Характеристика технического решения

Современная концепция построения цифровых магнитных компасов основываются на использовании 3-х магниточувствительных датчиков, реагирующих на магнитное поле Земли (МПЗ), и 2-х датчиков наклона. Магнитные датчики расположены в корпусе прибора таким образом, чтобы их оси чувствительности образовывали ортогональный трехгранник OX_TY_TZ_T для измерения соответствующих проекций T_x, T_y, T_z вектора напряженности МПЗ. Оси же чувствительности датчиков наклона должны образовывать двумерную ортогональную систему координат OXY, параллельную плоскости OX_TY_T магниточувствительных датчиков. [11]

Области применения цифрового магнитного компаса:

- Системы навигации GPS и Глонасс.

- Многоканальные тепловизионные системы для сверхдальнего наблюдения.

- Для измерения углов ориентации: азимутального угла и углов крена.

- Датчики движения.

Особенности конструкции:

– Микроконтроллер

– Магниточувствительный датчик

– Двухосевой акселерометрический датчик

– Источник опорного напряжения

– Аналого-цифровой преобразователь

– Информативные линии

– Линии управления

Техническое задание на разрабатываемое устройство:

– диапазон измерения азимута 0 … 360⁰ ;

– рабочий диапазон температур – 20⁰ … + 40 ⁰ С;

– основная абсолютная погрешность измерения азимута не более + 0,5⁰;

– дополнительная абсолютная температурная погрешность измерения не более + 0,1⁰;

– напряжение источника питания 5 В;[11]

Для определения азимута возможно использование соответствующей математической модели (19), связывающей лишь 2 проекции T_x, T_y вектора напряженности МПЗ, при ориентации плоскости OX_TY_T параллельно плоскости горизонта:

,(41)

где - азимут.

Но при выполнении измерений плоскость OX_TY_T (плоскость основания ЦМК) зачастую сориентирована таким образом, что она образует с плоскостью горизонта углы наклона и крена.[11]

Для определения этих углов используются датчики наклона, например, двухосевые акселерометры. После определения углов наклона и крена плоскость OX_TY_T алгоритмически приводится к плоскости горизонта, в соответствии с базовой математической моделью (20), для компенсации влияния этих углов на результаты вычисления азимута /2/:

, (42)

где - угол наклона;

- угол крена.

При выполнении соответствующих преобразований можно с достаточной точностью (без учета инструментальных погрешностей) определить азимут. [11]

Основное же отличие разрабатываемых и выпускаемых ЦМК как отечественными, так и зарубежными производителями в настоящее время заключаются в соответствующем выборе магниточувствительных датчиков. В значительной степени от выбора соответствующего типа магниточувствительного датчика зависят технические характеристики, масса, габариты и стоимость электронного навигационного оборудования, в частности ЦМК.[11]

При обзоре отечественных и зарубежных источников были выявлены основные типы магниточувствительных датчиков применяемых в ЦМК:

- высокочувствительные датчики Холла;

- анизотропные магниторезистивные датчики;

- магнитоиндуктивные датчики;

- феррозондовые датчики.

Следует также отметить разработанный для прецизионного приборостроения отечественными учёными квантовый магниточувствительный датчик на основе высокотемпературного сверхпроводящего иттриевого купрата. Однако высокая сложность изготовления и эксплуатации этих датчиков ограничивает их широкое практическое применение.[11]

Ниже приводится краткий обзор перечисленных выше датчиков с описанием их особенностей. Некоторые технические характеристики датчиков сведены в таблицу 2 для наглядности проведения сравнительного анализа.[11]

 

Таблица 2 - Технические характеристики магниточувствительных датчиков

№	Датчики	Сравниваемые характеристики
минимальное разрешение, нТл	Рабочий диапазон температур, °С	динамический диапазон, мкТл	потребляемая мощность, мВт	Уровень шума, нТл	Нелинейность, % FS
	Холла		-30…+100	± 10	20-25	-	±0,01
	магниторезистивные		-40…+125	±600	30-90	-	±0,1…2
	магнитоиндуктивные		-40… +85	± 80	80-100	-	-
	феррозондовые	0,1	- 25…+70	± 65	333 - 816	<0,3	± 0,05

 

Одним из ведущих производителей высокочувствительных датчиков Холла является нидерландская фирма Xensor Integration bv. Выпускаемый этой компанией датчик XEN – 1200, разработанный для ЦМК, обладает

следующими особенностями:

- встроенный интерфейс SPI последовательной передачи данных;

- абсолютная погрешность измерения не более 1⁰;

- отсутствие гистерезиса;

- высокая линейность статических характеристик;

- возможность непосредственного подключения к микроконтроллеру;

- низкое энергопотребление;

- малые габариты 4 2 2,4 мм.[11]

Ведущим производителем анизотропных магниторезистивных датчиков являются фирмы Philips, Honeywell, HL – Planartechnic. В основе принципа действия датчиков лежит анизотропный магниторезистивный эффект (АМР), который заключается в способности пермаллоевой (NiFe) пленки изменять своё сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего через неё тока и направления вектора намагниченности пленки.[11]

Магниторезистивные датчики характеризуются следующими особенностями:

- высокая чувствительность;

- широкий рабочий диапазон температур - 55 … + 150 ⁰ С;

- большое разнообразие конструктивных исполнений.

Стоит так же выделить некоторые недостатки этих датчиков, а именно:

- высокое энергопотребление, обусловленное наличием цепей для подачи установочного импульса тока 2…5 А длительностью 1 – 2 мкс через катушку SET/RESET датчика для ориентирования магнитных доменов всех магниторезистивных пленок в одном направлении. Эта процедура выполняется перед каждым измерением, переводя датчик в режим максимальной чувствительности;

- наличие схем сопряжения датчиков с микроконтроллером.[11]

Из перечисленных выше производителей фирма Honeywell выпускает широкий спектр цифровых магнитных компасов: HMR 3000, HMR 3001, HMR 3100, HMR 3200, HMR 3300, HMR 3500 TruePoint^TM, HMR 3600 μPOINT ^©. Все эти компаса структурно состоят из трехосевых магниторезистивных датчиков и двухосевых акселерометров для компенсации наклона и крена. [11]

 

2.2 Расчет текущих затрат цифрового магнитного компаса по базовому и новому вариантам.

В данной курсовой работе приводится технология разработки цифрового магнитного компаса по базовому и новому вариантам, в результате внедрения нового варианта произошло снижение трудоемкости, снижение затрат фонда заработной платы, расходы на содержание и эксплуатацию оборудования.[10]

В текущие затраты включаются затраты на:

1. Сырье и материалы (вычитаем)

2. Возвратные отходы

3. Комплектующие изделия, п/ф.

4. Энергия и топливо на технологические цели.

5. Основная зарплата производственных рабочих.

6. Дополнительная зарплата производственных рабочих.

7. Отчисления на социальное страхование.

8. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования.

Расчет текущих затрат цифрового магнитного компаса по базовому варианту:

Расчет по отдельным статьям расходов технологической себестоимости:

1. Расходы на расходные материалы и сырье (М) определяются по формуле:

(43)

Составим таблицу затрат на расходные материалы и сырье (таблицу 3). Цены на расходные материалы взяты с сайтов www.promelec.ru и www.platan.ru на 17.12.2012г.

 

Таблица 3 – Расчет затрат на расходные материалы

Наименование	Ед. изм.	Расход	Цена, руб.	Стоимость, руб.	Возвратные отходы
Кол-во	Цена, руб.	Стоимость, руб.
1. Припой	г		2,5			2,5
2. Флюс	г		0,57	11,46	-	-	-
3. Лак	мл		0,6	28,33	-	-	-
4. Краска	мл		0,126	6,32	-	-	-
5. Кислота	мл		0,148	2,96	-	-	-
6. Стеклотекстолит 2-стор. 60х420мм. (1,5мм)	лист	лист			-	-	-
7. Итого		339,07
8. Возврат отходов			-	-	-
9. Итого за вычетом возвратных отходов		314,07	-	-	-

 

1. Затраты на комплектующие изделия:

Составим таблицу расчета затрат на приобретение комплектующих (таблица 4). Цены на комплектующие взяты из прайс-листа с сайта http://www.terraelectronica.ru на 17.12.2012г.

Таблица 4 - Затраты на приобретение комплектующих

Наименование	Кол-во	Цена, руб.	Стоимость, руб.
Микроконтроллер ATmega-8AI		63.85	127.7
ИОН ADR421BR
АЦП AD7734
Мультиплексор ADG609BR
Цифровой термометр DS1820		232,10	464.2
Супервизор DS1813		34,20	64.4
DC/DC-преобразователь ADM660AR
Драйвер RS485 ADM485AR
MOSFET – сборка IRF7105
Операционный усилитель OP484ES
АЦП AD7706BR
Датчик ускорения ADXL203
С2-29В- 0,125-4,7 кОм ±1%		0,84	0,84

 

Продолжение таблицы 4

С2 -29В - 0,125-10 кОм±1%		0,84	3,36
С2 -29В - 0,125-200 Ом±1%		1,35	4,05
С2 -29В - 0,125-10 кОм±1%		1,35	4,05
С2 -29В – 0.125-50 Ом ±1%		1,35	4,05
С2 -29В – 0.125-75 кОм ±1%		1,35	4,05
С2 -29В - 0,125-2,2 кОм ±1%		1,53	4,59
С2 -29В – 0.125-470 Ом ±1%		1,53	1,53
С2 -29В – 0.125-10 кОм ±1%		1,35	4,05
С2 -29В – 0.125-10 кОм ±1%		1,35	4,05
С2 -29В - 0,125-10 кОм ±1%
С2-29В- 0,125-4,7 кОм ±1%
С2 -29В - 0,125-10 кОм±1%		4,5
С2 -29В - 0,125-200 Ом±1%		1,35	4,05
26 мкФ		4,5
К 50-7- 15 В – 2,2 мкФ 20%
К 50 -35- 10 В - 100 мкФ 10%
К 50-7- 15 В - 100 мкФ 20%
К 10 -17А Н90 0,1 мкФ 20%
33 мкФ
К 50-7- 15 В - 1000 мкФ 20%
К 50-7- 15 В - 10 мкФ 20%
К 10 -17А Н90 1 мкФ 20%		12.28	24,56
К 50-7- 15 В – 2,2 мкФ 20%
К 10 -17А Н90 1 мкФ 20%
К 10 -17А Н90 1 мкФ 20%
Дроссель ДМ-0,4-100 мкГн		3,90	7,8
Резонатор РК169-10000К-В		56,41	225,64
ИТОГО			6938,45

 

 

1. Затраты на силовую энергию для технологических целей ():

 

Затраты на энергию при разработке цифрового магнитного компаса осуществляются только во премя пайки печатной платы (пайка на стеклотекстолит всех комплектующих изделий),т. е. необходимо учитывать только мощность паяльника.

 

Стоимость электроэнергии рассчитывают по формуле:

, (44)

где - стоимость электроэнергии, руб.;

- потребляемая мощность в час, кВт;

- число часов эксплуатации в год;

- стоимость 1 кВт/ч, руб. (2,02 руб. + НДС 18% - для юрид. лиц).

1. Затраты на основную заработную плата производственных рабочих () определяется по формуле [10]:

(45)

Прямая заработная плата () определяется по формуле:

, (46)

где – оклад, руб.;

Тр – трудоемкость, ч;

Ч – число рабочих часов в месяце.

 

В разработке электронного устройства принимают участие инженеры разных специальностей и категорий. Тарифная ставка взята по данным УГАТУ на 2012 год. Число рабочих часов в месяце в 2012 году – 162 ч. Стоимость разработки по заработной плате приведена в таблице 4.

 

Таблица 5 - Трудоемкость и зарплата на разработку устройства

Этапы разработки	Должность	Квалиф. уровень	Оклад, руб.	Часовая тарифн. ставка, руб.	Трудоемкость, ч.	Прямая з/п, руб.
1. Анализ проблем и составление задания	Глав. научный сотрудник, имеющий ученую степень доктора наук, ученое звание «профессор» и стаж работы не менее 5 лет			45,37		453,7
2. Патентная проработка	Младший научный сотрудник с высшим образованием без предъявления требований к стажу			15,43		123,44
3. Разработка структурной и функциональной схем	Ведущий научный сотрудник, имеющий ученую степень и ученое звание			30,55
4. Разработка, расчет и анализ принципиальной схемы	Старший науч. сотрудник, имеющий ученую степень кандидата наук			27,16		2172,8
5. Разработка алгоритма и программы контроллера, ее отладка	Старший науч. сотрудник, имеющий ученую степень кандидата наук			27,16		1140,7
6. Конструкторская проработка	Ведущий научный сотрудник, имеющий ученую степень и ученое звание			30,55		916,5
7. Изготовление опытного образца	Старший науч. сотрудник, с высш. образованием и стажем работы не менее 5 лет			23,15		578,7
8. Испытание опытного образца	Старший науч. сотрудник, с высш. образованием и стажем работы не менее 5 лет			23,15		578,7
9. Доработка и корректировка по результатам испытаний	Ведущий научный сотрудник, имеющий ученую степень и ученое звание			30,55		244,4
10. Оформление документации	Науч. сотрудник, с высш. образованием и стажем работы не менее 2-х лет			20,06		802,47
11. Итого			8233,41
12.Премия (100% от п.11)		8233,41

 

Продолжение таблицы 5

13. Итого + премия (100%)	16466,82
14. Уральские (15% от п.13)	2470,02
15. Итого основная заработная плата	18936,84

 

1. Затраты на дополнительную заработную плата производственных рабочих ():

6. Отчисления на социальное страхование ():

 

7. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования:

a) амортизация оборудования и транспортных средств ():

b) расходы на эксплуатацию и текущий ремонт оборудования ():

с) прочие расходы (). Принимаются по нормам, действующим на предприятии, или примерно 5% от суммы затрат предыдущих статей.

 

 

 

В итоге текущие затраты с учетом всех статей расходов разработки в УГАТУ составит:

 

 

Обобщающая таблица по текущим затратам базового варианта (таблица 6)

 

Таблица 6 – Таблица показателей расчета текущих затрат по базовому варианту

 

Показатели	Единица измерения	Полученные значения
1) Расходы на расходные материалы и сырье	Руб.
2)Затраты на комплектующие	Руб.
3)Затраты на силовую энергию для технологических целей	Руб.
4)Затраты на основную заработную плату производственных рабочих	Руб.
5)Затраты на дополнительную заработную плата производственных рабочих	Руб.
6)Отчисления на социальное страхование	Руб.
7) Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования: a)амортизация оборудования и транспортных средств (): b)расходы на эксплуатацию и текущий ремонт оборудования ():   c) прочие расходы ().	Руб.
Итого:	Руб.	39094,298 руб.

 

Расчет текущих затрат цифрового магнитного компаса по новому варианту:

Расчет по отдельным статьям расходов технологической себестоимости:

1. Расходы на расходные материалы и сырье (М) определяются по формуле:

(46)

Составим таблицу затрат на расходные материалы и сырье (таблицу 7). Цены на расходные материалы взяты с сайтов www.promelec.ru и www.platan.ru на 17.12.2012г.

Таблица 7 – Расчет затрат на расходные материалы

Наименование	Ед. изм.	Расход	Цена, руб.	Стоимость, руб.	Возвратные отходы
Кол-во	Цена, руб.	Стоимость, руб.
1. Припой	г		2,5			2,5
2. Флюс	г		0,57	11,46	-	-	-
3. Лак	мл		0,6	28,33	-	-	-
4. Краска	мл		0,126	6,32	-	-	-
5. Кислота	мл		0,148	2,96	-	-	-
6. Стеклотекстолит 2-стор. 60х420мм. (1,5мм)	лист	лист			-	-	-
7. Итого		339,07
8. Возврат отходов			-	-	-
9. Итого за вычетом возвратных отходов		314,07	-	-	-

 

1. Затраты на комплектующие изделия:

Составим таблицу расчета затрат на приобретение комплектующих (таблица 8). Цены на комплектующие взяты из прайс-листа с сайта http://www.terraelectronica.ru на 17.12.2012г.

Таблица 8 - Затраты на приобретение комплектующих

Наименование	Кол-во	Цена, руб.	Стоимость, руб.
Микроконтроллер ATmega-8AI		63.85	127.7
ИОН ADR421BR
АЦП AD7734
Мультиплексор ADG609BR
Цифровой термометр DS1820		232,10	464.2
Супервизор DS1813		34,20	64.4
DC/DC-преобразователь ADM660AR
Драйвер RS485 ADM485AR
Продолжение таблицы 8
MOSFET – сборка IRF7105
Операционный усилитель OP484ES
АЦП AD7706BR
Датчик ускорения ADXL203
С2-29В- 0,125-4,7 кОм ±1%		0,84	0,84
С2 -29В - 0,125-10 кОм±1%		0,84	3,36
С2 -29В - 0,125-200 Ом±1%		1,35	4,05
С2 -29В - 0,125-10 кОм±1%		1,35	4,05
С2 -29В – 0.125-50 Ом ±1%		1,35	4,05
С2 -29В – 0.125-75 кОм ±1%		1,35	4,05
С2 -29В - 0,125-2,2 кОм ±1%		1,53	4,59
С2 -29В – 0.125-470 Ом ±1%		1,53	1,53
С2 -29В – 0.125-10 кОм ±1%		1,35	4,05
С2 -29В – 0.125-10 кОм ±1%		1,35	4,05
С2 -29В - 0,125-10 кОм ±1%
С2-29В- 0,125-4,7 кОм ±1%
С2 -29В - 0,125-10 кОм±1%		4,5
С2 -29В - 0,125-200 Ом±1%		1,35	4,05
26 мкФ		4,5
К 50-7- 15 В – 2,2 мкФ 20%
К 50 -35- 10 В - 100 мкФ 10%
К 50-7- 15 В - 100 мкФ 20%
К 10 -17А Н90 0,1 мкФ 20%
33 мкФ
К 50-7- 15 В - 1000 мкФ 20%
К 50-7- 15 В - 10 мкФ 20%
К 10 -17А Н90 1 мкФ 20%		12.28	24,56
К 50-7- 15 В – 2,2 мкФ 20%
К 10 -17А Н90 1 мкФ 20%
К 10 -17А Н90 1 мкФ 20%
Дроссель ДМ-0,4-100 мкГн		3,90	7,8
Резонатор РК169-10000К-В		56,41	225,64
ИТОГО			6938,45

 

1. Затраты на силовую энергию для технологических целей ():

 

Затраты на энергию при разработке цифрового магнитного компаса осуществляются только во премя пайки печатной платы (пайка на стеклотекстолит всех комплектующих изделий), т. е. необходимо учитывать только мощность паяльника.

 

Стоимость электроэнергии рассчитывают по формуле:

, (47)

где - стоимость электроэнергии, руб.;

- потребляемая мощность в час, кВт;

- число часов эксплуатации в год;

- стоимость 1 кВт/ч, руб. (2,02руб. + НДС 18% - для юрид. лиц).

4. Затраты на основную заработную плата производственных рабочих () определяется по формуле:

(48)

Используя тарифные ставки, принятые на заводе «УППО», определим заработную плату производственных рабочих с учетом трудоемкости выполняемых операций. Результаты расчетов представлены в таблице 9.

 

Таблица 9 - Расчет основной заработной платы рабочих

Наименование работ	Должность	Разряд	Оклад (), руб.	Трудоем-кость, ч.	Тариф, руб/ч.	Зарпла-та по тарифу, руб.
1. Пайка	техник		4686,77		28,93	115,72
2. Составление алгоритма	инженер		5781,5		35,68	142,72
3. Программирование контроллера	инженер		5781,5		35,68	107,04
4. Сборка	техник		4686,77		28,93	57,86
5. Контроль	техник		4686,77		28,93	28,93
6. Наладка, регулирование	инженер		5781,5		35,68	142,7
7. Итого			594,97
8. Премия (45% от п.7)	267,7
9. Итого + премия (45%)	862,7
10. Уральские (15% от п.9)	129,4
11. Итого основная заработная плата	992,1

 

 

Тариф рабочего вычисляется по следующей формуле:

, (49)

где - оклад рабочего I-го разряда (в 2012 г - 3421руб.);

- тарифный коэффициент (для IV разряда 1,37,для VI-го 1,69);

- число рабочих часов в месяце (в 2012 г составляет 162 ч.).

Для рабочего IV разряда получим:

.

На пайку элементов, на печатную плату отводится 4 часа, тогда прямая заработная плата будет равна:

.

5. Затраты на дополнительную заработную плата производственных рабочих ():

6. Отчисления на социальное страхование ():

 

7. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования:

а) амортизация оборудования и транспортных средств ():

b) расходы на эксплуатацию и текущий ремонт оборудования ():

с) прочие расходы (). Принимаются по нормам, действующим на предприятии, или примерно 5% от суммы затрат предыдущих статей.

В итоге текущие затраты с учетом всех статей расходов разработки в УППО составят:

 

Обобщающая таблица по текущим затратам нового варианта (таблица 10).

 

 

Таблица 10 – Таблица показателей расчета текущих затрат по новому варианту

 

Показатели	Единица измерения	Полученные значения
1) Расходы на расходные материалы и сырье	Руб.
2)Затраты на комплектующие	Руб.
3)Затраты на силовую энергию для технологических целей	Руб.
4)Затраты на основную заработную плату производственных рабочих	Руб.
5)Затраты на дополнительную заработную плата производственных рабочих	Руб.
6)Отчисления на социальное страхование	Руб.
7) Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования: a)амортизация оборудования и транспортных средств (): b)расходы на эксплуатацию и текущий ремонт оборудования ():   c) прочие расходы ().	Руб.
Итого:	Руб.	10087,91 руб.

Обобщающая таблица по текущим затратам базового и нового вариантов

(таблица 11).

Таблица 11– Сравнительная таблица текущих затрат по базовому и новому вариантам

Показатели	Единица измерения	Полученные значения
Базовый вариант	Новый вариант
1) Расходы на расходные материалы и сырье	Руб.	314,07	314,07
2)Затраты на комплектующие	Руб.	6938,45	6938,45
3)Затраты на силовую энергию для технологических целей	Руб.	223,2	223,2
4)Затраты на основную заработную плату производственных рабочих	Руб.	18936,84	992,1
5)Затраты на дополнительную заработную плата производственных рабочих	Руб.	1893,684	99,21
6)Отчисления на социальное страхование	Руб.	7082,378	371,04
7) Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования: a)амортизация оборудования и транспортных средств (): b)расходы на эксплуатацию и текущий ремонт оборудования (): c) прочие расходы ().	Руб.	151,68   8269,58   8421,26	88,64   483,28   571,95
Итого:	Руб.	34094,28	10087,91

Расчет снижения затрат:

Таким образом, в результате внедрения текущие затраты по новому варианту уменьшились на 29006,37 руб. за счет уменьшения трудоемкости, фонда заработной платы, расходов на содержание и эксплуатацию оборудования. Снижение текущих затрат говорит о том, что экономически эффективным является новый вариант.

 

2.3 Расчет капитальных затрат на цифровой магнитный компас по базовому и новому вариантам

Расчет капитальных затрат цифрового магнитного компаса по базовому варианту:

При экономической оценке технологических процессов необходимо также учесть размер капитальных вложений (), требуемых для осуществления того или иного техпроцесса и определяется следующим образом:

(50)

Капитальные вложения на стоимость зданий и сооружений будет включать в себя площадь рабочего места старшего научного сотрудника, паяющего плату цифрового магнитного компаса. Рабочим местом является письменный стол 56х70 см:

Расчетное количество оборудования на программу () определяется по следующей формуле:

шт.