Размещено на http://www.allbest.ru/

"Разработка GSM-сигнализации"

сигнализация охранный электромагнитный плата



Реферат

Объект проекта - GSM - сигнализация

В курсовом проекте были рассмотрены схемотехническая часть (расчет номиналов элементов для функциональных узлов), конструкторская часть (расчет на надежность, вибропрочность, электромагнитную совместимость, тепловой расчет, проектирование печатной платы и расчет показателей для неё), технологическая часть (разработка технологического процесса изготовления разрабатываемого электрокардиографа) и расчет экономической целесообразности.

СИГНАЛИЗАЦИЯ, ДАТЧИК, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, АЦП, СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, КОРПУС, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС.



Abstract

The object of the project - GSM - burglar alarm

In the course project were considered part of the circuitry (calculated nominal elements to the functional units), the design part (the calculation for reliability, vibration, electromagnetic compatibility, thermal design, PCB design and calculation of parameters for it), the technological part of the (development of the technological process of developed by electrocardiograph) and the calculation of economic expediency.

ALARM SENSOR, microcontroller, ADC, voltage regulator, PCB, HULL, technological process.



Реферат

Об'єкт проекту - GSM - сигналізація

У курсовому проекті були розглянуті схемотехнічна частина (розрахунок номіналів елементів для функціональних вузлів), конструкторська частина (розрахунок на надійність, вибропрочность, електромагнітну сумісність, тепловий розрахунок, проектування друкованої плати та розрахунок показників для неї), технологічна частина (розробка технологічного процесу виготовлення розроблюваного електрокардіографа) і розрахунок економічної доцільності.

СИГНАЛІЗАЦІЯ, ДАТЧИК, мікроконтроллер, АЦП, СТАБІЛІЗАТОР НАПРУГИ, ДРУКОВАНА ПЛАТА, КОРПУС, ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПРОЦЕС.



Введение

Современные технологии позволяю создавать системы, заблаговременно предупреждающие о наступлении или приближении некоторого события. Широкое разнообразие жизненных ситуаций поднимает проблему своевременного оповещения на новый уровень. Обо всем, начиная от катаклизмов природы, несущими в себе многочисленные негативные последствия, и заканчивая приготовлением тоста, человек может быть проинформирован в определенное время, чтобы избежать неблагоприятных последствий и ускорить приближение удовлетворяющих моментов. В современном мире самое востребованное оповещение - это оповещении о незаконном проникновении в пределы частной собственности.

Ежедневно в Харькове регистрируется несколько квартирных краж. А если учесть всю Украину, то это число будет значительно больше. Не стоит упускать из виду еще тот факт, что до 2011 года количество квартирных краж только росло. Поэтому системы сигнализации будут необходимы для многих. При этом специалисты считают, что лучше, если у вас будут одновременно установлены две или более разные системы охраны, что значительно затруднит работу вора. Осознав серьезность препятствия, злоумышленник, отступит от своего дела, не желая быть замеченным.

Актуальность разрабатываемой темы работы подчеркивается повышением спроса на системы защиты, оповещения, безопасности, наблюдения за объектами недвижимости, в которых хранятся материальные ценности.

Разрабатываемое устройство (GSM-сигнализация) нацелено на широкий круг потребителей. Следовательно, оно будет доступно по своей цене для многих людей.

Разрабатываемое устройство предназначено для контроля работы датчиков (извещателей), нажатия тревожной кнопки, дозвона и передачи текстового сообщения (SMS) по каналу связи GSM в случае тревоги. Устройство может встраиваться в системы охранной и пожарной сигнализации. Устройство применяется совместно с сотовым телефоном стандарта GSM.

Данная систем может с легкостью подстраиваться под различные требования заказчика: только охранные функции, охранные функции плюс контроль параметров (температуры, освещения и т.д.). Все интерфейсы предусмотрены на плате, а выбор того или иного варианта реализуется при получении ТЗ от заказчика и прошивкой того или иного варианта программы. Если заказчик в процессе эксплуатации захочет изменить функции, то просто происходит перепрограммирование, дооснащение дополнительными внешними устройствами при необходимости и возврат системы заказчику. Универсальность системы немаловажна при выборе системы потребителем.

В качестве исходных данных для работы использован набор технических средств, в совокупности представляющих устройство сигнализации: микроконтроллер, мобильный телефон, датчики, зарядное устройство, аккумулятор.

1. Теоретическая часть

1.1 Классификация систем оповещения

Большое количество различных систем оповещения от элементарного дверного звонка до комплексной многофункциональной системы контроля предприятия площадью в несколько десятков тысяч квадратных метров с прилегающими к нему земельными территориями могут привести среднего гражданина в состояние полной неопределенности выбора. В таком случае в первую очередь необходимо обратить внимание на желания и возможности заказчика, на их соответствие и реальность воплощения. Для этой цели иметь представление о разнообразии видов, классов, групп и других градациях систем видится первоочередной задачей на этапе принятия выбора.

1.1.1 Виды систем оповещения

Сигнализация - получение, обработка, передача и представление в заданном виде потребителям при помощи технических средств информации о несанкционированном событии на охраняемых объектах.

Основные функции сигнализации обеспечиваются различными техническими средствами. Для обнаружения служат извещатели, для обработки, протоколирования информации и формирования управляющих сигналов тревоги - приемно-контрольная аппаратура и периферийные устройства.

Система пожарной сигнализации предназначена для своевременного обнаружения места возгорания и формирования управляющих сигналов для систем оповещения о пожаре и автоматического пожаротушения.

Кроме этих функций, пожарная сигнализация должна формировать команды на включение автоматических установок пожаротушения и дымоудаления, систем оповещения о пожаре, технологического, электротехнического и другого инженерного оборудования объектов.

Системы охранной сигнализации выполняют задачи своевременного оповещения службы охраны (в нашем случае, владельца) о факте несанкционированного проникновения или попытке проникновения людей в здание или его отдельные помещения с фиксацией даты, места и времени нарушения рубежа охраны.

Системы охранно-пожарной сигнализации совмещают в себе все характеристики как систем охранной, так и пожарной сигнализации.

Комплексные системы сигнализации

Для того чтобы обеспечить полную безопасность объекта необходимо определить все возможные факторы угрозы. Факторы угрозы могут быть следующими: проникновение, нежелательный пронос предметов, негласный съем информации (аудио-видео запись, компьютерные атаки и т.д.), технологические аварии (утечки воды, газа и т.д.), пожар. Исходя из этого, оптимизируя меры защиты, проектируются комплексные системы безопасности из необходимых компонентов: системы контроля и управления доступом; инженерная защита объекта; защита информации.

Системы оповещения делятся на типы по степени интеграции различными видами датчиков, контрольно-измерительной аппаратуры и периферийных устройств.

1.2 Электронные блоки систем оповещения

Система может выполнять не только функции фиксации факта проникновения, но и контролировать все остальные опасные аварийные ситуации:

- возникновения пожара;

- утечка газа;

- затопление.

Система может быть оборудована функцией срочного вызова скорой помощи, милиции и т.п. автодозвона хозяину.

Системы охранной сигнализации включают:

- датчики - чувствительные элементы, преобразующие контролируемый параметр в электрический сигнал;

- пульт-концетратор - центральное устройство системы сигнализации, выполненное на базе микропроцессора;

- исполняющие устройства - подключаются к центральному пункту при помощи проводной или беспроводной связи.

В охранных сигнализациях в качестве исполняющих устройств обычно используются:

- сирена;

- свет (мигающий или полный);

- ПК, видеомагнитофон или принтер для регистрации времени, места и характера нарушения. Большинство систем охранной сигнализации дополняются датчиками утечки газа или затопления (монтируются на полу). Датчики объединяются в зоны, именуемые шлейфами, которые охраняют определенный объект или его часть.

В охранных системах обычно используются следующие датчики:

- инфракрасные датчики движения - срабатывают при попадании в зону движущегося объекта, излучающего тепло (например, человека), отличаются зоной чувствительности (90-110 градусов), устойчивостью к ложным срабатываниям (например, на включение/отключение батарей отопления в зоне чувствительности датчиков);

- датчики разбития стекла - акустические датчики, реагируют на звон бьющегося стекла, двухпороговые датчики регистрируют звук удара по стеклу и приэтом расположение датчика может находится на расстоянии да 7,5 м от стекла;

- фотоэлектрического датчика - используются для бесконтактного блокирования пролетов, дверей, окон, проемов, коридоров и т.п., срабатывают при попытке пересечь систему лучей;

- микроволновые и ультразвуковые датчики - имеют те же функции, что и вышеперечисленные, их отличает более низкая устойчивость к ложным срабатываниям и высокие цены;

- контактные - ленты из тонкой алюминиевой фольги, которые клеятся на стекло, стену дверь и т.д., и которые рвутся при разрушении основания.

Пульт-Концетратор:

- принимает сигналы от пультов дистанционного управления и от датчиков охраняемых зон;

- могут подключаться к персональным ЭВМ для обработки и регистрации сигналов тревоги;

- могут принимать и передавать сообщения по телефонной сети через коммуникационный модуль в автономном режиме или через мобильный телефон посредством GSM технологии;

- коммуникационный модуль позволяет принимать сигнал тревоги по телефону на районном или городском пульте охраны;

- в зависимости от модели могут обслуживать как большой объект или систему построек, так и квартиру.



2. Анализ технического задания

Согласно техническому заданию необходимо разработать GSM - сигнализацию с такими параметрами:

1) Наименование, число и назначение основных частей;

Разрабатываемое в данной работе РЭС состоит из следующих основных частей:

- датчики (до 4 штук) - контролируют охраняемый периметр, в случае несанкционированного проникновения передают на микропроцессор сигнал тревоги;

-мобильный телефон - принимает от МП управляющие сигналы, для передачи на телефон владельца охраняемого участка для контроля и настройки процесса работы МП;

-микроконтроллер - ядро всего устройства, содержащее необходимую информацию в виде программного кода, записанного во встроенное ПЗУ, в котором прописан алгоритм работы системы;

-считыватель ключей - устройство, с помощью которого система сигнализации ставится/снимается в режим охрана;

2) Конструкторские требования (габариты, установочные, присоединительные размеры и др.);

РЭС должно удовлетворять: габариты устройства в собранном виде ? 200x100x60 мм;

Крепление на плоскости площадью ? 200x100x60 мм; электромагнитная защита отсутствует

3) Масса РЭС ?400 г.

4) Требования по охране окружающей среды;

Условия эксплуатации соответствуют европейским стандартам охраны окружающей среды и человека. В конце срока службы радиоэлектронного средства необходима утилизация согласно мировым стандартом и ГОСТ.

5) Требования взаимозаменяемости;

Ремонт устройства и замена вышедших из строя частей производится исключительно техническими специалистами с высшим образованием в области электронной техники.

6) Требования устойчивости к моющим средствам;

Уход за поверхность корпуса устройства осуществляется влажными моющими средствами без полного погружения во влажную среду и обязательно в выключенном состоянии.

7) Требования помехозащищенности и предотвращения выделяемых помех;

В схеме предусмотрен принцип изолирования объекта от воздействующего поля посредством вариаций материала корпуса. Таким образом, можно использовать либо принцип отражения, либо поглощения, либо комплексации воздействующего поля. Конечно, возможно повысить помехоустойчивость самого защищаемого РЭС конструкторским методом, а именно применение экранов (электромагнитное экранирование).

8) Требования к ЗИП по виду (одиночный или групповой) и составу.

К устройству прилагаются инструкции по установке, эксплуатации и настройке. Монтаж и демонтаж устройства в домашних условиях с использованием подручных инструментов производится в соответствии с указанными руководствами. Также вместе с устройством поставляется крепежное оборудование: провода, кабели, крепления, схема крепежа, крепеж, болты и гайки.

9) Показатели назначения

Устройство предназначено для приема, передачи, обработки и индикации информации. Основная цель разработки - создание универсального микропроцессорного устройства для охраны помещения и извещения о состоянии системы посредством GSM-технологий на базе мобильных телефонов Siemens с использованием последней версии микроконтроллера фирмы ATMEL.

Качество функционирования (мощность, чувствительность, разрешающая способность) зависит от типа применяемых датчиков и используемых мобильных аппаратов.

10) Требования технологичности

Допускается мелкосерийное и крупносерийное производство с группой по стоимости разработки и производства - 2 (промежуточная).

По условиям эксплуатации устройство относится к 1 группе: стационарная РЭА, работающая в отапливаемых помещениях;

Работоспособность прибора характеризуется: температурой от -40 до +40 ?С, влажностью 45 - 80% при t=25 ?С, давлением 630 -800 мм.рт.ст. и механическими воздействиями: вибрация частотой f=10…30 Гц, ускорением A=2g.

11) Требования к уровню унификации и стандартизации

Создаваемое РЭА разрабатывается согласно существующих нормативов, правил, стандартов и норм. Устройство не содержит нестандартных частей и элементов, что дает возможность создания аналогов без каких-либо дополнительных разработок и проектов. В собранном и настроенном виде прибор готов к использованию по прямому назначению

12) Требования безопасности, эстетические и эргономические, требования к патентной частоте

В данной работе не используется решения, запатентованные в России или других странах. Нормы технической безопасности при использовании и эргономично спроектированный корпус основного устройства создают конкурентно способный товарный вид РЭА.

13) Условия эксплуатации

- Условия, в которых конструкция должна быть работоспособной;

Конструкция остается работоспособной при соблюдении следующих параметров:

- Работа в отапливаемых наземных и подземных закрытых помещениях с естественной вентиляцией без кондиционирования;

- Температура от -40 до +40 ?С, влажностью 45 - 80% при t=25 ?С, давлением 630 -800 мм.рт.ст;

- Допустимые кратковременные воздействия климатических факторов;

Температура от -45 до +45 ?С не более 10 минут; влажность 30 - 85% при t=25 ?С не более 30 минут; давление 450 - 900 мм.рт.ст. не более часа.

- Механические воздействия

Вибрация с частотой f=10…30 Гц и ускорение A=2g.

- Виды обслуживания (постоянное или периодическое, необслуживаемое исполнение), необходимое количество и квалификация персонала.

Исполнение конструкции - периодически обслуживаемое (по мере появления отказов в работе). Ремонт производится одним специалистом с наличием высшего технического профессионального образования.

14) Указание к упаковке, транспортированию и хранению

При соблюдении условии эксплуатации период хранения не ограничен. Подвергается транспортировке любыми транспортными средствами при обязательной индивидуальной упаковке в плотный негнущийся материал (одно устройство - одна упаковка).

15) Требования к унификации и стандартизации

Создается согласно имеющихся европейских и российских стандартов, норм и ГОСТов.



3. Аналогичные системы оповещения

К наиболее популярными по частоте применения относятся системы охранной сигнализации с добавлением недорогих функций пожарной сигнализации.

В связи с тем, что комплексные системы сигнализации зачастую производятся по высокой цене для обеспеченных клиентов.

Цель таких систем - охрана больших по площади территорий и зданий (коттеджи, предприятия, заводы, фабрики и др.).

Но и остальные граждане нуждаются в безопасности своего имущества. Рассмотрим некоторые системы оповещения.

3.1 Страж SMS 8x6 GPS

Система "Страж SMS 8x6 GPS" (рисунок 3.1) предназначается для контроля помещений и автомобилей, а так же для управления удаленными объектами.

Рисунок 3.1 - Страж SMS 8х6 GPS

Главными особенностями этой модели являются:

– Увеличенное количество входов и выходов (7 входов датчиков, вход сигнала постановки на охрану / 4 управляемых выхода, выход индикатора состояния стража, выход включения сирены).

– Использование практически любых типов датчиков (аналоговые, цифровые (контактные)).

– Управление посредством DTMF сигналов, что даёт возможность управлять системой не только через SMS-сообщения, но и с любого телефонного аппарата, поддерживающего тональный набор, и делать это в режиме реального времени.

– Удаленный контроль и пополнение баланса средств на SIM-карте устройства.

– Возможность "интеллектуального GPS контроля" - тревога при изменении GPS координат.

– Наличие автоматического внутреннего обогрева позволяет работать при низких температурах.

– Питание от 7.5В до 30В постоянного тока или от сети ~220В (при использовании сетевого адаптера).

– Температурный диапазон -40С..+40С.

Основные преимущества «Страж SMS 8x6 GPS»:

– Простота программирования и управления.

– Тревожная информация об изменении состояния входов объекта передается в виде SMS-сообщений и звонков от данного устройства (до 3 телефонных номеров).

– Возможны SMS по запросу с телефонов абонентов для получения информации:

– об остатке средств на счету;

– о статусе устройства (состояние охраны, питания, входов и выходов управления);

– о GPS-координатах устройства (если подключен GPS-приемник).

– Возможно дистанционное управление самим Стражем и внешними устройствами, подключенными к нему DTMF-командой, позвонив на объект (управление 6 выходами исполнительных устройств).

– Возможность подключения микрофона для удалённого прослушивания помещения при срабатывании датчика (в течение 4 минут).

– Поддержка сотовых сетей GSM.

– Встроенный Li-Ion аккумулятор (до 2 суток работы при пропадании внешнего питания).

– Отсутствие жёсткой связки между возникновением события и управлением исполнительными устройствами.

– Режим длительной работы - МикроПотребляющий режим, который позволяет работать от полностью заряженного аккумулятора в течение нескольких месяцев.

– Контроль тока потребления внешними модулями и их автоотключение при неполадках в них.

Как работает система:

При срабатывании какого-либо из контролируемых датчиков, устройство дозванивается и/или рассылает SMS-сообщения по списку телефонов (до 3 номеров), предварительно записанных в SIM карту. Можно прослушать помещение в течение четырех минут (только при тревоге).

Подключаемые датчики могут быть:

– аналоговыми (выдающие напряжение из интервала 0..15 В) - датчики движения, датчики утечки газа, пожарные датчики задымления и др.;

– контактными (цифровыми) - кнопка, геркон, пожарный датчик, датчик объёма (ИК-датчик), акустический датчик.

Срабатывание датчиков контролируется независимо друг от друга, в соответствии с установками логики работы, которые располагаются в SIM-карте. Пример подключения одного из датчиков (датчика разбития стекла Pyronix) к системе "Страж SMS 8x6 GPS" представлен на рисунке 3.2.



Рисунок 3.2 - Подключение датчика разбития стекла Pyronix к «Страж 8х6 GPS»

Также, с помощью Страж SMS 8х6 GPS можно управлять 6-ю различными исполнительными устройствами посредством DTMF команд. Например, удалённо обесточить помещение.

Выходы для исполнительных устройств представляют собой электронные ключи с максимальным коммутируемым напряжением 30В и максимальным током 0,5А. Маломощные исполнительные устройства можно подключать непосредственно к этим выходам, а более мощные - только через реле. СТРАЖем контролируется состояние каждого из этих выходов.

Удаленный контроль состояния системы:

Состояние системы можно проконтролировать в любой момент, позвонив на ее номер и передав специальную команду сигналами DTMF. При этом система отсылает контрольное SMS-сообщение.

Таким образом, вы в любом момент будете знать состояние охранной системы, а в случае любой непредвиденной ситуации сразу же будете об этом оповещены. В ходе работы системы постоянно контролируются входные состояния датчиков, выходные состояния исполнительных устройств, наличие сети GSM и питающего напряжения.

Питание системы:

Страж автоматически подзаряжает встроенный аккумулятор когда к нему подключено внешнее питание (от 7.5В до 30В постоянного тока или от сети ~220В (при использовании сетевого адаптера)). При пропадании внешнего питания система питается от встроенного Li-Ion аккумулятора до 2-х суток. Схема системы рассчитана на эксплуатацию при пониженных отрицательных температурах окружающей среды (для охраны автомобиля и неотапливаемых помещений). Следует иметь ввиду, что автоматический внутренний обогрев работает только при наличии внешнего питания.

Цена: 1950 грн.

3.2 Visonic GA-1RS

GSM модуль - Visonic GA-1RS (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Visonic GA-1RS

Технические характеристики устройства:

1. встроенный GSM модем (900/1800);

2. передача цифровых тревожных извещений (например, Contact ID) на телефонный приемник (например, RC12/RC112);

3. передача речевых сообщений на 4 стационарных или мобильных телефона пользователя;

4. передача СМС сообщений на 4 мобильных телефона пользователя;

5. управление системой охраны, устройств Х10 и прослушивание обстановки в помещении;

6. удаленное программирование и чтение журнала панели арт ССБ - 003 через GSM адаптер;

7. программирование маршрутизации сообщений с панели арт ССБ - 003;

8. режимы работы: GSM резервный канал, GSM основной канал, только GSM, только СМС;

9. выбор группы отправки СМС (тревоги, неисправности, снятие/постановки и т.д.);

10. передача сообщения в случае потери связи модуля с панели арт ССБ - 003;

11. просмотр текущего уровня сигнала от базовой станции RSSI;

12. питание от PowerMax+ и/или переменного напряжения 9В, встроенного аккумулятора;

13. подзарядка аккумулятора от панели арт ССБ - 003 или сетевого адаптера;

14. потребление тока 30мА/максимум 400мА (в режиме передачи сообщений);

15. подключение к панели арт ССБ - 003 посредством RS232 (максимальное расстояние 12м);

16. диапазон рабочих температур 0...49C;

17. габариты 185х108х43 мм;

18. вес 500 гр.

Цена: 2125 грн.

3.3 Страж-GSM-M

«Страж-GSM-M» (рисунок 4.4) предназначен для охраны квартир, офисов, дач, автомобилей и других объектов охраны и осуществляет оповещение через сеть сотовой связи стандарта GSM посредством звонка на заданные телефонные номера (до 3-х номеров).

Рисунок 4.4 - Страж-GSM-M

Как работает охранная система:

Физически и «Страж GSM-M» представляет собой модифицированный сотовый телефон «Motorolla M3x88», снабженный входом для подключения датчиков (в комплект поставки входит один герконовый датчик). Возможно использование любых типов датчиков с нормально замкнутым контактным выходом. При этом все функциональные возможности телефона сохраняются.

Для увеличения эффективности охранной системы советуем уделить особое внимание скрытности расположения самого устройства. Также следует убедиться в том, что в месте установки «Стража GSM-M» уровень сигнала приема достаточен.

После срабатывания (размыкания) датчика устройство сразу производит дозвон по заданным телефонным номерам с интервалом 2 минуты. Длительность дозвона по каждому из номеров составляет 30 с. На телефонах, на которые осуществляется дозвон, предполагается наличие функции АОН. Определение АОНом номера телефона «Стража GSM-M» означает срабатывание тревожной сигнализации. Поскольку при этом нет необходимости отвечать на звонок, нет расходования средств с баланса телефона «Стража GSM-M», за исключением абонентской платы.

«Страж GSM-M» имеет ряд уникальных достоинств, отсутствующих у других систем охраны:

Практически неограниченный радиус действия. Вы можете проконтролировать свою собственность в Москве даже из Пуэрто-Рико, не говоря о Подмосковье.

Монтаж систем чрезвычайно прост: просто подсоедините датчики к телефону, включите телефон и запрограммируйте нужные номера телефонов и текст для оповещения. Никаких лишних проводов.

Телефон имеет встроенный аккумулятор, поэтому повреждение сети питания 220 В (или отключение аккумулятора автомобиля, в случае использования в качестве автомобильной сигнализации) не скажется на надежности оповещения.

«Страж GSM-M» очень экономен в использовании за счет того, что Вам не нужно отвечать на входящий звонок.

Вы можете контролировать состояние нескольких объектов, так как «Страж GSM-M» идентифицирует объект по номеру установленного на нём мобильного телефона.

Монтаж системы:

Монтаж этой охранной системы несложен. Телефон закрепляется в укромном месте так, что бы была доступна клавиатура телефона (с неё производится программирование системы, постановка и снятие с охраны), устанавливается необходимое количество датчиков и подключаются к разъёму телефона. Телефон подключается к сети 220 В через прилагаемый блок питания. Программируются номера и сообщения для оповещения.

Цена: 800 грн.

3.4 Сравнительная характеристика систем оповещения

Рассмотрим три аналога наиболее подходящих по характеристикам и функциональному назначению разрабатываемому устройству (см. табл. 3.1). Цель сравнения состоит в подтверждении факта актуальности и необходимости конечного электронного средства в потребительском сегменте рынка.

Таблица 3.1 - Характеристики прототипов

	РЭС №1	РЭС №2	РЭС №3	РЭС №4
Цена, руб.	7800	2	8500	0	3 200	4	1 050	6
События при падении питании/аккумулятора	+/+		+/+		+/+		+/+
Круглосуточный контроль входов	+		+		+		+
Дискретные датчики	+		+		+		+
Аналоговые датчики	+	6	+	6	-	0	-	0
Простота в эксплуатации	-	0	-	0	+	6	+	6
Температурный диапазон всего решения, включая GSM-терминал.	-20С...+40С	2	0С..+49С	4	-20С..+60С	6	-20С..+60С	6
Рейтинг	10		10		16		18

РЭС №1 - Страж SMS 8x6 GPS

РЭС №2 - GSM модуль - Visonic GA-1RS

РЭС №3 - Страж GSM-M

РЭС №4 - GSM-сигнализация

«+» - функция присутствует

«-» - функция отсутствует.

В таблице представлен рейтинг производимый по принципу распределения баллов от 0 (худшее значение сравниваемого параметра из предложенных) до 6 (лучшее значение сравниваемого параметра). Внизу таблицы приведены итоги сравниваемых параметров по семи балльной шкале. GSM - сигнализация не сильно превосходит Страж GSM-M. Но заметим, что РЭС №3 дороже РЭС№4, причина тому сложное изготовление устройства или уже зарекомендованная его марка на рынке.

Обратим внимание на большое число сходств и не принципиальное техническое различие рассматриваемых устройств. Не смотря на это, ценовой спектр широк для среднего класса граждан. И проектируемое устройство по соотношению функциональность/цена превосходит своих конкурентов.



4. Структура разрабатываемой GSM-сигнализации

На основе вышесказанного в настоящей работе ставится задача разработать микропроцессорное устройство, отвечающее за контроль и своевременное оповещение о наступлении того или иного события. С необходимыми для изготовления чертежами схемами по единому украинскому стандарту.

4.1 Описание охраняемого пространства

Под моделью охраняемого пространства будем понимать крытое трехкомнатное одноэтажное кирпичное здание с одной входной стальной дверью. Площадь комнат примем 4 х 5 х 2,5 м.

4.2 Состав системы

По итогам изучения видов и существующих действующих образцов систем оповещения определим состав разрабатываемой системы.

1) Центральный блок, устанавливаемый в недоступном месте и управляющий работой всей системы;

2) Считыватель ключей, со встроенным светодиодом для индикации;

3) Два ИК - датчика движения;

4) Накладной магнитно-контактный датчик для входной двери;

5) Сирена;

6) Мобильный телефон для дистанционного оповещения владельца о возникшей проблеме;

7) Аккумулятор.



4.3 Структурная схема системы

Исходя из ТЗ была разработана электрическая структурная схема охранной системы (см. рис. 4.1).

Рисунок 4.1 - Электрическая структурная схема

На рисунке 4.1 присутствуют следующие функциональные узлы охранной системы:

- А1 - блок питания, 15 В;

- А2 - мобильный телефон (Siemens C35, Siemens S35, Siemens M35, Siemens C45, Siemens S45, Siemens M45, Siemens ME45, Siemens SL45);

- А3 - считыватель ключей, со встроенным светодиодом для индикации;

- А4 - усилитель для усиления сигнала на сирену;

- А5 - микроконтроллер для управления всей системой;

- А6 - схема управления питанием, если пропадает питание от сети - происходит переключение питания на аккумулятор до появления напряжения в сети;

- А7 - схема зарядки аккумулятора;

- А8 - аккумулятор, предназначен для питания охранной системы в случаи отключения внешней сети;

- А9 - преобразователь напряжения с 12 В в 5 В для питания микроконтроллера и схемы устранения дребезга контактов;

- А10 - схема устранения дребезга контактов;

- А11 - сирена.

4.4 Работа системы

После включения питания или нажатия кнопки Reset устройство входит в тот режим, в котором было последний раз - “ожидание постановки на охрану” или “охрана”. Но если же телефон не подключен или с ним какие-то проблемы, то светодиод будет очень редко вспыхивать (горит ~0,5 сек, ~5сек пауза), пока не подключат телефон или проблема не решиться.

В режиме “ожидание постановки на охрану” устройство ждёт поднесения ключа к считывателю. Если ключ поднесли, он есть в памяти, все зоны закрыты, то светодиод моргнёт длинными вспышками три раза и устройство встанет в режим “охрана”. Если же хоть одна из зон не закрыта, то устройство моргнёт три раза короткими вспышками и не встанет в режим “охрана”. Закрытой зоной считается зона, которая закорочена на землю. Если вам не нужно все четыре зоны, то лишние должны быть тоже закрыты. Если же поднесённого ключа нет в памяти, то светодиод также моргнёт три раза.

В режиме “охрана” светодиод изредка моргает, опрашиваются все зоны на разрыв и проверяется наличие внешнего питания. При разрыве любой из зон на номера телефонов, занесённые в память мобильного телефона, отправляются СМС, поступают кратковременные вызовы и срабатывает сирена (на 5 мин.). После чего светодиод начинает быстро моргать, и устройство ожидает выхода из этого режима прикосновением ключа к считывателю, который есть в памяти. Если в этом режиме произойдёт отключение внешнего питания, то на все номера однократно придёт СМС с текстом “Otklucheno vneshnee pitanie”, а устройство, как уже было сказано, будет продолжать работу от аккумулятора. Выход из этого режима и переход в режим “ожидание постановки на охрану” произойдёт при поднесении ключа, который имеется в памяти.

На рисунке 4.1 приведен пример работы системы.

Рисунок 4.1 - Работа GSM-сигнализации

4.5 Режим программирования и настройки телефона

В этом режиме программируются ключи в память, и настраивается телефон для работы. Для начала следует стереть все СМС и номера телефонов, находящиеся в памяти телефона и на SIM карте, с которой будет работать телефон. После чего нужно создать в записной книжке от одного до трёх телефонов, на которые в дальнейшем будут поступать звонки и СМС. На этом операции с телефоном закончены.

После чего нужно войти в режим программирования устройства. Для чего нажмите кнопку But1 и, удерживая её, нажмите и отпустите кнопку Reset. Опустите кнопку But1. Светодиод на считывателе начнёт моргать: один раз вспыхнул, затем пауза и т.д. Это свидетельствует о входе в первый режиме программирования.

В первом режиме программирования заносятся ключи, которые будут использоваться в память устройства. Для занесения ключа в память, коснитесь им считывателя. Светодиод моргнёт три раза - это говорит об успешном программировании ключа в память. И так до трёх ключей. Для перехода во второй режим программирования нажмите кнопку But1, пока светодиод не перестанет моргать, после чего опустите кнопку. Светодиод на считывателе начнёт моргать: два раза вспыхнул, затем пауза и т.д. Это свидетельствует о входе во второй режиме программирования.

Во втором режиме программирования, ранее запрограммированные ключи, при поднесении их к считывателю, будут стираться из памяти. То есть всё противоположно первому режиму: в первом записывали, во втором стираем. Для перехода в третий режим программирования, так же, нажмите кнопку But1, пока светодиод не перестанет моргать, после чего опустите кнопку. Светодиод на считывателе начнёт моргать: три раза вспыхнул, затем пауза и т.д. Это свидетельствует о входе в третий режиме программирования.

В третьем режиме стираются все ключи, без поднесения их к считывателю. Для этого нажмите и удерживайте кнопку But2, пока светодиод не сделает паузу, а мотом моргнёт три раза. Это будет означать, что все ключи стёрты. Для перехода в четвёртый режим программирования, аналогично, нажмите кнопку But1, пока светодиод не перестанет моргать, после чего опустите кнопку. Светодиод на считывателе начнёт моргать: четыре раза вспыхнул, затем пауза и т.д. Это свидетельствует о входе в четвёртый режиме программирования.

Четвёртый режим программирования нужен для подготовки телефона, а конкретно, для создания в телефоне СМС, которые он потом будет отправлять. Для этого нажмите кнопку But2, пока светодиод не перестанет моргать. После чего отпустите кнопку. Устройство создаст в памяти телефона пять СМС и моргнёт светодиодом три раза. Эти СМС будут потом использоваться при работе, а именно СМС с текстом “Vzlom zvoni 1” будет отправляться при разрыве шлейфа Zona1 и т.д. Вы можете отредактировать эту (эти) СМС написав нужный текст вам, например “Vzlom Garaja”. Но только отредактировать, а не стирать и создавать новые СМС, иначе устройство не сможет работать.

И пятая СМС с текстом “Otklucheno vneshnee pitanie” будет отправляться, если в режиме охраны пропадёт питание 12 В. Устройство при этом ещё какое-то время сможет работать от аккумулятора.

Четвёртый режим программирования был последний режим программирования. Для выхода из любого режима программирования нажмите кнопку Reset.



5. Расчет схем функциональных блоков

5.1 Расчет и моделирование работы стабилизатора напряжения (А1)

Параметры устройства стабилизатора приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 - Параметры стабилизатора

Параметры	Значения
Входное напряжение, В	220
Выходное напряжение, В	15
Максимальный ток нагрузки, мА	350
Амплитуда пульсаций на выходе, мкВ, не более	10
Выходное сопротивление, Ом, не более	0,01

Источник напряжения практически для всех современных электронных схем должен обеспечивать стабильное выходное напряжение при изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Изменения напряжения источника питания могут вызвать изменения на выходе питаемой схемы, неотличимые от тех изменений, которые создаются полезным входным сигналом, а избыточное напряжение источника питания может привести к повреждению схемы. Поэтому хорошо стабилизированный источник питания постоянного тока очень сущест вен для правильной работы как линейных, так и цифровых схем.

Для реализации стабилизатора напряжения используем трансформаторную схему стабилизатора, организованную на операционном усилителе (ОУ) (см. рис. 5.1). Это вполне оправдано так общее потребление тока от сети не более 100 мА.



Рисунок 5.1 - Стабилизатор напряжения

Принцип работы приведенной на рис. 5.1 схемы заключается в следующем:

Сигнал с сети питания (F_c = 50 Гц, U_с = 220 В) попадает на понижающий трансформатор (ТП1211-13) далее на диодный мост VD1-VD4 (W10M), который разделяет положительный и отрицательный сигналы.

Конденсаторы С1, С2 являются сглаживающим фильтром, для уменьшения величины пульсаций.

Стабилитрон VD5 (1N4745A) используются для обеспечения питания операционного усилителя. Операционный усилитель DA1 - это усилитель ошибки, управляет выходом источника положительного напряжения питания. DA2 служит источником опорного напряжения (+ 5 В), которое служит для обнаружения сигнала ошибки на операционном усилителе, сравнивая его со стабилизированным напряжением на делителе напряжения R3, R4. VТ1 -- это проходной транзистор обычного стабилизированного источника положительного питания.

5.1.1 Расчет и выбор элементов схемы

Емкости С1 и С2 являются составляющими сглаживающего фильтра. Их основным предназначением является сглаживание импульсного сигнала, т.е. получение из импульсного сигнала пульсирующий сигнал с небольшими пульсациями. Рассчитываются эти номиналы из такого соотношения



С ? Т / R_н,(5.1)

где Т - период входного сигнала, Т=0.02 с;

R_н - сопротивление нагрузки, в данном случаи это сопротивление делителя напряжения R1, R2

R_н = U_пад.ст. / I_н,(5.2)

где U_пад.ст- падение напряжения на схеме стабилизации, U_VT1 = 9 В;

I_н - ток нагрузки, I_н = 0,3 А.

Подставив 5.2 в 5.1 и рассчитав значение получим - С = 666 мкФ, отсюда С?С1 = 1000 мкФ, С2 выбираем для фильтрации высокочастотных составляющих в 10000 раз меньше С1, С2 = 0.1 мкФ.

Резистор R3 используется как балластный, чтобы обеспечить номинальный ток стабилизации I_н.ст. на стабилитроне VD5. Так как стабилитрон служит для обеспечения питания операционного усилителя, то он должен обеспечивать стабилизированное напряжение, которое будет выше стабилизированного напряжения на выходе стабилизатора. Такими стабилитроном является 1N4745A с напряжением стабилизации U_ст.н = 16 В.

Номинал балластного резистора для стабилитрона определяется по такой формуле [4]

(5.3)

где U_вых - выходное стабилизированное напряжение, U_ст.н = 16 В;

U_ст.мин - минимальное напряжение стабилизации, U_ст.мин =15.2 В;

I_ст.мин - минимальный ток стабилизации, I_ст.мин = 15.5 мА;

r_ст - сопротивление стабилитрона, r_ст = 16 Ом.

После расчета формулы 5.3 - R3 = 36 Ом.

Так как DA2 служит источником опорного напряжения для схемы стабилизации, то его напряжение стабилизации должно быть меньше выходного стабилизируемого напряжения (< 15 В), чтобы делителем напряжения R5, R6 можно было установить напряжение равное напряжению стабилизации. Поэтому при выборе источника опорного напряжения нужно пользоваться следующими критериями:

- стабилизированное напряжение, U_ст = +5 В;

- первоначальная точность > 0.1 %.

Этим параметрам отвечает микросхема REF195.

Конденсаторы С3 и С4 служат для обеспечения лучшей стабилизации напряжения на выходе ADR425, С3 = 1 мкФ, С4 = 0.1 мкФ

Резисторы R5 и R6 образуют делитель напряжения, который служит для отслеживания изменения выходного стабилизированного напряжения для сравнения его с опорным напряжением со стабилитрона U_оп.

Номиналы резисторов выбирают из условия соотношения напряжений U_оп = U_R6. Из этого соотношения падение напряжения на резисторе R6 U_R6 должно быть равно 5 В, а падение напряжения на резисторе R5 должно быть U_R5 = U_вых - U_R6 = 10 В. Следовательно резисторы R5 и R6 имеют такое соотношение

В соответствии с этим соотношением были выбраны такие номиналы резисторов R5 = 2 кОм и R6 = 1 кОм.

Транзистор VT1 являtтся проходными, с их помощью реализуется стабилизация напряжения. При выборе транзисторов были рассмотренные такие их параметры как:

- максимальное напряжение коллектор-эмиттер, U_КЭmax > 200 В;

- максимальный ток коллектора, I_Кmax > 0.4 А;

Этим характеристикам соответствует такой транзистор:

VT1 - MPSA42/BSL PBF. Это кремниевый транзистор средней мощности, его основные параметры приведены в табл. 5.3:

Таблица 5.3 - Основные параметры транзистора MPSA42/BSL PBF

Параметры	Значение
Структура	n-p-n
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В	300
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэо макс),В	300
Максимально допустимый ток к ( Iк макс, А)	0.5
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	25
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк,Вт)	0.625
Корпус	ТО92

Резистор R4 - это токоограничивающий резистор, номинал которого рассчитываются по формуле [4]

(5.4)

где U_вх.мин - минимальное входное напряжение, за счет потерь на сглаживающем фильтре и делителе напряжения, U_вх.мин = 18.5 В;

U_вых - выходное стабилизированное напряжение, U_вых = 15 В;

I_уп - ток управления, рассчитывается по формуле [4]

(5.5)

Подставив все необходимые величины в формулы 5.4 и 5.5, получим такой номинал сопротивления R4 = 235 Ом.



5.1.2 Расчет характеристик стабилизатора

При использовании стабилизатора с отрицательной обратной связью (ООС) изменяется коэффициент передачи стабилизатора. Из теории обратных связей известно, что [4]:

. (5.6)

В нашем случае коэффициент передачи цепи обратной связи [4]:

,

где K_дел= 0.33;

К_U0 - коэффициент усиления операционного усилителя, К_U0 = 120 дБ = 1 000 000.

Коэффициент передачи стабилизатора [4]:

, (5.7)

где К_ст0 - коэффициент стабилизации схемы [4],

, (5.8)

где U_вх - входное напряжение, U_вх = 18.5 В;

U_вых - выходное напряжение, U_вых = 15 В;

?U_вых - амплитуда пульсаций на входе стабилизатор, ?U_вых = 10 мкВ;

?U_вх - амплитуда пульсаций на входе стабилизатор [4],

где U_вх - входное напряжение, U_вх = 24 В (после трансформатора Т1);

p - пульсационность, р = 1;

f_с - частота сигнала, f_с = 50 Гц;

R_н - сопротивление нагрузки, R_н = 30 Ом;

С - емкость конденсатора, С = 1000 мкФ;

После расчета получаем:

- ?U_вх =2.4 В;

- К_ст0 = 150 000;

- К_стоос = 3.03•10^-6_.

Таким образом, введение в цепь обратной связи операционного усилителя позволяет существенно повысить качество выходно го напряжения стабилизатора. Учитывая также, что цепь ООС в стабилизаторе напряжения является связью по напряжению, выходное сопротивление стабилизатора с усилителем в цепи ООС уменьшается примерно в раз, что значительно снижает коэффициент нестабильности выходного напряжения по току нагрузки.

При выборе операционных усилителей для данного ФУ нужно мотивироваться такими критериями:

- напряжение смещения, V_os < 100 мкВ;

- ток смещения, I_bias< 10 нА;

- полоса пропускания, f_пр > 1 кГц;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала, CMRR > 120 дБ;

- напряжение питания, V_cc = +16 В;

- ток потребления, I_cc < 3 мА;

- рабочий диапазон температур, Т_а = -40…+60 ⁰С.

Заданным параметрам соответствуют операционные усилители приведенные в табл. 5.4.

Таблица 5.4 - Операционные усилители

Исходя из табл. 5.4 для данного ФУ наиболее подходящим ОУ является одно канальный операционный усилитель OP177G фирмы Analog Devices. Этот операционный усилитель обладает такими характеристиками:

- напряжение смещения, V_os = 25 мкВ;

- ток смещения, I_bias= 2 нА;

- полоса пропускания, f_пр = 0.6 МГц;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала, CMRR = 140 дБ;

- усиление, 120 дБ;

- напряжение питания, V_cc = 6 … 36 В;

- ток потребления, I_cc = 2 мА;

- рабочий диапазон температур, Т_а = -40…85 ⁰С.

Результаты моделирования этого функционального узла в программном пакете Electronic Workbench приведены на рис. 5.2.



1 - Сигнал на выходе сглаживающего фильтра

2 - Стабилизированное напряжение на выходе ФУ

Рисунок 5.2 - Результат моделирования

5.2 Расчет усилителя для сирены

Используемая сирена Lightak LD-95 (см. рис. 5.3) имеет следующие характеристики:

- напряжение питания +12 В;

- ток потребления 250 мА.

Так как микроконтроллер не может выдать с своего порта ток больше 20 мА, то можно использовать сигнал от МК для пропускания большого коллекторного тока (см. рис. 5.4).

Рисунок 5.3 - Сирена Lightak LD-95



Рисунок 5.4 - Подключение сирены

На рисунке 5.4 представлена схема подключения сирены.

5.2.1 Расчет номиналов схемы усиления тока (А4)

Для начала выберем транзистор. Он должен отвечать таким требования:

- максимальное напряжение коллектор-эмиттер, U_КЭmax > 12 В;

- максимальный ток коллектора, I_Кmax > 0.25 А;

Этим характеристикам соответствует такой транзистор:

VT1 - 2SD2144. Это кремниевый транзистор средней мощности, его основные параметры приведены в табл. 5.5:

Таблица 5.5 - Основные параметры транзистора 2SD2144

Параметры	Значение
Структура	n-p-n
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В	25
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэо макс),В	20
Максимально допустимый ток к ( Iк макс, А)	0.5
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	820
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк,Вт)	0.3
Корпус	SC72



Резистор R_b - это токоограничивающий резистор, номинал которого рассчитываются по формуле [4]

(5.9)

где U_к-э - напряжение коллектор - эмиттер, U_к-э = 12 В;

I_уп - ток управления, рассчитывается по формуле [4]

(5.10)

I_н - ток нагрузки, I_н = 250 мА.

Подставив все необходимые величины в формулы 5.9 и 5.10, получим такой номинал сопротивления R_b = 4 кОм.

Резистор R_к - это резистор обеспечивающий необходимый ток для сирены, его номинал находится по формуле

(5.11)

R_к = 48 Ом.

5.3 Расчет схемы зарядки аккумулятора (А7)

Схема используется такая же как и для включения сирены, но только напряжение коллектор - эмиттер U_к-э = 15 В.

По формулам 5.9 - 5.11 рассчитаем номиналы резисторов:

R_b = 5 кОм;

R_к = 60 Ом.



5.4 Расчет преобразователя напряжения 12 В в 5 В (А9)

Преобразователь напряжения построен на микросхеме стабилизаторе напряжения REF192. Схема включения приведена на рис. 5.5.

Рисунок 5.5 - Схема включения стабилизатора REF195

5.5 Расчет схемы устранения дребезга контактов для нормально-замкнутых датчиков

Схема включения контактного датчика с нормально разомкнутыми контактами показана на рис.5.7,а. "Дребезг" его контактов, возникающий при замыкании, показывает диаграмма, изображенная на рис.5.7,б. Присоединив такой датчик ко входу С счетчика, показанный штриховыми линиями, то при замыкании в счетчик "запишется" не одна логическая единица, как хотелось бы, а то значение, которое будет соответствовать числу электрических колебаний оказавшемся в том или ином "дребезговом пакете". Такая неоднозначность недопустима в устройствах охранной сигнализации.

Рисунок 5.7 - Схема включения контактного датчика с нормально-разомкнутыми контактами



Избежать недостаток, описанный выше, возможно применив электронный формирователь, схема которого показана на рис.5.8. Формирователь выполнен в виде одновибратора, переключающийся в новое состояние при появлении первого же спада напряжения в "дребезговом пакете" импульсов. Время нахождения формирователя в этом состоянии -- tф = R3*C2 -- должна быть больше максимальной продолжительности "дребезга" контактов (tдр макс).

Рисунок 5.8 - Устранение дребезга контактов с помощью одновибратора

Номиналы элементов следующие [11]:

R1 = 1 кОм;

R2 = R3 = 100 кОм;

С1 = C2 = 0,1 мкФ.

5.6 Расчет схемы управления питанием

Принцип работы данной схемы (см. рис. 5.9) основан на том, что микроконтроллер осуществляет слежение присутствия напряжения от сети питания и если оно есть, то вся схема питается от этой сети, а если по какой-то причине исчезло напряжение сети - схема питается от аккумулятора.



Рисунок 5.9 - Схема управления питанием охранной системы

Используется электромагнитное реле (PE014005) управляемое микроконтроллером.

Расчет номиналов резисторов произведен учитывая соотношение

(5.12)

где U_вх и U_вых - входное и выходное напряжение делителя соответственно, для R1 и R2 - U_вх = 15 В, U_вых = 12 В, для R3 и R4 - U_вх = 12 В, U_вых = 5 В: