Разработка домашней метеостанции

• Введение
• 1. Аналитический раздел
• 1.1 Обзор существующих домашних метеостанций
• 1.2 Современные тенденции развития домашней метеостанции
• 1.3 Патентный обзор
• 1.5 Анализ схемы электрической принципиальной
• 1.6 Разработка технического задания на прибор
• 2. Конструкторский раздел
• 2.1 Выбор элементной базы
• 2.2 Расчет надежности
• 2.3 Массогабаритный расчёт
• 2.4 Расчет топологических характеристик печатной платы
• 2.5 Проектирование лицевой панели
• 2.6 Расчет теплового режима блока
• 2.7 Проектирование конструкционных элементов РЭС
• Выводы по разделу
• 3. Технологический раздел
• 3.1 Анализ технологичности конструкции
• 3.2 Определение типа производства
• 3.3 Технологический процесс сборки домашней метеостанции
• 3.4 Выбор оборудования и оснастки
• 4. Экономический раздел
• 4.1 Технико-экономическое обоснование разработки домашней метеостанции
• 4.2 Расчет единичной себестоимости и цены домашней метеостанции
• 4.3 Анализ экономической эффективности производства домашней метеостанции
• Вывод по разделу
• 5. Охрана труда и экологический раздел
• 5.1 Охрана труда
• 5.2 Промышленная экология
• 5.3 Чрезвычайные ситуации
• Список литературы

Домашние метеостанции появились на рынке сравнительно недавно. Родоначальниками бытовых метеостанций являются обыкновенные барометры. Функциональность домашней метеостанции схожа с метеорологической станцией, только обрабатываются гораздо меньше данных, которые поступают с одного или нескольких датчиков, установленных за окном и в других помещениях. Домашние метеостанции показывают температуру в помещении, температуру вне помещения, измеряют влажность, атмосферное давление и исходя и обработки процессором полученных данных формируют прогноз погоды на сутки. Работают, как от электрической сети, так и от сменных элементов питания.

Каждый день обычный человек покидает свое жилище и выходит на улицу. И каждый раз перед этим он оценивает погодные условия. К сожалению, эти условия могут резко изменяться. Например, прекрасное солнечное утро может обернуться обеденным ливнем или вечерней грозой. Что бы не быть застигнутым врасплох капризами погоды, человек может пользоваться официальными прогнозами погоды. А может и сам делать свои прогнозы, пусть и всего на несколько часов вперед. Главным помощником в этом может стать бытовая метеостанция. Такая цифровая метеостанция может одновременно измерять несколько величин, связанных с погодой. Она имеет гораздо больше возможностей, чем отдельные приборы. Любая метеостанция содержит в своем составе датчик температуры наружного воздуха. Это позволяет знать температуру в любое время. Такому термометру не помеха запотевшие или покрытые инеем стекла, темнота и другие подобные условия. Обязательным датчиком также является датчик давления. Зная эту величину можно определить тенденции измерения погоды. Для этого используется современный барометр бытовой цифровой и высокоточный. По своим характеристикам он не уступает подобным устройствам, используемым в научных целях. При этом электронный блок часто может не просто показывать давление, но и производить анализ его изменения. Все это позволяет выстраивать точный прогноз не выходя из дома и не пользуясь средствами массовой информации.

Последним обязательным прибором домашней метеостанции является датчик влажности или гигрометр. В отличие от классического, с двумя термометрами, этот гигрометр электронный и не требует постоянного добавления воды. Еще одним важным его достоинством является отображение влажности, тогда как обычный вариант требует перевода показаний по специальной таблице. Обладая бытовой метеостанцией любой человек, может сам делать свой прогноз погоды. В отличие от глобальных, он будет более точен для каждого места жительства. Это позволит не удивляться капризам погоды, а вовремя предупреждать их последствия. Поэтому вам стоит приобрести в пользование домашнюю метеостанцию. Комнатный гигрометр позволяет всегда держать под контролем уровень влажности внутри помещения, что позволит предпринять необходимые меры для профилактики появления плесени и других болезнетворных бактерий. А анализ влажности воздуха на улице всегда подскажет, брать с собой зонт или дождя можно сегодня не ждать.

Специалисты также рекомендуют купить цифровые метеостанции молодым родителям. Сначала этот прибор поможет поддерживать оптимальную для малыша температуру в комнате и одевать его по погоде благодаря встроенному термометру, отправляясь на прогулку. Людям постарше неоценимую помощь окажет встроенный в цифровую метеостанцию барометр, который не только показывает уровень атмосферного давления, но и составляет график его изменений. Это позволит всегда чувствовать себя хорошо тем, кто страдает низким или высоким давлением. Ведь вовремя принятое лекарство иногда может спасти человеку жизнь.

1. Аналитический раздел

1.1 Обзор существующих домашних метеостанций

Прибор «Астра-01» предназначен для предсказания изменений погодных условий и выводам данных на экран. Данный прибор используется в основном исследователями так как всю нужную информацию об изменении погоды «Астра-01» берет со спутника. Все что нужно — установить на домашний компьютер специальную программу, которую можно скачать в интернете. Сам прибор подключается к системному блоку и выдает точные метеопрогнозы на следующий день: температуру воздуха может предсказать с точностью до одного градуса, а приближение дождя — с точностью до десяти минут. Основные характеристики прибора представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Основные характеристики «Астра-01»

Прибор обошелся всего в восемь тысячи рублей, тогда как подобные устройства промышленного производства стоят около 30 тысяч. Устройство, уместившееся в небольшую пластиковую коробку высотой 10 и шириной 15 сантиметров, без труда считывает информацию со спутников. Внешний вид прибора представлен на рисунке 1.

Данный прибор имеет два существенных недостатка:

людям которые не умеют пользоваться компьютером не смогут узнать прогноз погоды;

прогнозирование погоды следующего дня, а не на прогноз текущего момента времени.

Рисунок 1. «Астра-01» .

Прибор «OZON» — это портативная домашняя метеостанция которая измеряет давление, влажность воздуха, и температуру в домашних условиях. Предлагаемый прибор отличается от аналогов использованием современной базы, исчерпывающим в домашних условиях набором измеряемых параметров, наличием интерфейса USB, что существенно для связи с современными компьютерами, не имеющими зачастую других интерфейсов, большой внутренней памятью, сохранением работоспособности при отсутствии части датчиков, наличием часов, обычного и лунного календарей. Основные характеристики «OZON» представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Основные Характеристики «OZON» .

Рисунок 2. «OZON» .

Прибор «Orion» построен на Picaxe микроконтроллере от Revolution Education Ltd и состоит из двух основных частей: наружный блок, который посылает свои данные каждые 2 секунды, используя передатчик на частоте 433МГц. И внутренний блок, который отображает полученные данные на 20×4 ЖК-дисплее, а также атмосферное давление, которое измеряется локально во внутреннем блоке. Связь устройства с компьютером осуществляется через COM-порт. В настоящее время на компьютере непрерывно строятся графики из полученных значений, а также идет отображение значений на обычных индикаторах. Графики и показания датчиков доступны на встроенном веб-сервере, все данные сохранятся и Т.о. можно посмотреть данные за любой промежуток времени. Конструктивно устройство должно быть выполнено в виде отдельного блока, собранного в корпусе размерами не более 160×153×30мм, и массой не более 700 г. Устройство не должно иметь резонансных частот в области от 10 до 30Гц.

На передней панели индикатор данных, кнопки управления и светодиодные индикаторы питания и обмена данными USB, с торцов устройства расположены разъемы для подключения питания, внешних датчиков и интерфейса USB.

Питание устройства должно осуществляться от бытовой питающей сети напряжением 220 В 50Гц, при отключении сетевого питания устройство питается от аккумуляторной батареи напряжением 6 В. Основные характеристики «Orion» представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 Основные характеристики «Orion» .

Важным недостатком «Orion» является сложность его установки выносные датчики нужно располагать в определенных местах для более точных измерительных показателей. У данного прибора низкие показатели измерительных датчиков. К тому же у прибора сложная элементная база что резко повышает стоимость изделия К плюсам можно отнести питание как от сети 220 В так и от батареи 6 В. Важным достоинством является еще и то что данные с датчиков передаются дистанционно.

домашняя метеостанция домашняя электрическая

Рисунок 3. «Orion»

1.2 Современные тенденции развития домашней метеостанции

Выносные проводные или беспроводные датчики.

На данный момент многие, но далеко не все домашние метеостанции имеют эту функцию. Возможность измерять температуру на улице, да еще минуя провода — конечно очень удобна. Естественно, что такая технология требует отдельных затрат, причем не маленьких. Поэтому, производители метеостанций, часто включают эту функцию в свои метеостанции, но не включают беспроводной наружный датчик для метеостанции в комплект поставки, позволяя покупателю выбирать самостоятельно: нужна ему эта функция или нет.

Прогнозирование погоды.

Многие метеостанции имеют специальные алгоритмы, позволяющие метеостанции прогнозировать погодные изменения и информировать вас. Кроме основных функций, делающих домашнюю метеостанцию — метеостанцией, существуют также дополнительные, превращающее вашу метеостанцию в часы, будильник, радио или даже фоторамку.

Проекционные возможности.

Домашняя метеостанция иногда имеет проекционные возможности, позволяющие проецировать время и погоду на любую поверхность.

Интернет метеостанции.

Такие домашние метеостанции способны получать прогноз погоды в Интернете, синхронизировать точное время, а также передавать точные прогноз погоды Вашему компьютеру.

Большинство современных пользователей считают лишней функцию метеостанции, которая дает возможность определять уровень ультрафиолетового излучения. Хотя, для некоторых этот показатель тоже имеет значение. Метеостанция не только покажет уровень ультрафиолетового излучения, но и определит оптимальную длительность нахождения на солнце после введения таких параметров, как уровень зашиты солнцезащитного крема, тип кожи. Благодаря звуковому сигналу пользователь может узнать, что ему пора уходить с солнца.

Электронная метеостанция может давать прогноз на ближайшие сутки, определит направление и скорость ветра, точку росы, количество осадков и т. д. Поэтому выбор заключается только в потребностях покупателя и его финансовых возможностях.

1.3 Патентный обзор

Патентный поиск представляет собой процедуру, позволяющую получить информацию о разработках, на которые зарегистрированы авторские права, что дает возможность избежать возникновения проблемных ситуаций и сэкономить множество времени.

Так, заинтересованное лицо может отыскать патент по номеру, имени автора или правообладателя и узнать о документе подробные сведения: действует ли он в настоящий момент, возможно ли его восстановление, заключались ли по нему лицензионные договора. Получение данной информации позволяет защитить свои авторские права, а также идентифицировать юридический статус тех или иных разработок.

Предварительный патентный поиск позволяет исключить вероятность отказа в регистрации торговой марки, изобретения и прочих разработок за счет объективной оценки их патентоспособности. Она производится путем сравнения существенных признаков новшества с характеристиками объектов, на которые уже получены авторские права либо поданы заявки на их оформление.

При этом в расчет принимаются следующие критерии:

новизна для любых разработок;

промышленная применимость для полезных моделей и изобретений;

оригинальность для промышленных образцов;

изобретательский уровень для изобретений.

В ходе патентного поиска проверка данных осуществляется по информационным базам патентной литературы, которые содержат сведения не только о правах, зарегистрированных в России и за рубежом, но и авторских свидетельствах СССР, а также заявок, поданных на регистрацию. Расширенной версией данной процедуры является патентно-информационный поиск. В его рамках осуществляется анализ информации, найденной в официальных патентных базах, а также в других источниках: периодической печати (научно-популярных журналах, отраслевых изданиях); справочной и технической литературе; диссертациях; учебниках; сведениях, размещенных в виртуальном пространстве. Это дает возможность автору разработки более объективно оценить ее свойства, а также скорректировать черты, которые дублируют уже зарегистрированные объекты и гарантировать успешное прохождение процедуры патентования.

Описание патента № 2 279 699

Описание патента № 2 200 336

Описание патента № 2 251 128

1.5 Анализ схемы электрической принципиальной

Основные узлы — микроконтроллер DD2, графический ЖКИ, датчик давления, датчик влажности, датчик температуры, коммутатор и стабилизатор напряжения. Микроконтроллер ATmega168 (DD2) тактируется встроенным RC-генератором на 8 МГц при включённом делителе частоты на 8. Таким образом, его тактовая частота равна 1 МГц. Кварцевый резонатор ZQ1 на 32 768 Гц, подключённый к выводам XTAL1 и XTAL2 микроконтроллера, стабилизирует лишь частоту задающего генератора имеющегося в микроконтроллере таймера-счётчика 2, который ведёт счёт времени.

Микросхема DA2 (MAX6326UR29) — детектор понижения напряжения питания до 2,93 В с собственным током потребления около 1 мкА. За счёт её использования и отключения в микроконтроллере внутреннего детектора ток потребления прибора в энергосберегающем режиме уменьшен на 17 мкА. Если такой микросхемы нет в наличии, вместо неё, можно подключить обычную цепь формирования импульса установки микроконтроллера в исходное состояние при включении питания.

Стабилизация напряжения питания микроконтроллера и остальных элементов прибора производится в две ступени. Первая (на интегральном стабилизаторе DA1) понижает напряжение батареи до 5,3 В, далее — до 5 В с помощью второго стабилизатора (DA3). Основное преимущество такого решения состоит в том, что напряжение на выходе второго стабилизатора практически не зависит от изменений напряжения на входе первого в пределах 5,3.15 В. При одной ступени стабилизации напряжение, питающее микроконтроллер, по мере разрядки батареи заметно уменьшается, что приводит к понижению частоты кварцевого генератора и отставанию часов.

Минимальное падение напряжения на стабилизаторе из двух микросхем TPS71501 не превышает 0,2 В при токе нагрузки 10 мА, собственный ток потребления — около 6,5 мкА. При использовании в позиции DA3 вместо стабилизатора TPS71501 с регулируемым выходным напряжением микросхемы стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 5 В отпадает необходимость во внешнем резистивном делителе R20R21R24.

Если в повышенной точности хода часов нет необходимости, стабилизатор DA1 и резисторы R12, R14, R17 можно не устанавливать, замкнув на печатной плате контактные площадки для выводов 4 и 5 DA1. Самовосстанавливающийся предохранитель FU1 и диод VD1 обеспечивают защиту прибора от подключения к нему батареи в неправильной полярности.

Применённый графический ЖКИ WG12864A-YGH (HG1) с разрешением 128×64 пкс имеет светодиодную подсветку желто-зелёного свечения и встроенный преобразователь напряжения, формирующий на выводе 18 (VFE) напряжение — 5 В, необходимое для установки оптимальной контрастности изображения. Питание на ЖКИ подаётся только в рабочем режиме через ключ на транзисторе VT5 и фильтр R29C14L3C16C19. Его основные узлы — микроконтроллер DD2, графический ЖКИ HG1, датчик давления В1, датчик влажности В2, датчик температуры ВЗ, коммутатор DD1 и стабилизатор напряжения +5 В на микросхемах DA1 и DA3.

1.6 Разработка технического задания на прибор

Прибор предназначен для измерения температуру в помещении, измеряет влажность, атмосферное давление и исходя из обработки процессором полученных данных формируют прогноз погоды на сутки.

1.6.1 Исходные документы.

схема электрическая принципиальная домашней метеостанции;

технические условия.

1.6.2 Основание для разработки.

задание на дипломное проектирование.

Технические требования к изделию.

1.6.3 Показатели назначения.

Диапазон измерения атмосферного давления, мм Hg 112…862;

Диапазон измерения относительной влажности воздуха, 0…100;

Диапазон измерения температуры, ⁰С — 55…+125;

Погрешность измерения атмосферного давления ±1,5;

Погрешность измерения относительной влажности воздуха, %. ±2;

Погрешность измерения температуры ±2;

Напряжение питания, В 5…10;

Потребляемый max ток, мкА 4,3;

Продолжительность работы от батареи, месяц, не менее 12.

1.6.4 Показатели надёжности.

Среднее время наработки на отказ, часов, не менее 8000;

Прибор должен удовлетворять требованиям ГОСТ 27.003−90. «Надежность в технике». Состав и общие правила задания требований по надежности.

1.6.5 Массогабаритные показатели.

Масса, кг не более ;

Габаритные размеры корпуса метеостанции, мм 1 208 030;

1.6.6 Долговечность.

Гарантийный срок службы 6 месяцев;

Срок эксплуатации 10 лет;

1.6.7 Приспособленность к окружающей среде.

Метеостанция должна выдерживать климатические и механические воздействия, предусмотренные ГОСТ 25 467–8.:

климатическое исполнении УЗ.

1.6.8 Категория размещения.

Объект установки: стационарная:

температура воздуха при эксплуатации, ⁰С рабочее — 40…+40;

предельное −45…+50;

Влажность, % (при t^°, C +35) 98.

1.6.9 Изделие должно удовлетворять требованиям на механические нагрузки для аппаратуры класса М1 (переносная):

Вибрации:

диапазон частот, Гц 1−35;

ускорение, g 0,5;

Удары:

ускорение, g 15;

длительность импульса, мс 2−15.

1.6.10. Безопасность производства и использование:

Надписи и условные функциональные обозначения (символы) должны быть четкими, разборчивыми и не стираемыми;

В приборе должна быть предусмотрена надежная защита человека от воздействия электромагнитных полей, согласно нормам H-8−72;

Должна быть исключена возможность прикосновения человека к токоведущим частям без вскрытия корпуса;

Метеостанция должна быть удобной для эксплуатации;

Конструкция прибора не должна иметь острых кромок, углов, о которые можно поранить руки при переноске, установке, сборке;

В изделии не должны применяться материалы, краски и другие компоненты, которые при его эксплуатации и хранении выделяют токсичные или радиоактивные вещества.

1.6.11. Эстетичность.

Все органы управления и индикации должны быть вынесены на лицевую панель;

Прибор должен иметь прямоугольную форму, цвет корпуса покрыть краской белого цвета.

1.6.12. Совместимость.

Домашняя метеостанция должна иметь:

Инструкцию;

Батарею питания.

1.6.13. Маркировка и упаковка.

На корпусе данного изделия должна быть фирменная планка с указанием следующих данных (ГОСТ 26.008−85):

сокращенное обозначение блока питания (шифр);

порядковый номер (первые две цифры должны обозначать год выпуска измерительного комплекса).

Маркировка комплекса должна сохраняться четкой в течение всего срока эксплуатации.

Упаковочные ящики для комплекса должны соответствовать ГОСТ В 9.001−72, ГОСТ 23 088–80 и должны быть от маркированы по ГОСТ 14 192–77.

ЭД, входящие в комплект, должны быть упакованы в мешок из полиэтиленовой пленки ГОСТ 10 354–82 и уложены в ящик.

1.6.14. Транспортировка и хранение.

Транспортная маркировка к упаковке должна соответствовать ГОСТ 14 192–77.

Упакованные блоки должны допускать транспортирование всеми видами транспорта в условиях ГОСТ 15 150–69, ГОСТ В 9.001−72 при температуре не ниже — 40С и при защите их от прямого воздействия атмосферных осадков и механических повреждений.

Блок должен храниться по ГОСТ 15 150–69, ГОСТ В 9.001−72 при отсутствии в воздухе кислотных, щелочных и других агрессивных примесей.

2. Конструкторский раздел

2.1 Выбор элементной базы

Решение этой задачи ставит целью проверить правильность выбора элементов схемы с позиции их устойчивости к внешним воздействиям.

Элементная база должна выбираться так, чтобы удовлетворять требованиям технического задания — механическим воздействиям М3 и климатическому исполнению УХЛ.

Результаты анализа элементов на устойчивость к внешним воздействиям представлены в таблице 1.

В ходе работы были определены элементы, входящие в состав модуля; с помощью анализа справочных данных оценена устойчивость этих элементов к предполагаемым внешним воздействиям М3. Элементная база удовлетворяет требованиям технического задания по механическим воздействиям, температурному диапазону и влагоустойчивости.

Таблица 2.1 «Анализ элементов на устойчивость к внешним воздействиям» .

2.2 Расчет надежности

Цель — определение показателей надёжности проектируемого модуля в реальных условиях эксплуатации с учётом особенностей функционирования принципиальной схемы, которое позволяет оценить влияние условий применения элементов и дестабилизирующего влияния окружающей среды на надёжность аппаратуры.

В общем случае формула расчета надёжности в реальных условиях эксплуатации имеет вид

, (2.1)

где

_а — интенсивность отказа изделия в нормальных условиях эксплуатации;

_мв, _t, _вл, _д — коэффициенты, учитывающие влияние на надёжность механических воздействий, температуры, влажности и давления соответственно;

К_эн — коэффициент электрической нагрузки, учитывающий особенности функционирования принципиальной схемы с выбранными элементами.

Следует учесть, что влияние внешних факторов на элементы различных классов неодинаково остаточно сложно вычислить обобщённый Кэн для всего модуля.

Поэтому наиболее точный результат интенсивности отказов модуля дает формула, учитывающая соответствующие коэффициенты для каждого i-го элемента:

Методика уточненного расчета модуля состоит в следующем:

(22)

Методика уточненного расчета модуля состоит в следующем:

1. На основе анализа принципиальной схемы и спецификации определяют типы элементов, входящих в рассчитываемый модуль. Элементы, выполняющие вспомогательные функции, из расчета исключаются.

Для каждого из элементов определяется интенсивность отказов в нормальных условиях эксплуатации и номинальной нагрузкой (_i). Все необходимые данные имеются на кафедре «Проектирования и технологии электронных средств» .

2. Для каждого из выбранных элементов вычисляется К_iэн. В данном случае были использованы рекомендованные значения, а не полученные на основе анализа работы принципиальной схемы.

3. Наиболее неоднозначно влияет на интенсивность отказов элементов различных типов температура. Поэтому рассчитанные коэффициенты электрической нагрузки необходимо скорректировать, учитывая максимальную температуру наименее термостойкого элемента, и получить коэффициент К_iпопр.

4. Определяют значение интенсивности отказов проектируемого модуля в реальных условиях эксплуатации

(2.3)

Коэффициенты _мв, _вл, _д при условиях, заявленных в ТЗ, получаются равными: _мв = 1.07, _вл = 1, _д = 1

Исходные данные и результаты расчётов размещены в таблице 2.

Таблица 2.2 «Данные и результаты расчёта надёжности» .

Интенсивность отказов всего модуля в реальных условиях эксплуатации:

= 1,07 · 1· 1 · 2,38 · 10 — ⁶ = 2,54· 10 — ⁶ 1/ч Среднее время наработки на отказ модуля:

= 392 680 ч (2.4)

Время наработки на отказ модуля при вероятности безотказной работы P=0,95:

; =20 194 ч (2.5)

Полученное время наработки на отказ модуля при вероятности безотказной работы 0,95 превышает заявленное в техническом задании (8000ч), а следовательно удовлетворяет требованиям по надежности.

2.3 Массогабаритный расчёт

Определение площади объёма ЭРЭ.

Зона размещения электрорадиоэлементов является основной и определяется по формуле

, (2.6)

где K_s — коэффициент заполнения ПП ЭРЭ, определяемый в зависимости от класса РЭС в пределах 0,4.0, 85;

S ⁱуст — установочная площадь ЭРЭ. Данные по каждому элементу представлены в таблице 2.3.

Объём, занимаемый электрорадиоэлементами определяется по формуле:

(2.7)

где — установочный (габаритный) объем i-го элемента;

N — общее количество элементов в схеме;

Kv — обобщенный коэффициент заполнение объема (Кv=0,6 по таблице)

Таблица 2.3 «Массогабаритные данные ЭРЭ» .

K = 0,6, S1 = 3592,3 мм ². V1 = 19 162,5 мм ³ = 19,6 см ³.

Определение массы корпуса.

(2.8)

где

— удельная плотность материала корпуса.

= 1,05 г/см3

Масса лицевой панели М лицевой = ((1,5см*12см*0,15см) *2 + (8см*1,5см*0,15см) *2 + 1,5*12*8) * 1,05/см 3 = 150 г Масса задней стенки М задней = ((1,5см*12см*0,15см) *2 + (8см*1,5см*0,15см) *2 + 1,5*12*8 + 2*3*1,5 + 2*5*1,5) *1,05/см 3 = 166 г лиц. с элем. = 150 + 6*5 + 30 = 210 г Масса задней стенки с навесными элементами М зад. с элем = 166 + 10 + 42 + 30 = 248 г

; ;

Определяем общую массу прибора.: масса изделия, масса корпуса, М прибора = М лицевой + М задней + М лиц. с элем. + М зад. с элем + М винтов + М проводов (6.4)

М прибора = 150 г + 166 г + 210 г + 248 г + 20 г + 10 г = 804 г.

Определение коэффициента заполнения модуля.

По результатам расчётов выберем следующие объемы для модулей:

Тогда коэффициент заполнения:

где, объем всего корпуса.

Таким образом, по предварительной оценке — масса прибора будет m = 804 г = 0,8 кг, что удовлетворяет техническому требованию данного прибора (не более 1кг).

2.4 Расчет топологических характеристик печатной платы

Цель: определение класса точности печатной платы, расчет основных параметров проводников и контактных площадок.

2.4.1 Выбор и обоснование класса точности печатной платы

Класс точности определяется возможностью прокладки проводников между двумя соседними контактными площадками. Класс точности для разрабатываемой печатной платы выбирается исходя из полученной трассировки.

Минимальное расстояние между проводниками, на полученной трассировке составляет 0,35 мм, следовательно существует возможность прокладки проводников между двумя соседними контактными площадками. Следовательно, разрабатываемая плата будет третьего класса точности.

Рисунок 4. Фрагмент полученной трассировки с минимальным расстоянием между проводниками.

2.4.2 Выбор материала платы.

Для данной платы предпочтительнее брать материал марки СФ-2−35−1.5 по ГОСТ 16–503.271−86 (стеклотекстолит фольгированный, двухсторонний, толщина фольги 35 мкм, общая толщина материала 1,5 мм), так как данный материал удовлетворяет по механическому и климатическому исполнению, заданному в техническом задании. Данная марка стеклотекстолита находится в массовом производстве, что приводит к уменьшению себестоимости изделия.

2.4.3 Определение номинального значения расстояния между соседними элементами проводящего рисунка.

Проводится с целью обеспечения электрической прочности.

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка (S) в миллиметрах определяется по формуле

(2.9)

где — минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка, мм;

— верхнее предельное отклонение ширины проводника, мм.

Величина выбирается из расчета обеспечения электрической прочности изоляции в соответствии с ГОСТ 23 751– — 86 или по ОСТ 4.010.019 — 81.

= 0,25 мм, = 0,045 мм

S=0,25+0,045=0,295 мм

Полученное значение S согласуется с предлагаемым минимальным расстоянием.

2.4.4 Определение номинальных значений диаметров монтажных отверстий.

Проводится с целью повышения технологичности процесса сверления за счет уменьшения количества различных диаметров.

Диаметры монтажных отверстий и переходных отверстий должны соответствовать ГОСТ 10 317– — 79.

Номинальное значение диаметров монтажных отверстий определяется по следующей формуле:

(2.10)

где d_Э — диаметр вывода навесного элемента, устанавливаемого на печатной плате, мм;

r — разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента, мм;

Дd_НО — нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия, мм,

для отверстий до 1 мм Дd_НО = 0,1, свыше Дd_НО = 0,2.

В схеме используются элементы с диаметрами выводов 0,5; 0,6; мм.

Номинальные значения диаметров монтажных отверстий по формуле будут следующими:

мм;

мм;

Предпочтительные размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0,7; 0,9 мм, а переходных отверстий из ряда 0,7; 0,9; 1,1 мм. Следовательно, номинальные значения диаметров монтажных отверстий будут следующими: мм;

В результате расчета определили один тип отверстий.

Полученные диаметры отверстий являются стандартными и унифицированными.

2.4.5 Определение номинального значения ширины проводника.

Определяется для предотвращения возможного разрушения проводника в результате протекания по нему слишком большого тока нагрузки.

Номинальное значение ширины проводника (t) определяется током, протекающем по нему (Iн), и удельной плотностью тока в материале проводников. Рассчитывается по формуле:

, (2.11)

где t_МД — минимально допустимая ширина проводника, мм;

I_Н — ток нагрузки, А;

h — толщина проводника, мм (0,035 или 0,05);

с — удельная плотность тока, А/мм². Для наклеенной фольги — 20 А/мм², для гальванически осажденной — 15 А/мм².

Анализ электрической принципиальной схемы показал что в схеме протекают следующие токи I_Н = 15 мкА.

мм;

Принимаем мм,

Полученные значения согласуется с указанными.

2.4.6 Определение сопротивления изоляции параллельных проводников

Рассчитывается с целью определения возможности утечки при прохождении сигнала, что может привести к неправильной работе модуля.

Сопротивление изоляции R_И параллельных проводников приближенно вычисляется как

(2.12)

где R_S — поверхностное сопротивление изоляции, Ом;

R_V — объемное сопротивление изоляции, Ом.

Поверхностное сопротивление R_S определяется по формуле

(2.13)

где сП — удельное поверхностное сопротивление основания печатной платы (для стеклотекстолита 5· 10 10 Ом);

д — расстояние между проводниками, м;

L — длина параллельного пробега проводников, м.

Сопротивление изоляции (объемное) между проводниками, расположенными в объеме печатной платы на внутренних слоях или на противоположных сторонах двусторонней платы, определяется по формуле

(2.14)

где с_V — удельное объемное сопротивление диэлектрика основания печатной платы (для стеклотекстолита 5· 10 ⁹ Ом· м);

F — минимальная площадь проекции печатных проводников друг на друга, м²;

h — толщина зазора между проводниками, м.

Так как печатная плата разрабатываемого лабораторного блока питания односторонняя, то объемное сопротивление изоляции будет равно бесконечности и его можно не учитывать, тогда сопротивление изоляции R_И параллельных проводников приближенно равно поверхностному сопротивлению.

д = 1,5· 10 ^— 3 м, L = 32,5· 10 ^— 3 м, с_П = 5· 10 ¹⁰ Ом

Сопротивление изоляции между разобщенными цепями ПП в условиях наивысшей влажности должно подчиняться неравенству, где — входное сопротивление коммутируемых цепей.. Условие выполнятся.

2.4.7 Расчет паразитного влияния проводников.

Проводится для определения возможного негативного влияния паразитного омического сопротивления проводников на работу схемы. Допустимое падение напряжения U_П на проводнике определяется как:

(2.15)

где с — удельное сопротивление проводника, Ом· м2/м (медная фольга 1,72· 10−8);

lП, hФ, t — максимальная длина проводника, его толщина и ширина соответственно, м;

IH — ток, протекающий по проводнику, А.

с = 1.72· lП = 257,5· 10 — 3 м, hФ = 0,035· 10 — 3 м, t = 1· 10 — 3 м, IH = 0,005· 10 — 3 А

Полученное значение U не превышает 1−2% от номинального значения подводимого напряжения, следовательно в пределах нормы.

Возможное негативное влияние паразитного омического сопротивления проводников на работу схемы очень мало.

Для электрических логических схем допустимое падение напряжения в цепях «питание» и «земля» не должно превышать 1−2% от номинального значения подводимого напряжения Eп, поэтому требуемое сечение печатного проводника (Sпп) шин «питание» и «земля» должно удовлетворять неравенству

(2.16)

В

Условие выполнятся.

2.5 Проектирование лицевой панели

2.5.1 Назначение лицевых панелей:

Лицевая панель устройства обеспечивает взаимодействие человека с РЭС. Это взаимодействие связано с выполнением следующих функций:

прием и избирательный отбор и переработка информации;

принятие решения;

выполнение физических действий на основе принятых решений;

проверка результатов воздействия операторов на устройство путем принятия новой информации.

Результативность выполнения этих функций зависит от правильности учета эргономических (антропометрических, физиологических, психических) свойств человека и эстетического восприятия устройства и в особенности его лицевой панели.

2.5.2 Эргономические требования:

Компоновка органов управления и устройств отображения информации должна быть выполнена с учетом требований:

функциональности;

последовательности;

оптимальности;

значимости;

безопасности.

2.5.3 Требования технической эстетики:

Требования технической эстетики (художественного конструирования и компоновки) должны быть выражены следующими характеристиками:

выразительностью;

оригинальностью;

стилем;

композицией;

функциональностью формы.

2.5.4 Компоновка установочных элементов:

На лицевой панели требуется расположить:

Кнопка включения

Кнопка установки «Уст»

Кнопка увеличения «>»

Кнопка уменьшения «<»

Кнопка настройки яркости ЖК дисплея

ЖК дисплей.

С учетом установочных площадей ЭРЭ, расположенных на лицевой панели, выбираем размеры лицевой панели 12 080 мм. Эскиз лицевой панели представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Эскиз лицевой панели.

Кнопочный блок (с надписями справа от кнопок, сверху вниз:

первая — «*» ;

вторая — «?» ;

третья — «Уст. «;

четвертая — «>;,

пятая «<» — необходимо расположить в левой части панели.

В центральной части расположить дисплей. В правом верхнем углу разместить название домашней метеостанции.

Крепление элементов органов управления выполнить гайками М7.

2.5.5 Оформление надписей и цветовое решение лицевой панели.

Надписи на лицевой панели должны обеспечивать быструю ориентацию и точную информацию о работе с устройством. Надписи расположить под элементами лицевой панели в непосредственной близости и симметрично относительно вертикальной оси, для выключателя сверху и снизу. Надписи на лицевой панели гравировать шрифтом Arial. Покрытие гравировки — эмаль ПФ 115 белая ГОСТ 6465–76. Передняя панель должна быть изготовлена из АБС-пластика. Шероховатость поверхности панели Rz20. Надписи изготовить путем гравировки. Гравированные надписи заполнить эмалью ПФ 115 черная ГОСТ 6465–76.

Чертеж лицевой панели представлен на ПТЭС 411 149.001 СБ.

2.6 Расчет теплового режима блока

Целью данного расчета является определение температуры внутри проектируемого блока в реальных условиях эксплуатации.

Исходные данные:

L = 120 мм, — ширина;

Н = 80 мм, — высота;

D = 30 мм, — глубина;

КЗ — коэффициент заполнения блока (КЗ=0,3 по расчетам);

е = 0,92 — степень черноты поверхности;

А2 — коэффициент выбранный для температуры и среды охлаждения (табличное значение А2 = 1,33).

Максимальная температура внутри блока TMAX = 333 о K (максимальная температура наименее термоустойчивого элемента (таб.1)).

Максимальная температура окружающей среды TОС = 313 о К

(в соответствии с климатическим исполнением по техническому заданию).

Выделяемая мощность внутри блока Р = 100 мВт.

Определим приведенную (примерную) температуру корпуса:

ТК = 0,5· (ТMAX + TОС); ТК = 323 ⁰К = 49,84 ⁰С (2.17)

Определим закон, применяемый для расчета теплопередачи конвекции:

ТК — ТОС? (840/Н) 3, (2.18)

(323 — 313)? (840/80) 3

10 ?1157

Поскольку условие выполняется, количество конвекционного тепла определяется законом и вычисляется по формуле:

(2.19)

SH — суммарная площадь боковых поверхностей, м 2;

SГ — суммарная площадь горизонтальных поверхностей, м 2.

Определим площадь тепловыделяющей поверхности:

(2.20)

.

Определим мощность тепловыделения за счет излучения:

(2.21)

где 5,67 — коэффициент излучения абсолютно черного тела и измеряется в ;

S — общая площадь поверхности блока;

Суммарное тепловыделение:

(2.22),

Определим площадь нагретой зоны внутри блока:

(2.23)

.

Определим определяющую температуру внутри корпуса:

(224),. = 54,85 ⁰С

Определим коэффициенты теплопроводности и конвекции:

(2.25)

.

(2.26)

.

Определим общую тепловую проводимость зоны:

(2.27)

.

Определим температуру нагретой зоны:

(2.28)

. = 57,65 ⁰С

Определим реальную температуру внутри корпуса:

(2.29)

. = 50,35 ⁰С

Вывод: В ходе расчетов получили, что реальная температура (323,5 К = 50,35 0С) меньше максимальной температуры внутри блока (333К = 59,85 0С), т. е. не превышает критическое значение:, (323,5К<333К), следовательно, дополнительных мер по отводу тепла не требуется.

2.7 Проектирование конструкционных элементов РЭС

Цель: определить, позволят ли выбранные материал и толщина основания выдерживать нагрузки прилагаемые к основанию.

1. Материал основания — пластик,

а) плотность — ,

б) модуль упругости — ,

в) предел текучести — ,

г) удельная жесткость — ,

д) предел прочности ;

2. Определим момент сопротивления относительно осей:

, (2.30)

3. Определим момент инерции относительно осей:

, (2.31)

4. Определим значение собственной частоты резонанса:

, (2.32)

где Р — сила действующая на основание;

отсюда получим:

5. Определим изгибающий момент:

(3.33)

6. Определим напряжение в середине основания:

, (3.34)

Вывод: расчеты показали, что значение напряжения в середине основания, что не превышает предела текучести, следовательно, выбранные материал и толщина основания позволяют выдерживать нагрузки, прилагаемые к основанию.

Выводы по разделу

В данном разделе дипломного проекта была выбрана элементная база для изготовления, рассчитана надежность изделия, разработаны конструкции печатных плат входящих в состав прибора, а также рассчитаны массогабаритные показатели и показатели прочности субблока.

Разработанная конструкция домашней метеостанции полностью удовлетворяет условиям технического задания.

В данном дипломном проекте была сконструирована домашняя метеостанция, удовлетворяющая современным требованиям к радиоэлектронной аппаратуре.

Были проведены конструкторские расчеты, которые показали, что устройство имеет хорошие показатели по надежности, и полностью удовлетворяют требованиям к эксплуатации.

В ходе проектирования были получены следующие характеристики устройства:

среднее время наработки на отказ — 392 680 часов;

время наработки на отказ, при вероятности безотказной работы 0,95 — 20 194 часов;

габаритные размеры блока — 120×80×30мм;

масса блока — 804 г.

В результате проведенных расчетов был получен блок, который полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям по надежности и условиям эксплуатации. Тепловой расчет показал, что для обеспечения нормального теплового режима достаточно естественной воздушной конвекции.

3. Технологический раздел

3.1 Анализ технологичности конструкции

Технологичность конструкции изделия это совокупность свойств конструкции изделия проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств материалов и времени при технической подготовки производства, изготовления, эксплуатации и ремонте пор сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества и принятых условий изготовления, эксплуатации и ремонта.

Для выявления при формировании конструкторско-технологических характеристик изделия, признаков, обеспечивающих решение последующих задач разработки, подготовки и управления производством на основе групповых методов, а также представлении информации в форме, удобной для обработки и хранения при помощи средств автоматизации составляют технологический код изделия.

Используя технологический код, произведем количественную оценку технологичности.

Значения уровня выполнения требований по технологичности:

У = Кфакт/Кбаз, (3.1)

где У — значение уровня выполнения требований по технологичности;

Кфакт — фактическое значение комплексного показателя технологичности;

К баз — базовое значение комплексного показателя технологичности.

Таблица 3.1 «Технологический код системы»

Значение показателя, характеризующего технологичность схемотехнического решения определяется:

Ксх = Кт. р. H Км. п. H Кк. п. HКсл. н. (3.2)

Определяем нормированные значения частных показателей, характеризующих технологичность схемотехнического решения. В итоге получим.: Кт. р = 0,96 — частный показатель технологичности рациональности элементной базы (4-й разряд технологического кода); Км. п. = 0,98 — частный показатель монтажепригодности (5-й разряд технологического кода); Кк. п. = 0,98 — частный показатель контролепригодностии (6-й разряд технологического кода); Ксл. н. = 1,0 — частный показатель сложности настройки (12-й разряд технологического кода).

Ксх. = 0,96 0,98 0,98 1,0 = 0,958

Кбаз. = 0,95 — нормативный показатель схемотехнического решения Уровень выполнения нормативных требований технологичности схемотехнического решения определяется.

У = Ксх. /Кбаз., (3.3), У = 0,958/0,95 = 1,008

Вывод: Так как У = 1,008 > 1, можно считать, что изделие технологично с точки зрения схемотехнического решения.

Значение показателя технологичности конструктивного решения определяется:

Кк. = Кбнк. Кт. х. Ксл. м. сб., (3.4)

где Кбнк. = 1,0 — частный показатель применения унифицированных несущих конструкций (5-й разряд технологического кода);

Кт. х. = 0,98 частный показатель типоразмерной характеристики (8-й разряд технологического кода);

Ксл. м. сб. = частный показатель механической сборки (12-й разряд технологического кода);

Кк. = 1,0 0,98 0,99 = 0,702

Уровень выполнения нормативных требований определяется:

У = Кк. /Кбаз., (3.5)

где Кбаз. = 0,97 — нормативный показатель конструктивного решения.

Получим:

У = 0,9702/0,97 = 1,0002

Вывод: Так как У = 1,0002 > 1, то можно считать, что изделие технологично с точки зрения конструктивного решения.

Значение усредненного показателя технологичности составных частей определяется: