Разработка программируемого контроллера для системы отопления

Введение
      
      В современных социально-экономических условиях весьма актуальны вопросы экономии различных ресурсов, в том числе электроэнергии и тепловой энергии. Это возможно за счет разработки и применения современных энергосберегающих технологий.Актуальными являются и вопросы экономии финансовых средств, затрачиваемых гражданами на содержание жилья.
      С того момента, когда человек переезжает из городской квартиры в собственный коттедж, вопрос экономии потребляемых ресурсов становится для него ещё более важным, ведь содержание среднестатистического загородного дома обходится в разы дороже, чем квартиры.
      Разрабатываемое в данном дипломном проекте устройство может применяться в системе отопления жилища, основанной на использовании водяного котла. Устройство предназначено для поддержания в помещении заданной температуры, согласно запрограммированного пользователем графика. Поддержание в помещении оптимальной температуры не только снизит затраты на отопление, но и обеспечивает комфорт.
      Цельюдипломного проекта является разработка программируемого контроллера для системы отопления.
      К основным задачам можно отнести:
       изучение теоретических положений по проблеме, сущности экономических, технологических процессов и нормативной документации;
       обоснование необходимости и возможности применения определенных современных методик и технических решений;
       сбор необходимой научно-технической документации и справочных материалов;
       разработка технической документации;
       экономическое обоснование проекта;
       оформление дипломного проекта в соответствии с нормативными требованиями.
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      1 Выбор и обоснование схемы электрической структурной
      
      В данном устройстве необходимо управление нагревом для повышения температуры в помещении и поддержание ее в заданных пределах согласно недельному графику, введенному пользователем. Для этих целей используется терморегулятор. В повседневной жизни терморегуляторы встречаются почти во всех устройствах, где так или иначе необходимо регулировать или поддерживать температуру в заданных пределах.
      Наиболее распространены три типа терморегуляторов:
       электронные;
       электромеханические;
       механические.
      Механические терморегуляторы
      Данный тип терморегуляторов, пожалуй, один из самых распространенных. То, что можно встретить в повседневной жизни - это регуляторы температуры в системах отопления. Внешне они напоминают обыкновенные запорные краны.
      Электромеханические терморегуляторы
      По конструкции данные регуляторы, пожалуй, самые простые. Существует множество типов электромеханических реле. Рассмотрим самые распространенные:
      1терморегуляторы, которые можно найти в утюгах, электрических плитах, различных обогревателях сделаны довольно просто и надежно и состоят из биметаллической пластины и контактной группы;
      2другой тип электромеханических терморегуляторов основан немного на другом принципе. В основу работы данных реле взято свойство расширения материалов при воздействии на них температур.

      Электронные терморегуляторы
      Конструктивно состоят из трех основных частей - датчика температуры, устройства обработки сигнала – процессора и управляющей, коммутирующей части - реле или электронных ключей.
      Основное преимущество электронных терморегуляторов - точность регулирования заданной температуры, простота монтажа и управления, надежность. Многие модели терморегуляторов позволяют программировать не только температуру, но и время включения - отключения нагрузки, что позволяет значительно экономить средства, а также поддерживать температуру в достаточно точном диапазоне.
      Исходя из вышеизложенных соображений, выбираем электронный терморегулятор.
      Данный терморегулятор состоит из нижеприведённых блоков:
      - микроконтроллера;
       -панели управления;
      - датчика температуры;
      - блока питания;
      - индикатора включения нагрузки;
      - звуковогооповещателя нажатой кнопки;
      - жидкокристаллического дисплея;
      - устройства управления нагрузкой.
      Микроконтроллер – это микросхема, предназначенное для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, и, по сути, представляет собой «однокристальный компьютер», способный выполнить простые задачи. С помощью него ведётся управление нагрузкой согласно заложенной программе,  данных с датчика температуры и данных, введенных пользователем. 
      Панель управлениянеобходима для взаимодействия человека и микроконтроллера. С помощью нее осуществляется ввод информации в микроконтроллер и включение подсветки дисплея.
      Чтобы микроконтроллер регулировал температуру в необходимом интервале, согласно температуре в помещении применяем температурный датчик. 
      Блок питания преобразует переменное сетевое напряжение в постоянное с необходимыми потенциалами для питания всех узлов устройства. Он должен обеспечивать заданную стабильность напряжения и величину тока. Для питания схемы требуется напряжение 5В.
      Для индикации состояния устройства управления служит индикатор включенной нагрузки.
      Нажатие кнопок панели управления сопровождается звуковым сигналом, формируемым звуковым оповещателем нажатой кнопки.
      Жидкокристаллический дисплей – это устройство преобразования сигнал-свет. Он необходим для индикации режимов работы и настроек терморегулятора.
      Устройство управления нагрузкой осуществляет коммутацию нагрузки (тены) и обеспечивает гальваническую развязку цепей питания терморегулятора и нагрузки.
      
      
      
      
      


      

       Выбор и обоснование схемы электрической  принципиальной
      
      Выбор микроконтроллера
      При выборе микроконтроллера учитывались такие факторы как: 
       наличие необходимого числа портов ввода-вывода;
       наличие внутренней флешь памяти;
       диапазон рабочих температур;
       надежность;
       дешевизна и доступность.
      Из всего множества микроконтроллеров различных производителей в качестве устройства управления усилителем были выбраны микроконтроллеры компании  Atmel[13]. Они отличаются высокой производительностью и простой архитектурой. Из всего множества микроконтроллеров был выбран ATmega8-16PU. К особенностям выбранного микроконтроллера можно отнести наличие в его структуре  8 КБфлеш-памяти команд, 512 байт электрически программируемой памяти,  23 линии ввода/вывода общего назначения, рабочая температура-40°C ~ 85°C. Он идеально сочетает цену, функциональность, простоту в применении.
      Выбор панели управления
      В панели управления необходимо использовать кнопки двух типов, так как  управлять прибором и вводить  в него график поддерживаемой температуры необходимо тактами, а для включения/выключения подсветки  кнопку с фиксацией положения.
      Выбор кнопокпроизводился исходя из  следующих критериев:
       рабочее напряжение не менее 5В;
       рабочий ток не менее 0,05А- для управления и не менее 0,08А для подсветки;
       температура,соответствующая рабочей температуре устройства;
       дешевизна и доступность.
      Исходя из выше приведенных критериев, были выбраны SWT-14-13 тактильные без фиксации для управления и PS580L с фиксациейдля включения/выключения подсветки. 
       Выбор датчика температуры
      Если возникает необходимость измерения температуры в микроконтроллерной системе, то нужны:
       датчик, преобразующий температуру, например, в напряжение;
       аналогово-цифровой преобразователь, оцифровывающий аналоговый сигнал. АЦП может быть уже встроен в некоторые микроконтроллеры.
      Существуют самые разные варианты указанных элементов  от терморезистора до микросхемы, объединяющей в себе все необходимые компоненты и имеющей цифровой выход. 
      При выборе учитывались следующие критерии:
       дешевизна и доступность;
       встроенный АЦП;
       нетребующийкалибровки;
       малые размеры;
       надежность;
       подходящий диапазон измерений.
      К данным параметрам подходит только DS18B20[11]. Другие подобные датчики имеют либо неподходящий корпус, либо уже не выпускаются (DS1621, LM75). DS18B20 представляет собой микросхему, которая по команде из вне измеряет температуру и возвращает эти данные в цифровом виде. Так же она имеет корпус TO-92, который компактен, что можно использовать для вывода его из корпуса.
      	Выбор блока питания
      	Для работы схемы требуется:
       напряжение 5В;
       потребляемый ток 125мА.
      Исходя из этого, выбираем трансформаторный БП со стабилизатором [7], так как он наиболее прост  в исполнении и имеет высокую надежность, по сравнению с импульсным.
      Трансформатор долженсоответствовать параметрам:
       фазность – однофазный;
       напряжение вторичной обмотки –не менее 8В;
       ток номинальной нагрузки – не менее 0,2А;
       дешевизна и доступность;
       надежность;
       климатическое исполнение - открытое.
      По данным параметрам доступно очень большое количество трансформаторов. Остановимся на отечественном ТП-321-12В,который подходит по всем вышеизложенным требованиям.
      Переменный ток с трансформатора будет преобразовываться в пульсирующий с помощью двухполупериодной схемы, что даст, по сравнению с другими схемами,напряжениена выходе с повышенной частотой пульсаций, которое проще сгладить фильтром на конденсаторе и избежать постоянного тока подмагничивания в питающем мост трансформаторе.  
      Диодный мост выбирается по следующим критериям:
       монолитная конструкция;
       обратное напряжение –не менее 20В;
       прямой ток – не менее 0,2А;
       дешевизна и доступность.
      Наиболее дешевы и доступны подходящие по параметрам диодные мосты отечественного производства, выбираемКЦ407А (Iпр=0,5А, Uобр=300В).
      Стабилизатор напряжения выбран в интегральном исполнении, так как они очень эффективны в работе и малогабаритны. 
      Стабилизатор напряжения выбирался исходя из следующих требований:
       выходное напряжение – 6В;
       выходной ток – не менее 0,2А;
       температура, соответствующая рабочей температуре устройства;
       дешевизна и доступность.
      Для работы при отрицательных температурах представлено не так много стабилизаторов, наиболее подходящие КР142ЕН5Г, по сравнению с аналогичнымL7806 имеют более низкую стоимость.
      	Выбор индикатора включения нагрузки
      	Практически любое микропроцессорное устройство содержит элементы световой индикации. В качестве световых индикаторов в настоящее время чаще всего применяются светодиоды. На рынке имеется огромный выбор светодиодов, самых разных видов и размеров: светодиоды повышенной яркости, мигающие, двух- и даже трехцветные. Светодиоды выделяются среди других светоизлучательных элементов благодаря особой экономичности и долговечности. Для индикации подойдут маломощные светодиоды со следующими параметрами:
       цвет свечения – красный;
       тип светодиода – одноцветный;
       прямое напряжение – не более 5В;
       температура, соответствующая рабочей температуре устройства;
       дешевизна и доступность.
      Выбор остановился наотечественномАЛ307КМ, полностью удовлетворяющая вышеизложенным требованиям.
      Выбор звуковогооповещателя нажатой кнопки
      Звуковойоповещательнажатой кнопки можно построить на динамической головке, либо на пьезоэлементе [12].При использовании динамической головки существенно увеличится потребляемая мощность, поэтому будем использовать пьезоизлучатель, который так же может быть со встроенным генератором и без него. Для уменьшения сложности схемыприменим пьезоизлучательсо встроенным генератором. Он должен соответствовать требованиям:
       напряжение питание не более 5В;
       наименьшее потребление энергии;
       дешевизна и доступность.
      В продаже доступно не так много пьезоизлучателей с данными параметрами, остановим выбор на EFM-250A, подходящий по всем параметрам и имеющий наименьшую стоимость среди аналогичных.
      Выбор Ж/К дисплея
      Выбор жидкокристаллического индикатора производился исходя из  следующих критериев:
       наличие встроенного графического контроллера с набором символов русского и английского алфавитов;
       две строки для представления информации;
       простая система передачи данных;
       низкая стоимость;
       температура, соответствующая рабочей температуре устройства.
      Из множества  графических контроллеров был выбран жидкокристаллический дисплейWH1602A  компании Winstar. Особенностью выбранного жидкокристаллического дисплея является наличие встроенного  графического контроллера HD44780, способного формировать изображение, состоящее из  набора символов русского и английского алфавитов.Может отображать до  двух строк по сорок символов в каждой. Так же он имеет, по сравнению с контроллерами других производителей, очень простую систему передачи данных, прост в применении, надёжен и дешёв.В  дисплее присутствует светодиодная подсветка, которая не требует отдельного источника питания.


      Выбор устройства управления нагрузкой
      В качестве устройства управления нагрузкой применим ключевую схему на оптопаре и симисторе, которой будет управлять транзисторный ключ по команде микроконтроллера. Можно использовать реле, но оно менее надежно, так как происходит износ контактов при частом переключении. Реле выгодно использовать, когда коммутация происходит не часто, либо используется нагрузка очень большой мощности.Устройство управления состоит из транзистора, симистора и оптопары.
      Симистор выбирался по параметрам:
       коммутируемая нагрузка – не менее 3 кВт;
       дешевизна и доступность;
       высокая надежность;
       температура, соответствующая рабочей температуре устройства.
      К данным параметрам подходит симисторBTA40-600B, имеющий тип корпуса ТОР-3, вследствие чегоего можно крепить к радиатору расположенному  не на печатной плате.
      Оптопарабыла выбрана с выходным каскадом «симистор + ZeroCrossing» [9], который означает, что переключение симистора будет происходить при прохождении фазы через ноль, исключая помехи возникающие в сети. Такой функцией обладает  MOC3041, который и был выбран.
      Транзистор в качестве ключа подбирался исходя из следующих параметров:
       напряжение коллектор-эмиттер – 25В;
       ток коллектора – 100 мА;
       напряжение эмиттер – база не менее 5 В;
       дешевизна и доступность.
      Данным параметрам соответствует транзистор, получивший самое широкое распространение в отечественной радиоэлектронной аппаратуре – КТ315А.
      Выбор схемы электрической принципиальной микроконтроллера
      Питание 5В  подается  на выводы 7(VCC), 20 (AVCC), 8 (GND) с блока питания. С выводов 3-6 (PD1-PD4) и 11-13 (PD5-PD7) снимается сигнал управления жидкокристаллическим дисплеем. На выводы 23-28 (PC0-PC5)подаются сигналы с панели управления. К 14 (PB0) выводу подключен датчик температуры. С вывода 15 (PB1)поступает напряжение на звуковой оповещатель нажатой кнопки. К выводу 16 (PB2)  подключен индикатор включения нагрузки. Для стабильной работымикроконтроллераDD1, чтобы тактовая частота не зависела от факторов окружающей среды, необходимо к выводам 9 и 10 (PB6, PB7) микросхемы подключить схему синхронизации, состоящую из кварцевого резонатора ZQ1 и конденсаторов C6, C8 (рисунок 2.1).Номинал элементов синхронизации выбран в соответствии с рекомендациями производителя[13].
      DD1, С6, С8, ZQ1, схема электрическая принципиальная РК210306.52603 Э3.
        
      Рисунок 2.1-Блок - схема микроконтроллера ATMEGA
      Выбор схемы электрической принципиальной панели управления
      Панель управления подключается к 23 – 28 (РС0 – РС5) выводам микроконтроллера (кнопки SB1-SB6). Кнопка SB7 подключена к выводу 15 (А) Ж/К дисплея для включения/выключения подсветки,последовательно с ней включен ограничительный резистор, для того, чтобы задать контрастность на индикаторе. Кнопка SB7 подключена перед диодомVD1, чтобы подсветка дисплея отключилась при отсутствии внешнего питания, т.е. предотвратить разряд батареи GB1.  Напряжение на кнопки SB1-SB6 поступает отрицательного потенциала, на SB7 – положительного.
      R1, SB1-SB7, схема электрическая принципиальная РК210306.52603 Э3.
      Выбор схемы электрической принципиальной датчика температуры
      Датчик температуры ВК1 подключен к 14 (РВ0) выводу микроконтроллерапо интерфейсу 1-Wire, при этом формируется соединение, которое осуществляет коммуникацию на шине, используя всего один управляющий сигнал. Шина должна быть подключена к источнику питания через подтягивающий резисторR3, номинал которого подбирается согласно рекомендации производителя – 4,7 кОм. Чтобы исключить высокочастотные помехи, к выводу GND подключены конденсаторы C5, C7.
      ВК1, R3, C5,C7,XP1 схема электрическая принципиальная РК210306.52603 Э3.
      Выбор схемы электрической принципиальной блока питания
      Для питания слаботочной части устройства удобно использовать часть напряжения питания нагрузки, которое подключается к разъемуXS3. Для работы схемы требуется напряжение 5В, потребляемый ток не более 150мА, исходя из этого, выбираем трансформаторный БП со стабилизатором, так как он наиболее прост  в исполнении и имеет высокую надежность. В цепи первичной обмотки трансформатора включенплавкий предохранительFU1 для размыкания цепи при возникновении токов перегрузки и токов короткого замыкания. Вторичная обмотка трансформатора подключена к диодному мостуVD2 для выпрямления переменного напряжения. К нему подключен стабилизатор напряжения, преобразующий  12В в 6В. На входе и выходе у него имеются электролитические (С2, С3) и керамические(С1, С4) конденсаторы, необходимые для подавления импульсных помех.
      Для того чтобы предотвратить нарушение счета времени микроконтроллером при отключении внешнего питания,установлена резервнаябатарея гальванических элементов, напряжением 4,5 В. При этомнеобходим диод VD1 на выходе стабилизатора для того, чтобы исключить разряд батарей через него, на диоде также происходит падение напряжения до 5В, необходимого для питания слаботочной части устройства.
      FU1, T1, VD2, С2, С3, С1, С4, VD1,GB1, схема электрическая принципиальная РК210306.52603 Э3.
      Выбор схемы электрической принципиальнойиндикатора включения нагрузки
      Для индикации состояния (нагрузка включена) служит светодиодVD3 с токоограничивающим резистором R5, подключенный к выводу 16 (PB2)микроконтроллера.
      VD3, R5, схема электрическая принципиальная РК210306.52603 Э3.
      Выбор схемы электрической принципиальной звуковогооповещателя нажатой кнопки
      Для оповещения о нажатии кнопок служит звуковой оповещатель со встроенным генераторомBQ1, который подает короткие звуковые сигналы при нажатии. Сигнал управления поступает с вывода 15 (PB1).
      BQ1, схема электрическая принципиальная РК210306.52603 Э3.
      Выбор схемы электрической принципиальнойжидкокристаллического дисплея
      Жидкокристаллический дисплей подключается к выводам 3-6 (PD1-PD4) и 11-13 (PD5-PD7) микроконтроллера. Включение подсветки осуществляется кнопкой SB7 через токоограничивающий резисторR1, определяющий яркостьподсветки. РезисторыR7 – R8определяют контрастность дисплея. Соединение с   печатной   платой происходит через вилку XP2.
      HG1, R7, R8, XP2, схема электрическая принципиальная РК210306.52603 Э3.
      Выбор схемы электрической принципиальной устройства управления нагрузкой
      В качестве устройства управления нагрузкой использована ключевая схема на оптопаре и симмисторе[1], которой будет управлять транзисторный ключ по команде микроконтроллера.  Сигнал управления поступает с выхода 17 (РВ3) микроконтроллера на транзистор VT1через резистор R2, что позволяет схемотехнически отвязать оптореле от цепи питания микроконтроллера. Режим работы транзистора – ключевой, схема включения с общим эмиттером.Схема оптореле–симисторвыполнена по схеме, рекомендованной производителем опторелеU1. Назначение элементов:
      R2 – для определения минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора.
      R4 – необязательно включать, когда нагрузка чисто резистивная. Однако,симистор защищен цепочкой R10 — C10, чаще всего называемой искрогасящей, и резистор R4 позволяет ограничить ток через управляющий электрод оптореле. Действительно, в случае индуктивной нагрузки проходящий через симистор ток и напряжение, приложенное к схеме, находятся в противофазе. Так как симистор перестает быть проводником, когда ток проходит через нуль, конденсатор защитной цепочки C10 может разряжаться через оптореле. Тогда резистор R4 ограничивает этот ток разряда. 
      Цепочка R9 — C9, необходима,чтобы ограничить скорость изменения напряжения на выходе оптореле, она определяет значение начиная с которого симистор должен срабатывать.
      R2, R4, R6, R9, R10, C9, C10, VT1, U1, VS1XS1, XS2, XS3, схема электрическая принципиальная РК210306.52603 Э3.
       Описание работы устройства
      
      В основном режиме прибор регулирует температуру в помещении по введенному графику. В любой момент его можно перевести в режим термостат, и, независимо от графика, будет поддерживаться температура, заданная для этого режима. Когда температура упадет, нагреватель котла автоматически включится снова.
      По сравнению с другими устройствами данного типа у него коммутация осуществляется с помощью симистора, из-за чего переключение происходит бесшумно и повышается надежность. Так же устройство имеет функцию программирования на неделю, на каждый час.
      При включении в сеть, напряжение 220 вольт, с разъемаXS2 поступает на понижающий трансформатор Т1, где преобразуется в более низкое 12 вольт. Затем напряжение поступает на диодный мост VD2, где переменный ток становиться пульсирующим, выпрямленным. Затем напряжение поступает на стабилизатор DA1, где происходит стабилизация по амплитуде и уменьшение напряжения до 6 вольт, конденсаторы необходимы дляподавления импульсных помех. При исчезновении напряженияв сети, питание осуществляется от  резервной  батареи  GB1. Напряжение проходит через диод VD1, перед ним идет ответвление на кнопку SB7, отвечающую за включение подсветки дисплея. Благодаря диоду VD1 подсветка работает лишь при питании устройства от внешнего источника и гаснет при питании от резервной батареи, экономя ее энергию.
      Далее начинает работать микроконтроллер DD1, а вместе с ним и программа заложенная разработчиком, согласно которой происходит считывание  64 разрядного кода с датчика температурыBK1 и управление устройством коммутации  через   выход PB3. Управление происходит следующим образом: в микроконтроллере имеется функция счета времени, которая выводится на дисплей, пользователь задает значение температуры на каждый час каждого дня недели и микроконтроллер подает сигнал включения нагрузки в виде положительного напряжения на выход PB3 когда температура, измеренная термодатчиком, опускается ниже заданного на данное время.
      Сигнал с выхода PB3 поступает на транзисторный ключ, выполненный на VT1.  Транзистор открывается и через него напряжение поступает на оптореле,  которое необходимодля гальванической развязкой с симистором. Далее симмистор включается  и происходит подача энергии в объект регулирования. При достижении установленного уровня температуры подача управляющего напряжения с выхода PB3 прекращается. 
      Когда нагрузка активна, с выхода микроконтроллера PB2 на светодиод HL1 поступает отрицательное напряжение.
      Всё управление и переключение между режимами отображения времени и температуры происходят с помощью кнопок:
      SB1 – (Е) Отмена выбора
      SB2 – (F) Выбор
      SB3 – (?) Вверх
      SB4 – (?) Вниз
      SB5 – (?) Влево
      SB6 – (?) Вправо
      При нажатии на кнопки на выход  PB1 микроконтроллера подается импульс положительного напряжения, которое поступает на пьезозвуковой излучатель BQ1.  
      Информация в виде часов, дня недели, заданной и текущей температуры выводится на LSD дисплей с выходов PD1-PD7. На рисунке 3.1 представлено расположение информации на поле дисплея:
      
      
      Рисунок 3.1 – Расположениеинформации на поле дисплея
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
       Расчетная часть
      
       Расчет схемы индикации
      Рисунок 4.1 – Схема индикации
      Исходные данные:
      U_пит=5В
      I_VD=0,01А
      U_VD=2B
      Определить:
      R1
      Так как резистор и светодиод соединены последовательно, то через них будет протекать одинаковыйток-I_VD. Этот ток должен быть равен номинальному току светодиода. Согласно второму закону Кирхгофа, напряжение источника питания U_пит разделится на напряжение на светодиоде U_VD и на напряжение на искомом сопротивлении U_R. Напряжение на светодиоде принимаем равным его номинальному напряжению. Тогда напряжение на сопротивлении будет равно тому, что осталось от напряжения питания:
      U_R=U_пит– U_vd
      U_R=5В-2В=3В
      Теперь, зная необходимые значения напряжения на резисторе и тока протекающего через него, найдем его сопротивление, согласно закону Ома:
      I=U/R
      Подставим в формулу необходимые значения тока и напряжения и выразим значение сопротивления:
      R5=U_R/I_VD 
      R5=3В/0,01А=300 Ом
      Получили 300 Ом. Но такого значения в ряде стандартных номиналов E12 нет. Ближайшие номиналы это 270 Ом и 330 Ом. Выбираем большее иззначений – 330 Ом.
      Мощность резистора можно рассчитать по формуле:
      P=U_R I_VD
      P=3В?0,01А=0,03 Вт
      Выбираем 0,125 Вт.
      Выбираем резистор типа С2-33Н 0,125-330Ом ±10%
      
      
      
      
      






       Расчет усилительного каскада
      
      
      Рисунок 4.2 – Схема усилительного каскада
       Исходные данные:
       U_пит=5В
       U_выхPB3=4,2В
       I_k=0,06A
       U_(э-к)=5В
       ? I?_VDU1=0,03A
       U_VDU1=1,3В
       Определить:
       VT1
       R2
       R6
      Исходя из исходных данных, по справочнику выбираем транзистор, который выдержит заданный ток коллектора и напряжение коллектор- эмиттер. Выбираем КТ315А, имеющий следующие параметры:
       I_k=0,1A
       U_(э-к)=25В
       h_21э=20…90
       U_(к-энас.)=0,4В
       U_(б-энас.)=1,1В
      Рассчитываем сопротивление цепи коллектора:
      Расчет сопротивления R2 зависит от минимального прямого тока инфракрасного светодиода, гарантирующего отпирание симистора:
      R2=U_R/I_VDU1 
      U_R=U_пит– U_VDU1
      U_R=5В-1,3В=3,7В
      R2=3,7/0,03=123 Ом
      Получили 123 Ом. Но такого значения в ряде стандартных номиналов E12 нет. Ближайшие номиналы это 120 Ом и 150 Ом. Выбираем – 120 Ом.
      Мощность резистора можно рассчитать по формуле:
      P=U_R I_VDU1
      P=5В?0,03А=0,15 Вт
      Выбираем 0,25 Вт.
      Выбираем R2 с учетом ряда номинальных значений сопротивлений:С2-33Н 0,25-120Ом ±10% 
      Расчет сопротивления R6:
      Рассчитаем ток базы транзистора по формуле:
      I_б?I_к/(K?h_21э ), 
      гдеK – коэффициентнасыщения, K=1
      I_б?0,06А/(1?50)=0,0012А
      Рассчитаем сопротивление резистора R6:
      R6=(U_выхPB3-U_(б-энас.))/I_б 
      R6=(4,2В-1,1В)/0,0012А=2533Ом
      Получили 2583 Ом. Но такого значения в ряде стандартных номиналов E12 нет. Выбираем – 2,7кОм.
       Мощность резистора рассчитаем по формуле:
      P=I_б^2?R_б ,
      где? R?_б=R_6
      P=?0,0012?^2 А?2700Ом=0,004 Вт
      Выбираем 0,125 Вт.
      Выбираем R6 с учетом ряда номинальных значений сопротивлений: 
С2-33Н 0,125-2,7кОм ±10% 



















 Расчет фильтров по питанию
      
      Рисунок 4.3 – Схема включения КР142ЕН5Г
      Исходные данные:
      U_вх=12В
      U_вых=5В
      I_н=130 мА
      Определить:
      С1-С4
      Чем больше емкость конденсатора, тем меньше размах пульсаций. Рассчитаем емкость конденсатора С2  по заданным значениям тока нагрузки и размаху пульсаций выпрямленного напряжения.
      Выражение для расчета емкости конденсатора:
      С=(I_н?T_n)/?U , 
      гдеT_n-период  пульсаций выпрямленного напряжения, равный 0,01с, соответствующий частоте 100 Гц;
      	?U – изменение напряжения на конденсаторе за время T_n.
      	?U рассчитаем по формуле:
      ?U=?U_max-U?_min
      Максимальное мгновенное значение выпрямленного напряжения U_max можно принять на 1,5–2В меньшим, чем амплитудное значение U_вх, учтя падение напряжения на открытом диоде и на активном сопротивлении обмоток трансформатора. При выборе числового значения U_min следует учесть, что онодолжно быть на 25-30% больше, чем требуемое напряжение питания электронной схемы при указанном в задании минимальном напряжении питающей сети. Рассчитаем напряжение пульсаций:
      ?U=10В-6,5В= 3,5В
      Согласно формуле 4.11 рассчитаем емкость С2:
      С2=(0,13А?0,01с)/3,5В=  371мкФ
      Из ряда стандартов выберем значение ёмкости конденсатора равное 330 мкФ. Рабочее напряжение на конденсаторе должно быть на 10 – 20% меньше его номинального значения, выбираем 16В - К50-35- 330мкФ 16В±10% .Конденсатор С3 выберем равным С2.
      С1 – С4 необходимы для шунтирования высокочастотных помех, для этих целей устанавливаются керамические или пленочные конденсаторы не более 0,33 мкФ, выбираем керамические емкостью 0,1 мкФ - К10-17-1Б-0,1мкФ 25В±10%
      
      
      
      
      
      
      
      




       Расчет потребляемой мощности
      
      Для расчета потребляемой мощности достаточно просуммировать потребляемую мощность всех компонентов, входящих в состав схемы. При расчете будем использовать максимальные напряжения питания. Расчет потребляемой мощности производится по формуле:
      P_потр=I_потр U_пит
      Результаты расчетов сведем в таблицу:
Таблица 4.1 – Потребляемая мощность
Наименование
Количество
Потребляемый ток (мА)
Напряжение питания, (В)
Потребляемая  мощность (мВт)
КЦ407А
1
0,3
9
2,7
КР142ЕН5В
1
8
8
64
КД209А
1
0,1
6
0,6
DS18B20
1
1
5
5
ATmega8-16PU
1
3,6
5
18
WH1602L
Без подсветки
1
1,3
5
6,5

С подсветкой
1
40
4,2
168
АЛ307КМ
1
10
2
20
MOC3041
Инфрокрасный диод
1
60
2
120

Выходной драйвер
1
0,68
220
150
BTA40-600B
1


1000
Итого

Потребляемая  мощность без ВТА40-600В
539,3

Потребляемая  мощность с ВТА40-600В
1539,3
      	Вывод: данное устройство потребляет мощность 0,54Вт без симмистораBTA40-600B и 1,54 ВтсиммисторомBTA40-600B.
       Конструкторский раздел 
	
       Конструкторско-технологические характеристики элементной базы 

      Разрабатываемое радиоэлектронное устройство предназначено для эксплуатации в стационарных условиях, в отапливаемых помещениях, где поддерживаются нормальные климатические условия:
       температура -5 ? +45?С;
       атмосферное давление (630 - 800) мм рт. ст.;
       относительная влажность 65±15%  (при температуре +30?С);
       воздух без химических примесей и пыли, отсутствие механических перегрузок во время работы.
      Исходя из этого, относим данное устройство к классу наземной стационарной ЭА к 1 группе жесткости. Так же определяемв зависимости от условий эксплуатации по ГОСТ 23752-79, минимально возможные для этого класса механические воздействующие факторы:
       вибрация: частота 10 Гц, ускорение 1 g;
       многократные удары: ускорение 10 g, длительность 5 мс;
       одиночные удары: ускорение 50 g, длительность 0,5 мс;
       линейное ускорение: 2 g;
       акустические шумы: уровень 85дБ, частота 50 Гц.
      Необходимость применения дополнительной защиты от внешних воздействий необходима только при транспортировке, которая будет обеспечена тарой.
      Основные электрические характеристики:
      Напряжение питания, В……………………..………………..……………220
      Мощность коммутируемой нагрузки, Вт………………………....…..…3000
      Ток потребления, мА…………………………………………..….……….125
      Проанализируем применяемые в схеме электрорадиоэлементы (ЭРЭ), условия работы, рассеиваемую мощность, температуру окружающей среды, конструктивные особенности. Варианты установки элементов на плате определяются по ОСТ4 Г0.010.030-81 "Установка навесных элементов на печатные платы". Так как механические воздействия на узел минимальны, дополнительное крепление элементов нетребуется, кроме трансформатора ТП-321-12В, который имеет значительные размеры.
Таблица 5.1 - Конструктивные параметры, допустимые условия эксплуатации ЭРЭ
Наименование
ЭРИ
Кол., шт
Конструктивные параметры,
допустимые условия эксплуатации


Кол. 
выводов, шт.
Диаметр вывода, мм
Установочная площадь, ?мм?^2
Тип корпуса
Вариант установки
Диапазон температур, °C
ATMEGA8-16PU
1
28
0,5
346
DIP28
Рис. 5.17 в
-10…70
КР142ЕН5Г
1
3
0,7
51,1
КТ28-2
Рис. 5.17 б
-10…70
DS18B20
1
3
0,6
14,7
TO92
-
-55…120
КТ315А
1
3
1
21
КТ13
Рис. 5.17 д
- 45…100
EFM-250A
1
2
0,7
153,9
Рис.1
Рис. 5.17 в
-20…60
К10-17-1Б-0,1мкФ 25В
3
2
0,6
41,2
Рис.2
Рис. 5.17 д
-60…125
К10-17-1Б-30пФ 25В
2
2
0,6
22,4
Рис.2
Рис. 5.17 д
-60…125
К50-35-330мкФ 16В
3
2
0,6
50,2
Рис.3
Рис. 5.17 а
-40...85
К50-35-47мкФ 16В
3
2
0,6
31,1
Рис.3
Рис. 5.17 а
-40...85
К10-47А-0,01мкФ
1
2
0,6
51
Рис.4
Рис. 5.17 д
-60…85
К10-47А-0,047мкФ
1
2
0,6
67
Рис.4
Рис. 5.17 д
-60…85
АЛ336К
1
2
0,6
28
Рис.5
Рис. 5.17 д

-60…70
Продолжение таблицы 5.1
С2-33Н 0,125Вт
6
2
0,6
13,2
Рис.6
Рис. 5.17 а

-60…70
С2-33Н 1Вт
3
2
0,8
81,9
Рис.6
Рис. 5.17 а
-60...125
SWT-14-13

7
4
0.7
38,4
Рис.7
Рис. 5.17 а
-25...70
PS580L
1
6
0,6
64
Рис. 8
Рис. 5.17 а
-25…65
MOC3041
1
6
0,5
73,2
PDIP6
Рис. 5.17 в
-40...85
КД209А
1
2
0,6
26,6
Рис.9
Рис. 5.17 а
-60…85
SH142-5.0
2
2
1
100
Рис.10
Рис. 5.17 а
-30…105
WF-16-M
1
16
0,6
238
Рис.11
Рис. 5.17 а
-55…140
WF-2-M
1
2
0,6
44,1
Рис.11
Рис. 5.17 а
-55…140
WF-3-M
1
3
0,6
58,9
Рис.11
Рис. 5.17 а
-55…140
РК169-МД
1
2
0,5
51
Рис.12
Рис. 5.17 а
-20…60
SH142-10.0
1
3
1
150
Рис.10
Рис. 5.17 а
-30…105
BTA40-600B

1
3
0,8?6
1000
TOP-3

-
-40…125
ВП1-2
1
2
0,4
76,8
Рис. 13
Рис. 5.17 г
-60…100
ТП-321-12В
1
4
1
1634
Рис. 14
Рис. 5.17 а
-10…60
КЦ407А
1
6
0,35
44,2
Рис. 15
Рис. 5.17 а
-60…85
WH1602L

1
16
-
5638
Рис.16
-
-20…70

     
     Рисунок 5.1 - Габаритные размеры EFM-250A
     
Рисунок 5.2- Габаритные размеры К10-17-1Б

  Таблица 5. 2 - Габаритные размеры К10-17-1Б
Номинальная емкость, пФ
Номинальное напряжение, В
Размеры, мм


L
W
A
30
25
5,6
4
5
0,1 мкФ
25
7,5
5
5

     Рисунок 5.3 - Габаритные размеры К50-35

   Таблица  5.3 - Габаритные размеры К50-35
Номинальная емкость, мкФ
Номинальное напряжение, В
Размеры, мм


D
L
F
d
47
16
6,3
12
2,5
0,5
330
16
8
12
3,5
0,6

     
     Рисунок 5.4 - Габаритные размеры К10-47А
     
           Таблица  5.4 - Габаритные размеры К10-47А
Типоразмер
L
H
B
A
D
К10-.......................