Так случилось, что в 2017 году на «добровольных началах» я стал разработчиком задания демонстрационного экзамена по электронике для выпускников колледжей. Специфика самого экзамена заслуживает отдельного обсуждения, мы коснемся ее совсем кратко. В этой статье я хочу рассказать о проектировании электронной схемы, которая легла в основу экзамена.
Электрическая схема представляет собой точечный пожарный извещатель на основе оптического датчика дыма с сигнализацией в токовый шлейф. Что же тут может быть интересного? Изюминка в том, что в схеме нет ни одного программируемого микроконтроллера, только микросхемы стандартной логики и операционные усилители.
❯ Кратко о демонстрационном экзамене
Демонстрационный экзамен вводился как механизм независимой оценки квалификации выпускников средних профессиональных учебных заведений по инициативе правительства. В его основе были заложены практики международных соревнований WorldSkills по профессиональному мастерству, которые регулярно проводятся в Европе и мире уже больше половины века.
Из чемпионатов в экзамен перекочевали требования к наполнению заданий и механизмы оценки их выполнения. В рамках задания студент должен продемонстрировать практические навыки в разработке электрической схемы, трассировки печатной платы, сборки и ремонта электронного устройства.
Учитывая уровень квалификации выпускников колледжей, осуществляется проверка базовых навыков в схемотехнике, поэтому задание должно включать в себя типовые схемотехнические решения на основе «стандартных» электронных компонентов.
Думаю, что о самом экзамене в рамках этой статьи информации будет достаточно. Давайте же перейдем к самой электрической схеме пожарного извещателя.
❯ Описание работы устройства
Для лучшего понимания работы устройства на рисунке ниже представлена структурная схема точечного пожарного извещателя.
Для обнаружения возгорания извещатель должен быть снабжен газовой камерой, в которой размещены светодиод и фототранзистор ИК-диапазона. С помощью фотодатчика производится контроль оптической плотности среды.
Газовая камера должна иметь конструкцию, позволяющую максимально поглощать ИК-лучи. При попадании в камеру частичек дыма, возникающего в результате пожара, оптическое излучение ИК-светодиода рассеивается и частично переотражается на фототранзистор.
Электрическая схема датчика контролирует уровень засвечивания фоточувствительного элемента. Если концентрация дыма приводит к тому, что уровень сигнала на выходе фотоэлемента превышает установленный порог, то должна включиться сигнализация.
Датчик обладает световой и звуковой сигнализацией, а также может быть подключен к токовому шлейфу типа 4-20 мА.
Для обеспечения световой сигнализации на плате датчика размещены светодиоды зеленого и красного цвета. В дежурном режиме один раз в секунду на время 100 мс вспыхивает зеленый светодиод. При появлении дыма с интервалом один раз в секунду на 100 мс вместо зеленого должен вспыхивать красный светодиод. Световая сигнализация переключается без задержек.
Сигналы звукового оповещения и срабатывания токового шлейфа должны включаться, если уровень задымления превышен дольше 5 с. Отключение сигналов тревоги происходит, если уровень задымления установился ниже порога срабатывания на время более 8 с.
Звуковая сигнализация осуществляется со сменой тона. Частота звукового сигнала ступенчато изменяется примерно от 440 Гц до 880 Гц два раза за секунду.
Пожарный извещатель может работать как автономно, так и в составе токового шлейфа охранно-пожарной системы безопасности. В автономном режиме питание датчика осуществляется от батареи типа 7HR22 — в простонародье «Крона».
Для оповещения токового шлейфа потребление датчика должно ступенчато превысить 20 мА. При этом в дежурном режиме потребление должно быть стабильным без резких изменений и не превышать 10 мА. Основной проблемой для этого является необходимость питать ИК-светодиод, рабочий ток которого может составлять более 100 мА.
Для снижения пиковой мощности, потребляемой схемой, ИК-светодиод может включаться импульсами по 100 мс один раз в секунду. Питание светодиода будет осуществляться специальной схемой накачки мощности на конденсаторе.
Конденсатор для питания ИК-светодиода будет накапливать заряд в течение 900 мс малым током, а затем разрядится на него рабочим током за короткое время. Следовательно, измерение задымленности будет происходить только в момент включения ИК-светодиода.
В момент включения ИК-светодиода схема заряда конденсатора выключается. При этом общее потребление схемы могло бы значительно сократиться. Но этого не происходит, так как индикаторные светодиоды красного и зеленого цвета будут вспыхивать синхронно с отключением заряда конденсатора. А их рабочий ток должен совпадать с током его заряда.
Более незначительные изменения потребления тока будут компенсироваться импульсным стабилизатором напряжения. Он же позволит уменьшить общую потребляемую мощность за счет высокого КПД. В итоге схема может быть включена в токовый шлейф с напряжением 24 В без применения дополнительных схем, стабилизирующих ток. Как вам такое решение?
❯ Электрическая принципиальная схема
В соответствии со структурной схемой была разработана схема электрическая принципиальная.
Интегральный таймер IC1A NE555 формирует тактовые сигналы с частотой примерно 1 Гц. Так как стандартная схема включения таймера не может обеспечить длительность импульса короче паузы, на выходе генератора размещен инвертор IC2B. Так формируется короткий импульс включения светодиодов CLK.
Пока сигнал CLK низкий, транзистор Т2 открыт, производится заряд конденсаторов С12, С13. Ток заряда ограничивается резистором R10. После чего сигнал CLK на 100 мс закрывает Т2 и открывает транзистор Т3. Конденсаторы разряжаются на светодиод в составе оптопары U2 TCRT1000. Разрядный ток ограничивается резистором R11.
Интегратор на операционном усилителе IC3A удлиняет отраженный в фототранзисторе импульс примерно до 100 мс и передает его на вход компаратора IC3B. Порог срабатывания схемы определяет подстроечный резистор R16. При превышении этого порога формируется импульс SMOKE.
Схема управления светодиодами световой сигнализации LED1 и LED2 построена на логических вентилях IC2A, IC2C, IC2D. Сигнал SMOKE определяет необходимый цвет светодиода. А импульс CLK обеспечивает их включение.
Вместе с включением светодиодов на выходе этой схемы формируются сигналы FIRE и STAND-BY. Импульсы в цепи FIRE возникают при наличии дыма, STAND-BY — при их отсутствии.
Подсчет количества импульсов осуществляется счетчиками IC4. Порог счета определяют логические вентили И микросхемы IC5.
Когда один из счетчиков досчитал до своего предела, происходит переключение мультивибратора IC7A и заодно сброс счетчиков.
Сигнал ALARM, сформированный счетной схемой, разрешает работу генератора звукового сигнала и открывает транзистор Т1, который значительно увеличивает ток потребления схемы от токовой петли.
Тоны сигнала звукового оповещения формируют два генератора на логической микросхеме IC8. Стабильность параметров частоты данная схема обеспечить не может, но для звукового сигнала это не так важно. Зато вносится схемотехническое разнообразие.
Периодичность переключений тонов звукового сигнала определяет генератор IC9 на таймере NE555.
На логических вентилях IC10 B, D, C и IC6B собран мультиплексор. Сигнал таймера IC9 определяет, сигнал с какой частотой подавать на звуковой излучатель. А сигнал ALARM отвечает за разрешение подачи звукового сигнала.
Питание схемы обеспечивает понижающий ШИМ-стабилизатор U1 MC34063.
❯ Разработка конструкции датчика
Контур печатной платы получил свою затейливую форму не просто так. Нужно было проверить навыки работы студентов в САПР и их способность к проектированию печатных плат.
Первая версия печатной платы напоминала героя из игры Pac-Man. Плата имеет прямоугольный вырез под батарейку типа «Крона» и треугольный вырез, в котором предполагалось размещение газовой камеры датчика дыма. Но компоновка показалась мне неоправданно сложной. Расстояние между вырезами получилось достаточно узким для трассировки имеющихся связей на две стороны по третьему классу точности. А оставшейся площади едва хватило для размещения компонентов схемы.
К тому же печатная плата отфрезеровалась на станке не очень хорошо — некоторые дорожки пришлось дублировать проводами. Да и в спешке было допущено несколько досадных ошибок при переносе схемы. В итоге было решено печатную плату переделать.
Треугольный вырез был заменен на круглый. Оставшаяся площадь печатной платы увеличилась достаточно для того, чтобы скомпоновать на ней всю схему и не делать слишком длинных связей.
Уверяю вас, что внешнее сходство платы со Звездой Смерти из Звездных Войн получилось совершенно случайно, никаких тайных посланий в адрес несчастных студентов не закладывалось.
Вторая версия печатной платы вырезалась значительно лучше, да и переносилась схема уже более внимательно, с учетом всех выявленных нюансов.
Для полноты картины распечатали несколько вариантов газовой камеры для датчика дыма на 3D-принтере. На фотографии показана самая удачная конструкция. Она хорошо проветривается, а слоистая структура печати дополнительно способствует поглощению ИК-лучей. Черного пластика под рукой не оказалось, поэтому пришлось закрашивать внутреннюю часть черным фломастером по аналогии с картонным стаканчиком на видео.
Конечно же, перед тем как мучить студентов, я просто обязан был провести эксперимент на себе. Признаюсь честно, что свой же экзамен я сам не сдал ))
❯ Заключение
С момента запуска демонстрационного экзамена для СПО прошло уже без малого 9 лет. Возможно, среди Хаброчитателей даже найдутся его «жертвы». Они, наверное, согласятся, что, как и ЕГЭ в школах, механизм этот имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Но, несмотря на всё это, я получил удовольствие от разработки данной схемы. Надеюсь, эта «шахматная партия» по схемотехнике понравилась и вам.
Если вам понравилась эта статья, то вы можете посмотреть другие мои проекты. Ссылки на них вы найдете под спойлером.
- 1. Простая схема динамических указателей поворотов, и никаких микроконтроллеров
- 2. Светодиодная шкала для переменного резистора на «рассыпухе»
- 3. Светофор на логике со схемотехникой в стиле Beatles. Как электроника вновь стала моим хобби
- 4. Профессиональные методы прототипирования печатных плат. Распечатать на принтере или фрезеровать, ни слова про утюг
- 5. Бирдекель или арифметический детектив на операционных усилителях
- 6. Электронная игра «лабиринт» на сервоприводах. Никаких arduino, только жесткая логика
- 7. Велосипедный фонарь с динамическими поворотами. Зачем покупать на AliExpress, если можно сделать самому?
- 8. LPKF ProtoMat S63. Мыши плакали, кололись, но… продолжали фрезеровать печатные платы
- 9. Звуковой усилитель на драйвере шагового двигателя L298 и таймере 555. Да, 555-й может и спеть
- 10. Графический спектроанализатор с динамической индикацией на жесткой логике
- 11. Цифровой термометр на жесткой логике
- 12. Осциллограф из рассыпухи на светодиодной матрице. Разбор схемы в Proteus
- 13. SOS-фонарик на жесткой логике с датчиком удара на пьезоэлементе
Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩️
