Конструирование электронного таймера

Введение. 

     Современные рыночные экономические отношения  требуют качественную и надежную продукцию, а также быстрое и  качественное предоставление услуг. Низкая стоимость и высокое надежность продукции обусловливает конкурентоспособность товара и услуг. Реализовать это не возможно без автоматизации всех сфер деятельности общества. Такое интенсивное развитие  технологий в обществе, где основным предметом труда становится автоматизация процессов производства, является следствием растущего спроса на основные орудия труда – компьютеры, интегральные микросхемы, контроллеры, и другие различные устройства осуществляющие управление технологическими процессами на производстве.

     На  сегодняшний день автоматизация  является одним из главных направлений  научно-технического прогресса. Количество и качество производимых в стране схем и устройств управления степень насыщенности вычислительной техники самых разных отраслей становится одним из основных критериев её экономического и военного потенциала.

       Универсальными средствами   автоматизации в настоящее время является компьютер и различные электронные устройства, обеспечивающие управление работой оборудования в автоматическом режиме без постоянного участия человека.

       Одним из представителей устройств  такого типа,  несомненно, является  устройства выдержки времени или электронный таймер. Электронные таймеры предназначены для установки интервалов времени, сигнализации и окончания отсчета, управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. 
 
 

           

       

       Их применение на производстве  очень целесообразно и актуально  особенно при использовании оборудования  с ЧПУ  (Частным программным  управлением) так как при небольшой  себестоимости они обладают высокими  техническими характеристиками, малым энергопотреблением.

     

     При использования  таймеров , за счет точности выдержки времени при управлении технологическим процессом  уменьшается  вероятность возникновения бракованных изделий, скорость срабатывание таймера составляет несколько микро секунд то соответственно сокращается время простоя оборудования, и как следствие увеличивается объем произведенной продукции по сравнению с аналогичным производством не использующим устройства выдержки времени.  

       Целью данного проекта является  анализ схемотехнических решений электронных таймеров, разработка структурной и принципиальной схемы цифрового таймера. По полученным в результате разработки схемам построить макет устройства и провести его испытания, подтверждающие работоспособность схемы, сравнение его с существующими на сегодняшний день аналогами, как отечественных производителей, так и зарубежных разработчиков.

     Отличительной особенностью электронного таймера  разбалтываемого в  проекте по сравнению с аналогами должно стать низкая себестоимость, высокие  показатели точности и надежности, долгий срок службы устройства. А так же быстрая окупаемость, минимальные расходы по эксплуатации, не сложная замена деталей, доступная даже специалистам среднего уровня и простая замена в случае выхода детали из строя.

В ходе данного проекта будут рассмотрены следующие задачи:

1. “Анализ функций устройств выдержки времени”, - рассматривается принцип действия цифровых и аналоговых устройств выдержки времени (УВВ).

 

2. “Разработка структурной схемы” - по результатам  анализа, будет разработана структурная схема УВВ с диапазоном выдержек от 1 до 99 условных интервалов времени.

3. “Характеристика применяемой элементной базы”- рассмотрены  основные параметры применяемых  элементов.

 

4. “Разработка принципиальной схемы” - расчет конструктивных параметров печатной платы устройства.

 
 
 

 

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Общая часть. 

1.1 Цель разработки. 

   Основной  целью создания данного электронного таймера в первую очередь является, облегчить труд персонала, освободить людей от вредной тяжелой и утомительной работы, а именно автоматизированное управление некоторыми технологическими процессами на производстве. 

1.2 Анализ использования  разработки. 
 

   Разрабатываемый электронный таймер должен найти место применения в различных отраслях промышленности, на заводах с автоматизированной технологией производства и стать не последним звеном в управлении технологическим процессом. 

1.3 Анализ методов решения проблемы.

       На сегодняшний день для отсчетов  интервалов времени и управления  технологическим процессом, существует несколько разновидностей таймеров: это и механические - таймеры, состоящие из большого набора шестеренок и взводящей пружины в которых интервалы времени отсчитывает маятник, а по окончании отсчета размыкают контакты устройства тем самым, отключая его. Электронно-механические таймеры – этот вид таймеров имеет электрическую схему управления отсчетом времени, но запускает технологический процесс уже механическое устройство.  Электронные таймеры – это последний вид таймеров они не имеют в своей конструкции механической составляющей. Если проанализировать схемы различных вариантов устройств выдержки времени (УВВ),то можно сделать вывод, что алгоритм действия устройств во всех случаях одинаковый.

  Устройство  формирует на выходе функцию,  представленную на рис.1. Здесь по оси абсцисс отложено время  t, а по оси ординат – функция состояния устройства.

Рис.1

  Если  не принимать во внимание детали  то любое УВВ (в том числе  и механическое) можно представить  в виде некоторого черного  ящика имеющего один вход и один выход. На вход поступает некоторое внешнее воздействие X(t), а на выходе формируется функция S(t). 

Рис 2.

Характер  внешнего воздействия зависит от конструкции УВВ и в каждом конкретном случае может быть различным. Что касается выходной функции то она для любой конструкции УВВ имеет одну общую деталь – она принимает только два значения, причем в одном из них она может находиться только в течении строго определенного интервала времени T.  
 
 

Обозначим эти состояния как 0 и 1. Устройство находится в состоянии 0 (пассивное состояние) до тех пор пока на его вход не поступит какое либо внешнее воздействие X(t). После этого оно переходит в состояние 1 (активное состояние). По прошествии времени T устройство возвращается в состояние 0.

       В неэлектрических УВВ работающих  по такому принципу (например  в механическом таймере) активное  и пассивное состояния могут  проявляться в различных углах  поворота управляющих рычагов,  воздействующих на исполнительные  механизмы. В электрических, УВВ функция S(t) как правило, проявляется в изменениях значений напряжения на выходе.

     Так как целью создания устройства является   автоматизированное управление некоторыми технологическими процессами на производстве, для облегчения труда персонала. Освобождения людей от вредной тяжелой и утомительной работы, а  на сегодняшний день большинство процессов управляется различными электронными устройствами, для решения поставленной цели был выбран вариант, основанный на применении только электронных компонентах без механической составляющей, то есть  «Электронный таймер». 

1.4 Обзор и  сравнение существующих изделий  (аналогов).

На сегодняшний  день на Российском рынке существует множество подобных изделий (аналогов) как отечественного, так и зарубежного производства они подобны как принципиально, так и  конструктивно. Одни из них очень точны и функциональны и их главным недостатком является высокая цена к таким устройствам относят и отечественный таймер – таймертрон S он имеет следующие характеристики:

2 однополюсных переключающих контакта

Переключение второго однополюсного переключающего контакта программируется как мгновенный контакт. 
 

Широкий диапазон применения внешним контактом.

Управляются 3-проводным бесконтактным выключателем.

Запоминающее  устройство времени (доступно) на ERS, AHS, AWS, EAS, MBS, MFS, 2 или 3 светоизлучающих диода для индикации рабочего состояния.

Подсоединение дистанционного потенциометра. Во время  подключения дистанционного потенциометра, встроенный потенциометр не функционирует.

Просты в использовании, легко регулируются, имеется шкала непосредственного отсчёта показаний для установки времени.

Маркер  для идентификации. Стоимость на Российском рынке – 3340руб.

     Другие  довольно дешевые но у них есть один на мой взгляд существенный недостаток это погрешность в отмере интервалов времени у некоторых разница в измерениях одного и того же большого интервала времени может достигать нескольких минут при повторном запуске - это связано с применением в них RC – фильтра.

Такие устройства имеют очень низкую себестоимость, и небольшую долговечность эксплуатации.

Таблица№1 – Сравнение аналогов.

 
 
 

2. Специальная  часть. 

2.1 Технические  характеристики проекта. 

Конструкция электронного таймера должна обеспечить безопасность персонала при эксплуатации изделия. Общие требования к электрической и механической безопасности согласно ГОСТ 12.2.007.0-75. Параметры устройства должны контролироваться посредством стандартных измерительных приборов, обслуживающим персоналом среднего уровня квалификации. У прибора должен быть интуитивно понятный интерфейс и органы управления, разрабатываемый таймер дожжен стать альтернативой дорогим и мощным таймерам. 

     Разрабатываемое  устройство  должно иметь следующие  технические характеристики:

Напряжение  питания, В – 220,

Максимальная  мощность подключаемого электроприбора, Вт – 600,

Ток потребления, мА – 50,

Диапазон устанавливаемого времени, сек - 1...99,

Длительность  звукового сигнала, с 5,

Размеры печатной платы, мм 45x67.