 2018
Cодержание
Введение ........................................................................................................................... 6
1.
Исследовательская часть ........................................................................................ 8
1.1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ....................................................................... 8
1.2
ОБЗОР И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ ПО ТЕМЕ
ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ ............................................................ 8
2.
Научно-технические предложения по совершенствованию устройств
лазерной дальнометрии ................................................................................................ 14
3.
2.1
ВЫБОР БАЗОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ....................................................... 14
2.2
ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ....................................... 14
Проектная часть..................................................................................................... 18
3.1 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ................................................................................. 18
3.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ............................................... 31
4.
Расчетная часть ...................................................................................................... 35
4.1 РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ ................................................................. 35
4.2 РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЯ ЭВС ................................... 36
4.3 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ........................................................................................ 40
4.4 РАСЧЕТ МИНИМАЛЬНОГО ДИАМЕТРА МЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО
ОТВЕРСТИЯ ..... 43
4.5 РАСЧЕТ ШИРИНЫ ПРОВОДНИКОВ ....................................................................... 43
4.6 РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ...................................................................................... 44
5.
Безопасность жизнедеятельности ........................................................................ 45
5.1 АНАЛИЗ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
УСТРОЙСТВА ............................................................................................................ 45
5.2 АНАЛИЗ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
УСТРОЙСТВА ............................................................................................................ 47
5.3 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ....... 49
5.4 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ............................................ 54
Заключение .................................................................................................................... 56
Список использованных источников .......................................................................... 58
Перечень сокращений и условных обозначений ....................................................... 64
6
ВВЕДЕНИЕ
В связи с развитием техники и робототехники, требования к качеству
выполнения строительных, топографических, навигационных и астрономических
работ постоянно повышаются, что заставляет совершенствовать уже имеющиеся
средства измерения и находить новые способы получения обработки результатов
измерений за более короткое время. Так, для достижения одного из таких
требований,
а
именно,
высокой
точности
измерений,
были
созданы
специализированные приборы, одним из которых является электронный
дальномер – геодезический прибор, основным предназначением которого
является измерение больших линейных расстояний. Среди множества видов
дальномеров, в настоящее время наибольшую популярность получили лазерные.
Лазерный дальномер – современный высокотехнологический инструмент,
предназначенный для дистанционного измерения расстояний до различных
объектов, использующий возможности современной электронной элементной
базы. Современная электроника позволяет производить измерения с высокой
точностью, намного превосходящей точность традиционных средств линейных
измерений, таких как мерные ленты и рулетки. Лазерный дальномер, как
правило, состоит из детектора излучения и импульсного лазера, реже – из
фазового. Определяя время, которое луч затратит на путь до отражателя и
обратно, а также зная скорость света, можно рассчитать дистанцию между
отражающим объектом и непосредственно лазером [19].
Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического
применения лазеров в военной технике, первые опыты датируются 1961 годом
[20]. Сейчас лазерные дальномеры используются и в наземной военной технике
(при наведении артиллерийских и танковых систем), и в авиации и на флоте
(дальномеры, высотомеры, целеуказатели). Данный вид техники прошел боевые
испытания на Ближнем Востоке, и особенно при испытаниях современных
боевых роботов, таких как «Уран-6» и «Уран-9» в Сирии.
7
Системы обработки результатов содержат библиотеки, позволяющие
существенно ускорить процесс обработки и учесть большое количество
влияющих факторов, например, видимость, запыленность, осадки, ЭМвоздействия и пр.
Кроме боевого применения современных устройств, подобные устройства
незаменимы
при
проведении
топогеодезической
съемки
на
этапах
предварительных изысканий.
Широкое применение он получил в инженерной геодезии, ведь данный
прибор просто незаменим при строительстве гидротехнических сооружений,
линий электропередач и путей сообщения, а также в астрономических
исследованиях при определении расстояния до цели [21].
Объектом исследования являются методы бесконтактного измерения
расстояний;
Предмет исследования – лазерные средства измерения параметров
(расстояние);
Цель исследования: повышение контрастности в светлое время суток,
повышение рабочего температурного диапазона;
Задачей данного проекта является разработка лазерного дальномера на
современной элементной базе с целью обеспечения достаточной точности
измерения
дальности,
повышения
рабочего
температурного
диапазона,
минимизации влияния внешних факторов на работоспособность системы и
увеличения контрастности в светлое время суток.
8
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
1.
1.1 Анализ технического задания
Устройство
лазерного
измерения
расстояний
предназначено
для
бесконтактного измерения расстояния от места установки устройства до
определенного объекта – «зеркала».
Разрабатываемое
устройство
лазерного
измерения
расстояний
представляет собой электронное устройство. Блок устройства должен питаться
от бортовой сети или от аккумулятора (батарей).
Так как условия эксплуатации устройства могут быть различными (снег,
дождь, повышенная запыленность, условия боевых действий и т.д.), основным
направлением
работы
будет
создание
системы,
невосприимчивой
или
минимально зависимой от воздействий окружающих условий.
Так как разрабатываемая система должна исправно работать в условиях
резко-континентального климата, т.е. при температурах -35…+45ºC, необходимо
использовать определенную предметную базу. Для удовлетворения этих
требований подходит 8-разрядный микроконтроллер для систем обеспечения
безопасности, а также высокотемпературных сред Atmel® AVR®.
1.2 Обзор и сравнительный анализ существующих решений по теме
выпускной квалификационной работы
На данный момент существует множество решений этой актуальной темы.
Большинство устройств работает по принципу «выстрелил лучом, принял
отраженный сигнал, посчитал, выдал результат». К классической функции, как
измерение расстояния до объекта, в некоторых имеющихся устройствах
добавлены опции вычисления площади и объема помещений, сложения и
вычитания, функция вычисления площади стен, память на несколько значений,
встроен модуль Bluetooth для сопряжения со смартфонами или ноутбуками. Для
удобства
работы,
как
правило,
дальномеры
снабжены
большим
высококонтрастным трехстрочным дисплеем с подсветкой. Так же с помощью
9
заложенных в лазерный дальномер функций можно определять минимальные и
максимальные расстояния.
На
данный
момент
существуют
два
основных
метода
лазерной
дальнометрии: импульсный и фазовый. Импульсный принцип работы устройства
построен
на
испускании
излучателем
лазерных
импульсов.
Приемник
дальномера фиксирует отраженные лучи, а процессор вычисляет и отображает на
дисплее расстояние до объекта на основании расчета по задержке принимаемых
импульсов [22]. В фазовом же, в отличие от предыдущего, лазер работает
постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной
частоты, как правило, меньше 500МГц. Причем, длина волны лазера при этом
остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм) [23].
В таблице 1 представлены преимущества и недостатки методов лазерной
дальнометрии, используемых в устройствах, представленных на рынке.
Таблица 1 – сравнение методов лазерного измерения расстояний
Метод
измерения
Импульсный
Фазовый
Принцип работы
Излучатель
испускает лазерные
импульсы, которые
отражаются от
объекта, до
которого
производится
измерение
расстояния,
приемник
фиксирует
отраженные лучи,
передает сигнал
процессору,
который вычисляет
расстояние.
Лазер работает
постоянно, но его
излучение
Основные
достоинства
Основные
недостатки
- Большая
дальность работы;
- большая мощность
импульса;
- высокая
скрытность, т.к.
включается только
на время самого
импульса;
- Необходимость в
сверхточном
таймере;
- высокая
стоимость.
- Более высокая
точность;
- низкая цена, что
- На короткое
время включают
подсветку объекта,
Степень
предпочти
тельности
++
–
10
Продолжение табл.1
Метод
измерения
Принцип работы
амплитудно
модулируется
сигналом
определенной
частоты, обычно
это частоты
меньше 500МГц, а
длина волны лазера
остается
неизменной.
Основные
достоинства
позволяет
использовать
приборы в быту.
Степень
предпочти
тельности
Основные
недостатки
что может являться
демаскирующим
фактором;
- меньшая
мощность лазера и
дальность работы
прибора.
Примечание:
+ − предпочтителен;
++ − желателен;
+++ − полностью соответствует требованиям;
– − нежелателен;
– – − крайне нежелателен.
Исходя из темы ВКР и данных таблицы, видно, что наиболее близка к теме
выпускной квалификационной работы концепция устройства, использующего
импульсный метод дальнометрии. Сравнение некоторых имеющихся на рынке
образцов представлено ниже.
1.2.1. Лазерный дальномер «LRF1000»
Представитель простого сегмента импульсных дальномеров, предназначен
для туристов, охотников, строителей, может применяться геодезистами. Данный
дальномер обеспечивает быстрое и точное измерение расстояния в диапазоне от
1 до 300м, наведение на цель осуществляется через монокуляр либо с помощью
видимого лазера. Измерение расстояния происходит невидимым лазером в
инфракрасном спектре. Дальномер оснащен элементарными вычислительными
функциями
и
памятью
измерений.
Может
работать
при
температуре
окружающей среды от 0 до +52°C, храниться же при t от –10°C до +60°C;
11
диапазон измерений прибора – от 0,9 до 275 метров, погрешность варьируется в
зависимости от измеряемого расстояния, – до 10м: 2см, свыше 10м: 0,3%.
Вычислительные
функции
–
сложение,
вычитание,
умножение.
Вес
снаряженного изделия – 240 грамм, питание 1,9 В [24].
1.2.2. Лазерный дальномер «Leupold RX-1000i TBR»
Устройство из более продвинутого и дорогого сегмента импульсных
дальномеров, обладает повышенной точностью измерений (до 0,1 м на 100 м),
шестикратным увеличением, имеет всепогодный обрезиненный корпус, способен
проводить точные измерения на расстоянии до 915 метров. Работает устройство
при температурах окружающей среды от –10 до +55°C. Вес устройства
составляет 190 грамм, питание происходит от батареи CR2 на 3В [25].
1.2.3. Лазерный бинокль-дальномер LRF STEINER NIGHTHUNTER
Среди имеющихся в свободном доступе устройств, этот дальномер
является представителем устройств премиум-класса. Используется для стрельбы
и охоты, имеет оптику HD-класса, автофокус, способен эффективно измерять
расстояний до 1700 метров, погрешность измерений, как правило, не превышает
1 м на 300 м., водонепроницаем, безукоризненно работает при температурах от –
25 до +80°C, весит 835 грамм, питание происходит от стандартной батареи
18650, 3,7В. Кроме всего прочего, в качестве приятного бонуса имеет 30-летнюю
гарантию [26].
Таблица 2 – итоговое сравнение основных параметров импульсных
дальномеров
Дальномер
LRF-1000
Leupold RX-1000i
TBR
LRF STEINER
до 275
до 915
до 1700
0,3
0,1
0,33
высокая
средняя
низкая
Параметр
Измеряемое расстояние, м
Погрешность измерения, м
на 100 м
Зависимость от
12
Продолжение табл.2
воздействия окружающей
среды
Длина волны, нм
Питание, В
Рабочие температуры, °C
635
1,9
0 – +52
635
3,0
-10 – +55
650
3,7
-25 – +80
Как видно из информации об импульсных дальномерах, представленной
фирмами-производителями (таблица 2), не все измерители расстояний обладают
защитой от воздействий окружающей среды, а также измеряемые расстояния и
диапазон рабочих температур расширяется в зависимости от ценового сегмента
устройств.
Кроме данных дальномеров, существуют похожие устройства для каждого
сегмента – бюджетного, среднего и премиум, обладающие плюс-минус
аналогичными параметрами, представленные на российском рынке компаниями
Redfield, Sightmark, BUSHNELL, Nikko, ATN, Nikon и другими зарубежными
компаниями, специализирующимися на изготовлении оптических устройств [27].
Помимо данных устройств, на рынке довольно широко представлены
лазерные импульсные модули, которые можно встроить в различную технику и
другие устройства. Зарубежные компании, такие как Keopsys, OPTILAB, Alnair
Labs, Eksma Optics, Lea Photonics, CNI Laser и прочие, занимаются
производством сверхточных импульсно-лазерных модулей. Существуют нано-,
пико-, и даже фемптосекундные лазеры, для исключительно точных измерений
[27]. Однако, для наших потребностей достаточно наносекундного лазера,
которые используются в основном для картографии, телеметрии, типографии и
различных медицинских и научных исследованиях.
Как можно заметить, российский рынок заполнен устройствами китайских,
японских и европейских производителей, среди отечественных же разработок
можно отметить модуль дальномерный лазерный «Зенит-ЛД», который обладает
длиной волны 905 нм, имеет абсолютную погрешность измерения дистанции
около 2м, способен менее чем за 1 секунду измерить расстояние до 2500 метров,
имеет отличную степень защищенности от внешних воздействий (IP57),
13
способен работать при температурах от –35 до +55°C и разработан специально
для интеграции в системы управлению огнем и для установки на подвижной
технике, такой как танки, вертолеты и др. [28].
Подводя итог, можно сделать вывод: импульсные дальномеры в
большинстве своем имеют мощное увеличение, достаточно широкое поле
зрения, обладают высокой точностью измерений. Приборы оборудованы
достаточно мощным лазером – в среднем 635 нм (красный). Использование
таких лазеров связано с широким распространением и дешевизной красных
лазерных светодиодов. Однако, световое пятно такого лазера трудно различимо в
яркую погоду, особенно на расстоянии свыше 12-15 метров. Анализируя
выполняемые функции и режимы работы рассмотренных типов устройств,
делаем вывод, что они обладают следующими основными недостатками:
затрудняется работа или вообще не работают в дождливую погоду; неуверенно, с
помехами работают в запыленных помещениях; не работают при минусовых
температурах;
зависимость от окружающего
освещения и отражающих
способностей поверхности, от которой проводятся измерения.
1.2.4. Выбор типа и конфигурации устройства лазерного измерения
расстояний
Итак, подводя итог анализа устройств, их положительных и отрицательных
сторон, делаем вывод, что разрабатываемое устройство должно сочетать
следующие функции:
- широкий температурный диапазон работы;
- высокая надежность устройства;
- минимальная зависимость от окружающих условий;
- использование более контрастного лазера;
14
2.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ УСТРОЙСТВ ЛАЗЕРНОЙ ДАЛЬНОМЕТРИИ
2.1 Выбор базовых технических решений
На основе требований к ВКР и проведенного сравнительного анализа, был
выбран способ, сочетающий в себе наиболее значимые преимущества устройств
лазерной дальнометрии, а именно:
- использование надежной компонентной базы;
- минимальная зависимость от окружающей среды;
- широкий диапазон рабочих температур.
Однако, т.к. одним из недостатков имеющихся систем можно считать цвет
излучения, а именно, красный, было решено заменить красный лазер на зеленый,
с целью повышения контрастности в светлое время суток. Вторым моментом,
требующим решения является необходимость расширения температурного
диапазона рабочих температур, так как имеющиеся на рынке устройства
зачастую
работают
лишь
при
положительных
температурах,
или
при
минимальных отрицательных (-10 – -15°C).
2.2 Разработка функциональной электрической схемы
На основе анализа, приведенного в первой главе, была разработана
функциональная схема устройства, представленная на рисунке 2.1.
15
1 – зеркало; 2 – фотоприемник; 3 – усилитель-ограничитель; 4 – драйвер
лазерного диода; 5 – лазер; 6 – стабилизатор; 7 – интегратор; 8 –
микроконтроллер; 9 – дисплей.
Рисунок 2.1 – Функциональная схема устройства
Устройство состоит из следующих элементов:
- фотоприемник;
- усилитель-ограничитель;
- драйвер лазерного диода;
- лазер;
- стабилизатор;
- интегратор;
- микроконтроллер;
- дисплей;
Фотоприемник конструктивно располагается в блоке устройства и
предназначен для приема отраженного от объекта луча.
Усилитель-ограничитель уменьшает коэффициент усиления, если уровень
входного сигнала превысит определенное значение. Применяется для защиты
16
последующих каскадов приемника от излишне высоких напряжений, при
которых могут возникнуть нелинейные искажения. Конструктивно является
частью устройства, находится непосредственно в блоке устройства [29].
Драйвер лазерного диода выполняет функцию стабилизации тока для
защиты и корректной работы лазера [30].
Лазер
является
основным
элементом
устройства,
выполняет
роль
бесконтактной «рулетки».
Стабилизатор нужен для поддержания выходного напряжения в узких
пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока
нагрузки [31].
Интегратор необходим для интегрирования во времени электрических
входных сигналов и имеет выходное напряжение, равное сумме его входных
напряжений за последовательные промежутки времени [32][33].
Микроконтроллер
является
центральным
блоком
проектируемого
устройства и выполняет следующий основные функции:
- общее управление устройством;
- обработка сигнала, пришедшего от фотоприемника;
- передача обработанных данных на дисплей;
Дисплей является устройством вывода информации, на него поступают
обработанные данные с микроконтроллера.
Принцип работы схемы состоит в следующем. Лазер, контролируемый
драйвером лазерного диода, посылает свой пучок света до какого-либо объекта.
Отраженный
луч,
фотоприемника.
при помощи оптической системы
Усилитель-ограничитель
и
зеркал, достигает
стабилизатор
выполняют
контролирующую функцию: слабый сигнал усиливают и стабилизируют
мощность. При этом на интегратор приходит отраженный сигнал, который
выпрямляется и подается на микроконтроллер, который проводит над сигналом
калькуляционные операции, приводит данные к требуемому виду (метры и доли
метра, через точку, например, 125.3) и далее передает обработанные данные на
17
дисплей. После представления информации об расстоянии на дисплее в течение
определенного временного промежутка, информация с дисплея пропадает.
18
3.
ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ
3.1
Выбор элементной базы
Определенные принципы реализации и функционирования прототипа в
составе ПК позволяют сформировать некоторые критерии выбора элементной
базы:
по
потребляемой
мощности
и
необходимым
ограничениям
по
электрическим параметрам, по быстродействию, по номенклатуре и надежности,
а также в зависимости от типа производства. При выборе следует опираться на
доступные и распространенные электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и интегральные
микросхемы (ИМС).
Номинальное значение длины волны лазерного излучателя должно быть
равно 510-535 нм (зеленый), а мощность лазерного излучения не должна
превышать 100 мВт. Использование зеленого цвета луча обусловлено тем, что
человеческий глаз имеет большую чувствительность к оттенкам зеленого цвета,
особенно в дневное время. Исходя из этого, зеленый луч будет контрастнее и
лучше различим в светлое время суток.
Подобным требованиям удовлетворяют лазерные модули серии HB10b433EAGD фирмы «Huey Jann Electronics». Данные лазерные диодные модули
являются высокостабильными источниками оптического излучения с длинной
волны 523 нм, мощностью до 100 мВт и питанием 3В, предназначены для работы
в широком температурном диапазоне [34]. Основные характеристики лазерного
диода представлены в таблице 3 [35], а его внешний вид представлен на рисунке
3.1.
19
Рисунок 3.1 – внешний вид лазерного диода HB10b-433EAGD
Таблица 3 – Основные характеристики лазерного диода HB10b-433EAGD
Параметр
Длина волны
Цвет свечения
Сила света 1 кристалла
Падение напряжения, тип.
Угол по горизонтали
Угол по вертикали
Тип линзы
Значение
523
Зеленый
16
3,2
8
8
Белая, прозрачная
Измерения
нм
—
кд
В
о
о
—
Драйвер лазерного диода предназначен для задания правильного режима
питания лазерного излучателя и является, по сути, стабилизатором тока.
Минимальными требованиями, предъявляемыми к драйверу, являются:
– отдельный выход включения для безопасности лазера;
– дифференциальные входы для данных;
– питание до 5 В;
– работа на скоростях до 2,5 Гбит.
Выберем интегральную схему SY88922V.
20
Рисунок 3.2 – Используемая схема включения драйвера
лазерного излучателя SY88922V.
Таблица 4 – Соответствие сигналов выводам драйвера лазерного
излучателя SY88922V [36].
EN
DIN
DIN
VREF
RSET
Общий (Земля)
Дифференциальный вход,
которые получают NRZ
данных.
Подача опорного
напряжения для сброса
430 Ом
Выберем конденсатор
OUT
OUT
Выходы с открытым
коллектором
OUT
GND
Земля
Vcc
+5 V
С1: SMD 0805 емкостью 0,1 мкФ, рабочим
напряжением 50 В и допустимым отклонением ±10%.
Конденсаторы серии GRM – безвыводные керамические неполярные
конденсаторы
общего
применения.
Имеют
превосходные
импульсные
характеристики и малый уровень собственных шумов благодаря низкому
импедансу на высоких частотах. Конденсаторы серии GRM выпускаются с
различными типами диэлектриков - тип диэлектрика определяет ТКЕ данного
21
конденсатора. Рабочее напряжение: 6.3, 10, 16, 25, 50, 100, 200 и 630 В.
Диапазон возможных емкостей: 0,3 пФ – 100 мкФ
Выберем резистор R2 и R3: SMD 0805 51 Ом и 680 Ом соответственно,
номинальной мощностью 0,125Вт с допустимым отклонением ±1%.
Бескорпусные
толстопленочные
резисторы
(чип-резисторы,
smd-
резисторы) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и
импульсного тока. Используются для поверхностного монтажа. Основные
параметры SMD резисторов представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Основные параметры резисторов SMD 0805 [37].
Характеристики
Диапазон номинальных значений, Ом
Номинальная мощность, Вт
Максимально допустимое напряжение, В
Диапазон рабочих температур
0, 1…30·106
0,125
200
–55…+125
Линия задержки обеспечивают управление синхронизацией до 10
наносекунд. Корпус линии задержки в свинцовом припое, с тремя выводами.
Тонкие пленки на керамическом корпусе обеспечивают высокую надежность и
высокую пропускную способность. Производительность до 5 ГГц.
Выберем
DS1L5VJA00S-C:
линию
задержки
Сопротивлением
из
5
трех
Ом,
последовательных
задержкой
Номинальный ток 100 мА, рабочая температура –30…+85С.
10
звеньев
наносекунд.
22
Рисунок 3.3 – Используемая схема включения линии задержки [38].
Для приема сигнала отраженного от цели выберем наиболее подходящий
фотоприемник. Для нашего опытного образца используем два фотоприемника:
PIN фотодиод S5973 и арсенид-галлиевый PIN фотодиод TMC-8D43-640.
Кремниевые PIN фотодиоды S5971-S5973 серии обладают низкой зарядной
емкостью, которая позволяет им работать в широком диапазоне частот при
низком напряжении смещения. При подключении кремниевых PIN фотодиодов к
высокоскоростному предусилителю их малая общая емкость обеспечивает
высокое быстродействие и низкий уровень шума. Эта особенность делает
кремниевые PIN фотодиоды идеальными детекторами для применения в
высокоскоростной фотометрии и оптических линиях связи.
Рисунок 3.4 – Cхема включения PIN фотодиода с усилителем AD8015 [39].
23
Арсенид-галлиевые PIN фотодиоды TMC серии с предварительным
усилителем. Оптимизированы для волоконно-оптических приложений. Подходит
для 1,25 Гбит приложений. Питание – 3 В, ток питания – 26 мА.
Рисунок 3.5 – Используемая схема включения арсенид-галлиевого
PIN фотодиода TMC-8D43-640 [40].
Операционные
усилители
низкого
напряжения
серии
OP490,
производителя «Analog Devices, Inc.». Четырехъядерный OP490 имеет высокую
производительность и энергоэффективность. Минимальное напряжение и
соответствие
современным
требованиям
делают
его
идеальным
для
аккумуляторов и приборов на солнечных батареях, таких как портативные
приборы и удаленные датчиков.
Таблица 6 – Основные параметры OP490GPZ [41].
Характеристики
Корпус
Кол-во каналов ОУ
Напряжение питания, В
Ток собственного потребления,
мкА
Частота единичного усиления,
DIP-14
4
1.6...36
60
20
Продолжение табл.6
24
кГц
Полоса пропускания, kHz
Диапазон рабочих температур,
°C
20
-40...85
Рисунок 3.6 – Используемая схема включения операционного усилителя.
Интегратор (или интегрирующий усилитель) это такой блок, выходное
напряжение которого пропорционально интегралу от входного напряжения. При
подаче на вход интегрирующего усилителя постоянного сигнала выходное
напряжение будет линейно нарастать. Чем меньше произведение RС, называемое
25
постоянной интегрирования, тем круче будет нарастать прямая, описывающая
изменение выходного сигнала.
Выберем интегрирующий усилитель с JFET входами фирмы «National
Semiconductor» LF356.
Таблица 7 – Основные параметры LF356 [42].
Характеристики
Корпус
Кол-во каналов ОУ
Полоса пропускания, МГц
Напряжение питания, В
Диапазон рабочих температур, °C
Ток собственного потребления, мА
DIL-8 TO-99-8
1
5
5...30
-40...85
10
Рисунок 3.7 – Используемая схема включения интегратора.
Микроконтроллер реализован на БИС DD1 (ATmega8) семейства AVR.
Выбор данной БИС микроконтроллера основан на следующем.
Основными требованиями, которые предъявляются к микроконтроллеру в
26
этом проекте, являются:
– наличие параллельных портов ввода-вывода в количестве достаточном
для подключения всех устройств, входящих в структурную схему;
– достаточно высокая надѐжность и стабильность работы;
– низкое энергопотребление;
– возможность работы в предъявляемом температурном диапазоне.
Для
выполнения
поставленной
задачи
подходят
восьмибитные
микроконтроллеры AVR фирмы Atmel. Корпорация Atmel (США), являясь на
сегодняшний день одним из признанных мировых лидеров в производстве
изделий современной микроэлектроники, хорошо известна на российском рынке
электронных компонентов. Основанная в 1984 году, фирма Atmel определила
сферы приложений для своей продукции как телекоммуникации и сети,
вычислительную технику и компьютеры, встраиваемые системы контроля и
управления, бытовую технику и автомобилестроение.
Микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру (программа и
данные находятся в разных адресных пространствах) и систему команд, близкую
к идеологии RISC. Идея разработки нового RISC-ядра принадлежит двум
студентам Norwegian University of Science and Technology (NTNU) из
норвежского города Тронхейма — Альфу Богену (Alf-Egil Bogen) и Вегарду
Воллену (Vegard Wollen). В 1995 году Боген и Воллен решили предложить
американской корпорации Atmel, которая была известна своими чипами с Flashпамятью, выпускать новый 8-битный RISC-микроконтроллер и снабдить его
Flash-памятью для программ на одном кристалле с вычислительным ядром. Идея
была одобрена Atmel Corp., и было принято решение незамедлительно
инвестировать в данную разработку. В конце 1996 года был выпущен опытный
микроконтроллер AT90S1200, а во второй половине 1997 г. корпорация Atmel
приступила к серийному производству нового семейства микроконтроллеров, к
их рекламной и технической поддержке. Новое ядро было запатентовано и
получило название AVR. Процессор AVR имеет 32 8-битных регистра общего
назначения, объединѐнных в регистровый файл [43]. Стандартные семейства
27
микроконтроллеров AVR:
tinyAVR (ATtinyxxx):
– флеш-память до 16 Кб; SRAM до 512 б; EEPROM до 512 б;
– число линий ввода-вывода 4-18 (общее количество выводов 6-32);
– ограниченный набор периферийных устройств.
megaAVR (ATmegaxxx):
– флеш-память до 256 Кб; SRAM до 16 Кб; EEPROM до 4 Кб;
– число линий ввода-вывода 23-86 (общее количество выводов 28-100);
– аппаратный умножитель;
– расширенная система команд и периферийных устройств.
XMEGA AVR (ATxmegaxxx):
– флеш-память до 384 Кб; SRAM до 32 Кб; EEPROM до 4 Кб;
– четырѐхканальный DMA-контроллер;
– инновационная система обработки событий.
Как правило, цифры после префикса обозначают объѐм встроенной flashпамяти (в КБ) и модификацию контроллера. А именно — максимальная степень
двойки, следующая за префиксом, обозначает объѐм памяти, а оставшиеся
цифры определяют модификацию (напр., ATmega128 — объѐм памяти 128 КБ;
ATmega168 — объѐм памяти 16 КБ, модификация 8; ATtiny44 и ATtiny45 —
память 4 КБ, модификации 4 и 5 соответственно).
Для
использования
в
основном
модуле
устройства
был
выбран
микроконтроллер ATmega8, так как он имеет низкое энергопотребление,
обладает достаточной производительностью, памятью, имеет достаточное
количество параллельных портов ввода-вывода для подключения всех устройств,
входящих в структурную схему, а также его диапазон рабочих температур
подходит под требования. Его основные характеристики представлены в таблице
8 [44], соответствие сигналов выводам микроконтроллера представлены в
таблице 9, внешний вид представлен на рисунке 3.8, а схема выводов на рисунке
3.9.
28
Рисунок 3.8 – внешний вид микроконтроллера ATmega8.
Рисунок 3.9 – Схема выводов микроконтроллера ATmega 8.
Таблица 8 – Основные характеристики микроконтроллера ATmega8
Память программ (FLASH), Кбайт
EEPROM
Память данных, байт
SRAM
Внешнее ОЗУ
Количество команд
Количество линий ввода/вывода
4
256
512
131
23
29
Продолжение табл.8
Количество внешних источников прерываний
8-разрядые
Таймеры
16-разрядные
ШИМ
SPI
Интерфейсы
TWI (I2C)
UART/USART
АЦП (10-разр.)
Рабочая частота, МГц
Напряжение питания, В
24
2
1
6
2
1
1
6 (в PDIP)8
20
1.8…5.5
Таблица 9 – Соответствие сигналов выводам микроконтроллера [44].
№
Название
Тип
7
VCC
Вход
8, 22
GND
Вход
20
AVcc
Вход
21
ARef
Вход
9-10, 14-19
Порт В (PB0 РВ7)
Вход/Выход
1, 23-28
Порт С (PC0 РС6)
Вход/Выход
2-6, 11-13
Порт D (PD0 PD7)
Вход/Выход
Микроконтроллер
включен
в
Описание
напряжение питания от +4.5 до
+5.5 В
общий (земля)
напряжение питания + 5 В для
модуля АЦП
вход опорного напряжения для
АЦП
Два вывода (РВ6 и PB7)
используются для подключения
кварцевого резонатора. Выводы
РВ2 - РВ5 зарезервированы для
внутрисхемного
программирования. Таким
образом, для общего применения
остаются порты PB0 и PB1.
Порты PC0 - РС5 можно
использовать в качестве
аналоговых входов. РС6 обычно
используется для сброса.
Эти порты можно использовать
для общего применения.
соответствии
с
рекомендациями,
приведенными в его техническом описании [45].
Семисегментный четырехразрядный светодиодный индикатор с высотой
символов 14,22 мм фирмы «Avago Technologies» HDSP-B47G.
30
Рисунок 3.10 – Внешний вид семисегментного четырехразрядного
светодиодного индикатора.
Таблица 10 – Основные параметры HDSP-B47G [46].
Характеристики
Цвет диодов
Длина волны, нм
Габаритный размер
Высота символа, мм
Кол-во символов, шт
Конфигурация
Зеленый (GaP)
570
19.10х51.20х8.00
14.22
4
Общий катод
Кроме того, если устройство планируется использоваться в составе какойлибо системы, питание должно быть реализовано от бортовой сети и составлять
5В, если от портативного источника питания, например, литий-ионного
аккумулятора, то питание также должно составлять 5В.
Использование данной компонентной базы обеспечивает решение задачи
расширения рабочего температурного диапазона. Все используемые компоненты
стабильно работают при температуре окружающей среды от – 35 до +80°C.
Принцип работы разрабатываемого устройства описывается следующим
образом. Подача питания производится на выводы Vcc и составляет +5V. После
подачи питания на лазерный модуль А1, и при контролировании работы лазера
при помощи драйвера DA7, прибор посылает лазерный луч до определенной
цели, называемой условно отражателем. Для получения необходимой единицы
31
частоты периодических процессов, используем линию из трех задержек DA4-DA.
Отраженный сигнал при помощи системы зеркал поступает на фотоприемник.
Принятый отраженный сигнал попадет либо на кремниевый PIN фотодиод VD1,
либо на арсенид-галлиевый PIN фотодиод с предварительным усилителем DA1.
Фотодиод VD1, в отличии от DA1 не имеет своего усилителя, поэтому для
получения необходимых параметров используем усилитель DA2.
Для выравнивания отраженного сигнала и для выведения в дальнейшем его
на индикатор, используется интегратор на базе усилителя DA10. Необходимой
длины и формы сигнал идет на микроконтроллер DD1 и выводится на
семисегментный четырехразрядный светодиодный индикатор HL1.
3.2 Разработка алгоритма работы устройства
На основании результатов выбора функциональной электрической схемы
устройства, и разработки его принципиальной электрической схемы, разработана
блок-схема алгоритмов функционирования устройства, представленная на
рисунке 3.11.
32
Рисунок 3.11 – блок-схема алгоритма работы устройства
33
При включении устройства происходит инициализация микроконтроллера
(блок 1). После инициализации микроконтроллера происходит установка
счетчика в исходное состояние (j=3) (блок 2), затем происходит переход к блоку
3.
В блоке 3 осуществляется запуск лазерного диода, после чего сразу
проводится проверка, произошел запуск или нет (блок 4). Если лазерный диод не
запускается, значение таймера увеличивается на 1, происходит возврат к блоку 3.
Если 3 раза не происходит запуск лазера, устройство неисправно. Если лазер
запустился, происходит переход к блоку 5.
В блоке 5 происходит одновременный запуск таймера и включение
фотодиода на прием отраженного от «зеркала» сигнала. Затем происходит
переход к блоку 6.
В блоке 6 осуществляется прием сигнала фотодиодом, после приема
сигнала фотодиодом, происходит переход к блоку 7.
В блоке 7 останавливается таймер, выключается лазер и фотодиод,
происходит переход к блоку 8.
В 8 блоке полученные данные обрабатываются микроконтроллером,
производятся калькуляционные операции, вычисляющие временной интервал
между включением лазера и получением обратного сигнала фотодиодом,
происходит расчет по формуле
 = ∗

2
,
(1)
где L – расстояние до объекта, c – скорость света в вакууме, n – показатель
преломления среды,
в
которой
распространяется
излучение, t
–
время
прохождения импульса до цели и обратно [18]. Затем происходит переход к
блоку 9.
В блоке 9 производится проверка, корректен ли результат, если результат
соответствует требованиям, а именно:
- не является отрицательным;
- обработан правильно;
34
- не противоречит здравому смыслу,
то происходит переход к блоку 10. В противном случае происходит возврат
к блоку 3.
В блоке 10 происходит вывод полученного результата на семисегментный
индикатор, после чего происходит переход к блоку 11.
В 11 блоке происходит задержка полученного результата на индикаторе на
10 секунд, затем переход к блоку 12.
В блоке 12 происходит переход устройства в «режим ожидания», в
котором отключаются все модули и ожидается новая команда от пользователя.
Также происходит переход к блоку 13.
В блоке 13 происходит ожидание 2 минут, в течение которых устройство
еще функционирует, ожидая новую команду (блок 14). Если команда поступила,
происходит переход к блоку 2. По истечении времени ожидания осуществляется
переход к блоку 15, в котором осуществляется отключение устройства. Для
возобновления работы необходимо будет снова его включить.
35
4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
4.1 Расчет потребляемой мощности
Оптимальное функционирование модуля связано с использованием одного
стабилизированного
источника
напряжения:
положительного
+5В.
Все
применяемые цифровые микросхемы, аналоговые (интегратор и операционный
усилитель, драйвер лазера) работают от источника питания плюс 5В.
Мощности, потребляемые от источников питания каждой микросхемой,
приведены в таблице 11. Мощности, потребляемые другими элементами схемы
из-за относительно малого их значения, не учитываются.
Таблица 11 – Мощности, потребляемые элементами.
Элемент
Потребляемы
й ток, мА
Потребляемая
мощность, мВт
Кол-во
HB10b-433EAGD
TMC-8D43-640
AD8015
SY88923V
LF356
DS1L5VJA00S-C
SY88922V
AD8065ARZ
OP490GPZ
ATmega 8
BLM21AG471SN1D
NLV25T-680J-PF
2N2222
50
26
25
40
10
100
30
30
60
28
200
70
600
100
1,4
20
17
13
20
250
400
600
40
30
15
625
1
1
1
1
1
3
1
1
1
1
7
1
1
Общая потребляемая
мощность, мВт
ИТОГО:
100
1.4
20
17
13
60
250
400
600
40
210
15
625
2355
В дипломном проекте необходимо определить достаточной ли мощности
источник питания, выбранный для нашего устройства. Для выдачи необходимой
мощности надо определить токи, потребляемые источниками.
Значения токов, потребляемых от каждого источника питания, приведены в
таблице 12.
36
Таблица 12 – Токи, потребляемые от каждого источника.
Источник напряжения, В
Потребляемый ток, мА
Потребляемая мощность, мВт
+5
1269
2355
Источник питания расположенный в системном блоке ЭВМ сможет
обеспечить энергией модуль без каких-либо существенных проблем для
работоспособности всей системы в целом.
4.2 Расчет конструктивных параметров изделия ЭВС
От
правильного
размещения
корпусов
ИС
на
печатной
плате
конструктивной иерархии первого уровня зависят их габаритные размеры, масса,
помехоустойчивость и т.д. Естественно, чем плотнее будут расположены корпуса
ИС на печатной плате, тем жестче будет тепловой режим, помехи при работе, и
наоборот, чем больше расстояние между корпусами ИС, тем не эффективней
используется объем и длина электрических связей, следовательно, возникают
помехи. Поэтому на установку ИС необходимо обращать серьезное внимание с
учѐтом назначения электрического средства и режимов его работы.
Печатная плата (ПП) является конструктивно законченным элементом и
служит
для
электрического
и
механического
соединения
различных
электрорадиоэлементов (ЭРЭ), интегральных микросхем (ИМС) и электрических
соединений (разъемы, розетки и т. п.), расположенных на ней.
Размещение
ИС
проводят
с
определенными
требованиями
по
помехоустойчивости и в соответствии с шагом установки. Выбор шага установки
ИС определяется из условий: назначения и эксплуатации ЭС. Вне зависимости
от типа ИС шаг установки применяется равным: 2,5мм, 1,25мм, 0,625мм.
Микросхемы на печатной плате располагаются линейно в ряды или в шахматном
порядке. Такое расположение ИС и ЭРЭ позволяет автоматизировать процесс
сборки и монтажа.
Установка ИС на печатные платы производится в соответствии с ГОСТ
29137-91 «Формовка выводов и установка изделий электронной техники на
37
печатные платы» [1].
Печатная плата содержит две зоны изображенные на рисунке 4.1: 1) зону
установки ИС и ЭРЭ; 2) технологическую зону, которая в свою очередь делится на
две части:
а) технологическая зона для установки (например: соединительного
разъема (Х1) и экстрактора (Х2)) б) технологическая зона для направляющих и
маркировки (У1,У2). Установка ИС и ЭРЭ на технологических зонах запрещена.
b
Y
2
X
X
1
2
a
Рисунок 4.1 – Эскиз печатной платы.
ИС располагаются по рядам (линейно) расстояние между ними по торцам
должно быть не менее 1,5 мм и по бокам не менее 1,2 мм. ИС располагаемые в зоне
установки должны маркироваться координатным способом, то есть зона установки
делится по координатам на области, где устанавливают ЭРЭ и ИС и они
обозначаются по Х и У, такое разбиение на зоны, как показано на рисунке 4.2,
позволяет быстро находить нужный ЭРЭ и ИС расположенные на печатной плате [1].
1
2
3
4
а
б
в
г
д
е
ж
з
и
Рисунок 4.2 – Координатные области печатной платы
к
38
Данные
о
геометрических
размерах
используемых
электро-радио
элементах (ЭРЭ) и интегральных микросхемах (ИС) приведены в таблице 13.
Таблица 13 – Характеристики используемых ЭРЭ и ИС
Наименование
Резисторы
Тип
SMD 0805 х
0,125Вт
X7R
Конденсаторы
Транзистор
Дроссели
Лазер
Микросхемы
NPO 15 пФ
NPO 100 пФ
22 мкФ
BC847A
B82498-B
150 нГ
NLV25T680J-PF
BLM21AG4
71SN1D
HB10b433EAGD
TMC-8D43640
AD8015
SY88923V
DS1L5VJA0
0S-C
SY88922V
AD8065ARZ
OP490GPZ
LF356
Обозначение элемента
Установочные
размеры элемента,
мм
Установочная
площадь одного элемента, мм2
Суммарная
установочная площадь, мм2
Длина
Ширина
2.1
1.3
2.73
95.55
2.0
1.25
2.5
50
2.0
2.0
7.3
3
1.25
1.25
4.3
2.55
2.5
2.5
31.39
7.65
2.5
2.5
31.39
22.95
L3, L4
2
1.25
2.5
5
L8
2.5
2.0
5
5
L1, L2, L5L9
2.0
1.25
2.5
15
A2
25.3
10.55
266.915
266.915
DA1
6
6
6
6
DA2
DA3
5
4.9
6.2
3
31
14.7
31
14.7
DA4-DA6
12.4
2.54
31.50
94.5
DA7
DA8
DA9
DA10
4.9
5
7.9
10.16
3
6.2
19.9
6.35
14.7
31
157.21
64.5
14.7
31
157.21
64.5
R1-R35
C1, C2-C9,
C12-C17,
C18-C20,
C22, C24
C11
C21
C23
VT1
Микроконтролле
р
Переключатель
Индикатор
Atmega8
DD1
34.5
7.11
245.3
245.3
590
HDSP-B47G
S1, S2
HL1
5
51.20
5
19.10
25
977.92
50
977.92
PIN-фотодиод
S5973
VD1
5.4
5.4
5.4
5.4
Суммарная установочная площадь ЭРЭ (Sуст. ЭРЭ): 2175.685
Суммарная установочная площадь ЭРЭ с учетом минимального
расстояния между ними (Sуст. ЭРЭ.+1,2): 2201,8
39
При конструировании ПП необходимо руководствоваться ГОСТ 10317-79
[2]. Наиболее предпочтительной конструкцией является прямоугольная форма
ПП. Предварительно геометрические размеры ПП определяются исходя из
количества ИС и ЭРЭ, размещаемых на плате, шага их установки и габаритных
размеров разрабатываемого блока. Шаг установки ИС на плате определяется
требуемой плотностью компоновки их, температурным режимом работы,
сложностью электрической схемы и габаритными размерами корпусов ИС.
Согласно ГОСТ 10317-79 размеры каждой стороны ПП должны быть
кратными: 2,5 мм — при длине до 100 мм; 6,0 мм — при длине до 350 мм; 10,0
мм — при длине более 350 мм. Соотношение линейных размеров стороны ПП
должно быть не более 4:1 [2].
Поле ПП можно разделить на два участка: основной – для монтажа ИС и
других ЭРЭ; вспомогательный – для монтажа электрических соединений,
конструктивных элементов и маркировки платы.
Рассчитаем суммарную площадь зоны установки ИС и ЭРЭ на печатную
плату:
∑ = ∑=1 уст.ЭРЭ+1,2 ·  ,
(2)
где уст.ЭРЭ+1,2 – установочная площадь i-го ЭРЭ, ИС, разъема и т.п. с
учетом
минимального
расстояния
между
ними;
KS –
коэффициент,
учитывающий шаг установки ЭРЭ и ИС на печатную плату, K S  1 3; n –
количество ЭРЭ и ИС, устанавливаемых на печатную плату. В связи с тем, что
ЭС будет работать в нормальных условиях, и при работе будет происходить
нагрев ЭРЭ и ИС, то для расчета суммарной площади установки ЭРЭ и ИС
примем коэффициент пропорциональности равный 1,5.
S   2201,8  1,5  3302,6( мм 2 ).
На подучастках а1 и а2 размещается маркировка и клеймо ПП. Размер этих
участков примем равным 5 мм.
Определим средний коэффициент заполнения ПП:
40
3 =
∑=1 
(3)
∑
где S yi – установочная площадь i-го ЭРЭ и ИС; S  – суммарная площадь,
занимаемая ИС и ЭРЭ, устанавливаемых на ПП.
3 =
2201,8
= 0,66
3302,6
В разделе было проведено размещение ЭРЭ и ИС на ПП, посчитан
коэффициент заполнения. Он получился равным 0,66. Этот результат можно
считать удовлетворительным. Однако, компоновка была произведена лишь с
учетом минимальных расстояний между ЭРЭ и ИС, а также с учетом условий
эксплуатации. В расчете не учитывались электромагнитная совместимость,
тепловой и электрический режимы.
4.3 Расчет надежности
Целью данного расчета является определение показателей надежности
изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов
и условиям эксплуатации.
Для расчета следует разработать некую логическую модель безотказной
работы системы, когда предполагается, что отказы элементов не зависимы, и что
работоспособность
и
неработоспособность
являются
двумя
состояниями
системы.
Определим
интенсивность
отказов
элементов
с
учетом
условий
эксплуатации системы. Для точного расчета надежности необходимо располагать
данными зависимости интенсивности отказов от всех взаимодействующих
модульных факторов, определяемых при работе элемента в конкретных условиях
и схемах изделий РЭС. Выражения для определения интенсивности отказов в
конкретных условиях для каждой группы элементов, приведены в таблице 14.
41
Таблица 14 – Формулы для расчетов интенсивностей отказов элементов.
Элемент
Формула
Микросхема
Диод
Конденсаторы
Резисторы
λэ = λ0 * а1 * а2 * а4 * а6 * а7
λэ = λ0 * а1 * а2 * а4 * а6
λэ = λ0 * кр * кэ * кс
λэ = λ0 * кр * кэ
Где λ0 – интенсивность отказов в номинальном режиме работы и при
нормальных условиях окружающей среды;
а1 - коэффициент, учитывающий условия работы;
а2 – коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды;
а4 – коэффициент, учитывающий соотношение отказов вида "короткое
замыкание" и "обрыв";
а5 – коэффициент, учитывающий конструкцию корпуса;
а6 – коэффициент, учитывающий степень интеграции;
а7 – коэффициент учитывающий снижение интенсивности отказов ИС,
после проведения дополнительных испытаний;
Кр – коэффициент, учитывающий температуру перегрева;
Кэ – коэффициент, учитывающий место использования аппаратуры;
Ккс – коэффициент, учитывающий количество сочленений / расчленений;
Ккк – коэффициент, учитывающий количество активных контактов.
Для микросхемы операционного усилителя OP490GPZ результат расчета
по формуле таблицы 3.4 будет выглядеть следующим образом:
λэ = 0,1 * 1 * 0,8 * 3,2 * 4 * 0,42 = 0,432 *10-5 (1/час).
Таким образом, рассчитываем интенсивность отказа устройства, значение
элементов которого приведены в таблице 15.
Таблица 15 – Данные по расчету надежности.
Элемент
HB10b-433EAGD
TMC-8D43-640
AD8015
Кол-во
1
1
1
λi * 10-5 1/час
∑ λi * 10-5 1/час
0,6
0,2
0,5
0,6
0,2
0,5
42
Продолжение табл.15
SY88923V
LF356
DS1L5VJA00S-C
SY88922V
AD8065ARZ
OP490GPZ
ATmega 8
BLM21AG471SN1D
NLV25T-680J-PF
2N2222
Резистор SMD 0805 х 0,125Вт
Конденсатор X7R
Конденсатор NPO 15 пФ
Конденсатор NPO 100 пФ
Конденсатор 22 мкФ
Транзистор BC847A
PIN-фотодиод S5973
Разъемный контакт
Перемычка
Печатная плата
Пайка
1
1
3
1
1
1
1
7
1
1
37
20
1
1
1
1
1
1
2
1
300
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,25
0,25
0,5
0,5
1,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1,75
0,25
0,05
0,01
0,02
0,02
0,02
0,02
0,5
0,02
0,05
0,05
0,5
0,002
0,05
0,37
0,4
0,02
0,02
0,02
0,5
0,02
0,05
0,1
0,5
0,6
Интенсивность отказов системы равна сумме интенсивностей отказов i-ой
группы элементов:
λ = ∑ λ ,
(4)
где λ – интенсивность отказов i-ой группы элементов, 1/час;
n – количество групп элементов.
Таким
образом,
учитывая
данные
таблицы
15
получим
общую
интенсивность отказа устройства.
λс = 10,5 * 10-5 (1/час).
Определим время наработки на отказ:
=1 λ .

(5)
Подставим значение в формулу (5), получим:
 = 1 10,5 · 10−5 = 9523,8 (час).
Как видно из полученного значения среднее время наработки модуля на
отказ соответствует требованию технического задания.
43
Определим вероятность безотказной работы модуля через t = 10000 часов
по формуле:
  =  λe·t .
(6)
Подставив данные в формулу (6) получим: Р(10000) = 0,53.
4.4 Расчет минимального диаметра металлизированного отверстия
Минимальный диаметр металлизированного отверстия определяется по
формуле: 
 ≥  · ,
(7)
где Н – толщина печатной платы, мм,  – отношение диаметра
металлизированного отверстия к толщине платы.
 = 2 · 0,3 = 0,6 мм.
Номинальное значение диаметров монтажных отверстий:
 = э + Д + 0,1 … 0,4 ,
(8)
где dэ – диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ.
4.5 Расчет ширины проводников
Минимальную ширину проводников определяют из условия достаточного
сцепления (без отслаивания) проводника с диэлектриком
она зависит от
адгезионных свойств материала основания и гальваностойкости фольги.
Для МПП минимальную ширину проводников определяют по формуле:
′

= ′ 1  + 1,5ℎФ
(9)
′
где 
- минимальная эффективная ширина проводника; ′ 1  для
третьего класса точности примем равным 0,25 мм.
′

= 0,25 + 1,5 · 0,035 = 0,3025 мм .
44
4.6 Расчет погрешности
Одним из обязательных условий работы измерительных приборов является
понятие "точность". Термин "точность" представляет собой качественную
характеристику
многоканального
устройства
устройства
измерения.
ввода в
Количественно
ЭВМ
оценивается
точность
погрешностью.
Последняя относится к его числу важнейших технических характеристик и
выявляется
при
проверочных
испытаниях.
Относительную
погрешность
нормируют по формуле (ГОСТ 8.401 - 80) [3]:
δ= ±  + 
где
ном

−1 ,
(10)
δ – относительная погрешность в заданной в точке поддиапазона, %;
c и d – постоянные числа, %;
Uном – номинальное напряжение на заданном поддиапазоне;
U – измеряемое напряжение в данной точке поддиапозона.
Числа c и d могут выбираться из стандартного ряда (10; 6; 5; 4; 3; 2.5; 2;
1.5)*10-m, где m – целое положительное число.
Подставим в уравнение (10) числовые значения, получим:
δ = ± 1,5 + 1,5
200
100
−1
· 1014 ,
(11)
δ = ±0,0003%.
Полученная относительная погрешность соответствует допустимому
значению.
45
5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
5.1 Анализ потенциально опасных факторов при эксплуатации устройства
Разрабатываемое устройство относится к изделиям измерительной техники
с помощью лазерного луча. Эксплуатирующий технику персонал может
подвергаться опасным и вредным воздействиям, которые по природе действия
согласно
правилам
техники
безопасности
подразделяются
на
группы:
механические повреждения, лазерное излучение, опасность взрыва и пожара,
химические воздействия, ожоги, повышенный уровень шума и вибрации.
Так как устройство относится к изделиям с питанием при помощи
бортовой сети или литиевых аккумуляторов, то в зависимости от способа защиты
обслуживающего персонала от поражения электрическим током согласно ГОСТ
12.1.019-2009 относится к классу 2 [4].
Лазеры и лазерные системы 1 класса очень малой мощности, не способные
создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения. Излучение
систем класса 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном
прямом наблюдении глазом.
К лазерам 2 класса относят лазеры, выходное излучение которых
представляет
опасность
при
облучении
кожи
или
глаз
человека
коллимированным пучком. В то же время диффузно отраженное излучение
лазеров этого класса безопасно как для кожи, так и для глаз [4].
Для
снятия
показаний
фотоприемником
отраженного
луча
при
сканировании расстояния в приборе установлена оптическая схема, состоящая из
зеркала. К точности установки данного элемента предъявляются высокие
требования, любое смещение в результате падения может привести к искажению
диагностической информации.
Для подачи луча используется источник лазерного излучения ближнего
инфракрасного диапазона – оптический модуль с длинной волны 523 нм
мощностью до 100 мВт.
Требования к конструкции и техническим характеристикам, правила
46
безопасной работы и способы защиты от лазерного излучения на территории
Российской Федерации регламентируются СанПиН 5804-91 «Санитарные нормы
и правила устройства и эксплуатации лазеров» [14] и ГОСТ 31581-2012
«Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и
эксплуатации лазерных изделий» [5].
Согласно ГОСТ 12.1.040-83 по степени опасности генерируемого
излучения лазеры подразделяются на 4 класса. Лазерное излучение с длиной
волны от 380 до 1400 нм наибольшую опасность представляет для сетчатой
оболочки глаза. Опасные и вредные производственные факторы, возникающие
при эксплуатации лазеров, представлены в таблице 16 [6].
Таблица 16 – Опасные и вредные производственные факторы, которые
могут иметь место при эксплуатации лазеров I-IV-го классов
Опасные и вредные производственные факторы
1
I
2
Классы лазера
II
III
IV
3
4
5
–
–
+
–
Лазерное излучение:
прямое, зеркально отраженное диффузно отраженное
+
+
+
+
Повышенная напряженность электрического поля
– (+)
+
+
+
Повышенная запыленность и загазованность
–
–
– (+)
+
воздуха рабочей зоны
Повышенный уровень ультрафиолетовой радиации
–
–
– (+)
+
Повышенная яркость света
–
–
– (+)
+
Повышенный уровень ионизирующих излучений
–
–
–
+
Повышенный уровень электромагнитных
–
–
–
– (+)
излучений ВЧ- и СВЧ диапазонов
Повышенный уровень инфракрасной радиации
–
–
– (+)
+
Химические опасные и вредные производственные
При работе с токсичными
факторы
веществами
Примечание: + имеют место всегда; – отсутствуют; – (+) наличие зависит от конкретных
технических характеристик лазера и условий его эксплуатации.
Предельно
допустимые
уровни
(ПДУ)
лазерного
излучения
устанавливаются для двух условий облучения – однократного и хронического
для трех диапазонов длин волн:180 < λ ≤ 380 нм; 380 < λ ≤ 1400 нм; 1400 < λ ≤
10(5)
нм.
Нормируемыми
параметрами
лазерного
излучения
являются
47
энергетическая
экспозиция
ограничивающей
апертуре.
H
и
Наряду
облученность
с
E,
энергетической
усредненные
по
экспозицией
и
облученностью нормируемыми параметрами являются также энергия W и
мощность P излучения, прошедшего через указанные ограничивающие апертуры.
Дозиметрический контроль необходимо осуществлять в соответствии с
ГОСТ Р 12.1.031-2010 «Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Лазеры.
Методы дозиметрического контроля лазерного излучения» [7] и ГОСТ 315812012 «Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и
эксплуатации лазерных изделий» [5].
Управление работой прибора, а также передача данных, полученных в
процессе исследования в проектируемом устройстве, осуществляются через
интегратор на микроконтроллер и далее на индикатор.
5.2 Анализ потенциально опасных факторов при производстве устройства
В технической части рассмотрим схему сборочного цеха. Сборочный цех
находится на 3 этаже трех этажного здания. Размеры помещения 22х15 метров,
высота 4,2 метра.
Используемые материалы и сырье: заготовки ПП, припой, изопропиловый
спирт, ПЭВМ, измеритель Л-2-56, микроскоп МБС-9.
Средства индивидуальной защиты: халат, берет, перчатки, нарукавники.
Фактическое состояние условий труда на рабочих местах и его количественная
оценка, приведены в таблице 17.
Таблица 17 – Анализ факторов производства.
Параметры
Температура воздуха, °С
Холодный, тѐплый
Относительная влажность
воздуха %
Продолжение
табл.17
Холодный,
тѐплый
Скорость движения
Допустимые
параметры
20-25;
21-28
Существующие
параметры
Примечание
22-24
Соответствует
норме
не более 75;
55 при 28 °С
не более 75;
55 при 28 °С
Соответствует
норме
не более 0.1;
0,1;
Соответствует
48
воздуха, м/с
Холодныѐ воздух; тѐплый
воздух
0,1-0,2
норме
0,1
Искусственное освещение
(Лк)
250
190
Удельное образование
аэрозоля свинца
0,01мг/м
0,02...0,04мг/100
паек
Образование паров олова
10мг/м
11...16мг/100 пае
к
300/100
40
150/50
10
19-26; 20-29
21-25; 22-26
80
52
15
12
1,2
1,2
Бензин (растворитель,
топливный), мг/мЗ
Диметилбензол.(ксилол).
мг/мЗ
Температура
поверхностей , °С
Холодный; тѐплый
Эквивалентный уровень
звука, дБА
Коэффициент
пульсации. %
КЕО, %
Не
соответствует
норме
Не
соответствует
норме
Не
соответствует
норме
Соответствует
норме
Соответствует
норме
Соответствует
норме
Соответствует
норме
Соответствует
норме
Соответствует
норме
Вывод: Для обеспечения БЖД работников в помещении следует
поддерживать требуемое качество воздуха, т.е. оптимальные параметры
микроклимата, постоянство газового состава и отсутствие вредных примесей в
воздухе. Для этого необходимо подавать в эти помещения определенное
количество
чистого
наружного
воздуха,
потребность
в
котором
регламентируется СНиП 41-01-2003 [15]. Для поддержания определенных
параметров
микроклимата
кондиционирование,
которое
используется
является
отопление,
важнейшей
частью
вентиляция,
инженерного
сооружения.
Исходя из данных, сведенных в таблицу 17, приведены основные
допустимые и существующие в рассматриваемом помещении параметры,
которые
оказывают
прямое
или
косвенное
влияние
на
здоровье
и
49
работоспособность человека. Не соответствие требованиям санитарных правил и
норм установлено в производственном освещении и предельной допустимой
концентрации свинца и олова в воздухе помещения. Необходимо провести
работы по устранению данных несоответствий: обеспечить достаточную
освещенность и установить вентиляционный вытяжной шкаф.
5.3 Мероприятия по обеспечению безопасности жизнедеятельности
5.3.1 Определение предельно допустимого уровня мощности лазерного
излучения
Для сканирования дальности был выбран
оптический модуль HB10b-
433EAGD. Данные лазерные диодные модули являются высокостабильными
источниками коллимированного оптического излучения с длиной волны 523 нм
мощностью до 100 мВт, предназначенные для работы в широком температурном
диапазоне.
При эксплуатации лазерных изделий уровень воздействия излучения и
других
неблагоприятных
установленных
факторов
действующими
не
должен
санитарными
превышать
правилами
значений,
и
другими
нормативными документами [14]. Произведем расчет предельного уровня
мощности Pпду при однократно поданном сигнале.
Pпду в спектральном диапазоне 500 < λ ≤ 600 нм (длительность облучения
1,0 < t ≤ 2,2· 103 с, ограничивающая апертура dпду = 7· 10–3 м) определяется по
формуле (12):
пду =
1,2·10 −4
3

.
(12)
Зададимся длительностью облучения 10 с (наиболее вероятное время
пребывания человека в состоянии полной недвижимости) и найдем Pпду:
пду =
1,2·10 −4
3
10
≈ 0,56 · 10−4 (Вт).
50
Диаметр излучателя используемого в приборе равен 4,8·10-3 м. Используя
соотношение (13) произведем перерасчет предельно допустимого уровня
 для апертуры диаметром d =4,8·10-3 м.
мощности Pпду
′
пду
=
′
пду
=
пду ·
 пду
.
0,56·10 −4 ·4,8·10 −3
7·10 −3
(13)
≈ 3,84 · 10−5 (Вт).
Согласно оптической схеме разрабатываемого устройства, представленной
на рисунке, измерение расстояния осуществляется источником когерентного
монохроматичного излучения мощностью до 5 мВт с диаметром зондирующего
пучка 4,8 мм.
Поскольку
′
 > пду
 = 3 · 10−3 ,
необходимо
определить
класс
опасности лазера.
5.3.2 Определение класса лазера
Для того, чтобы определить класс лазера, необходимо сопоставить
фактические
энергетические
нормируемыми
воздействия.
предельно
Согласно
параметры
допустимыми
санитарным
генерируемого
значениями
нормам
и
для
правилам
излучения
с
однократного
устройства
и
эксплуатации лазеров при непрерывном режиме генерации излучения для лазера
2 класса должно выполняться соотношение (14):
пад  ≤ 8 · 102 · пду  ,
где
пад 
– мощность зондирующего излучения; пду 
(14)
– предельно
допустимый уровень излучения.
Так как 3·10-3 ≤ 4,48·10-2 данный лазер соответствует II классу опасности.
51
Для лазеров данного класса опасности наиболее неблагоприятными факторами
является прямое и зеркально отраженное излучение.
С учетом рабочей длины волны излучения и оптической плотности
светофильтра необходимо предусмотреть средства индивидуальной защиты,
которые должны соответствовать ГОСТ 12.4.001-80 «ССБТ. Очки защитные.
Термины и определения» [8] и маркироваться в соответствии с ГОСТ 12.4.115-82
«ССБТ. Средства индивидуальной защиты работающих. Общие требования к
маркировке» [9].
Согласно [6] на корпусе разрабатываемого изделия должен быть
расположен предупреждающий знак и пояснительный знак с надписью в
соответствии с п.5.1.1 ГОСТ 12.4026-2015 [14].
5.3.3 Организация искусственного и естественного освещения
Рассмотрим организацию естественного освещения в сборочном цехе и
искусственного при недостаточности естественного. В качестве источников
света для общего искусственного освещения предлагается использовать
светодиодные лампы T8 120-2, т.к. в светодиодных лампах отсутствует мерцание
и их срок службы больше. В светодиодных лампах, источников света является
светодиод и в отличие от лампы накаливания или люминесцентных ламп,
электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение. Будем
использовать общее освещение.
Рассчитаем общее искусственное освещение методом светового потока
[47]. Определим характеристику зрительной работы. При монтаже печатной
платы наименьший размер имеют выводы микросхем 0,2 мм. При использовании
линзы с двукратным увеличением видимый размер составит 0,4 мм, что
соответствует зрительной работе высокой точности и III разряду зрительной
работы [17]. Участки платы вне контактных площадок покрыты зеленой маской,
а выводы имеют белый металлический цвет, поэтому контраст объекта с фоном
можно считать средним, тогда подразряд работы –
г. При этом получаем
52
коэффициент естественного освещения к.е.о. = 1,2 и освещенность ЕН = 200 лк
при общем освещении.
Пусть длина и ширина помещения А=22 м, В=15 м, высота потолка 4,2 м,
высота рабочей поверхности hР=0,8 м, а светодиодные лампы будут подвешены
на расстоянии 0,5 м от потолка, тогда высота подвеса HР=4,2-0,8-0,5=2,9 м.
Определим расстояние между светодиодными лампами:
 =  ·  = 2,9м · 1 = 2,9м.
(15)
где X – отношение расстояния между светодиодными лампами к высоте
подвеса, Hp – высота подвеса (для сборочного цеха без выделения дыма и копоти
X=1).
Определим количество светодиодных ламп в одном ряду
св =
пом
2
= 330
2,92
≈ 40шт,
(16)
где Sпом=A∙B=330 м2 – площадь помещения.
Определим количество рядов светодиодных ламп в помещении m:
 =   = 15м 2,9м = 5,1 ≈ 5шт.

(17)
Световой поток одной светодиодной лампы:
Ф= 100 ·  ·  · 3 ·   ∙  .
где
(18)
ЕН – нормированная минимальная освещенность, (выбирается по
СНиП 23-05-2010) [16];
S – площадь освещаемого помещения, (S = 330 м2);
Z
–
коэффициент
минимальной
освещенности,
равный
53
отношению
ср
мин , значение которого для светодиодных ламп равно 1,15;
3 – коэффициент запаса, определяемый по таблице 1 из [16], равен 1,5;
 = св ·  – число светодиодных ламп в помещении – 200 шт.;
η – коэффициент использования светового потока ламп, зависящий от КПД
и кривой распределения силы света лампы, коэффициента отражения потолка п
и стен с , высоты подвеса ламп и показателя помещения i.
Найдем показатель помещения:
 =
·
 (+)
=
22·15
2,9·(22+15)
= 3.
(19)
Для освещения сборочного цеха применяют светодиодные лампы LED-T8120. По таблице для коэффициента отражения потолка п =70 % и стен с =50 %
(так как выбрана оптимальная высота подвеса), находим коэффициент
использования данных ламп η=45, тогда световой поток одной светодиодной
лампы составит:
Ф = 100 · 200 · 330 · 1,15 ·
1,5
200·45
лм = 1265 лм.
Так как в светильнике Nл=2 светодиодные лампы, то световой поток лампы
Ф∙2=2530 лм. Светодиодные лампы LED-T8-120 мощностью Wл=20 Вт, их
световой поток составляет до 1800 лм.
Суммарная мощность установленных ламп составит
общ = л · л ·  = 20 · 2 · 200 = 8000 Вт.
(20)
Определим общую площадь остекления для заданного помещения
согласно СНиП 23-05-2010:
Sоб =
1,2∙330∙1,5∙1∙9,5
100∙0,4∙4
= 35,
(21)
54
где
S=A∙B=330 м2 – площадь помещения,
kзап=1,5– коэффициент запаса,
kздан (примем kздан=1) – коэффициент, учитывающий затемнение окон
противостоящими зданиями,
nост – световая характеристика окон, nост= 9,5,
τ0 – общий коэффициент светопропускания, принимают τ0=0,4;
r1 – коэффициент, учитывающий повышение к.е.о. при боковом освещении
благодаря отраженному свету, r1=4 для цехов.
Тогда площадь остекления
Sоб =
1,2·330·1,5·9,5
100·0,4·4
= 35 (м2),
(22)
При данной требуемой площади остекления, одного стандартного
пластикового окна ГОСТ 23166-99 [10] площадью S = 1,76 м ∙ 2,36 м = 4,2 м2
будет не достаточно. Поэтому установим 8 окон.
5.4 Мероприятия по охране окружающей среды
При работе предприятий радиоэлектронной промышленности атмосфера
загрязняется различными вредными примесями. Чистый воздух должен иметь
определенный химический состав: азот – 87,8 %, кислород 20-21%, аргон и
другие газы 0,93 %, углекислый газ 0,03 %. Процесс производства системы
связан с множеством химических, гальванических, механических операций с
использованием веществ, которые приводят к загрязнению окружающей среды.
Поэтому при проектировании техпроцессов большое внимание уделяется
вопросам, связанным с уменьшением влияния производства на окружающую
среду. На всех участках цеха по производству данной системы установлена
местная вытяжная вентиляция непосредственно от места выделения газов, паров,
пыли. Для очистки воздуха, выбрасываемого в атмосферу системой вентиляции,
применяются специальные фильтры. Фильтр предназначен для очистки от паров
свинца, фильтры типа ФВГТ - для очистки от паров токсичных веществ
(например серной кислоты). Фильтры устанавливаются в воздуховодах. На
55
рабочих местах лаборатория ведет контроль за ПДК вредных веществ в воздухе
рабочей зоны. Очистка жидких отходов производства ведется путем регенерации
растворов, в результате которой отработанные растворы очищаются от вредных
примесей (например, растворы для гальванического и химического омеднения.
Для этого применяются специальные установки регенерации, которые также
позволяют извлекать из растворов ценные компоненты (медь после операции
травления). Для очистки воздуха от стеклотекстолитовой пыли (и др.)
используются установки "Циклон", в которых улавливание пыли основано на
использовании центробежной силы. Контроль выбросов и стоков осуществляется
санитарной лабораторией предприятия на промышленной и санитарной зоне.
Изменения концентрации выбросов вредных веществ в атмосферу проводятся
при помощи индикаторных трубок по ГОСТ 12.1.014-84 [11]. В атмосферном
воздухе
содержатся
отрицательные
и
положительные
ионы,
по
своей
подвижности разделяющиеся на легкие и тяжелые. Тяжелые ионы образуются в
результате оседания легких ионов на различные материальные частички:
пылинки, капли тумана и т.д. В чистом воздухе преимущественно находятся
легкие ионы, а в загрязненном - тяжелые. Классификация выбросов в атмосферу
по составу регламентируется ГОСТ Р 56167-2014 [12]. В атмосферном воздухе
установлены по ГОСТ 17.2.3.02-2014 [13] предельно допустимые концентрации
вредных веществ (максимально разовые и среднесуточные).
Таким образом, при использовании устройства необходимо соблюдать
меры предосторожности, использовать защитные очки, дабы минимизировать
вредное воздействие от возможного попадания лазерного излучения на сетчатку
глаза. При возможном конструировании устройства необходимо соблюсти
условия труда и озаботиться строгим исполнением норм и требований
государственных стандартов.
56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в данной работе была раскрыта и проработана тема
бесконтактного (лазерного) измерения расстояний. В ходе работы были
выполнены основные задачи, выдвигаемые на ВКР:
–
произведен сравнительный анализ существующих решений;
–
изучены
современные
устройства
бесконтактного
измерения
расстояний;
–
составлена структурная схема устройства;
–
разработаны
принципиальные
схемы
подключения
модулей
устройства;
–
разработан алгоритм работы устройства;
–
разработаны
мероприятия
по
охране
жизнедеятельности
и
окружающей среды в процессе изготовления и использования устройства.
Помимо этого изделие сконструировано так, чтобы решить 2 наиболее
актуальные проблемы, связанные с современными устройствами лазерного
измерения расстояний:
–
использование не всегда четко различимого и не очень контрастного
лазера красного цвета заменено на зеленый цвет;
–
появилась
возможность
использования
устройства
при
отрицательных температурах.
Разработанное устройство лазерного измерения расстояний удовлетворяет
требованиям к устройствам бесконтактного измерения расстояний: оно строго
выполняет свою функцию, сохраняет свою работоспособность в различных
климатических условиях, практически независимо от воздействия окружающих
факторов, надежно, имеет низкое энергопотребление, простоту эксплуатации.
Кроме того, использование нетипичного для подобных устройств лазера
зеленого цвета открывает ряд преимуществ перед аналогичными устройствами с
красным лазером. Оттенки зеленого цвета лучше воспринимаются глазом
человека и посему он является более контрастным в светлое время суток, с точки
57
зрения восприятия, чем красный цвет, за счет чего обеспечивается лучшая
видимость светового пятна на «зеркале», позволяя точнее направить луч и
измерить расстояние до объекта.
В дальнейшем допускаю, что устройство будет дорабатываться и
усовершенствоваться с целью устранения недочетов в проектировании и
повышения универсальности.
58
Список использованных источников
1.
ГОСТ 29137-91 Формовка выводов и установка изделий электронной
техники на печатные платы от 01.01.1993
2.
ГОСТ 10317-79 Платы печатные. Основные размеры (с Изменениями
N 1, 2) от 26.04.1979 (ред. от 01.07.1985)
3.
ГОСТ 8.401-80 Государственная система обеспечения единства
измерений (ГСИ). Классы точности средств измерений. Общие требования от
12.11.1998 (ред. от 01.10.2010)
4.
ГОСТ Р 12.1.019-2009 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты
от 01.12.2009 (ред. от 01.01.2011)
5.
ГОСТ 31581-2012 Лазерная безопасность. Общие требования
безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий от 01.01.2015
6.
ГОСТ 12.1.040-83 Система стандартов безопасности труда. Лазерная
безопасность. Общие положения от 01.01.1984 (ред. от 01.11.1998)
7.
ГОСТ Р 12.1.031-2010 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения от
21.12.2010
8.
ГОСТ 12.4.001-80 Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Очки защитные. Термины и определения от 13.08.1980 (ред. от 01.08.2001)
9.
ГОСТ 12.4.115-82 Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Средства индивидуальной защиты работающих. Общие требования к маркировке
(с Изменениями N 1, 2) от 28.06.1982 (ред. от 01.11.2003)
10.
ГОСТ 23166-99 Блоки оконные. Общие технические условия (с
Изменением N 1, с Поправкой) от 02.12.1999 (ред. от 17.03.2016)
11.
ГОСТ 12.1.014-84 Система стандартов безопасности труда. Воздух
рабочей зоны. Метод измерения концентраций вредных веществ индикаторными
трубками от 01.01.1986 (ред. от 11.01.2018)
59
12.
ГОСТ Р 56167-2014 Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.
Метод расчета ущерба от промышленного предприятия объектам окружающей
среды от 14.10.2014
13.
ГОСТ 17.2.3.02-2014 Правила установления допустимых выбросов
загрязняющих веществ промышленными предприятиями от 20.03.2014
14.
ГОСТ
12.4.026-2015.
Межгосударственный
стандарт.
Система
стандартов безопасности труда. Цвета сигнальные, знаки безопасности и
разметка сигнальная. Назначение и правила применения. Общие технические
требования и характеристики. Методы испытаний от 10.06.2016 N 614
15.
СанПиН 5804-91 «Санитарные нормы и правила устройства и
эксплуатации лазеров» от 31.07.1991
16.
СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование от
01.01.2004
17.
СНиП 23-05-2010 Естественное и искусственное освещение от 23-05-
18.
Тютякин, А.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы.
2010
Конспект лекций/А.В. Тютякин – Орѐл: ОГУ, 2016
19.
доступа:
Лазерный дальномер [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим
https://ru.wikipedia.org/wiki/лазерный_дальномер
(дата
обращения
11.06.2018)
20.
доп.)
-
Применение лазеров в военном деле [Электронный ресурс]: (с изм. и
Режим
доступа:
http://zodorov.ru/lazer-eto-generator-kogerentnogo-
sveta.html?page=16 (дата обращения 11.06.2018)
21.
и
доп.)
Применение лазеров в науке и технике [Электронный ресурс]: (с изм.
-
Режим
доступа:
https://sites.google.com/site/cudesalazera/oblasti-
primenenia-lazerov-v-nauke-i-tehnike (дата обращения 12.06.2018)
60
22.
Импульсный лазерный дальномер [Электронный ресурс]: (с изм. и
доп.) - Режим доступа: http://www.laser-portal.ru/content_298
(дата обращения
12.06.2018)
23.
Фазовый лазерный дальномер [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) -
Режим доступа: https://habr.com/post/213749/ (дата обращения 12.06.2018)
24.
Лазерный дальномер «LRF1000» [Электронный ресурс]: (с изм. и
доп.) - Режим доступа: http://www.tehno.com/product.phtml?uid=B00120042538
(дата обращения 13.06.2018)
25.
ресурс]:
Лазерный дальномер «Leupold RX-1000i TBR» [Электронный
(с
изм.
и
доп.)
-
Режим
доступа:
https://quarta-
hunt.ru/catalog/item/dalnomer_leupold_rx_1000i_tbr_s_dna_mossy_oak_break_up_inf
inity/ (дата обращения 13.06.2018)
26.
Лазерный
бинокль-дальномер
LRF
STEINER
NIGHTHUNTER[Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим доступа:
https://quartahunt.ru/catalog/item/binokl_dalnomer_lrf_steiner_nighthunter_8x30_25_1700_m_795
gr/ (дата обращения 13.06.2018)
27.
доступа
Импульсные лазеры [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим
http://sphotonics.ru/catalog/impulsnye-lazery/?utm_source=google&utm_
medium=cpc&utm_campaign=Poisk&utm_content=276211236671&utm_term
(дата
обращения 11.06.2018)
28.
Модуль дальномерный лазерный «Зенит-ЛД» [Электронный ресурс]:
(с изм. и доп.) - Режим доступа: http://lemt.by/modul-dalnomernyiy-lazernyiy-zenitld/ (дата обращения 13.06.2018)
29.
Усилитель [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим доступа:
https://technical_translator_dictionary.academic.ru/254345/
16.06.2018)
(дата
обращения
61
30.
Драйвер лазерного диода [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) -
Режим доступа: http://lasers.org.ru/2011/12/05/what-is-laser-diode-driver-and-whydo-we-need-it/ (дата обращения 16.06.2018)
31.
Стабилизатор [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/стабилизатор_напряжения
(дата
обращения
16.06.2018)
32.
Интегратор и дифференциатор [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.)
- Режим доступа: http://kipiavp.ru/pribori/integrator-differenciator.html
(дата
обращения 16.06.2018)
33.
Интегратор [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим доступа:
http://de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?index=11&layer=1&tutindex=36
(дата
обращения 16.06.2018)
34.
Лазерные модули серии
HB10b-433EAGD фирмы «Huey Jann
Electronics» [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим доступа:
https://www.compel.ru/producer/huey-jann-electronics (дата обращения 18.06.2018)
35.
Документация на HB10b-433EAGD [Электронный ресурс]: (с изм. и
доп.)
Режим
-
доступаhttps://www.compel.ru/item-
pdf/dc935d3eb9782ab1590597418b5262c8/pn/hj~hb10b-433eagd.pdf
(дата
обращения 18.06.2018)
36.
ресурс]:
Datasheet на LASER DIODE DRIVER SY88922V [Электронный
(с
изм.
и
доп.)
-
Режим
доступа:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/sy88922v.pdf (дата обращения
18.06.2018)
37.
Характеристики чип-резисторов 0805 [Электронный ресурс]: (с изм.
и доп.) - Режим доступа: http://www.micronika.ru/docs/resistor/smd-0805.shtml
(дата обращения 18.06.2018)
62
Характеристики линии задержки DS1L5VJA00S-C [Электронный
38.
ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим доступа: https://www.digikey.com/product(дата
detail/en/susumu/DS1L5VJA00S-C/408-1122-ND/966403
обращения
18.06.2018)
AD8015 Datasheet and Product info [Электронный ресурс]: (с изм. и
39.
доп.) - Режим доступа: http://www.analog.com/en/products/amplifiers/specialty(дата
amplifiers/optical-transimpedance-amplifiers/ad8015.html
обращения
19.06.2018)
TMC-8D43-640 Datasheet [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) -
40.
Режим доступа: http://www.neotron.co.jp/product/S2/0207/TMC-8D43-640[1].pdf
(дата обращения 19.06.2018)
Операционный усилитель OP490GPZ [Электронный ресурс]: (с изм. и
41.
доп.)
Режим
-
доступа:
https://ru.mouser.com/ProductDetail/Analog-
Devices/OP490GPZ?qs=WIvQP4zGanh6DGL7%252bQ8XYA%3D%3D
(дата
обращения 19.06.2018)
Texas Instruments LFx5x Datasheet [Электронный ресурс]: (с изм. и
42.
доп.) - Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf356.pdf (дата обращения
19.06.2018)
Семейство восьмибитных микроконтроллеров фирмы Atmel AVR
43.
[Электронный
ресурс]:
(с
изм.
и
доп.)
-
Режим
доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/AVR (дата обращения 13.06.2018)
Справочная таблица по ATmega [Электронный ресурс]: (с изм. и
44.
доп.) -
Режим доступа:
http://avr.ru/docs/d-sheet/atmega (дата обращения
13.06.2018)
45.
Техническое описание ATmega8 Datasheet Complete [Электронный
ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим доступа: http://www.atmel.com/images/Atmel-
63
8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega8-8PA-8A-8PA-datasheet_Complete.pdf
(дата обращения 13.06.2018)
46.
Семисегментный
[Электронный
ресурс]:
четырехразрядный
(с
изм.
и
доп.)
индикатор
-
Режим
HDSP-B47G
доступа:
https://ru.mouser.com/ProductDetail/Broadcom-Avago/HDSPB47G?qs=pQfy5%252bKCabKXVtjwmOMFxg%3D%3D
(дата
обращения
19.06.2018)
47.
Расчитываем освещение по методу коэффициента использования
светового потока [Электронный ресурс]: (с изм. и доп.) - Режим доступа:
https://1posvetu.ru/montazh-i-nastrojka/raschet-osveshheniya-po-metodu-kisp.html
(дата обращения 22.06.2018)
64
Перечень сокращений и условных обозначений
ЭРЭ – Электрорадиоэлемент;
ИМС - Интегральная микросхема;
ТКЕ – Температурный коэффициент емкости;
ПП – Печатная плата;
ПЭВМ – Персональная электронно-вычислительная машина;
БЖД – Безопасность жизнедеятельности.
Орловский государственный
университет имени ИХ. Тургенева
АНТИПЛАГИАТ
ТВОРИТЕ СОБСТВЕННЫМ УМОМ
СПРАВКА
о результатах проверки текстового документа
на наличие заимствований
Проверка выполнена в системе
Антиплагиат.ВУЗ
Автор работы
Анцифоров Иван Андреевич
Факультет, кафедра,
номер группы
ИПАИТ, ЭРиСС, 62-КЭм
Тип работы
Выпускная квалификационная работа
Название работы
ВКР_Анцифоров_2018_антиплагиат
Название файла
ВКР_Анцифоров_2018_антиплагиат.с1осх
Процент заимствования
27,91%
Процент цитирования
0,91%
Процент оригинальности
71,18%
Дата проверки
11:27:01 28 июня 2018г.
Модули поиска
Кольцо вузов; Модуль поиска "ФГБОУ ВО ОГУ им. И.С.Тургенева"; Модуль поиска
общеупотребительных выражений; Модуль поиска перефразирований Интернет;
Модуль поиска перефразирований eLIBRARY.RU; Модуль поиска Интернет;
Коллекция eLIBRARY.RU; Цитирование; Коллекция РГБ; Сводная коллекция ЭБС
Работу проверил
Плащенков Дмитрий Алексеевич
ФИО проверяющего
Дата подписи
Чтобы убедиться
в подлинности справки,
используйте QR-код, который
содержит ссылку на отчет.
Zi . о
6 . 2 «э / 2
Ответ на вопрос, является ли обнаруженное заимствование
корректным, система оставляет на усмотрение проверяющего.
Предоставленная информация не подлежит использованию
в коммерческих целях.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа