Устройство охраны автопоезда

Диод VD6 предназначен для предотвращения выхода из строя микроконтроллера при подаче напряжения питания обратной полярности.

Рассмотрим следующую  схему автомобильного охранного устройства на базе микроконтроллера MSP430F122, представленную на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема автомобильного охранного устройства на базе микроконтроллера MSP430F122.

 

Базовую часть  устройства составляет микроконтроллер DD1, который принимает и обрабатывает информацию, поступающую на его порты от концевых выключателей дверей, капота, грузового отделения, замка зажигания, датчика удара, датчика объема, радиомодуля, обеспечивающего связь с брелком.

Настройки и состояния  сигнализации хранятся в микросхеме DD2. Обмен данными с микроконтроллером осуществляется по стандартному  проводному интерфейсу. Передача данных осуществляется через вывод DO, принимаются данные выводом DI, на вывод CLK подаются тактовые импульсы, работа или запрещение работы микросхемы DD2 осуществляется подачей на вход CS логического нуля или единицы.

Для предотвращения подачи на порты микроконтроллера напряжения 12 В бортовой сети автомобиля используются цепочки R1-R10-VD2, R9-R11-VD6. Рассмотрим работу первой. Резистор R1 и стабилитрон VD1 образуют стабилизатор напряжения. Резистор R1 – гасящий, ограничивает  ток через стабилитрон. Резистор R10 является подтяжкой, и служит для надежного формирования уровня лог. единицы на входе порта в моменты отсутствия напряжения 12В (контакт разомкнут). Работа второй цепочки аналогична рассмотренной выше. Резисторы R2, R3 так же являются «подтяжками» и служат для формирования уровня лог. единицы на входе микроконтроллера. Резистор R14 – гасящий, служит для ограничения тока через светодиод. Конденсаторы С1-С5 предотвращают появление различных наводок, всплесков, помех.

Электрозамками, габаритными огнями и другими  исполнительными устройствами по команде микроконтроллера DD1 управляет реле К1. Но из-за потребления их обмотками тока 200 мА каждой, при рабочем напряжении 12 В, их невозможно подключить прямо к портам. Поэтому применяется микросхема DA1. Данная микросхема представляет собой набор переключателей на транзисторах Дарлингтона, и позволяет коммутировать ток до 500 мА на канал. При появлении на входе какого-либо канала уровня лог.1 осуществляется коммутация соответствующего выхода с «землей», что приводит к срабатыванию реле. Эта микросхема так же коммутирует ток светодиода, и выдает импульс управления на стеклоподъемник. 

При необходимости  подачи звукового сигнала на выводе Р3.7 DD1 появится уровень логической единицы, который откроет транзистор VT1, и через сирену потечет ток. Резистор R13 используется для надежного закрытия транзистора, предотвращая тем самым ложные сигналы. Диод VD7 используется для защиты порта микроконтроллера от обратного тока VT1, в случае выхода последнего из строя.

Диод VD7 предназначен для предотвращения выхода из строя  всей схемы при подаче напряжения питания обратной полярности.

Конденсаторы  С6 и С7  используются для развязки по питанию и предотвращают высокочастотные колебания напряжения. [6]

 

2 Обоснование выбора структурной схемы

 

Структурная схема должна определять основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи [7].

Разрабатываемое устройство охраны автопоезда должно предотвращать угон автомобиля и выдавать предупреждающие и оповещающие сигналы при попытке взлома и вторжения. В соответствии с этим в состав данного устройства должны входить следующие функциональные узлы:

- микроконтроллер;

- датчик открытия водительской двери;

- датчик открытия пассажирской двери;

- датчик открытия капота;

- датчик открытия грузового отсека;

- датчик объёма;

- датчик удара;

- сирена;

- блок оптической развязки;

- светодиодный индикатор;

- разъём программирования  микроконтроллера;

- источник питания.

Микроконтроллер является ядром устройства охраны автопоезда, выполняет     заложенный алгоритм работы, принимает информацию с датчиков и выдает сигналы управления.

Датчики являются первичными источниками информации о том, что происходит с автопоездом.

Сирена служит для реализации звуковой сигнализации в случае нападения  на    автопоезд.

Блок оптической развязки предназначен для гальванической развязки входных  сигналов от датчиков и управляющего сигнала от микроконтроллера к сирене.

Светодиодный индикатор служит визуальным подтверждения того, что  в составе автопоезда имеется устройство охраны, а также включено оно либо выключено. 

Разъём программирования микроконтроллера предназначен для загрузки         программного обеспечения.

Источник питания преобразует входное напряжение 12 В в стабилизированное напряжение 5В для питания всей схемы. Также данный узел гальванически развязывает бортовое напряжение от напряжения питания микроконтроллера.

 

 

 

 

3 Обоснование выбора функциональной схемы

 

Функциональная схема  разъясняет определенные процессы, протекающие в      отдельных функциональных цепях устройства, и используется для изучения общих принципов работы, а также при наладке, ремонте и регулировки. [7]

Микроконтроллер выбираем PIC18F252. [8]

В качестве датчиков первичной  информации выбираем следующие:

- в качестве датчиков  открытия используем концевые  выключатели                       Z-15GQ22-B [9];

- в качестве датчика  объёма используем двухзонный цифровой датчик объема   VG – 64 [10];

- в качестве датчика  удара используем цифровой двухуровневый датчик удара   SG – 202 [11];

В качестве звукового сигнализатора  используем сирену MS-110P [9].

Основу блока оптической развязки составляют оптроны SFH617 [9].

В качестве светового индикатора используем светодиод ARL2-3214URС [9].

Источником питания служит DC/DC – преобразователь TMA0505S [12].

 

 

 

 

 

 

4 Обоснование выбора принципиальной схемы

 

Принципиальная схема  определяет полный состав элементов и связей между ними и, как правило, даёт детальное представление о принципах работы устройства. [7]

Микроконтроллер и необходимые  элементы для его функционирования представлены на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 – Схема включения микроконтроллера PIC18F258

 

Кварцевый резонатор BQ1 и конденсаторы С2 и С3 предназначены для создания стабильного синусоидального напряжения для микроконтроллера.

Конденсатор С4 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения в цепи питания микроконтроллера. 

Разъём X2 (PBS-5) и резистор R2 предназначены для подключения программатора.

 

Рисунок 4 – Схема реализации блока оптической развязки.

Схема реализации блока оптической развязки показана на рисунке 4.

Непосредственно оптическая развязка осуществляется оптронами  U2 – U10. Резисторные сборки R3 и R5 предназначены для создания рабочих токов в цепях фототранзисторов и диодов оптронов соответственно. Конденсаторы С7 – С14 предназначены для среза пульсаций напряжения на входе оптронов U2 – U9. Резисторы R4 и R6 создают рабочие токи для диода и фототранзистора оптрона U10.

Датчик открытия водительской двери (SA1) подключается к блоку оптической развязки согласно рисунку 5.

 

 

Рисунок 5 – Схема подключения  датчика открытия водительской двери.

 

Датчик открытия пассажирской двери (SA2), датчик открытия капота (SA3) и  датчик открытия грузового отсека (SA4) подключаются к блоку оптической развязки аналогично датчику SA1.

Датчик объёма (DD2) подключается согласно рисунку 6.

Датчик удара (DD3) имеет аналогичное соединение с датчиком объёма.

Сирена (BA1) подключается по схеме, изображённой на рисунке 7. Полевой транзистор VT1 предназначен для усиления управляющего сигнала, снимаемого с порта RC2 микроконтроллера DD1.

 

Рисунок 6 – Схема подключения датчика объёма.

 

 

Рисунок 7 – Схема подключения  сирены.

 

Светодиод VD2 подключается к микроконтроллеру согласно рисунку 8. Резистор R1 служит для создания рабочего тока через светодиод.

Источник питания схемы  собирается на основе DC/DC – преобразователя U1, подключенного по схеме, изображённой на рисунке 9.

Диод VD1 служит для защиты схемы от неправильного подключения электропитания.

 

Рисунок 8 – Схема подключения светового индикатора к микроконтроллеру.

 

 

Рисунок 9 – Схема реализации источника питания

 

Конденсаторы С1, С5 и С6 предназначены для сглаживания пульсаций напряжения на входе и на выходе преобразователя.

Защитный диод VD3 предназначен для среза всплесков напряжений бортовой сети автопоезда свыше 33 В.

Разъём X1 предназначен для подачи на устройство напряжения электропитания 12 В.    

5 Описание элементов схемы

 

5.1 Описание микроконтроллера  PIC18F252

 

Микроконтроллер PIC18F252 является однокристальным 8-разряднме FLASH CMOS микроконтроллером с 10 - разрядным АЦП компании.

 

5.1.1 Высокоскоростной RISC микроконтроллер:

 

- оптимизированная архитектура  и система команд для написания  программ на языке С;

- система команд совместима  с командами семейств PIC16C, Р1С17Си PIC18C

- линейное  адресное  пространство   памяти  программ 32кбайта;

- линейное   адресное   пространство   памяти   данных 1,5кбайт;

- быстродействие до 10MIPS:

а) тактовая частота от 0 до 4МГц;

б) тактовая частота в режиме PLL от 4МГц до 10МГц.

- 16-разрядные команды, 8-разрядные  данные;

- система приоритетов  прерываний;

- аппаратное умножение  8x8 за один машинный цикл.

 

5.1.2 Характеристика периферийных модулей:

 

- высокая    нагрузочная   способность   портов   ввода/  вывода;

- три входа внешних  прерываний;

- модуль   TMR0:    8/16-разрядный    таймер/счетчик   с программируемым 8-разрядным предделителем;

- модуль TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик;

- модуль TMR2: 8-разрядный     таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода (основной для ШИМ);

- модуль TMR3: 16-разрядный таймер/счетчик

- вторичный   генератор   тактового  сигнала  на  основе  TMR1/TMR3;

- два модуля ССР:

а) выводы модуля ССР могут работать как:

б) 16-разрядный захват, максимальная разрешающая способность 6.25нс;

в) 16-разрядное сравнение, максимальная разрешающая способность 100нс (TCY)

г) ШИМ, разрядность от 1 до 10 бит, максимальная частота ШИМ 156кГц 8 бит; 39кГЦ 10 бит.

- модуль   ведущего   последовательного   синхронного  порта (MSSP):

а) трёх проводной интерфейс SPITM (поддерживает 4 режима);

б) I²CTM (ведущий и ведомый режим).

- адресуемый модуль USART, поддержка интерфейса RS-485 и RS-232;

- модуль PSP, ведомый параллельный порт.

 

5.1.3 Аналоговые периферийные модули:

 

- модуль 10-разрядного АЦП:

а) высокая скорость преобразования;

б) работа модуля АЦП в SLEEP режиме микроконтроллера.

- программируемый детектор  пониженного напряжения (PLVD): при обнаружении снижения напряжения возможна генерация прерываний:

в) программируемый  сброс  по  снижению  напряжения питания.

 

5.1.4 Особенность микроконтроллера PIC18F252:

 

- 100 000 гарантированных циклов стирание/запись памяти программ;

- 1 000 000 гарантированных циклов стирание/запись EEPROM памяти данных;

- возможность самопрограммирования;

- сброс по включению питания (POR), таймер включения питания (PWRT), таймер запуска генератора (OST);

- сторожевой таймер WDT с отдельным RC генератором;

- программируемая защита кода программы;

- режим пониженного энергопотребления и режим SLEEP;

- выбор режима работы тактового генератора, включая:

а) 4 х PLL (от основного генератора);

б) вторичный генератор (32кГц)

- внутрисхемное программирование по двухпроводной линии (ICSP) с одним напряжением питания 5В;

- внутрисхемная отладка по двухпроводной линии (ICD).

 

5.1.5 КМОП технология:

 

- высокоскоростная энергосберегающая КМОП технология;

- полностью статическая архитектура;

- широкий диапазон напряжений питания (от 2.0В до 5.5В);

- промышленный и расширенный температурные диапазоны.

 

5.1.6 Цоколёвка и структурная  схема микроконтроллера PIC18F252 представлены на 10 и 11 рисунках.

 

 

Рисунок 10 – Цоколевка микроконтроллера PIC18F252

 

 

 Рисунок 11 – Структурная схема микроконтроллера PIC18F252 [8]