курсовой проект / 4 Сторожевое устройство с телефонным вызовом / Устройство охраны сигнализацией по телефонной линии
.DOC
ВВЕДЕНИЕ
Задача курсового проекта – освоение принципов работы с технической документацией, овладение методикой расчета и конструирования изделий ЭРА, получение необходимого минимума знаний при проектировании теле- и радиоэлектронных устройств. А также при разработке темы, закрепить на практике знания, полученные из курса «Конструктивно-технологические особенности проектирования», устанавливая взаимосвязь и основываясь на базе такой дисциплины, как «Электроника».
Цель курсового проекта – используя нормативно-техническую документацию, а также ознакомившись с оформлением и изложением конструкторской документации, разработать конструкторскую и техническую документацию для радиоэлектронного устройства – устройство охраны сигнализацией по телефонной линии .
В данной курсовой работе необходимо произвести расчет основных параметров разрабатываемого изделия, разработать компоновку модулей в корпусе прибора, разместить навесные ЭРЭ на печатной плате модуля, разработать конструкцию корпуса прибора и коммутацию между модулями, при условии выполнения всех требований, предъявляемых к устройству охраны сигнализацией по телефонной линии.
Основные области применения устройство охраны сигнализацией по телефонной линии – это дома, квартиры, офисы в общем где присутствует телефон.
Описываемое охранное устройство использует цепь нормально замкнутых датчиков, соединенных последовательно. При размыкании любого из них оно автоматически бесконечное число раз набирает заранее заданный телефонный номер и подает специфические звуковые сигналы. Абонент на другом «конце провода», поняв значение этих сигналов, может вернуть устройство в дежурный режим, подав команду DTMF-сигналом, и позаботиться об устранении
угрозы охраняемому объекту.
Низкая себестоимость и низкое энергопотребление выделяют данное устройство из ряда аналогов. По сравнению с подобными устройствами данная конструкция имеет ряд преимуществ: устройство не содержит дорогостоящих деталей и радиоэлементов, имеет сравнительно невысокую стоимость при массовом производстве. Устройство охраны сигнализацией по телефонной линии удобно в обращении, имеет небольшие габаритные размеры, отвечает требованиям техники, прост в применении. Существенный недостаток такого устройства состоит в необходимости принятия специальных мер по защите телефонной линии, так как если злоумышленник обрежет линию, оно будет нейтрализовано.
1 Расширенное техническое задание
1.1Назначение
Устройство охраны сигнализацией по телефонной линии применяется для
защиты телефонной линии от злоумышленников.
1.2Технические и конструктивные требования.
Разрабатываемое устройство охраны сигнализацией по телефонной
линии должно обладать следующими техническими характеристиками
Напряжение питания прибора (от батареи питания),В 12;
Отклонения от номинального напряжения, % 10;
Ток потребления от батарей питания не более, А 0,15;
Проектируемое устройство должно удовлетворять следующим
условиям эксплуатации и транспортирования (ГОСТ 16019 – 78):
Температура окружающей среды, °С от нуля до +60;
Влажность окружающей среды, % не выше 80;
Воздействия вибрации и ударов не допускаются;
Объект размещения стационарная;
Условия транспортировки всеми видами транспорта.
Применяемые радиоэлектронные элементы должны быть отечествен- ного производства и предназначенные для общего применения, а также должны удовлетворять условиям ремонтопригодности и взаимозаменяемости.
Устройство должно удовлетворять следующим требованиям надежности
Среднее время безотказной работы, ч не менее 30000;
Интенсивность отказов, ч-1 2510-6;
Гарантийный срок эксплуатации, лет 3.
Проектируемое устройство должен удовлетворять следующим конструктивным требованиям
Число марок применяемых материалов не более 6;
Коэффициент применяемости не менее 0,8;
Коэффициент унификации 0,9.
Органы управления и индикации необходимо вывести на лицевую панель. Размеры блока определяются конструктивно.
Ориентировочная номенклатура конструкторской документации:
-
Устройство охраны сигнализацией по телефонной линии, спецификация – А4;
-
Устройство охраны сигнализацией по телефонной линии, схема электрическая принципиальная – А2;
-
Устройство охраны сигнализацией по телефонной линии, сборочный чертеж – А2;
-
перечень элементов схемы электрической принципиальной – А4;
-
плата, сборочный чертеж – А2;
-
плата, спецификация – А4;
-
плата, компоновочный чертеж – А1.
2 Анализ технического задания, электрической схемы. Оценка элементной базы
2.1 Сравнительный анализ аналогов
После проведения поиска аналогов [1,2] и их сравнительного анализа по техническим характеристикам с проектируемым устройством, выявлено, они излишне сложны, в них использовано большое число дефицитных радиодеталей, что повышает их себестоимость и не способствует их широкому применению.
2.2 Принцип работы устройства
Схема устройства охраны сигнализацией по телефонной линии показана на чертеже УИТС. 425613.015 ЭП. Оно собрано на трех микросхемах: DD1 - управляющая часть, DD3 - универсальный номеронабиратель с памятью последнего номера, DD2 - декодер сигналов DTMF-набора для дистанционного управления. Все функции устройства реализованы аппаратно, без использования микроконтроллеров, что делает его доступным для повторения радиолюбителями средней квалификации.
На микросхеме DD1 собраны два триггера, условно названные "Триггер режима" (элементы DD1.1 и DD1.2) и "Триггер тревоги" (DD1.4 и DD1.5). Их состояния показаны в таблице 1.
"Триггер режима" |
"Триггер тревоги" |
Состояние устройства |
||||
Вход DD1.1 |
Вход DD1.2 |
Выход DD1.1 |
Вход DD1.4 |
Вход DD1.5 |
Выход DD1.4 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
"Отключено" |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
"Охрана" |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
"Тревога" |
Таблица 1
После первой подачи напряжения питания (или после нажатия кнопки SB1 "Сброс") на выходе элемента DD1.1 возникает низкий уровень. При этом на входе элемента DD1.4 тоже низкий уровень и "Триггер тревоги" не реагирует на
любые манипуляции с датчиками. На выходе DD1.4 высокий уровень, транзистор VT2 открыт, a VT1-закрыт. Устройство находится в состоянии "Отключено".
Уходя из квартиры, хозяин нажимает на кнопку SB2 "Охрана" и удерживает ее 2-3 с. По цепи VD3HL1R5SA1-SAn течет ток. Если какой-либо датчик разомкнут, светодиод HL1 не загорится. Кроме того, контролируется состояние батареи GB1. Если она разряжена, светодиод HL1 ярко вспыхивает и сразу гаснет. Высокий уровень через диод VD2 поступает на вход элемента DD1.2 и переводит "Триггер режима" в состояние, когда на его выходе (DD1.1) высокий уровень. Однако пока конденсатор СЗ не разрядится через резистор R3, на входе элемента DD1.4 "Триггера тревоги" будет низкий уровень и хозяин может выйти из квартиры. При указанных на схеме номиналах элементов СЗи R3 это время составляет около одной минуты.
Если любой из датчиков SA1-SAn будет разомкнут, на входе элемента DD1.3 возникнет высокий уровень. Импульс, сформированный цепью VD6R6C4, переключит "Триггер тревоги". На его выходе (DD1.4) окажется низкий уровень, транзистор VT2 закроется, a VT1 —-откроется. Через транзистор VT1, светодиод HL2, транзистор VT3, резистор R25 потечет ток около 30 мА из телефонной линии. Цепь VD6R6 предотвратит обратное переключение триггера, если разомкнувшийся датчик снова замкнется.
Высокий уровень, поступивший на вывод 1 микросхемы DD3, запускает набор номера. Импульсы набора поступают с вывода 9 микросхемы DD3. Для формирования разрыва линии при наборе на этом выводе (открытом стоке) возникает низкий уровень. На выводе 8 (тоже открытый сток) низкий уровень присутствует во время набора всего номера, поэтому на входе элемента DD1.6 будет низкий уровень, а на выходе - высокий. По окончании набора номера сигналы в
перечисленных точках изменятся на противоположные. На выводе 16 микросхемы DD3 возникнет низкий уровень, что активирует функцию "Повтор пос-леднего набранного номера".
Особенностью микросхемы К174УРУ является то, что в состав функции "Повтор последнего набранного номера" у нее входит функция "Кратковременный отбой". Таким образом, микросхема DD3 будет бесконечное число раз набирать заранее внесенный в ее память номер, производя между попытками набора необходимое отсоединение от линии.
Тактовые импульсы на микросхему DD3 поступают от генератора микросхемы DD2 через конденсатор С9. Такое включение, кроме экономии кварцевого резонатора, внесло и "изюминку". Дело в том, что микросхема DD2 получает питание через цепь R21VD20 только тогда, когда открыт транзистор VT1. Как только DD3 сформирует команду "Кратковременный отбой" , VT1 закроется, конденсатор С12 разрядится (микросхема DD2 потребляет около 10 мА) и задающий генератор DD2 перестанет работать. Микросхема DD3 останется без тактовых импульсов, и время "Кратковременного отбоя" возрастет с 600 мс до 20-30 с.
Такой эффект может оказаться полезным, если вы хотите настроить передачу сигнала тревоги на пейджер, используя DTMF-канал. Чтобы отключить устройство при получении сигнала, набираете номер, к которому оно подключено (необходим телефонный аппарат с возможностью переключения в тональный набор), дожидаетесь очередной попытки дозвона и набираете цифру "2". Если передача сигнала тревоги на пейджер вам не нужна, то следует подключить кварцевый резонатор к микросхеме DD3 так же, как и к DD2, или применить конденсатор С12 большей емкости.
По возвращении домой хозяин квартиры переводит устройство в режим "Отключено", нажав на кнопку SB1 "Сброс".
Для записи номера телефона в микросхему DD3 к ней необходимо под
ключить стандартную клавиатуру 3x4 . Можно это делать с помощью разъема, подключив только на время программирования.
Порядок программирования следующий. Нажмите и отпустите на кнопку
SB2. Подождите, пока разрядится конденсатор СЗ. Нажмите и удерживайте кнопку SB3 "Программирование". При этом "Триггер тревоги" перейдет в состояние "Тревога", устройство займет телефонную линию (загорится светодиод HL2), но функция "Повтор последнего набранного номера" не будет активирована, так как конденсатор С10 зашунтирован через диод VD11. Обозначим буквой "Р" кнопку SB4 "Пауза". Нажмите кнопки: "Р", "X", "X", "X", "X", "X", "X", "*", "Р", "1", "Р", "1", "Р", "1"..."Р", "1", "Р", "1" (всего 28 знаков, включая паузы, но не более!). Здесь "ХХХХХХ" — номер телефона, куда будет дозваниваться устройство. Отпустите кнопку SB3 и кратковременно нажмите SB1. Светодиод HL2 должен погаснуть.
Кнопка "*" переводит микросхему DD3 в режим тонального набора. Кнопка SB4 ("Р", "Пауза") вводит в набираемый номер паузу длительностью 3 с. Сигналы тонального набора цифры "1" и будут теми самыми "специфическими" сигналами тревоги. Если выход на городскую сеть производится через префикс ("8", "9" или др.), то после его набора введите 1-2 паузы.
При поступлении на вход микросхемы DD2 через цепь C5R9 тонального сигнала, соответствующего цифре "2", на ее выходе D1 возникает высокий уровень, который переключает устройство в режим "охрана" (именно "Охрана", а не "Отключено", поскольку конденсаторы С1 и С2 не успевают разрядиться). Импульс на выходе D1 микросхемы DD2 короткий, так как с его поступлением устройство сразу же отключается от линии. По окончании импульса "Триггер режима" переходит в состояние "Охрана".
Диод VD12 устанавливают в том случае, если АТС не воспринимает импульсный набор. Тогда нужно правый по схеме вывод резистора R14 подключить к общему проводу, и микросхема DD3 будет переведена в режим тонального набора. Сигнал с вывода 8 DD3 через диод VD12 заблокирует выходные касс-
кады микросхемы DD2 во время набора номера. Сигнал дистанционного отключения пройдет на выход DD2 лишь после окончания набора всей запрограммированной в DD3 последовательности, но до начала активизации функции "Кратковременный отбой". Это время, возможно, потребуется увеличить, применив конденсатор С10 большей емкости. Диод VD12 необходим и при передаче сигнала тревоги на пейджер.
Цепь R17VD15VD13 обеспечивает устройство питанием в режимах "Отключено" и "Охрана". Резистор R17 подбирают так, чтобы через батарею GB1 (три элемента "АА") протекал ток порядка 100 мкА в направлении ее зарядки. Указанный на схеме номинал обеспечивает, такой ток при напряжении в телефонной линии 12 В. По тому же критерию подбирают и резистор R21, но уже в режиме "Тревога".
Каскад C13R22VT3 нужен для передачи тональных сигналов в линию. Резистор R24 -нагрузка внутреннего усилителя микросхемы DD3. Диоды VD4 и VD5 введены в процессе испытаний - после грозы вышла из строя микросхема DD1 (пробило вход элемента DD1.3).
Микросхемы DD2 КР580УР82 и DD3 К174УРУ имеют 18 выводов. Вставляют их в панельку так, чтобы выводы 9 и 10 остались свободными. Микросхемы с буквой С также имеют 18 выводов, но у них нужно оставить свободными выводы 1 и 18. У микросхем с буквой D, имеющих 20 выводов, остаются свободными выводы 1, 10, 11, 20 . Вместо транзистора VT1 допустимо использовать ключ КР580УР82.
2. 3 Оценка элементной базы
Система сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания +9В10%. Достоинством данного устройства является повышенная точность передачи сигналов и быстродействие.
Применяемая элементная база широко распространена в отечественной промышленности, обладает свойствами безотказности, долговечности, сохраняемости и хорошими электрическими показателями.
2.3.1 Микросхемы.
К561ЛН1 – цифровая интегральная схема широкого применения, изготовленная по полупроводниковой технологии, со штыревыми выводами, представляет собой 8 элементов И-НЕ. Корпус 238.16-1
К174УРУ-цифровая интегральная схема широкого применения, изготовленная по полупроводниковой технологии, со штыревыми выводами, дешифратор, предназначен для преобразования двоичного кода в семисегментный. Корпус 238.18-1
Для дешифрации 4-битного кода в определенную цифру, используется микросхема типа КР580ИР82 (корпус 2140.20-4, 2101.8-4), изготовленная по ТТЛ-технологи. Диапазон рабочих температур минус 30..+70 С.
2.3.2 Резисторы. В качестве распределителей электрической энергии между цепями и элементами схемы устройства охраны с сигнализацией по телефонной линии применены резисторы общего назначения с металлодиэлектрическим проводящим слоем типа МЛТ–0,125 и МЛТ-0,5, в зависимости от рассеиваемой мощности, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и рабочего напряжения,
высокой надежностью. Диапазон рабочих температур серии минус 60…+1250С.
2.3.3 Конденсаторы
К50-15 – алюминиево-оксидно-электролитический конденсатор общего назначения. Характеризуется очень большой удельной емкостью, большими потерями, значительными токами утечки. Применяются в шунтирующих и фильтровых цепях, для накопления энергии в импульсных устройствах. Эти конденсаторы работают в диапазоне температур от -60 до +125 0 С.
Конденсаторы постоянной емкости серии К50-6 (полярный). Характеризуются высокими электрическими показателями, небольшой стоимостью, большим сопротивлением изоляции, малым тангенсом угла потерь. Диапазон рабочих температур –60 …+1250С. Установочная площадь – 455 мм2.
К53-7- керамический, устанавливается в цепях постоянного и переменного тока, с напряжением 15В.
К42П-5– керамический, устанавливается в цепях постоянного и переменного тока, с напряжением 35В.
2.3.4 Органы индикации. Применение в качестве элемента световой сигнализации светодиодов серии АЛ307Б обусловлено малым потреблением энергии в отличие от ламп накаливания. Светодиод с индексом «Б» имеет красный цвет свечения. Красный цвет свечения более заметен. Диапазон рабочих температур светодиода минус 30...+70 С.
2.3.5 Органы коммутации. В качестве элемента коммутации включения питания устройства используются тумблера типа П2Т (SA1, SAn). Данный тип переключателей имеет небольшие габариты, механическую прочность и рассчитан на постоянное напряжение до 300 В током до 6 А. Диапазон рабочих температур минус 30...+100 С.
Для кратковременной коммутации (во время нажатия) используются малогабаритные кнопки типа КМ1-I, предназначенные для коммутации
цепей постоянного тока напряжением до 30 В (в проектируемом устройстве коммутируются цепи 5 В). Износостойкость кнопок не менее 10000 циклов переключений. Диапазон температур минус 30...+90 С.
2.3.6 Полупроводниковые элементы. В устройстве используется транзистор КТ315Е. Транзистор КТ315Е (n-p-n) маломощный, высокочастотный; максимальный ток коллектор-эмиттер 100 мА; максимальное напряжение коллектор-база 40 В. Диапазон рабочих температур транзистора минус 40...+80 С.
В качестве выпрямителей направления сигналов используются диоды малой мощности КД522Б с прямым током до 1 А. Их применение обусловлено необходимыми параметрами и малыми габаритами. Диапазон рабочих температур диода минус 30...+90 С и диоды КД102Б:
Они имеют следующие параметры :
Максимальный прямой ток, А 5;
Максимальный импульсный прямой ток, А 30;
Максимальное обратное напряжение, В 100;
Диапазон температур, С 60…+125.
В устройстве используются двуханодные стабилитроны КС162А
- постоянный (средний) прямой ток 100 мА;
- постоянное прямое напряжение 1 В;
- постоянное обратное напряжение 30 В;
- импульсный прямой ток 2 А;
- температура окружающей среды от 213 до 373 К.
2.3.7 Кварцевый резонатор. Для получения образцовой частоты 3,58 МГц используется кварцевый резонатор типа РК79ЧА-23БУ, обладающий стабильностью поддерживаемый частоты 32768 Гц. Диапазон рабочих температур резонатора минус 10...+70 С.
Таблица 2 - Основные конструктивные параметры элементной базы А1
Наименование элемента |
Кол-во |
Конструктивные параметры |
||
Вариант установки |
Установочная площадь, мм2 |
Диапазон температур, С |
||
Микросхемы: К561ЛН1 К174УРУ КР580ИР82 КР580ИР82 |
1 1 1 1 |
VIII-a VIII-a VIII-a VIII-a
|
150 168,75 187,5 75
|
-30…+70 -30…+70 -30…+70
|
Резисторы: МЛТ-0,125 МЛТ-0,5 |
24 1 |
II-а II-а |
24,2 33,7 |
-60…+125 -60…+125 |
Конденсаторы: К53-7 2,2мкФ К53-7 3,3мкФ К53-7 33 мкФ К42П-5 0,22 мкФ К42П-5 0,1мкФ К42П-5 0,022мкФ К50-6 10 мкФ К50-15 47 мкФ
|
3 1 3 2 1 1 1 1 |
II-в II-в II-в I-а I-а I-а II-в II-в
|
24 24 45,5 56,4 43,1 38,5 83,2 100 |
-40...+70 -40...+70 -40...+70 -40...+70 -40...+70 -40…+70 -30…+70 -30…+70 |
Диоды: КД522Б КД102б |
15 4 |
II-а II-а |
26,2 35 |
-30…+90 -30…+90 |
Транзисторы: КТ315Е |
2
|
II-в
|
21,4
|
-40…+80
|
Двуханодный стабилитрон КС162А |
2 |
II-в |
21 |
-40…+80 |
Резонатор РК79-ЧА |
1 |
I-а |
36 |
-10…+70 |
Параметры элементов, устанавливаемых на печатной плате А2, приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Основные конструктивные параметры элементной базы А2
Наименование элемента |
Кол-во |
Конструктивные параметры |
||
Вариант установки |
Установочная площадь, мм2 |
Диапазон температур, С |
||
Светодиод: АЛ307БМ |
2
|
II-в
|
12,3
|
-30…+70
|
Таким образом, подобраны элементы, которые подходят по техническим характеристикам, выданным в техническом задании.