Информационные устройства и системы управления автосигнализацией

 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ АВТОНОМНАЯ НЕКОМЕРЧЕСКАЯ

ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Волжский университет имени В.Н. Татищева» (институт)

ФАКУЛЬТЕТ «Информатика и телекоммуникации»

Кафедра «Управление качеством в производственных и образовательных системах»

Курсовая работа на тему:

«Информационные устройства и системы управления автосигнализацией»

г. Тольятти 2010

Введение

Современный термин Мехатроника (Mechatronics), согласно японским источникам, был введен фирмой Yaskawa Electric в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Это название получено комбинацией слов МЕХАника и элекТРОНИКА.

Любопытно заметить, что в отечественной литературе еще в начале 50-х годов использовался подобным же образом образованный термин - механотроны. Так назывались электронные лампы с подвижными электродами, которые применялись в качестве датчиков малых перемещений, ускорений, вибраций и т.п. Начиная с 80-х годов термин Мехатроника все чаще применяется в мировой технической литературе как название целого класса машин с компьютерным управлением движением.

Мехатроника находится только в стадии становления, поэтому на сегодняшний день её определение и базовая терминология еще полностью не сформирована. Поэтому в настоящем пособии представляется целесообразным рассмотреть определения, выражающих суть предмета мехатроники как в широком, так и в узком (специальном) смысле.

Общее определение мехатроники в широком понимании дано в 1995 году в Государственном образовательном стандарте РФ специальности 07.18 Мехатроника:

Мехатроника - это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и связана с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов.

В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных систем (МС), а основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов. Наверное поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатроники стали три пересекающихся круга (рис. 1), помешенные во внешнюю оболочку Производство - Менеджмент - Требования рынка.

Рисунок 1 - Определение мехатронных систем

Таким образом, системная интеграция трех указанных видов элементов является необходимым условием построения мехатронной системы.

Известно несколько определений, опубликованных в периодических изданиях, трудах международных конференции и симпозиумов, где понятие о мехатронике конкретизируется и специализируется. На основе рассмотренных выше определений предлагаем следующую специальную формулировку предмета мехатроники:

Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.

Стремительное развитие мехатроники в 90-х годах как нового научно-технического направления обусловлено тремя основными факторами:

новые тенденции мирового индустриального развития,

развитие фундаментальных основ и методологии мехатроники (базовые научные идеи, принципиально новые технические и технологические решения),

активность специалистов в научно-исследовательской и образовательной сферах.

1. Описание и принципы работы ИУиСУ в автосигнализации

.1 Область применения автосигнализации

Автосигнализация - электронное устройство, установленное в автомобиль <#"justify">1.2 Принципы работы автосигнализации

Существуют два типа сигнализаций:

энергозависимая (свободно-замкнутое реле блокировки двигателя)

энергонезависимая (свободно-разомкнутое реле блокировки двигателя).

Энергозависимая блокирует двигатель только в том случае, когда системный блок находится в штатной колодке соединения и система охраны включена владельцем с передатчика. Такая система хороша тем, что даже при выходе блока сигнализации из строя (отказ электроники) владелец всегда сможет завести двигатель без вмешательства специалиста. Но в этом преимуществе кроются и свои недостатки, а именно - при нахождении и удалении такого блока взломщиком из колодки происходит замыкание контактов реле блокировки двигателя и штатная проводка, ранее разорванная установщиком, возвращается в нормальное состояние. После этого остается лишь разобраться с замком зажигания и завести двигатель.

Энергонезависимая хороша тем, что даже при удалении системного блока, реле блокировки двигателя остается в разомкнутом положении и простое удаление блока из цепи ничего не даст, потребуется еще проверка и нахождение разрывов штатной проводки, а в случае отсутствия куска штатного провода еще и время на наращивание провода. К недостатку можно отнести то, что при отказе электроники в блоке, вы не сможете завести двигатель без изменений в разорванной проводке, что не каждому под силу. При покупке изделия известной фирмы вы вряд ли столкнетесь со сбоями в электроники. Обратите внимание на количество блокировок двигателя, лучше когда их не менее двух, например одна цепь блокирует зажигание, а вторая - бензонасос или стартер.

Обо всех срабатываниях системы вам сообщает сирена. От ее типа может зависеть многое. Существуют сирены простые и с автономным аккумулятором. Недостатком первых является то, что при разрыве провода, питающего сирену, она не будет работать, а достоинством - что они не боятся влаги и поэтому мыть двигатель с такой сиреной, как правило, не составит проблемы. Автономные сирены хороши тем, что при обрыве провода питания сирена сразу включается в режим паники и сообщает об этом всем окружающим. Отключить их можно лишь при помощи специального ключа. К недостаткам мы бы отнесли лишь влагобоязнь, поэтому мойка машины может привести к выходу, ее из строя совсем или на некоторое время, что не очень приятно. Любая из этих типов сирен при срабатывании охраны может "высосать" основной аккумулятор автомобиля до нуля - это их общий недостаток. В ноябре 1996 года на рынке сигнализаций появилась новая сирена с автономным аккумулятором и цифровой компьютерной связью с центральным блоком, то есть, у нее нет ключа для отключения - она отключается только с брелка и срабатывает, если предварительно был включен режим охраны. К ее достоинствам можно добавить и то, что система отслеживает работу генератора и не питается от штатного аккумулятора, то есть, не посадит его при срабатывании! Какой тип сирены будет в системе выбирать, конечно, вам, но не всегда получается так, что приглянувшаяся сигнализация содержит в комплекте то, что вам нужно. Не беда, можно ее заменить или поставить вторую.

Представьте себе такую ситуацию. Вы подходите к машине, хотите отключить сигнализацию и попасть в салон, а система не реагирует на брелок, в котором может быть села батарейка или, того хуже, он вышел из строя. Или вы просто потеряли или поломали брелок-передатчик. Как вы будете отключать сигнализацию? Разработчики сигнализаций предусмотрели несколько способов помочь вам в этом случае. Первый способ - это открыть дверь ключом, сесть в салон и отключить сработавшую сигнализацию с помощью скрытой кнопки. Сразу напрашивается вопрос, "А насколько эта кнопка скрытая"? На что можно ответить: "На столько, насколько квалифицирован угонщик". Следует ли надеяться, особенно, если у вас дорогой автомобиль, что он не найдет вашу "скрытую" кнопку или тумблер. Поэтому совет: "Не покупайте систем со "скрытыми" отключателями - это прошлый век!". Современные модели имеют для этого открыто расположенные переключатели с индивидуальной кодировкой. Отключить такую систему можно лишь, зная код, установленный владельцем. Эти оба типа переключателей используются обычно для отключения сигнализации перед тем, как вы планируете оставить автомобиль для ремонта или обслуживания. При этом не возникнет надобности оставлять брелок автослесарю. Обратите внимание на то, что можно ли стереть из памяти потерянный брелок, а то утерянный брелок станет потенциально опасным.

И конечно интересует вопрос: "Способы блокировки угнанного автомобиля". Существует много различных сигнализаций с различными названиями этой функции - "Анти Хай Джек", "Блек Джек" и т.п. По сути своей их можно разделить на три типа:

Первый - блокировка угнанного автомобиля с помощью второго брелка-передатчика.

Второй - сигнализация сама запрашивает код владельца, при удалении автомобиля от владельца на безопасное расстояние, а затем глушит мотор где-нибудь на светофоре, при этом отключается режим отключения системы охраны с брелка.

Третий - дистанционная остановка угнанного автомобиля по телефону или через радиопередатчик.

У первого типа следующие недостатки:

. Это не безопасно. Как вы поняли, воруют машины группой. Вы попытаетесь остановить отъезжающую машину брелоком-передатчиком, а следом подъедет второй автомобиль, и вы можете получить, в лучшем случае, физическую травму.

. Радиус действия мал. В городском потоке машин может быть удастся заглушить двигатель хотя бы с 30-40 метров.

У второго типа, конечно, есть большие преимущества. Владелец сможет выйти из машины, отдать грабителям ключи, брелки и удалиться на безопасное, для своего здоровья, расстояние, например, побежит к телефону вызывать милицию. Автомобиль заглохнет метров через 300 - 500. К недостаткам я бы отнес только одно - если попадутся хорошие профессионалы, то они могут сразу спросить код или заставят проехать с ними до тех пор, пока система не запросит код.

Всех вышеперечисленных недостатков нет у третьего типа, но действительно серьезные сигнализации, как правило, имеют высокую стоимость. Поэтому можно остановится на втором типе, но не забывать о третьем.

Для противостояния сканерам и код-грабберам, в современные модели сигнализаций встроены функции антисканера и, так называемый, плавающий код. При каждом нажатие на кнопку передатчика код произвольно меняется и попытка записать его для последующего воспроизведения ни к чему неприведет. Антисканер срабатывает сразу же, как только система почувствует попытку подбора кода. Это проявлется в том, что блокируется радиоканал, стираются из памяти все коды брелоков-передатчиков и для отключения сигнализации владельцу придется, по всей видимости, воспользоваться "скрытым" тумблером или кодированным переключателем.

Не маловажно, какие штатные датчики входят в комплект. Рекомендуются системы, содержащие не менее 2-ух датчиков, например датчик удара и датчик изменения объема. Не надо покупать сигнализации с ультрасониками, так как даже движение теплого воздуха из воздуховодов или пролетающая муха могут привести к ложным срабатываниям системы. Ультрасоники подходят для регионов с мягким климатом без контрастных температур. В нашем регионе приходится прибегать к "загрубению" чувствительности, что снижает охранные способности данных датчиков. Датчики бывают как 1-нозоновые, так и 2-ухзоновые. Вторая зона, как правило, включает сирену только лишь для короткого импульсного предупреждения сиреной при входе в зону работы датчика или при слабых ударах по автомобилю. Для владельцев, устанавливающих дорогую аудио аппаратуру, можно порекомендовать 2-ух зоновый датчик объема, который включает сирену на короткое время при подходе к автомобилю на 20 и более сантиметров, в зависимости от настройки. Уверяем вас, что количество любопытных, заглядывающих в салон автомобиля, значительно уменьшится. Не забудьте, что на работу датчиков влияют многие факторы, например атмосферное давление, температура, сварочный аппарат, работающий поблизости и тому подобное, поэтому желательно, чтобы система имела функцию обхода ложных срабатываний.

Сегодня на рынке появились системы (типа "Black Bug Plus"), которые используют дистанционно-управляемые реле для блокировки двигателя. Это очень интересная идея. Никаких проводов между блоком сигнализации и реле. Все сигналы поступают непосредственно через проводку автомобиля. Обнаружить такие реле при правильной установке - это дело не одного часа. Есть системы которые вместо реле используют модули разрыва, которые тоже получают команды через штатную проводку или радиоканал. Очень интересны такие системы, где еще и существует возможность программирования времени задержки на разрыв проводки в случае попытки угона автомобиля. На практике это выглядит так - при срабатывании охранной системы мгновенно блокируется стартер, минут через пять пропадает зажигание, а через минут 10-15, когда угонщик вроде бы уже устранил неисправности, пропадает подача топлива, вследствие обрыва в цепи топливного насоса.

.3 Основные компоненты автосигнализации

Состоит, как правило, из основного блока, приемо-передатчика (антенны), брелока, датчика удара <#"justify">Из наиболее популярных вспомогательных устройств назовем радиомаяк (пейджер) и центральный замок.

Радиомаяк (пейджер). При срабатывании сигнализации передатчик пейджера выдает в эфир кодированный радиосигнал, принимаемый миниатюрным приемником. В новых моделях пейджеров кроме сигнала тревоги есть еще и возможность идентификации сработавшего датчика - очень удобно для оценки ситуации. К примеру, при работе с радарным датчиком пейджер передаст владельцу сообщение о приближении к охраняемой машине, не включая сигнализацию. Реальная дальность при работе со стандартной антенной, наклеиваемой изнутри салона на стекло - 200-300 м прямой видимости. С качественной выносной антенной передатчик пейджера теоретически может обеспечить и 2 км.

Центральный замок. Функция дистанционного открывания и закрывания автомобильных дверных замков. Важно подчеркнуть, что на самом деле механической блокировки замка не происходит (распространенное заблуждение) - это - функция комфорта. Как и любое электромеханическое устройство, требует хотя бы элементарного обслуживания.

2. Принципы построения автосигнализации

.1 Обобщенная схема построения автосигнализации

Бензоклапан (топливный клапан) - регулятор подачи топлива, управляемый электрическим или пневматическим сигналом.

Блок управления (системный блок) - центральный блок сигнализации, принимающий и обрабатывающий кодированные команды управления от брелока, входные сигналы датчиков, а также формирующий сигналы для сигнализационных и исполнительных устройств.

Брелок-передатчик - малогабаритное устройство управления, формирующее и передающее кодированные сигналы команд.

Иммобилайзер - защитное противоугонное устройство, служащее для предотвращения запуска двигателя посторонними лицами.

Кодовый (электронный) ключ - устройство, предназначенное для управления противоугонной функцией охранной системы.

Мастер-привод - электропривод замков двери с пятью проводами, обеспечивающий управление электроприводами всех пассажирских дверей.

Метка - электронный ключ с источником питания и увеличенной дальностью действия.

Модуль - конструктивное исполнение устройства в виде компактного блока.

Модуль обхода - устройство, предназначенное для временного отключения заводской противоугонной системы для обеспечения дистанционного запуска двигателя.

Моноблок (компакт) - конструктивное исполнение охранной системы в виде единого компактного блока, содержащего центральный блок, сирену и датчики.

Пейджер - автомобильный приемо-передатчик, содержащий индикатор при автономном использовании.

Сирена программируемая - сирена с возможностью выбора определенных звуковых тонов или изменения уровня громкости подтверждающих сигналов.

Транспондер (кодовый преобразователь) - кодовый электронный ключ бесконтактного типа, предназначенный для управления противоугонными устройствами, конструктивно оформленный в виде брелока, жетона или пластиковой карточки.

Центральный замок - устройство, обеспечивающее централизованное (общее) одновременное запирание/отпирание замков дверей автомобиля.

Электропривод - привод, используемый для управления замками дверей автомобиля, содержащий электродвигатель и редуктор для поступательного перемещения управляющего штока.

Типовая автосигнализация включает в себя такие функциональные узлы (рис. 2):

блок управления с приемником команд дистанционного управления;

датчики, обнаруживающие то или иное воздействие на автомобиль, а также открывание дверей, капота и багажника;

звуковое сигнальное устройство в виде сирены большой мощности;

индикатор режимов работы (светодиод);

исполнительные цепи управления различными электроустройствами автомобиля;

переключатели режимов работы и функций автосигнализации;

пульт дистанционного управления (ПУ ДУ), оформленный в виде брелока-передатчика;

резервные источники питания блока управления и сирены, не являющиеся обязательными.

Рисунок 2 - Обобщенная схема построения автосигнализации

Блок управления непрерывно анализирует поступление команд управления с брелока-передатчика и при их приеме производит выполнение задаваемых ими команд.

В режиме ОХРАНА блок управления обрабатывает информацию, поступающую от датчиков. В соответствии с заложенным в нем алгоритмом формирует выходные сигналы автосигнализации, управляющие соответствующими цепями автомобиля:

цепи блокировки зажигания, стартера, подачи топлива;

цепи световой сигнализации - габаритные фонари, фары, лампы освещения салона автомобиля и тормозные фонари;

цепи управления автоматическим запиранием (отпиранием) замков дверей.

Подключенные к выходным цепям дополнительные каналы предназначены для управления замком багажника, электростеклоподъемниками и цепями дистанционного запуска двигателя и прогрева салона автомобиля.

В конкретной системе автосигнализации предусмотрены, естественно, не все указанные здесь возможности.

Главным узлом блока управления является микропроцессор. Запоминание состояния автосигнализации и кодов брелока производится в энергонезависимой памяти. Применяемые микросхемы памяти позволяют запомнить 256 байт. Напряжение питания микропроцессора 5 В. Программа микропроцессора циклически анализирует сигналы на всех его входах и в зависимости от них формирует адекватную реакцию. Большое быстродействие процессора обеспечивает обработку сигналов без существенной задержки реагирования. Микропроцессор производит:

обработку сигналов концевых выключателей с учетом «дребезга контактов»;

фильтрацию шумов датчиков в изменяющихся условиях эксплуатации (при наличии цифровых датчиков);

ускорение и замедление процедур опроса в зависимости от режимов и условий работы автосигнализации;

управление энергопотреблением автосигнализации с целью уменьшения тока потребления в режиме охраны, без снижения охранных и эксплуатационных свойств;

обработку импульсных помех радиоприемного тракта с целью уменьшения влияния помеховой обстановки на дальность связи.

Датчики и входные цепи.

Наличие в охранной системе нескольких типов датчиков повышает вцелом уровень охраны автомобиля. Главной причиной применения различных датчиков является повышение надежности охраны и защиты. При выходе из строя одного датчика, необходимо, чтобы другой выполнял свои охранные функции. В системах расширенного класса используют 3-4 типа датчика.

Если охранная система не распознает причины срабатывания, то целесообразно ограничиться лишь стандартным набором, включающим контактные датчики на открывание и ударный датчик.

2.2 Функциональная схема построения автосигнализации

Подключение для реализации функции постановки на охрану при запущенном двигателе, на примере автосигнализации A.P.S 2650 (рис. 3).

Можно использовать СИНИЙ провод системы для того, чтобы система подавала питание на замок зажигания в течение определенного времени. В этом случае можно ставить систему в режим охраны с заведенным двигателем, не оставляя ключи в замке зажигания (если включена программируемая функция «Постановка системы на охрану при запущенном двигателе»). ОРАНЖЕВЫЙ/ЧЕРНЫЙ провод системы должен использоваться для блокировки цепи зажигания.

Подсоединение:

Включите программируемую функцию «Постановка системы на охрану при запущенном двигателе».

Запрограммируйте выход 2-го канала системы (СИНИЙ провод) как «постоянный» (функция «Программирование режимов работы выхода 2-го канала системы»).

Подсоедините СИНИЙ провод системы к контакту № 85 дополнительного реле.

Подсоедините контакты № 86 и № 30 реле к проводу от замка зажигания, на который поступает напряжение +12 В, когда ключ зажигания находится в положениях «ВКЛ» (ON) и «ЗАПУСК» (CRANK) и присутствует напряжение 0 В, когда ключ зажигания находится в любом ином положении. Контакт № 86 реле должен быть подключен к данному проводу ПОСЛЕ места подсоединения дополнительного реле блокировки цепи зажигания.

Подсоедините контакт № 87 реле к постоянному питанию +12 В через предохранитель.

Рисунок 3 - Схема подключения для реализации функции постановки на охрану при запущенном двигателе

.3 Структурная схема управления автосигнализацией

Рассмотрим структурную схему управления автосигнализацией, на примере автосигнализации A.P.S 2650.

Стандартные функции системы:

Динамический код KeeloqTM.

Противоугонная функция «Anti-Carjacking».

Программируемый персональный код отключения системы.

2-уровневый «микрофонный» датчик удара.

6-тональная сирена с возможностью программирования/выбора тонов.

Блокировка стартера с помощью встроенного реле.

Выход для дополнительной блокировки двигателя.

Возможность подключения 3-й цепи блокировки двигателя.

Встроенные реле для управления замками дверей.

Встроенное реле для управления правыми/левыми указателями поворота.

Возможность постановки на охрану при запущенном двигателе.

Возможность постановки на охрану с включением режима ТУРБО.

Выход для управления закрыванием окон автомобиля.

Выход для управления дополнительным пейджером.

Возможность управления «вежливой подсветкой» автомобиля.

Возможность реализации функции «центрального замка».

Кнопочный переключатель Valet.

Многофункциональный светодиодный индикатор состояния системы (СИД).

Усовершенствованный режим ПАНИКА.

Бесшумная постановка и снятие системы с охраны.

Постановка на охрану с раздельным отключением зон датчика удара.

Оперативное временное отключение автоматической постановки на охрану.

Ручная постановка на охрану без передатчика.

Отключение режима тревоги в 2 этапа.

Предупреждение о включенном режиме VALET.

Функция «поиск автомобиля».

Выход 2-го канала (для отпирания багажника или для подключения дополнительных аксессуаров) с программируемыми режимами работы.

Ограниченное время режима тревоги.

Световые и звуковые сигналы подтверждения.

Предупреждение о срабатывании системы.

Указание датчика или триггера, вызвавшего срабатывание системы.

Указание на неисправности системы.

Обход неисправной зоны или цепи.

Входы положительного и отрицательного триггера дверей.

Вход для подключения триггера капота/багажника.

Сохранение состояния системы при отключении питания.

Программируемые функции:

Автоматическая постановка системы на охрану.

Запирание дверей при автоматической постановке системы на охрану.

Автоматическое запирание дверей при включении зажигания.

Автоматическое отпирание дверей при выключении зажигания.

Подтверждающие сигналы сирены.

Автоматическая повторная постановка на охрану.

Запирание дверей при автоматической повторной постановке на охрану.

Автоматическая блокировка двигателя.

Функция защиты от ложных срабатываний.

Постановка системы на охрану при запущенном двигателе.

Режим аварийного отключения системы VALET/CODE.

2-step AVP - снятие системы с охраны в 2 этапа.

45-секундная задержка перед включением режима охраны.

Индикация количества запрограммированных передатчиков системы.

Реализация функции центрального замка.

Программирование функции Синего провода системы (выход 2-го канала).

Программирование режимов работы выхода 2-го канала системы.

Программирование функции Оранжевого /Черного провода системы.

Рисунок 4 - Структурная схема управления автосигнализацией

Таблица 1 - Подсоединение проводов системы

3. Применение ИУиСУ в автосигнализации

.1 Датчики, применяемые для сбора информации в автосигнализации

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся типы датчиков, применяемые в автомобильных охранных системах.

Датчик удара (шок-сенсор). Присутствует практически в любой автосигнализации. Реагирует на ударное воздействие на автомобиль; имеет (почти всегда) регулировку чувствительности; в некоторых моделях может формировать разные сигналы при разных уровнях воздействия (режим предупреждения). Принцип действия может быть различным: пьезоэлектрический, электромагнитный, даже лазерный. При правильной установке и настройке хорошо работает любой.

Звуковой (акустический) датчик. Реагирует на такие воздействия, как звон разбитого стекла и другие высокочастотные звуки. Считаем важным отметить, что отечественный автомобиль проще вскрыть отмычкой, чем рисковать привлечь внимание, разбивая стекло.

Датчик качания. Реагирует на качок и попытки откатить машину. Позволим себе заметить, что нам не известен ни один такой датчик, который работал бы устойчиво.

Датчик изменения напряжения. Срабатывает при изменении напряжения бортсети автомобиля (при отключении аккумулятора или включении какого-либо потребителя электроэнергии, например, лампы освещения салона).

Ультразвуковой датчик. Реагирует на изменение объема салона автомобиля. Этим датчиком оснащаются большинство итальянских систем. Недостаток: ложные срабатывания от движения потоков воздуха при остывании двигателя зимой или нагревании салона на солнце летом.

Микроволновый датчик (радар). Реагирует на реальное движение как внутри салона, так и около машины (в зависимости от выставленной чувствительности). Удобно применять его для предупреждения о приближении к охраняемой машине (для систем, которые поддерживают данный режим). На наш взгляд, лучший бесконтактный датчик. Особенно эффектен при работе с пейджером.

Емкостной датчик. Реагирует на изменении емкости, главным образом, при приближении к машине. Недостаток: ложные срабатывания при изменении влажности (например, во время дождя, при таянии снега и т.д.).

Инфракрасный датчик. Срабатывает при появлении в охраняемом объеме источника тепла - руки, головы. Очень удобен при использовании в системах охраны большеобъемных автомобилей с мягким тентом, поскольку в таких условиях ни один из вышеупомянутых датчиков не работает устойчиво.

Во-первых, эффективнее работают двухуровневые датчики, включаемые на сработку и на предупреждение; во-вторых, очень удобно, когда есть возможность отключать при помощи брелка один или несколько датчиков (исключить ложные срабатывания около трамвайных путей, на автостоянках и т.д.)

3.2 Расчет датчиков

.2.1 Датчик давления

Датчик давления реализован на емкостного датчика (конденсатора), одна обкладка (пластина) которого неподвижна, а другая перемещается под воздействием внешней силы.

Необходимо:

? рассчитать предельные значения емкости датчика давления и построить график зависимости емкости от расстояния между обкладками (пластинами) (считать, что ? = 100);

? построить график зависимости сопротивления датчика давления от частоты электрического сигнала для средней емкости;

? выбрать оптимальную рабочую частоту (fопт) датчика;

? рассчитать и построить график падения действующего напряжения на датчике, который включен в электрическую измерительную цепь во всем диапазоне изменения емкости датчика. Измерительная цепь питается от генератора синусоидального сигнала.

Исходные данные:

? площадь обкладок пластин, м2;

? расстояние между обкладками конденсатора, м, м;

? напряжение, В;

? характеристика среды, ;

? диэлектрическая постоянная, ;

Предельные значения емкости определяем по формулам 1 и 2.

, (1)

; (2)

Ф,

Ф.

На рисунке 5 представлен график зависимости емкости от расстояния между обкладками конденсатора .

Рисунок 5 ? График зависимости емкости от расстояния между обкладками конденсатора

Среднее расстояние между обкладками конденсатора определяем по формуле 3.

, (3)

м.

Среднюю ёмкость определяем по формуле 4.

, (4)

Ф.

Сопротивление конденсатора рассчитывается по формуле 5.

. (5)

где f ? частота электрического сигнала, Гц.

На рисунке 6 представлен график зависимости сопротивления конденсатора от частоты электрического сигнала .

Рисунок 6 ? График зависимости сопротивления конденсатора от частоты электрического сигнала

Выбор оптимальной частоты fопт сводится к нахождению касательной к графику, представленному на рисунке 9, которая имеет наклон 45°.

Итак, из графика Гц при Ом.

Схема включения в цепь датчика давления представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 ? Схема включения в цепь датчика давления

Генератор сигналов работает на оптимальной частоте. Сигнал от него имеет форму . Сопротивление R выбирается из условия R = rс, где rс рассчитывается для dср на fопт.

Действующее значение напряжения для синусоидального сигнала не зависит от частоты и рассчитывается по формуле 6.

, (6)

В.

Напряжение в датчике определяем по формуле 7.

. (7)

В зависимости от расстояния между обкладками конденсатора формула 7 примет вид , где соответственно .

График падения действующего напряжения на датчике в пределах d[dмин; dмах] представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 ? График падения действующего напряжения на датчике

.2.2 Датчик тока

Датчик тока выполнен в виде тороидальной измерительной катушки индуктивности, которая охватывает проводник с током. Эквивалентная схема измерительной цепи приведена на рисунке 9.

Необходимо:

? рассчитать и построить график коэффициента передачи датчика по току в зависимости от частоты сигнала, протекающего в проводе (для минимального

Рисунок 9 ? Эквивалентная схема измерительной цепи

? построить график зависимости коэффициента трансформации датчика тока, от предельных значений радиуса провода.

Исходные данные:

? сопротивление нагрузки датчика, Zн = 50 Ом;

? число витков катушки, ;

? коэффициент связи, g = 0,4;

? средний диаметр тора, м;

? диаметр среднего витка, м;

? радиус уединенного прямолинейного провода круглого сечения, м;

? постоянная составляющая, .

Индуктивность тороидальной катушки кругового сечения, представленной на рисунке 10 определяется по формуле 8.

Рисунок 10 ? Тороидальная катушка кругового сечения.

, (8)

Гн.

Индуктивность уединенного прямолинейного провода круглого сечения определяем по формуле 9.

, (9)

Гн.

Коэффициент передачи датчика по току определяется по формуле 10.

, (10)

где ? сила тока, протекающего по проводу, который охватывает измерительная катушка, А;

? сила трансформированного тока, протекающего в цепи датчика, А;

,

.

График изменения коэффициент передачи датчика по току в зависимости от частоты представлен на рисунке 11.

Коэффициент трансформации датчика тока определяем по формуле 11.

, (11)

.

Рисунок 11 ? График изменения коэффициент передачи датчика по току в зависимости от частоты.

Зависимости коэффициента трансформации датчика тока, от предельных значений радиуса провода примет вид , где .

График зависимости коэффициента трансформации датчика тока, от предельных значений радиуса провода представлен на рисунке 12.

Рисунок 12 ? График зависимости коэффициента трансформации датчика тока, от предельных значений радиуса провода.

3.3.3 Датчик Холла

Необходимо:

? определить максимальное выходное напряжение с датчика, если вектор магнитного поля ориентирован к вектору силы тока под углом ?. А изменение вектора индукции описывается по закону

, .

? построить график временной зависимости изменения выходного напряжения с датчика. Построить график зависимости падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

Исходные данные:

? толщина кристалла, м;

? коэффициент Холла, Ом;

? сопротивление нагрузки, Ом;

? емкость конденсатора, Ф;

? магнитная индукция, Тл, Тл;

? сила тока, А;

? частоты, Гц, Гц, Гц;

? угол ? = 11°.

Для выходного напряжения с учётом угла ? и заданных законов, описывающих изменение вектора магнитной индукции, имеем зависимость

.

График зависимости выходного напряжения датчика от времени представлен на рисунке 13.

Максимальное выходное напряжение из графика (рисунок 16) В.

Определяем сопротивление конденсатора по формуле 12.

автосигнализация схема датчик

, (12)

Рисунок 13 ? График зависимости выходного напряжения датчика от времени.

Ом.

Ток в цепи резистора в зависимости от времени определяется как

.

Падение напряжения на резисторе представляется зависимостью

.

График падения напряжения на сопротивлении нагрузки представлен на рисунке 14.

Рисунок 14 ? График падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

.3.4 Датчик температуры на основе металлических проводников

Датчик температуры включён в Мост Уитстона представленный на рисунке 15. При температуре 0°С Мост Уитстона сбалансирован.

Рисунок 15 ? Мост Уитстона

Необходимо:

? построить график зависимости ;

? определить напряжение при температурах -40 и +100°С.

? определить какие диапазоны температур при изменении -40 и +100°С попадают в область относительной погрешности измерения напряжения , если вольтметр, измеряющий указанное напряжение имеет относительную погрешность 5%.

Исходные данные:

? температурный коэффициент, ;

? сопротивление металлического проводника при температуре 0°С, Ом;

? напряжение питания Моста Уитстона, В;

Сопротивление датчика температуры, выполненного на основе металлического проводника, определяется выражением 13.

, (13)

где ? температура окружающей среды, °С.

Напряжение между точками 1 и 2 на схеме (рисунок 15) определяется формулой 14.

. (14)

При условии баланса Моста Уитстона

Из схемы представленной на рисунке 15 и выражений 13 и 14 получаем зависимости , где .

График зависимости температуры окружающей среды от напряжения представлен на рисунке 16.

Рисунок 16 ? График зависимости температуры окружающей среды от напряжения

Определить напряжение при температурах -40 и +100°С.

Температура окружающей среды имеет значения К.

По формуле 13 определяем значения сопротивлений при заданных значениях

Ом,

Ом.

По формуле 14 определяем значения .

В,

В.

С учётом заданной 5% погрешности вольтметра, определим фактические интервалы значений напряжения .

,

,

В,

В,

В,

В.

Определим какие диапазоны температур при изменении -40 и +100°С попадают в область относительной погрешности измерения напряжения , если вольтметр, измеряющий указанное напряжение имеет относительную погрешность 5% по формуле , где .

Итак, полученные диапазоны искомых температур T = 218,995…420,279К и 223,637…402,897 К.

3.3.5 Терморезистор на основе полупроводникового элемента

Необходимо:

? построить характеристику терморезистора, выполненного на основе полупроводникового элемента, если его сопротивление определяется

выражением ;

? выбрать в диапазоне температур […] сопротивление линеаризирующего резистора включённого параллельно терморезистору и построить в указанном температурном диапазоне линеаризированную кривую.

? построить зависимость скорости изменения напряжения в диапазоне […], если датчик температуры включён в цепь, представленную на рисунке 17.

Рисунок 17 ? Схема цепи

Исходные данные:

? сопротивление терморезистора при заданной температуре, Ом;

? температура при Ом, К;

? константа материала терморезистора, B = 2240 К;

? напряжение, В.

На рисунке 18 представлена характеристика терморезистора, выполненного на основе полупроводникового элемента, если его сопротивление определяется заданным выражением

.

Рисунок 18 ? Характеристика терморезистора, выполненного на основе полупроводникового элемента

Определяем среднюю температуру диапазона […] . Средняя температура определяется в точке, в которой касательная к кривой (рисунок 18) имеет угол 45°. Из графика имеем: К при Ом.

Значения и определяем по заданным формулам и соответственно

К,

К.

Сопротивление линеаризирующего резистора определяем по формуле 15.

, (15)

Ом.

Линеаризированная кривая в заданном температурном диапазоне представлена на рисунке 19.

Рисунок 19 ? Линеаризированная кривая в заданном температурном диапазоне

Сопротивление резистора определяем по формуле 16.

, (16)

Ом.

Сопротивление R определяем по формуле 17.

, (17)

Ом.

Зависимость скорости изменения напряжения задана выражением

.

График скорости изменения напряжения от времени представлен на рисунке 20.

Рисунок 20 ? График скорости изменения напряжения от времени

3.3.6 Пьезоэлектрический датчик

Цилиндрический пьезоэлектрический датчик изготовлен из титана бария и представлен на рисунке 21.

Рисунок 21 ? Цилиндрический пьезоэлектрический датчик

Механическая сила F воздействует на датчик вдоль его продольной оси, в результате чего, на противоположных краях кристалла появляется ЭДС.

Необходимо:

? найти максимальную ЭДС датчика;

? определить максимальное входное напряжение на усилителе, если датчик включён по схеме приведённой на рисунке 22;

? определить модуль чувствительности схемы;

? определить максимальное выходное напряжение с усилителя;

Исходные данные:

? пьезоэлектрический модуль, Кл/Н;

? механическая сила, Н;

? частота, f = 10000 Гц;

? радиус кристалла, м;

? высота кристалла, м;

? диэлектрическая составляющая, ;

? входное сопротивление усилителя, Ом;

? входная ёмкость усилителя, Ф;

? коэффициент усиления, K = 10;

? диэлектрическая постоянная, .

Рисунок 22 ? Эквивалентная схема пьезоэлектрического датчика

Определяем выходную ёмкость с датчика по формуле 18.

, (18)

Ф.

Механическое воздействие подчиняется заданному закону

.

Определяем максимальную ЭДС датчика по формуле 19.

, (19)

.

Определяем максимальное входное напряжение по формуле 20.

, (20)

В.

Модуль чувствительности заданной схемы определяется заданным выражением 21.

, (21)

где .

График изменения модуля чувствительности представлен на рисунке 23.

Рисунок 23 ? График изменения модуля чувствительности

Определяем максимальное выходное напряжение с усилителя по формуле 22.

, (22)

В.

.3.7 Преобразование экспериментальных данных в аналитическую функцию

Необходимо:

? по полученным экспериментальным данным с датчика, отображающих зависимость выходного напряжения от массового расхода воздуха, построить аналитическую функцию для дальнейшего расчёта микроконтроллером промежуточных значений.

? построить график относительной погрешности расхождения экспериментальных данных выходного напряжения от аналитических.

Исходные данные:

? экспериментальные данные выходного напряжения, =[7,389; 3,857; 2,014; 1,051; 0,549; 0,287; 0,150] мВ.

? экспериментальные данные расхода воздуха, M = [0; 1; 2; 3; 4; 5; 6] г/сек.

Для получения аналитической зависимости используем метод наименьших квадратов.

Аналитическая зависимость должна иметь вид , где a и b ? коэффициенты.

Общая формула метода наименьших квадратов - формула 23.

, (23)

Прологарифмируем экспериментальные значения выходного напряжения, ? возьмём натуральный логарифм от каждого значения из массива .

Наёдём коэффициенты a и b из системы уравнений 23. Здесь значения соответственно равны данным из массива M; значения соответственно равны данным из массива .

В результате решения системы уравнений получаем значения искомых коэффициентов: a = -0,85 и b = 2,501.

Аналитическая зависимость при найденных значениях коэффициентов a и b представлена на рисунке 24.

Рисунок 24 ? График аналитической зависимости и экспериментальных данных

Найдём относительную погрешность расхождения экспериментальных данных выходного напряжения от аналитических. Отметим, что в качестве экспериментальных данных при расчёте погрешностей используем массив . В качестве аналитических данных полученные из графика (рисунок 24) значения . В качестве истинных значений принимаем аналитические данные.

Итак, имеем=[7,389; 3,857; 2,014; 1,051; 0,549; 0,287; 0,150] мВ и= = [12,195; 5,212; 2,228; 0,952; 0,407; 0,174; 0,074].

Относительную погрешность определяем по формуле 24.

, (24)

Полученные значения относительной погрешности .

.3.8 Информационная пропускная способность

По каналу передачи данных передаётся двоичная однополярная битовая последовательность, представленная на рисунке 25.

Рисунок 25 ? Двоичная однополярная битовая последовательность

Необходимо:

? определить пропускную способность передачи по каналу передачи данных при воздействии помехи с заданными параметрами;

? определить информационный КПД передачи данных в единицу времени при воздействии помехи с заданными параметрами;

? определить мощность сигнала помех, при которых передача информации не осуществляется.

? построить график зависимости энергетического КПД и пропускной способности при воздействии помехи с заданными параметрами от длительности бита и напряжения бита.

Исходные данные:

? длительность бита, сек.;

? входное сопротивление, R = 50 Ом;

? амплитуда бита, E = 5В.

? напряжение помехи, В.

Определим полосу частот с 90%-ой передачей данных по формуле 25.

, (25)

.

Определяем частоту воздействующей помехи по формуле 26.

, (26)

Гц.

Мощность полезной информации определяем по формуле 27.

, (27)

Вт.

Действительное значение определяем по формуле 28.

, (28)

В.

Определяем мощность шума по формуле 29.

, (29)

Вт.

Пропускную способность определяем по формуле 30.

, (30)

.

Определяем коэффициент потери точности по формуле 31.

, (31)

.

Информационный КПД определяем по формуле 32.

, (32)

.

Энергетический КПД определяем по формуле 33.

, (33)

.

Зависимость пропускной способности от длительности бита имеет вид , где . График зависимости представлен на рисунке 26.

Рисунок 26 ? График зависимости

Зависимость пропускной способности от напряжения бита имеет вид , где , . График зависимости представлен на рисунке 27.

Рисунок 27 ? График зависимости

Зависимость энергетического КПД от длительности бита имеет вид , где , . График зависимости представлен на рисунке 28.

Рисунок 28 ? График зависимости

Зависимость энергетического КПД от напряжения бита имеет вид , где , . График зависимости представлен на рисунке 29.

Рисунок 29 ? График зависимости

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены информационные устройства и системы управления автосигнализацией и описаны в трех основных разделах.

В первом разделе курсовой работы представлено обобщенное описание, основные компоненты и принципы работы автосигнализации, ее разновидности и типы.

Во втором разделе представлены схемы: обобщенная схема автосигнализации, функциональная схема, на примере конкретной автосигнализации, и структурная схема управления автосигнализацией.

В третьем разделе описаны датчики, применяемые для сбора информации в системах автосигнализации, а так же приведен их расчет.

С развитием электроники, механики и информатики в целом, стремительно развиваются и охранные системы и автосигнализации. Уменьшаются размеры функциональных блоков, увеличивается функциональность и работоспособность систем. Растет и спрос на автосигнализации с наилучшим техническим и электронным оснащением, т.к. потребитель, в первую очередь, пытается более эффективно защитить свой автомобиль.

Список источников литературы

1.<http://mondeo.km.ru/>.

.Инструкция к автосигнализации APS 2500.

3.www.bestreferat.ru <http://www.bestreferat.ru>.

4.Мехатроника: Пер с япон. / Исии Х., Иноуэ Х., Симояма И. и др. - М.: Мир, 1988. - С. 318. - ISBN 5-03-000059-3 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D1%83%D0%B6%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D0%B0%D1%8F:BookSources/5030000593>.

.Карнаухов Н.Ф. <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9A%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%83%D1%85%D0%BE%D0%B2,_%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B0%D0%B9_%D0%A4%D1%91%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87&action=edit&redlink=1> Электромеханические и мехатронные системы. - Ростов н/Д: Феникс, 2006. - С. 320. - ISBN 5-222-08228-8 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D1%83%D0%B6%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D0%B0%D1%8F:BookSources/5222082288>.

.Введение в мехатронику: В 2 кн. / Тугенгольд А.К. <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%A2%D1%83%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B4,_%D0%90%D0%BD%D0%B4%D1%80%D0%B5%D0%B9_%D0%9A%D0%B8%D1%80%D0%B8%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87&action=edit&redlink=1>, Богуславский И.В. <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%91%D0%BE%D0%B3%D1%83%D1%81%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9,_%D0%98%D0%B3%D0%BE%D1%80%D1%8C_%D0%92%D0%BB%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87&action=edit&redlink=1>, Лукьянов Е.А. <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9B%D1%83%D0%BA%D1%8C%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B2,_%D0%95%D0%B2%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%90%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87&action=edit&redlink=1>, Герасимов В.А., Коротков О.Е., Носенков Д.А., Череватенко В.А. Под ред А.К. Тугенгольда. - 2-е изд., перераб и доп. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2002. - С. 162.

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ АВТОНОМНАЯ НЕКОМЕРЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Волжский университет имени В.Н. Татищева» (институт)

Больше работ по теме: