Микроконтроллерная система охранной сигнализации

- относительно низкая себестоимость микросхем драйверов, что снижает стоимость аппаратной реализации;

- микросхемы драйверов имеют малые габаритные размеры;

- современные микросхемы имеют достаточно низкое энергопотребление, многие из них при отсутствии активности в сети автоматически переходят в режим экономии, что снижает энергопотребление системы;

- современные микросхемы драйверов имеют повышенную нагрузочную способность;

- в настоящее время выпускаются микросхемы с высокой предельной скоростью передачи;

- драйверы интерфейса RS485 имеют достаточно простое управление.

В заключение следует отметить, что в настоящее время происходит интенсивное развитие микроэлектронной базы, поэтому приведенный анализ может быть существенно расширен.

4. Разработка функциональной схемы устройства охранной сигнализации

4.1 Микропроцессорный блок

Разработку устройства охранной сигнализации произведем на основе структурной схемы, показанной на рис. 2.6. Определим микропроцессорный блок. В качестве основного компонента устройства охранной сигнализации по данным разд. 3 выбираем МК, который должен удовлетворять следующим требованиям: разрядность МК не ниже 12; высокая скорость работы; 32 Кбайт Flash памяти; низкое потребление электропитания; наличие USB интерфейса; поддержка ШИМ. Этим требованиям удовлетворяет известный МК AtmelAT91SAM7S321 [10]. Рассмотрим характеристики МК AT91SAM7S321.

Процессор ARM7TDMIARMThumb МК AT91SAM7S321 обладает 32-разрядной RISC-архитектурой, имеет набор 16-разрядных инструкций, встроенное ядро внутрисхемной эмуляции, поддерживает отладочный коммуникационный канал. У МК AT91SAM7S321 есть внутренняя флэш-память, 32 Кбайт памяти, 256 страниц по 128 байт, однотактный доступ при частоте до 30 МГц. МК обладает буфером, упреждающим выборки для оптимизации выполнения Thumb-инструкций на максимальной тактовой частоте. Длительность программирования страницы составляет 6 мс, существует автоматическое стирание страницы, время полного стирания составляет 15 мс. В МК 10000 циклов записи, сохранность данных в течение 10 лет, возможность блокировки секторов, бит защиты флэш-памяти. МК имеет интерфейс быстрого программирования флэш-памяти для высокосерийного производства. У МК внутреннее высокоскоростное статическое ОЗУ (8 Кбайт), однотактный доступ при максимальном быстродействии.

В архитектуру МК также входят:

- контроллер памяти (МС), контроллер встроенной флэш-памяти, информирование об аварийном прекращении операции и детекция отклонений;

- контроллер сброса (RSTC) _ сброс при подаче питания и сброс при снижении напряжения ниже калиброванного порога, обработка внешнего сигнала сброса и формирование информации об источнике сброса;

- контроллер управления потреблением (РМС) с программной оптимизацией потребления путем снижения тактовой частоты до 500 Гц и перевода в режим холостого хода, а также имеющий три программируемых внешних сигнала;

- тактовый генератор (CKGR); имеется встроенный генератор 3,20 МГц и одна схема ФАПЧ; расширенный контроллер прерываний (AIC):

- индивидуально-маскируемые векторизованные источники прерываний с 8 уровнями приоритетов; два внешних прерывания и один источник быстродействующего прерывания, защита от ложных прерываний.

- блок отладки (DBGU) в виде 2-проводного УАПП с поддержкой прерывания по отладочному каналу, имеется программируемое предотвращение доступа со стороны ВСЭ;

- таймер периодических интервалов (PIT): 20-разрядный программируемый счетчик, 12-разрядный счетчик интервалов; сторожевой таймер с оконной организацией (WDT);

- программируемый счетчик, защищенный 12-разрядным ключом; формирует сигналы прерывания или сброса; счетчик может быть остановлен, когда процессор находится в состоянии отладки или режиме холостого хода;

- таймер реального времени (RTT): 32-разрядный циклический счетчик с сигнализацией; работа от встроенногоRC-генератора; один контроллер параллельного ввода-вывода (РЮА); 32 программируемые линии ввода-вывода, мультиплексируемых с 2 периферийными устройствами ввода-вывода;

- поддержка прерывания по изменению состояния на каждой линии ввода-вывода;

- возможность раздельной программной конфигурации: открытый сток, подтягивающий резистор и синхронизированный выход;

- один полноскоростной порт устройства USB2.0 _ встроенный трансивер, интегрированные конфигурируемые буферы FIFO размером 328 байт;

- один синхронизированный последовательный контроллер (SSC): раздельные сигналы тактирования и синхронизации посылки для каждого приемника и передатчика; поддержка аналогового интерфейса 12S, поддержка мультиплексирования с разделением по времени; высокоскоростной непрерывный поток данных с 32-разрядным форматом данных;

- два универсальных синхронных/асинхронных приемо-передатчика (УСАПП): раздельные генераторы скорости связи, инфракрасная модуляция/демодуляция IrDA; поддержка смарт-карт IS07816 Т0/Т1, аппаратное подтверждение установления связи, поддержка RS485; полный модемный интерфейс УСАПП 1;

- один последовательный интерфейс SPI с поддержкой ведущего/подчиненного режимов: программируемая длина данных 8-16 бит, четыре выхода выбора микросхем; два ШИМ-генератора, режим захвата, прямой/обратный счет; - один четырехканальный 16-разрядный ШИМ-контроллер (PWMC); один двухпроводной интерфейс (TWI), в котором поддержка только ведущего режима, поддерживаются все двухпроводные последовательные ЭСГГПЗУ компании Atmel; один 8-канальный 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь, четыре канала мультиплексированы с цифровым вводом-выводом;

- загрузочный помощник SAM-BA: загрузочная программа по умолчанию; графический пользовательский интерфейс SAM-BA; граничное сканирование в соответствии со стандартом IEEE 1149/1 JTAG на всех цифровых линиях ввода-вывода;

- ввод-вывод, совместимый 5 В-ми уровнями, в том числе 4 сильноточных выхода с нагрузочной способностью каждого до 16 мА.

Источники питания МК АТ91SAM7S321: встроенный стабилизатор 1,8 В/100 мА для питания ядра и внешних компонентов; питание линий ввода-вывода 3,3 В или 1,8 В (VDDIO), отдельное питание 3,3 В флэш-памяти (VDDFLASH); напряжение питания ядра VDD=1,8B с учетом работы детектора снижения питания. Обеспечивается полностью статическая работа в диапазоне частот до 55 МГц при наихудших рабочих условиях (напряжение питания 1,65 В и температура +85 °С).

В состав системного контроллера МК AT91SAM7S, структурная схема которого представлена на рис. 4.1 входит контроллер сброса, который управляет последовательностью действий при подаче питания микроконтроллера и всей системы. Контроль за корректностью работы МК выполняют детектор снижения напряжения питания и сторожевой таймер. От работы микропроцессорного блока зависит надежность и быстродействие всей системы.

Для уменьшения соединительных линий МК и блока индикации, можно использовать расширитель порта SPI. В качестве расширителя SPI лучше всего взять самый распространенный и самый надежный расширитель, для того чтобы в случае выхода его из строя можно было легко заменить в короткие сроки.

Возьмем расширитель от производителя TexasInstruments, модель SN74HC595, изображение которого приведено на рис. 4.2. Эта интегральная схема имеет мощные (15 mA) выходы, аппаратный сброс и вывод расширения, что позволяет контролировать состояние выходов при включении/выключении питания. Имеется возможность каскадирования нескольких интегральных схем.



Рисунок 4.1 - Структурная схема AT91SAM7S

Рисунок 4.2 - Расширитель портов микроконтроллера

4.2 Блок индикации

Блок индикации расположен на корпусе устройства и представляет собой 16 светодиодов, которые служит для наглядного отображения состояния системы сигнализации (установленные на охрану датчики, сработавшие датчики). Постановленные на охрану датчики отображаются светодиодным индикатором зеленого цвета, если есть сработавший датчик, то светодиод данного датчика не светится. Блок индикации состоит из: 4-х регистров, 16-ти инверторов с открытым коллектором и повышенной нагрузочной способностью, выполненных на трёх микросхемах К155ЛН2, 1 шестнадцати - светодиодов АЛС307 зеленого цвета и шестнадцати токоограничивающих резисторов МЛТ0125.

Светодиоды сформированы в 4 группы по 4 светодиода и подключаются к регистрам DD5-DD8, как и датчики к расширителю ввода - вывода. Адрес сработавшего датчика, сразу посылается в нужный регистр и нужный светодиод (соответствующий сработавшему датчику) гаснет. Так осуществляется индикация, сразу дающая наглядное представление о состоянии системы.

4.3 Клавиатура

Клавиатура предназначена для ввода пароля, т.е. постановки на охрану и снятия с охраны устройства сигнализации, а также для программирования устройства (смены пароля пользователя). В разрабатываемом устройстве клавиатура _ набор из 10-ти кнопок, выполненных в виде матрицы линий 34 (на пересечении которых находятся кнопки), подключенных к порту Р1 МК. Три линии Р1.0 - Р1.2 порта Р1 используются для сканирования, а четыре линии Р1.4 - Р1.7 порта Р1 - как линии опроса. На линиях сканирования установлены диоды, обеспечивающие защиту от замыкания между собой сканирующих линий в случае одновременного нажатия более чем одной клавиши.

Процедура ввода кода нажатой клавиши состоит из последовательности частных процедур: сканирования матрицы клавиш, устранения дребезга контактов, ожидания освобождения клавиши и идентификации кода нажатой клавиши. Для некоторого тина клавиатур может отсутствовать процедура устранения дребезга контактов (клавиатуры на основе герконов). Процедуру сканирования иногда совмещают с идентификацией. Частная процедура сканирования служит для обнаружения нажатой клавиши и ее идентификации. Процедура сводится к поочередному обнулению каждой из линий сканирования и опросу линий возврата. В порт 1 выдается байт сканирования (БС), содержащий 0 только в одном бите.

Если на пересечении линии сканирования и линии возврата находится нажатая клавиша, то в соответствующем бите байта возврата (БВ), принимаемого в порт 2, будет находиться 0. Последовательность байтов сканирования представляет собой код «бегущий нуль»; формирование очередного байта сканирования осуществляется путем сдвига его предыдущего значения. Направление сдвига определяет последовательность опроса клавиш. Если при полном цикле сканирования не было обнаружено нажатой клавиши, то процедура сканирования повторяется сначала.

В разрабатываемом устройстве устанавливаются две кнопки: 1-я кнопка подключается к выходу INT МК (кнопка постановки и снятия устройства с охраны), 2-я кнопка подключается к выходу Т1 МК (кнопка программирование).

4.4 Блок управления оповещателями

Блок управления оповещателями (БУО) предназначен для включения (подачи напряжения +12 В) сирены и мигалки. БУО состоит из двух реле, двух силовых ключей на транзисторах VT1, VT2 подключенных через два буферных элемента DD12.2, DD12.3 к порту Р2.5, Р2.6 микропроцессора.

Для управления оповещателями используются нормально - замкнутые контакты реле. В нормальном состояние реле включены, контакты разомкнуты, при срабатывании датчика или при пропадании питающего напряжения реле отключаются и включают оповещатели.

4.5 Блока питания

В системах сигнализации большое внимание уделяется обеспечение электропитанием всех частей, входящих в систему. Никакой эффективной охраны не может быть, если система электропитания будет блокирована. Поэтому питание должно быть, как от сети, так и автономным (от аккумулятора). Блок питания должен обеспечивать ток не менее значения 1 А. Принципиальная схема блока питания приведена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 - Принципиальная схема блока питания

Блок питания состоит из силового трансформатора ТR1 220/12В, выпрямительного моста на диодах VD1 - VD4, сглаживающих емкостей С1, С2, интегрального стабилизатора DA1. Для аварийного питания служит аккумулятор BA1 подключенный через токоограничивающий резистор R1.

4.6 Блок оперативной сигнализации

Для оперативной сигнализации работы устройства сигнализации служит пьезоэлектрический излучатель подключенный через буферный элемент DD12.1 подключенный к порту микропроцессора Р2.4. С помощью данного выдаются звуковые сигналы нажатия клавиш, сигналы постановки - снятия с охраны, неправильного набора кода и готовности устройства к работе.

4.7 Принципиальная схема устройства охранной сигнализации

Принципиальная схема представлена на рис. 4.4. Требования к принципиальной схеме - электрическая совместимость с элементами TTL, питание от источника +5 или +12 В; низкое энергопотребление.

Для питания принципиальной схемы используется источник питания напряжением 12 В. Схема защищена от перепадов напряжения и потребляет ток не более 1А, мощность 4Вт.

К устройству охранной сигнализации подключаются шестнадцать общих нормально замкнутых датчиков, причем, один датчик крепится внутри корпуса (для защиты от вскрытия). Один датчик подключается к линии Т0 микроконтроллера и используется как датчик входной двери, а потому имеет особый приоритет. Все шестнадцать датчиков сформированы в 4 группы по 4 датчика, а каждая группа подключена к порту расширителя ввода - вывода Р4, Р5, Р6, Р7 соответственно.

Цепь каждого датчика проходит через переключатель, который обеспечивает отключение неиспользуемых линий и подключение логической единицы для избегания ложного срабатывания.

Обработка сигналов, поступающих от датчиков, происходит следующим образом: микроконтроллер сканирует состояние датчиков на 0, если таковой имеется, формируется адрес этого нуля. Адрес нуля через порт микроконтроллера передается в регистры блока индикации, вследствие чего светодиод сработавшего датчика гаснет. Одновременно с этим формируется сигнал, который подается на линии Р2.7, Р2.6, Р2.5 порта Р2 микроконтроллера. Сигнал на линию Р2.7 отправляет импульс на предполагаемы пульт охраны, сигналы на линии Р2.6 и Р2.5 включают извещатели.

В системах сигнализации большое внимание уделяется надежности. Чтобы пользователь мог определить состояние своей системы, не вышел ли какой-нибудь элемент из строя, необходимо ввести в систему возможность контроля работоспособности.

Рис. 4.4 -Принципиальная схема устройства охранной сигнализации

Самый простой вариант обеспечения контроля системы - это поставить объект на охрану и нарушить одну из охраняемых зон. Но эта процедура требует затрат времени, ведь нельзя же каждый раз, когда объект ставится на охрану сначала нарушать одну из зон, а уж потом ставить объект на охрану. Необходимо обеспечить самотестирование системы перед постановкой объекта на охрану. Эта функция в разрабатываемом устройстве реализуется программно.

При постановке объекта на охрану МК поочередно опрашивает датчики системы. Пользователь может визуально проконтролировать функционирование каждой из зон. Если какой-то из датчиков вышел из строя, то светодиодный индикатор данной зоны не загорится. Динамик выдаст звуковой сигнал ошибки, оповещая тем самым о неисправности.

Далее человек проверяет неисправную зону, закрывает окна и двери (если они открыты) либо заменяет неисправный датчик. После этого снова происходит опрос и если все работает, то объект ставится на охрану.

5. Технико-экономическое обоснование работы

5.1 Анализ рынка и маркетинговое исследование

В ВКР, разработано многофункциональное перепрограммируемое устройство охранной сигнализации.

Устройство охранной сигнализации работает с любым типом тревожных и пожарных датчиков. Устройство реализовано на однокристальном микроконтроллере AT91SAM7S, для его изготовления взяты дешевые элементы, что делает устройство недорогим и доступным. Устройство предназначено для охраны небольших офисов, подсобных помещений, гаражей, квартир, дач и т.д. Устройство привлекает внимание акустическими и световыми сигналами и посылает импульс на пульт охраны. Устройство позволяет расширять количество охраняемых зон и применять более дорогие извещатели.

Исследования рынка показали, что основным потенциальным потребителем данного вида товара будут частные лиц, которые будут использовать данное устройство для охраны квартир, дач, гаражей. Потребителями могут быть различные мелкие промышленные предприятия, фирмы, магазины, школы.

5.2 Выбора аналога

В качестве аналога возьмем устройство охранной сигнализации фирмы «МастерКИТ» NS173. Область его применения - дом, дача, магазин, склад. Охранная сигнализация NS173 может использоваться с двумя типами датчиков: нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми. Для экстренного включения сигнализации есть тревожная кнопка. В устройстве есть автоматическая подача резервного питания при отключении сетевого напряжения, регулировки времени включения/выключения, задержки срабатывания сигнализации, интервала повторного включения, продолжительности звучания сирены. Для работы системы необходим сетевой трансформатор 220В/10В. Мощность трансформатора и тип аварийного аккумулятора зависит от мощности используемой сирены. В табл. 5.1 приведены технические характеристики устройства охранной сигнализации фирмы «МастерКИТ» NS173.

Таблица 5.1 - Технические характеристики устройства NS173

Полная емкость сигнализатора, количество лучей	От 10 до 50
Время выхода персонала с объекта после сдачи сигнализатора на пульт и восстановления целостности шлейфа	5-15с
Напряжение питания	220/10В
Потребляемая мощность	6В
Потребляемый ток	2А

5.3 Расчет интегрального технического показателя качества

В табл. 5.2 приведено сопоставление основных критериев сравнения по десятибальной шкале устройства охранной сигнализации NS173 (данные технического паспорта) и устройства, разработанного в ВКР.

Расчет интегрального технического показателя качества происходит по формуле [13]:

,(5.1)

где: А_i - выставленные экспертами баллы (оценка) за значения i-го параметра оценивания;

В_iр и В_iа - весовые коэффициенты оценивания (одинаковые для разработанной системы и аналога).

Таблица 5.2 - Сопоставление технических критериев

Параметр оценивания	Весовой коэффициент	Аналог	Разработка
		Числовое значение	Баллы	Числовое значение	Баллы
Вероятность обнаружения нарушителя	0,2	0,96	1,92	0,96	1,92
Вероятность саботажа (блокировки системы)	0,15	0,05	0,0075	0,05	0,0075
Возможность перепрограммирования	0,15	0	0	1	0,15
Простота монтажа	0,1	5	0,5	9	0,9
Количество выводов на датчики	0,1	12	1,2	16	1,6
Наличие резервного питания	0,1	0	0	1	0,1
Защита паролем	0,2	0	0	1	0,2
Итого	1		3,6275		4,8775

Интегральный показатель качества разрабатываемого устройства по сравнению с базой сравнения: K_н =I_Т1/I_Т2, будет равен:

K_i=4,8775/3,6275=1,34.

Поскольку K_i>1, то разработанное устройство лучше существующего аналога.

5.4 Расчет затрат на этапе проектирования

Под проектированием будем понимать совокупность работ, которые необходимо выполнить, чтобы разработать устройство охранной сигнализации и тем самым решить поставленную задачу.

Для расчета затрат на этапе проектирования определяют продолжительность каждой работы, начиная с составления технического задания (ТЗ) и до оформления документов включительно.

Продолжительность работ рассчитываем по формуле [13]:

(5.2)

где t₀ - ожидаемая продолжительность работ;

t_min и t_max - соответственно наименьшая и наибольшая, по мнению эксперта, продолжительность работ.

Данные расчета ожидаемой продолжительности работ сведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3- Длительность работ на этапе проектирования

№ п/п	Этапы работ	Длительность этапов (дни)
		tmin	tmax	t0
1	Разработка ТЗ	1	3	2
2	Анализ ТЗ и работа с источниками	1	3	2
3	Разработка структурной схемы	2	5	3
4	Разработка функциональной схемы	3	5	4
5	Разработка принципиальной схемы	4	6	5
6	Выбор элементов	2	4	3
7	Выбор печатной платы	2	4	3
8	Распайка печатной платы	5	7	6
9	Оформление пояснительной записки	2	4	3
	Итого:			31

Для определения продолжительности этапа проектирования Т_П по данным (табл. 5.3) построим график организации работ по времени (рис. 5.1).

Рисунок 5.1- Линейный график работ

Длительность всего этапа выполнения ВКР составляет 31 день, что соответствует времени, отведенному на подготовку работы по учебному плану специальности.

Капитальные затраты на этапе проектирования К_п рассчитаем по формуле [13]:

K_п = Z_п + M_п + Н_п + S, (5.3)

где: Z_п - заработная плата проектировщика задачи на всех этапах проектирования; M_п - затраты на использование ЭВМ на этапе проектирования; Н_п - накладные расходы на этапе проектирования; S - расходы на содержание зданий (5 000).

Одним из основных видов затрат на этапе проектирования является заработная плата проектировщика, которая рассчитывается по формуле [13]:

Z_п=z_дТ_п(1+а_с/100)(1+а_п/100), (5.4)

где: Z_п - дневная заработная плата разработчика на этапе проектирования (из расчета 12 000 в месяц);

а_с - процент отчислений на социальное страхование (30,2%);

а_п - процент премий.

Тогда:

Z_п=54531(1+0,302)(1+0,1)=24 197,02 руб.

Затраты на использование машинного времени состоят из расчетов за процессорные (при работе в сети) и дисплейное время. Формула для расчетов затрат на использование ЭВМ на этапе проектирования имеет вид:

М_п = c_мt_м,(5.5)

где: с_М - стоимость 1 часа машинного времени;

t_М - необходимое для решения задачи машинное время (час).

Пусть: С_М=25, t_м=25 дн.4ч.=100 ч, t_р - время, требуемое на работу с ПЭВМ, t - количество часов работы с ПЭВМ в день. Получим М_П=25100=2 500 руб.

Накладные расходы составляют 120% от заработной платы персонала, занятого эксплуатацией системы, и вычисляются по формуле:

Н_П=(Z_П 120)/100,(5.6)

Н_П=(24 197,02120)/100=29 036,4 руб.

По формуле (5.3) рассчитаем капитальные затраты:

К_п=24 197,02+2 500+29 036,4 +5 000=60733,42 руб.

5.5 Стоимостная оценка разработки

Задачей ценообразования будет завоевание рынка по комплексным показателям устройства охранной сигнализации. Стоимостная оценка разработки потребует разбиения всех затрат при изготовлении устройства охранной сигнализации на следующие составляющие [13]: затраты на сырье и основные материалы; затраты на покупные изделия; основная заработная плата производственных рабочих; накладные расходы, внепроизводственные расходы.

Затраты на сырье и материалы технического назначения определяются исходя из норм расхода в действующих ценах на единицу устройства охранной сигнализации.

Для проектируемой системы стоимость сырья, материалов, их нормы расхода приведены в табл. 5.4.

Смета затрат на покупные элементы системы приведена в табл. 5.5.

Расчет основной заработной платы производственных рабочих показан в табл. 5.6. При расчете основной заработной платы производственных рабочих использованы усредненные расценки стоимости работ в целом по отрасли «Машиностроение».

Таблица 5.4 - Стоимость сырья, материалов и нормы их расхода

Наименование	Ед. изм.	Цена за ед. руб.	Кол-во	Ст-ть руб.
П/плата	дм2	1970	1,0	1 970
Припой ПОС-61	кг	5 000	0,2	1 000
Флюс	кг	2 000	0,07	140
Лак	кг	1 000	0,03	300
Спирт этиловый	л	600	0,01	60
Итого	3 470
Транспортно-заготовительные расходы - 10%				347
Итого стоимость сырья, материалов	3 817

Таблица 5.5 - Расчет стоимости покупных изделий

Наименование	Ед. изм.	Кол-во	Цена за ед. руб.	Общая цена
Микросхемы	шт
МК1816ВЕ35		1	3 000	3 000
КР580ИР85		1	450	450
КР580ВР43		1	300	300
К573РФ5		1	400	400
К555ИР15		4	100	400
К155ЛН2		4	100	400
Резисторы	шт
МЛТ0125		60	20	1 200
МЛТ025		2	40	80
Транзисторы КТ815	шт	2	100	200
Диоды: АЛС307	шт	16	30	480
КД521		4	50	200
Конденсаторы КМ68	шт	3	50	150
Реле РЭС 9 6В	шт	2	300	600
Кварцевый резонатор РК353	шт	1	400	400
Корпус	шт	1	1000	1 000
Кнопка PSW-4	шт	12	50	600
Итого				8 860
Транспортно-заготови-тельные расходы - 10%				886
Итого				9 746

Трудоемкость и перечень видов работ установлены экспертным путем исходя из конструктивных и технологических особенностей разработки устройства охранной сигнализации.

Таблица 5.6 - Расчет основной заработной платы производственных рабочих

Вид работ	Трудоемкость, часов	Часовая ставка	Сумма, руб.
Монтаж элементов	12	50	600
Регулировочные	32	70	2 240
Сборочные	16	50	800
Технический контроль	6	70	480
Общая ОЗП	4 120
Дополнительная ЗП (10% от ОЗП)	412
Отчисления на социальные нужды (34,2% от ОЗП+ДЗП)	1 543,1
Итого:	6 075,1

Накладные расходы определены в процентном отношении к основной заработной плате производственных рабочих, исходя из конструктивных и технологических особенностей разработки следующим образом: расходы на содержание и эксплуатацию оборудования - 140 %; цеховые расходы - 50 %; общезаводские расходы - 100 %. Внепроизводственные расходы принимаем в размере 5% к производственной себестоимости. В табл. 5.7 приведена калькуляция полной себестоимости устройства управления.

Таблица 5.7- Калькуляция полной себестоимости устройства

Наименование статьи калькуляции	Сумма, руб.
1. Сырье и материалы	3 817
2. Покупные комплектующие изделия	9 746
Итого, прямые материальные затраты:	13 563
3. Основная заработная плата	4 120
4. Дополнительная заработная плата (10 %)	412
5. Социальные отчисления (30,2%)	1 543,1
Итого прямые трудовые затраты:	6 075,1
6. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (140 %)	8 505,14
7. Цеховые расходы (50 %)	3 037,55
8. Общезаводские расходы (100 %)	6 075,1
Итого, накладные расходы:	9 919,79
Производственная себестоимость	29 528,89
9. Внепроизводственные расходы (5 %)	1 476,44
Полная себестоимость	31 005,33

Выбранный метод ценообразования:

«цена = себестоимость + норма прибыли».

Исходя из назначения и области применения устройства охранной сигнализации, определим величину прогнозируемой прибыли в размере 12 % к полной себестоимости, выбрав стратегию - завоевание доли рынка и максимизацию прибыли.

Размер налога на добавленную стоимость (НДС) определяем, как 13% от продажной цены разработки за вычетом уже уплаченного НДС по приобретенным материалам и комплектующим для изготовления устройства охранной сигнализации.

В табл. 5.8 приведен расчет возможной рыночной цены.

Таблица 5.8 - Определение возможной рыночной цены

Наименование статьи калькуляции	Сумма, руб.
Полная себестоимость	31 005,33
Закладываемая прибыль (12 %)	3 720,64
Итого, продажная цена без НДС	34 725,97
НДС, за вычетом уплаченного НДС по приобретенным материалам и комплектующим (13 %)	2 751,18
Итого, продажная цена с НДС	37 477,15

Для определения экономической эффективности внедрения разработки необходимо рассчитать эксплуатационные расходы.

5.6 Расчет эксплуатационных расходов

При определении экономической эффективности новых изделий необходимо установить размер расходов на эксплуатацию этих изделий в сфере потребления. Эксплуатационные расходы включают в себя статьи затрат: амортизационные отчисления, расходы на электроэнергию, затраты на гарантийное обслуживание, заработную плату обслуживающего персонала и рассчитывается по формуле [13]:

Э_р=Э+В+А+Т_р,(5.7)

Затраты на электроэнергию вычисляются по следующей формуле:

Э=МFC_kw,(5.8)

где М_р _ потребляемая мощность разработки (4 Вт);

М_А _ потребляемая мощность аналога (6 Вт); F _ время действия в течение года (4380 ч); C_kw _ тариф за 1 кВт/ч. (3,50 руб).

В результате получим:

Э_р=0,00443803,5=61,32 руб;

Э_р =0,00643803,5=91,98 руб.

Заработная плата обслуживающего персонала определится по формуле:

В=(1+К_ДОП)(1+К_НАК)36 000 руб(5.9)

где К_ДОП=0.1, К_НАК=34,2 _ коэффициенты, учитывающие дополнительную зарплату и начисления) на всю зарплату, 36 000 - годовой фонд оплаты труда.

В результате получим:

В=(1+0,1)(1+0,342)36 000=53 143,2 руб.

Затраты на проведение текущего ремонта составляют 5% от стоимости устройства охранной сигнализации:

Т_рр=0,0525 133,88=1 256,69 руб;

Т_рА=0,05120 000=6 000 руб.

Амортизационные отчисления учитывают износ объекта эксплуатации, и рассчитывается по формуле:

,(5.10)

где Ц_НАЧР _ первоначальная стоимость устройства охранной сигнализации, 25 133,88 руб.;

Ц_НАЧА - первоначальная стоимость аналога, 120 000 руб;

NA _ норма амортизации, 20%, так как срок службы разработанного устройства охранной сигнализации составляет также как у аналога 5 лет.

В результате расчетов получим:

А_Р=5 026,78 руб;А_А=24 000 руб.

Таким образом, затраты на эксплуатацию равны:

Э_р=61,32+53 143,2+5 026,78+1 256,69=59 487,99 (руб/год) - для разработки;

Э_А=91,98+53 143,2+24 000+6 000=83 235,18 (руб/год) - для аналога.

5.7 Расчет ожидаемого годового экономического эффекта

При внедрении разрабатываемого устройства охранной сигнализации взамен аналога можно существенно сократить расходы на эксплуатацию. Со временем сэкономленные деньги окупят затраты на которые приобретался данное изделие.

Годовой экономический эффект от внедрения устройства охранной сигнализации рассчитывается по формуле [13]:

Э=Э_Г - Е_НК_П,(5.11)

Где Э_Г _ годовая экономия;

Е_н _ нормативный коэффициент (Е_н=0,15);

К_п _ капитальные затраты на проектирование.

Годовая экономия Э_г определится по формуле:

Э_Г=(Э_РА - Э_РР)+Р,(5.12)

где Э_Р _ эксплуатационные расходы аналога;

Э_РР _ эксплуатационные расходы разработанного устройства охранной сигнализации;

Р _ экономия от повышения повышение производительности труда

Подставив данные, получим: Э_Г =83 235,18-59 487,99=23 747,19 руб.

Э=23 747,19-0,1560733,42 =23 747,19-9 355,32=14 391,87 руб.

Период окупаемости составит:

Т=Ц_нач/Э=25 133,88/14 391,87=1,75 года

Таким образом, устройство охранной сигнализации окупится за 1 год и 9 месяцев. Расчет коэффициента эффективности выполняемых работ производится по формуле:

.(5.13)

Получим следующее значение: P=23 747,19/60733,42 =0,39.

Так как коэффициента эффективности выполняемых работ P=0,39 превышает нормативный коэффициент 0,15, то использование разработанного устройства охранной сигнализации оправдано с точки зрения рентабельности.

Данные расчетов экономических показателей сведем в табл. 5.9.

Выводы

После проведенных маркетинговых исследований и расчетов можно утверждать, что разработанное устройство охранной сигнализации имеет хорошие возможности для занятия своего сектора рынка, а именно, для охраны небольших частных домовладений и гаражей.

Таблица 5.9 - Сводная таблица основных экономических показателей

Экономические показатели	Буквенное обозначение	Ед. изм.	Значение
Капитальные затраты на этапе проектирования	Кп	руб	60733,42
Полная себестоимость		руб	22 308,05
Цена устройства охранной сигнализации	Ц	руб.	25 133,88
Эксплуатационные расходы до внедрения устройства охранной сигнализации	ЭА	руб./год	83 235,18
Эксплуатационные расходы после внедрения устройства охранной сигнализации	Эр	руб./год	59 487,99
Годовая экономия	ЭГ	руб.	23 747,19
Ожидаемый экономический эффект	Э	руб./год	14 391,87

Из сводной табл. 5.8 технико-экономических показателей аналога и предлагаемого устройства охранной сигнализации видно, что по техническим и экономическим показателям предлагаемое изделие превосходит аналог.

Исходя из показателей эксплуатационных расходов, расходов на содержание и обслуживание, разработка устройства охранной сигнализации является целесообразной и экономически обоснованной. Также это видно из расчета интегрального показателя качества, который показывает превосходство разработки перед аналогом. Устройство охранной сигнализации является экономически выгодным и имеет небольшой период окупаемости.

6. Безопасность и экологичность системы

6.1 Анализ условий труда на рабочем месте

Характеристика работ. Проектирование устройства сигнализации производится в лаборатории. В соответствии с ГОСТ 12.1.005-76 тяжесть этой работы можно отнести к первой категории (легкие физические работа), которая характеризуется энергозатратами организма до 150 ккал/час [14].

Объемно-планировочное решение. Площадь помещения составляет 45 м², а объем 180 м³. В лаборатории работают 9 человек на рабочих местах разработчиков. Каждое рабочее место занимает 5 м², т.е. данные 9 мест занимают площадь 45 м². Объем приходящийся на одного рабочего составляет:

V=(45 м²4 м)/9=20 м³,

что удовлетворят «Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий» СН245-71, где V_min=15 м².. Площадь, приходящаяся на одного работающего составляет: S=45 м²/9=5 м², что удовлетворяет СН245-71, где S_min=4,5 м². План лаборатории показан на рис. 6.1.

Санитарно-гигиенические производственные факторы. Основными характеристиками микроклиматических условий в лаборатории являются: температура рабочей зоны, относительная влажность и скорость воздушного потока.

Загрязнение воздуха, увеличение процентного содержания углекислоты, отличная от номинальной температура снижают трудоемкость, а также уменьшают эффективность труда. При повышении или понижении температуры на 3 - 5%, производительность труда снижается на 45 - 75%. В целях поддержания заданных климатических условий в лаборатории устанавливают 4 батареи парового отопления.

Вентиляция в лаборатории общеобменная естественная. При неорганизованной естественной вентиляции воздух поступает и удаляется через щели, окна и двери. Но естественной общеобменной вентиляции в лаборатории не хватает, поэтому для поддержания нормальных климатических условий используют кондиционеры. Рационально спроектированные и правильно эксплуатируемые вентиляционные системы способствуют улучшению самочувствия работающих и повышению производительности труда.

Рисунок 6.1- План лаборатории: 1-9 - столы проектировщиков; 10 - шкаф; 11 - раздевалка; 12 - щит распределительный; S=45м²; V=180м³; h=4 м

В силу специфики работ данная лаборатория относится к категории помещений без повышенной опасности. Меры обеспечения безопасности подразделяются на организационные (вводный инструктаж, инструктаж на рабочем месте) и технические (изоляция проводников с током, защитное заземление).

Шум с физиологической точки зрения рассматривается как звуковой процесс, неблагоприятный для восприятия и отрицательно влияющий на здоровье человека. Допустимый уровень звука на рабочем месте конструкторского бюро, в соответствии с ГОСТ 12.1.003 - 83 «Шум. Общие требования безопасности» составляет 50 Дб. В данной лаборатории уровень звука соответствует требованию вышеуказанного ГОСТа.

Одним из существенных аспектов повышения работоспособности является рациональное освещение. Паспортная освещенность лаборатории равняется 305 лк [12]. Рассмотрим освещение в лаборатории в соответствии со СНиП II-4-79 «Естественное и искусственное освещение». Необходимая освещенность в дневное время обеспечивается 2-мя окнами размером 1,52,5м с обычным остеклением, загрязнение которых маловероятно. В ночное и вечернее время суток освещенность обеспечивается 10 светильниками типа ШОД, расположенными в 2 ряда. В каждом светильнике установлены 2 газоразрядные лампы ЛБ мощностью 40 Вт (световой поток 2480 лм [15]).

Ультразвук, инфразвук, вибрации, электромагнитные поля радиочастот, ионизирующие излучения, лазерное излучение и тепловое инфракрасное излучение отсутствуют. Электросеть 220В, 50Гц. Щит распределительный ЯРП 20 - 93, кабель КРПТ. Меры защиты: изоляция (сопротивление R_из=0,5 МОм); заземление (сопротивление R_з =0,8Ом).

Биологическая опасность отсутствует. Рабочая поза свободная (“сидя” или “стоя”), корпус и конечности в удобном положении. Рабочий день с 8,00 часов до 17,00 часов. Перерыв с 13,00 часов до 14,00 часов. Продолжительность работы 8 часов. Длительность сосредоточенного наблюдения до 50% от времени смены. Действия рабочего простые. Благоприятный психологический климат. Интеллектуальная нагрузка состоит в решении простых альтернативных задач.

Сведения о бальных оценках воздействующих факторов в табл. 6.1 [14].

Исходя из таблицы, определим интегральную оценку тяжести труда по формуле из [14]:

,

где К_ОП _ определяющий фактор;

_ сумма всех i-х факторов без К_ОП;

Таблица 6.1- Производственные факторы

Наименование фактора	ПДК или ПДУ	Действующие значения фактора	Длительность действия мин.	Балл с учетом времени действия
А. Санитарно - гигиенические производственные элементы условий труда:
1. Эффективно-эквивалентная температура воздуха на рабочем месте в теплый период	18..20	18..25	480	2
в холодный период	20..22	18..23
2. Промышленный шум, Дб (дБА)	50	50	240	1
Б. Психофизиологические факторы
3. Рабочая поза и перемещение в пространстве	-	Поза свободная, корпус и конечности в удобном положении	480	1
4. Уровень освещенности, лк.	300	307
Размер объекта мм.		1..5	480	2
5. Длительность сосредоточенного наблюдения, % времени смены	-	До 50	480	2
6. Режим труда и отдыха	-	Обоснованный, без использования функциональной музыки и производственной гимнастики		2
7. Нервно - эмоциональная нагрузка	-	Простые действия по индивидуальному плану		1

n - число факторов. Из [11] К_ОП =2, =9, n=7, тогда:

=29,9,

что соответствует II категории тяжести труда. К этой категории относятся работы в условиях, когда предельно допустимые концентрации (ПДК) и предельно допустимые уровни (ПДУ) вредных и опасных производственных факторов не превышают требований нормативно технических документов. При этом работоспособность не нарушается, отклонения в состоянии здоровья, связанных с профессиональной деятельностью, не наблюдается в течение всего периода трудовой деятельности человека.

6.2 Производственный фактор наиболее важный для данных работ

В лаборатории работа проектировщика связана с построением схем, составлением программ и т.д. Одним из производственных факторов является освещенность. Характеристика зрительной работы относится к средней точности и наименьший размер объекта различения до 1 мм. (СНиП II - 4 - 79 «Естественное и искусственное освещение»). Предъявляются повышенные требования к освещению. Недостаточное освещение способствует понижению зрения, отрицательно сказывается на общем состоянии человека, снижает производительность труда. Правильная система освещения создает нормальные условия работы и повышает общую работоспособность. Предусматриваются три вида освещенности: естественное, искусственное и совместное.

Естественное освещение по спектральному составу является наиболее благоприятным. Оно подразделяется на боковое, верхнее и комбинированное. В лаборатории естественное освещение _ боковое, осуществляемое через два оконных проема размером 1,52,5м. Освещения достаточно для проведения конструкторских работ в дневное время суток.

Рассчитаем естественное освещение. Основной величиной для расчета и нормирования естественного освещения является коэффициент естественного освещения (КЕО). При одностороннем боковом естественном освещении нормируется минимальное значение КЕО в точке, расположенной на расстоянии 1 м от световых проемов, на пересечении вертикальной характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (или пола). Данное здание расположено в V зоне светового климата, поэтому нормируемое значение КЕО е_Н определим по формуле:

,(6.1)

где _ значение КЕО (табл. 1 и 2 [15]),

m _ коэффициент светового климата (табл. 4 [15]),

с - коэффициент солнечного климата (табл. 5 [15]). Получим:

=0,96.

Расчет коэффициента естественной освещенности при боковом освещении находим по формуле [6.1]:

,(6.2)

где _б _ геометрический КЕО в расчетной точке, учитывающий прямой свет неба (графики I и II [15]);

q - коэффициент, учитывающий неравномерную яркость облачного неба МКО (табл. 35 [15]);

_ЗД - геометрический КЕО, учитывающий свет отраженный от противостоящих зданий (графики I и II [15]);

R - коэффициент, учитывающий относительную яркость противостоящего здания (табл. 36 [15]);

r₁ - коэффициент, учитывающий повышения КЕО благодаря свету, отраженного от поверхности помещения и подстилающего слоя прилегающего здания (табл. 30 [14]);

₀ - общий коэффициент светопропускания;

К_З - коэффициент запаса (табл. 3 [15]).

Коэффициент _б определим по формуле:

_б=0,001(n₁n₂),(6.3)

где n₁ - количество лучей (график I [15]), проходящих от неба через световые проемы в расчетную точку на плане помещения.

Коэффициент _ЗД определим по формуле:

,(6.4)

где - количество лучей по (график I [15]), проходящих от противостоящего здания через световой проем, в расчетную точку на поперечном разрезе помещения;

- количество лучей (график II [15]), проходящих от противостоящего здания через световой проем в расчетную точку в плане помещения.

Из формулы (6.2), подставляя необходимые значения, находим КЕО при боковом освещении:

.

Полученное значение КЕО при боковом освещении соответствует норме для данного класса точности зрительных работ [15]. Работоспособность при данной освещенности не нарушается, отклонений в состоянии здоровья не наблюдается в течении всего периода трудовой деятельности человека.

6.3 Пожарная безопасность

В соответствии со СНиП II-2-80 «Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений [14]. Нормы проектирования» все производства делятся по пожарной взрывной и взрывопожарной опасности на 6 категорий: А, Б, В, Г, Д и Е. Данное производство относится к категории Д, в виду наличия несгораемых веществ и материалов в холодном состоянии. Степень огнестойкости здания III-я (СНиП II-90-81).

Для обеспечения пожаробезопасности необходимо проводить обучение рабочего персонала правилам противопожарной безопасности, а также применять ряд мер по предупреждению пожара в лаборатории. Такими мерами является применение качественной изоляции токоведущих частей, контроль ее состояния. В лаборатории находится 2 углекислотных огнетушителя 04-24-8.10. Для передачи сообщения другим подразделениям имеется телефонная связь. Вычислим время для эвакуации сотрудников лаборатории в случае пожара. Расчетное время эвакуации определяем, как сумму времени людского потока по отдельным участкам пути:

,(6.5)

Определяем время эвакуации до выхода на улицу:

,(6.6)

где _i _ скорость людского потока,

е - длина пути.

Плотность потока людей на первом участке пути:

,(6.7)

где f - средняя площадь человека (0,1 м²); N - количество людей (9 чел.);

S₁ - площадь дверного проема (1,6 м²); l₁ - длина первого участка пути (5 м);

.

По табл. 3.2 [14] находим интенсивность людского потока q₁=8,7 м/мин, скорость на первом участке пути равна U₁=80 м/мин. Далее по формуле:

,(6.8)

где _i-1 и ₁ - ширина предшествующего и данного участка пути, определяем интенсивность движения людских потоков. Определим значение скоростей на каждом участке пути: =5,6 м/мин.

По таблице ₂ =-100 м/мин. Имеется 4 лестничных маршрута, тогда:

=7 м/мин.; .

По таблице =95 м/мин; . По коридору первого этажа:

=2,9 м/мин.

Определим время эвакуации, полагая длины участков пути равными: l₁=5 м; l₂=25 м; l₃=40 м; l₄=12 м. По формуле 6.8:

; ; ;

t₄=12/110=0,10 мин; t_ЭВ=0,06+0,25+0,42+0,1=0,83 мин.

Следовательно, суммарное значение расчетного времени эвакуации равно 0,83 мин. План эвакуации сотрудников в случае пожара приведен на рис. 6.2.

Рисунок 6.2 - План эвакуации сотрудников в случае пожара

Заключение

В процессе выполнения квалификационной работы, решена задача проектирования простого, функционального, перепрограммируемого устройства охранной сигнализации.

Решены следующие задачи:

- выполнен анализ существующих систем тревожно - охранной сигнализации;

- разработан алгоритм работы и схемы устройства охранной сигнализации;

- разработано программное обеспечение устройства охранной сигнализации;

Произведен аналитический обзор систем тревожно-охранной сигнализации. Рассмотрены запатентованные устройства охранной сигнализации: по патенту 669274 Швейцарии, по патенту 2636756 Франции, российский приемно-контрольный прибор нового поколения «Буг», устройство охранной телесигнализации УОТС-1-1, прибор приемно-контрольный охранно-пожарный (ППКОП 41-1-1) «Сигнал-44». Сделан вывод о целесообразности разработки нового охранного устройства.

Выполнен аналитический обзор датчиков и извещателей систем охранной сигнализации. Рассмотренные датчики и оповещатели обеспечат надежный уровень охраны объекта.

Разработана структурная схема устройства охранной сигнализации, содержащая: блок питания; интерфейсный блок; микропроцессорный блок; клавиатуру; блок управления оповещателями; блок оперативной сигнализации; блок датчиков.

Разработан алгоритм функционирования устройства сигнализации. По данному алгоритму разработан программный код.

Осуществлен аналитический обзор микропроцессорных средств фирмы Microchip, фирмы ATMEL, контроллеры МИКРОКОНТ-Р2, приведены их технические характеристики. Рассмотрены интерфейсы соединения устройств.

Для реализации микропроцессорного блока выбран микроконтроллер фирмы AtmelAT91SAM7S321. Разработана функциональная схема системы охранной сигнализации, приведено описание работы функциональных блоков.

Выполнено технико-экономическое обоснование работы. Решены задачи охраны труда.

Список источников

1. Системы охранной сигнализации.

2. Рейкс Ч.Д. 55 электронных схем сигнализации. _ М.: Энергоатомиздат, 1991.

3. Устройство охранной сигнализации. Патент 669274, Швейцария, МКИ С 08 13/6, опубл. 28 02 89.

4. Автономная система охранной сигнализации. Патент 2636756, Франция, МКИ С 08 В 13/6, опубл. 23 3 90.

5. Хомяков Б.И., Николаев Н.В. Техника охраны. №1, 1994. - С. 69-73.

6. Пьезосирены.

7. Датчик ДИМК.

8. Иванов Ю.И., Югай В.Я.. Микропроцессорные устройства систем управления: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 133 с.

9. Тычинский А.В. Методические указания по выполнению технико-экономического обоснования разработок квалификационных работ. Маркетинговый подход. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 36 с.

10. Безопасность жизнедеятельности. Часть II: Безопасность в условиях производства: Учебное пособие. _ Таганрог: ТРТУ, 1997.

11. Петинова М.П. «Расчет искусственного освещения в производственных помещениях». Методические указания. _ Ростов-на-Дону: Изд-во ДГТУ, 1993.

Размещено на Allbest.ru