Разработка многофункционального бытового устройства

Содержание бытовой устройство алгоритм электрический Введение

1. Общая часть

1.1 Назначение и область применения устройства

1.2 Обзор аналогов

1.3 Разработка и анализ расширенного технического задания

2. Специальная часть

2.1 Разработка и выбор структурной электрической схемы

2.2 Разработка электрической принципиальной схемы

2.3 Выбор элементной базы электрической принципиальной схемы

2.4 Описание алгоритма функционирования программы

3. Расчетная часть

3.1 Расчет конструктивных параметров печатного узла

3.2 Расчет параметров электрических соединений элементов печатного монтажа

3.2.1 Расчет минимального диаметра металлизированного отверстия

3.2.2 Расчет диаметра контактных площадок

3.2.3 Расчет ширины печатных проводников

3.2.4 Расчет расстояний между элементами печатного рисунка

3.2.5 Расчет минимального расстояния между элементами проводящего рисунка с n-м количеством проводников

3.3 Расчёт массы печатного узла

3.4 Расчет потребляемой мощности

3.5 Расчёт надёжности изделия

4. Технологическая часть

4.1 Изготовление печатной платы

4.1.1 Выбор и обоснование типа печатной платы

4.1.2 Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы

4.1.3 Анализ технологического процесса изготовления ДПП

4.2 Разработка технологического процесса сборки изделия

4.2.1 Выбор и разработка схемы сборки

4.2.2 Построение и обоснование монтажно-сборочных операций

4.3 Оценка технического уровня изделия

5. Организационно-экономический раздел

5.1 Общие сведения о разрабатываемом изделии

5.2 Конструкторская разработка производства

5.3 Определение трудоемкости изготовления изделия

5.4 Трудоемкость технической подготовки производства

5.5 Расчет затрат на всех стадиях жизненного цикла изделия

5.5.1 Смета затрат на техническую подготовку производства

5.5.2 Расчет себестоимости и цены изделия

5.6 Расчет цены по методу анализа безубыточности производства и обеспечения целевой прибыли

5.7 Определение затрат у потребителя проектируемого изделия (технологическая себестоимость)

5.8 Определение интегрального показателя конкурентоспособности проектируемого изделия по отношению к базовому

5.9 Технико-экономические показатели проекта

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Анализ условий труда при эксплуатации и изготовлении изделия

6.2 Мероприятия по обеспечению БЖД

6.2.1 Анализ органов управления и отображения информации

6.2.2 Расчёт местного отсоса

6.3 Пожарная безопасность

6.3.1 Пожаробезопасность

6.3.2 Причины возникновения пожаров

6.3.3 Способы и средства тушения пожаров

Заключение

Достижения в области вычислительной техники в значительной мере способствуют успешному решению сложных научно-технических проблем, повышению эффективности научных исследований, созданию новых машин и оборудования, разработке эффективных технологий и систем управления, совершенствованию процессов сбора и обработки информации.

При современном уровне микроминиатюризации техники стала возможной разработка многофункционального устройства, совмещающего в себе функции часов, термометра и барометра в одном корпусе. Часы с термометром и барометром представляют собой удачную комбинацию самых важных для человека сведений, таких как точное время, температура и давление.

Темой данного дипломного проекта является разработка многофункционального бытового устройства. Данная тема является актуальной в условиях быстро развивающейся техники.

Целью является разработка многофункционально бытового устройства, с учетом требований стандартов, экономических требований, а также требований охраны труда и безопасности жизнедеятельности.

Задачами дипломного проекта являются:

1) разработка алгоритма работы устройства;

2) разработка структурной схемы устройства;

3) разработка электрической принципиальной схемы устройства;

4) выбор элементной базы устройства;

5) разработка чертежа печатной платы устройства;

6) разработка сборочного чертежа устройства;

7) разработка технологии изготовления устройства;

8) организационно-экономическое обоснование проектируемого устройства;

9) анализ вредных и опасных факторов при производстве.

1. Общая часть

1.1 Назначение и область применения устройства Разрабатываемое устройство представляет собой часы на микроконтроллере, выполняющие также функцию термометра и барометра. В предлагаемом устройстве организован отсчет текущего времени, дня недели, числа и месяца, причем автоматически учитывается, что февраль в високосном году на один день длиннее. Резервное питание от литиевой батареи исключает потерю информации о времени при отключении сетевого питания. Технические характеристики этого прибора соответствуют параметрам примененной в нем микросхемы часов реального времени (RTC — real time clock) PCF8583. Управление производится с помощью шести кнопок и двух выключателей. Предусмотрены сервисные функции для установки точного времени, выдержки времени таймером и момента срабатывания будильника. Показания об атмосферном давлении поступают с аналогового датчика давления МРХ4115: измеряется текущее значение атмосферного давления и его изменение в течение суток с выводом на индикатор соответствующей информации. Температура измеряется двумя цифровыми датчиками температуры DS1621, расположенными в разных местах. Все данные выводятся на однострочный 16-символьным дисплей ЖКИ, который снабжен отключаемой подсветкой.

Область применения данного устройства — в любой общественной или производственной сфере, где важна информация о времени, температуре, давлении. Оно простое в использовании: в основном режиме работы прибора на табло его ЖКИ поочередно выводятся текущее время, дата и день недели, температура в помещении и вне его, атмосферное давление. Продолжительность отображения каждого параметра — 5с.

Для обеспечения высокого уровня надежности, качества, минимальной себестоимости нужно применить новую элементную базу и материалы, которые широко распространены на рынке России. Благодаря использованию современных недефицитных компонентов, устройство легко подвергается усовершенствованию и ремонту.

1.2 Обзор аналогов Основное требование при проектировании ЭВС состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т. е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности.

Таким образом, задача сравнения аналогов проектируемого изделия сводится к тому, чтобы выбрать вариант конструктивного решения, позволяющий повысить надежность многоканального микропроцессорного таймера для управления световыми приборами и при этом не ведущий к увеличению габаритных размеров платы.

В результате проведённого поиска аналогов и анализа типовых технических решений был рассмотрен ряд подобных приборов. Ниже приведена сравнительная таблица характеристик трёх приборов (разрабатываемое устройство и два аналогичных устройства).

Таблица 1.1 — Обзор аналогов разрабатываемого устройства

Вывод: как видно из таблицы 1.1, разрабатываемое устройство не уступает аналогам по показателям, и даже превосходит по некоторым из них. Например, количество датчиков, большее чем у аналогов, позволяет получить большее количество информации об окружающей среде. Разрабатываемое устройство будет состоять из стандартных ИС и ЭРЭ; конструкцию необходимо выполнить в виде ТЭЗа; меры защиты от внешних воздействий стандартные.

1.3 Разработка и анализ расширенного технического задания

1. Наименование изделия Многоканальный микропроцессорный таймер для управления световыми приборами.

2. Назначение и область применения изделия Устройство предназначено для слежения за изменением времени температуры и давления. Область применения — в быту.

3. Состав изделия и требования к конструктивному устройству Конструктивно изделие должно состоять из одиночного блока, любой габаритный размер которого не должен превышать 150 мм.

Масса блока — не более 0,3 кг.

4. Показатели назначения изделия Изделие должно отображать реальное время, температуру в двух разных местах, а также давление.

4.1 Требуемые технические характеристики изделия

4.1.1 АЛЛ Общие параметры Отображение реального времени, температуры, атмосферного давления.

4.1.2 Параметры входного сигнала Номинальный уровень входного напряжения — 9 В.

Максимально допустимый уровень входного напряжения, не приводящий к выходу изделия из строя, — не более 12 В.

4.1.3 Параметры выходного сигнала Данные отображаются на ЖКИ дисплее.

Отображение реального времени.

Диапазон температур от -55 до +125? С.

Атмосферное давление.

Тип разъёма — штырьковое соединение.

4.1.4 Электропитание изделия Переменное напряжение 9 В поступает от трансформатора питания с приблизительно таким напряжением на вторичной обмотке.

Допуск отклонения напряжения питания — 9−12 В Потребляемый ток изделием — не более 250 мА.

5. Требования надежности Средняя наработка на отказ должна составлять не менее 50 000 ч.

6. Требования технологичности Тип производства — среднесерийное.

В процессе разработки технологического процесса изготовления изделия следует ориентироваться на производственную базу ОАО «Протон» .

7. Требования безопасности Конструкция должна предусматривать работу без применения специальных мер безопасности.

8. Эргономические и эстетические требования Должна быть предусмотрена индикация аварийных режимов.

Конструктивное исполнение изделия должно исключать возможность неверного подключения входных и выходных сигналов.

9. Условия эксплуатации Диапазон воздействующих температур от -20 до +40°С. Относительная влажность — 80% при температуре +25 С.

10. Требования к организационно-экономической части В процессе проектирования изделия необходимо провести расчёты себестоимости и затрат на технологическую подготовку производства.

11. Требования к разделу «Безопасность жизнедеятельности»

В процессе разработки технологического процесса сборки и регулировки печатного узла определить вредные и опасные факторы производства, произвести расчёт требуемой освещённости рабочего места наладчика.

В процессе проектирования изделий ЭВА необходимо учитывать множество требований, предъявляемых к конструкции отдельных узлов и самого изделия в целом. Такими требованиями являются:

— назначение и область применения изделия ЭВС;

— заданные электрические характеристики;

— конструкционные параметры;

— условия эксплуатации;

— технико-экономические показатели;

— организационно-производственные факторы;

— наличие и уровень элементной базы;

— надёжность.

Согласно ТЗ, разрабатываемое устройство относится к группе транспортируемых устройств, предназначенных для эксплуатации в помещениях при диапазоне температур от -20 до +40⁰С при относительной влажности до 80%. Конструктивно устройство выполняется на двусторонней печатной плате из стеклотекстолита прямоугольной формы с предусмотренной технологической зоной для крепления печатной платы, помещаемой в окрашенный пластмассовый корпус с отверстиями, что является обязательным условием для обеспечения безопасности для персонала.

Для аппаратуры этой группы наиболее важными характеристиками являются:

— надёжность;

— безопасность для персонала;

— низкая интенсивность отказов;

— потребляемая мощность;

— стоимость.

Это достигается применением недорогой элементной базы, соответствующей заданным характеристикам внешних воздействий, использованием стандартизации и унификации, повышением помехоустойчивости схемы, совместимостью ЭРЭ и ИС, выбором оптимального технологического процесса.

В связи с вышеперечисленными условиями из возможных вариантов конструкторских решений произведён выбор варианта, реализуемого в соответствии с техническим заданием.

С точки зрения технологичности, программы выпуска и сложности устройства нет необходимости в полной автоматизации сборочных операций. Т.к. в современном производстве всё чаще применяется кооперация фирм или объединений при производстве изделий с разбиением заданий для каждой из них, то будет целесообразным изготавливать печатную плату на специализированном предприятии, имеющем соответствующее оборудование и освоившем все моменты производства ПП.

Таким образом, разработка ТП данной дипломной работы представлена типовым процессом изготовления печатной платы устройства в соответствии с его сложностью на типовом современном универсальном оборудовании, подразумевающем гибкое автоматизированное производство (ГАП) печатных плат.

Часто в таких системах некоторые этапы проходят с участием человека (например, транспортные операции).

2. Специальная часть

2.1 Разработка и выбор структурной электрической схемы Структурная схема строится исходя из технических требований и анализа технического задания проектируемого устройства. На рисунке 2.1 показана структурная схема многоканального микропроцессорного таймера для управления световыми приборами.

Рисунок 2.1 — Структурная схема разрабатываемого устройства Представленная структурная схема состоит из 8 основных блоков. Узел питания прибора состоит из мостового выпрямителя и интегрального стабилизатора с необходимыми сглаживающими и блокировочными конденсаторами, а также из литиевой батареи, используемой как резервный источник питания. Микросхема часов реального времени (RTC — real time clock) необходима для предоставления данных о реальном времени микроконтроллеру. Аналоговый датчик давления и 2 цифровых датчика температуры необходимы для измерения соответствующих величин. Все полученные данные микроконтроллер обрабатывает и отображает с помощью однострочного ЖКИ дисплея. Блок управления представляет собой 6 кнопок и 2 выключателя. Звуковой сигнализатор предназначен для оповещения срабатывания функций таймера или будильника.

2.2 Разработка электрической принципиальной схемы Принципиальная электрическая схема представлена в графической части дипломного проекта. Рассмотрим принцип работы данного устройства.

Его главный компонент — микроконтроллер DD2. Он связан с однострочным 16-символьным ЖКИ DD3, отображающим всю необходимую информацию, микросхемой RTC DD1, датчиком атмосферного давления В1 и с двумя датчиками температуры.

Вывод РС0 микроконтроллера, к которому подключен выход датчика В1, настроен на работу в качестве входа встроенного в микроконтроллер АЦП. RTC и датчики температуры связаны с микроконтроллером по интерфейсу TWI, аналогичному известному I2C: PC4 — линия SDA, PC5 — линия SCL. У датчика B2 соединены с общим проводом все три адресных входа (А0—А2), у датчика B3 — только два из них, а младший вход А0 соединен с плюсом питания. В результате адреса, по которым микроконтроллер обращается к одинаковым датчикам, отличаются на единицу, что позволяет программно различать их.

Формируемый на выводе РВ5 сигнал срабатывания будильника поступает на электромагнитный звуковой сигнализатор НА1 через усилитель на транзисторе VT1. Кнопки управления SB1—SB5 подключены к порту В микроконтроллера. Нажатием на кнопку SB6 приводят микроконтроллер в исходное состояние. Выключателем SA1 включают и выключают будильник, выключателем SA2 — подсветку индикатора. Подстрочным резистором R6 устанавливают оптимальную контрастность изображения.

Узел питания прибора состоит из мостового выпрямителя VD1 и интегрального стабилизатора DA1 с необходимыми сглаживающими и блокировочными конденсаторами. Напряжение питания аналоговых узлов микроконтроллера подано на него через фильтр L1C14.

Переменное напряжение 9 В поступает от не показанного на схеме трансформатора питания с приблизительно таким напряжением на вторичной обмотке при токе нагрузки 250 мА. Можно применить и источник постоянного напряжения 9−12 В, например, сетевой адаптер от какого-либо прибора. Благодаря наличию диодного моста VD1 полярность подаваемого постоянного напряжения безразлична.

Поскольку микросхема PCF8583 (DD1) не имеет специального вывода для подключения резервного источника питания, литиевая батарея и основной источник питания подключены к ней через развязывающие диоды Шоттки VD2 и VD3. Подстроечный конденсатор С7 — регулятор хода часов.

2.3 Выбор элементной базы электрической принципиальной схемы Правильный выбор элементов необходим, так как эксплуатационная надежность элементной базы в основном определяется правильным выбором типа элементов при проектировании и при использовании в режимах, которые не превышают предельно допустимые, и проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом изложенных в ТЗ условий и требований.

Для правильного выбора типа элементов необходимо проанализировать условия работы каждого элемента и определить:

— эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, механические нагрузки и т. д.);

— значения параметров и их разрешенные изменения в процессе эксплуатации (номинальное значение, допуск, сопротивление изоляции и т. д.);

— разрешенные режимы и рабочие электрические нагрузки (мощность, напряжение, частота и т. д.).

Критерием выбора в устройство электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ, заданных условиями работы и эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ является:

технические параметры:

— номинальное значение параметров ЭРЭ

— допустимые отклонения величины ЭРЭ эксплуатационные параметры:

— диапазон рабочих температур;

— вибрационные нагрузки;

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ является:

— масса и габариты ЭРЭ;

— наименьшая стоимость.

Выбор элементной базы позволяет обеспечить надежную работу изделия. Это позволяет значительно уменьшить сроки и стоимость проектирования, увеличить масштабы производства, исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта схемы, то есть упростить подготовку производства, улучшить эксплуатационную и производственную технологичность, снизить себестоимость выпуска проектируемого изделия.

Выбор резисторов. Руководствуемся при выборе такими параметрами, как: номинальная мощность рассеяния, номинальное сопротивление и допускаемые отклонения номинального сопротивления, предельное рабочее напряжение, а также стоимость. В таблице 2.1 приведены некоторые параметры нескольких типов резисторов.

Таблица 2.1 — Сравнительные характеристики резисторов

Исходя из данных таблицы, постоянные металлопленочные резисторы типа С2−23 обеспечивают необходимые параметры.

В качестве резистора R6 выбран подстроечный резистор СП3−19б. Основные характеристики резистора СП3−19б:

— мощность (при температуре 70°С) 0,5 Вт;

— допускаемое отклонение сопротивления от номинального ±10%;

— износоустойчивость 500 циклов;

— номинальное сопротивление от 10 Ом до 1мОм.

Выбор конденсаторов. Конденсаторы выбираются по габаритам, емкости и величине номинального напряжения. Под номинальным напряжением понимается наибольшее напряжение между обкладками конденсатора, при котором он способен работать с заданной надёжностью в установленном диапазоне рабочих температур.

Величина рабочего напряжения конденсатора ограничивается тремя требованиями:

а) конденсатор не должен перегреваться;

б) перенапряжение на нём недопустимо;

в) он должен быть защищен от прохождения обратных токов, если это полярный оксидный конденсатор.

Для того чтобы конденсатор не перегревался, следует рассчитать выделяемую на нём реактивную мощность. Она не должна превышать номинальную мощность конденсатора.

Чтобы защитить конденсатор от перенапряжения, рабочее напряжение на нём не должно превышать номинальное. Это условие формулируется в стандартах как сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей рабочего напряжения не должна быть больше стандартного напряжения.

Полярные оксидные конденсаторы, помимо перегрева и перенапряжения, должны быть защищены от прохождения разрушающих обратных токов. Чтобы оксидная плёнка была непроводящей, потенциал оксидированного метала (анода) должен всегда превышать потенциал второго электрода (катода). С этой целью в стандартах оговаривается, что амплитуда переменной составляющей напряжения не должна превышать постоянную составляющую.

Для разрабатываемого устройства необходимо применить конденсаторы двух видов: керамические и электролитические. В качестве электролитических конденсаторов целесообразно выбрать конденсаторы К50−35, как имеющие минимальные габариты и низкую себестоимость по сравнению со своими аналогами. Используемые в схеме керамичесике конденсаторы — серии К10−17, выбраны исходя из критериев стоимости.

В качестве подстроечного конденсатора выбран конденсатор серии CTC05−40RA. 11]

Выбор транзистора. В данной схеме используется биполярный отечественный транзистор КТ502Е с основными техническими характеристиками:

— Структура: PNP;

— Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс): 90В;

— Максимально допустимый ток к (Iк макс): 0,15А;

— Статический коэффициент передачи тока: 40мин;

— Граничная частота коэффициента передачи тока fгр: 5,00МГц;

— Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк): 0.35Вт.

Аналогами данного транзистора являются зарубежные транзисторы 2N5401, BC556/557/558. Исходя из учета более низкой стоимости прии схожих технических характеристиках, был выбран именно транзистор КТ502Е. 11]

Выбор микроконтроллера. В качестве микроконтроллера используется МК фирмы Аtmel, ATmega8.

Таблица 2.2 — Сравнительные характеристики микроконтроллеров

Данная таблица показывает, что при более низкой стоимости ATmega 8 удовлетворяет всем необходимым критериям для нашего устройства. Следует также учитывать, что для микроконтроллеров фирмы Atmel есть бесплатные среды разработки (AVR Studio + компилятор GNU GCC AVR), в то время как для микроконтроллеров STM они отсутсвуют. На рисунке 2.2 приведена блок-схема выбранного микроконтроллера ATmega8. [10]

Рисунок 2.2 — Блок-схема микроконтроллера ATmega8

Микросхема часов реального времени. При выборе данного компонента были рассмотрены таймеры: PCF8583 фирмы PHILIPS, DS1307 фирмы DALLAS SEMICONDUCTOR, MK41T56 фирмы STMicroelectronics. Таймеры DS1307 и МК41Т56 взаимозаменяемы, их выводы и формат хранения данных совпадают. Оба имеют внутреннее ОЗУ емкостью 152 байт (64*8). Микросхема PCF8583 отличается от них большим объемом памяти 2048 байт (256*8) и схемой подключения, прямых аналогов этой микросхеме нет. Она не является взаимозаменяемой с другими таймерами.

Питание таймера осуществляется от шины +5 В, которое подается на соответствующие выводы микросхемы. Микросхемы DS1307 и МК41Т56 имеют дополнительный вывод для подключения батареи резервного питания, на микросхеме PCF8583 резервное питание подается на тот же вывод что и основное.

К выводам OSC0 и OSC1 подключен кварцевый резонатор. Особенностью PCF8583 в этом случае является регулировочный конденсатор, подключенный между выводами OSC1 и питанием таймера, с помощью которого (меняя его емкость) можно отрегулировать ход часов. Таймеры DS1307 и МК41Т56 таких регулировок не имеют.

Исходя из всех особенностей была выбрана микросхема PCF8583 фирмы PHILIPS. [7]

Выбор ЖК-модуля производится исходя из ряда технических характеристик, которые рассмотрены в сравнительном анализе нескольких аналогов. Для отображение необходимой информации нужно применять алфавитно-цифровой ЖК-модуль. Выбор производится между алфавитно-цифровыми ЖК-модулями WH1601A фирмы Winstar, MT-10T7−3T фирмы МЭЛТ, DV-20400S2RT/R фирмы Data Vision. Необходимо также учесть, что ЖК-модуль должен учитывать требования безопасности жизнедеятельности.

Рассмотрим основные технические характеристики ЖК-модулей, приведенные в таблице 2.3:

Таблица 2.3 — Сравнительные характеристики ЖК-модулей

Исходя из стоимости и технических параметров, универсальным выбором будет ЖК-модуль WH1601A.

Необходимо отметить, что примененный в приборе «однострочный» ЖКИ с точки зрения программиста имеет две строки — левую и правую половины единственной, видимой на табло.

Выбор датчиков давления и температуры. К датчику давления особых требований предоставлено не было, поэтому был выбран универсальный датчик абсолютного давления с подходящим напряжением питания MPX4115.

Цифровые датчики температуры DS1621 выбраны исходя из широкого диапазона измеряемых температур (-55°C +125°C), а также в связи с возможностью параллельной их связи с микроконтроллером. Датчики температуры связаны с микроконтроллером по интерфейсу TWI. У первого датчика соединены с общим проводом все три адресных входа (А0—А2), у второго датчика — только два из них, а младший вход А0 соединен с плюсом питания. В результате адреса, по которым микроконтроллер обращается к одинаковым датчикам, отличаются на единицу, что позволяет программно различать их. Блок-схема цифрового датчика температуры приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Блок-схема цифрового датчика температуры DS1621

В качестве диодного моста выбран DB107 — диодный мост в пластиковом корпусе типа DIP для монтажа в отверстия печатной платы. При проектировании устройства рассматривалось два варианта его реализации — применить диодный мост, либо исключить его совсем, применив при этом двухполярный стабилизированный источник питания. Применения первого варианта делает прибор более универсальным, поэтому был выбран именно этот вариант.

В качестве развязывающих диодов VD2 и VD3 выбраны диоды Шоттки 1N5817. Своими техническими характеристиками и минимальной стоимостью они полностью соответствуют требованиям разрабатываемого устройства.

Технические характеристики диода Шоттки 1N5817:

· максимальное постоянное обратное напряжение: 20В;

· максимальный прямой (за полупериод) ток: 1А;

· максимальное импульсное обратное напряжение: 24В;

· максимально допустимый прямой импульсный ток: 25А;

· максимальный обратный ток: 1мкА;

· максимальное прямое напряжение: 0,45 В.

Диод VD4 (КД522А) выбран исходя из аналогичных требований.

Выбор интегральных микросхем. Единственной интегральной микросхемой является линейный регулятор напряжения MC7805CT. Он удовлетворяет основному требованию по питанию: его выходное напряжение 5 В (при входном от 7 В до 25В). При своей небольшой стоимости он удовлетворяет всем необходимым критериям.

Кварцевые резонаторы выбраны исходя из двух основных требований: минимальная стоимость и подходящие резонансные частоты. Это кварцевые резонаторы DT-38T и HC-49U.

К катушке индуктивности особых требований предоставлено не было, так как она не является критичным элементом в схеме, поэтому при ее выборе руководствуемся оптимальным соотношением цены и габаритных размеров. В качестве катушки индуктивности была выбрана RLB1314−100KL, 10 мкГн фирмы Bourns.

Электромагнитный звуковой сигнализатор выбирается исходя из требований: напряжение питания, минимальные габариты, небольшая стоимость. BMT-1206UX фирмы BESTAR удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям.

Литиевый элемент питания CR2025 выбран исходя из требуемого номинального напряжения питания 3 В.

К элементам управления, разъему, держателю элемента питания никаких особых требований не предъявлено, поэтому выбираем их исходя из экономических соображений, т. е. наиболее дешевые. 11]

2.4 Описание алгоритма функционирования программы В первом блоке осуществляется инициализация начальных значений переменных, во втором конфигурирование портов микроконтроллера. Третий блок — чтение состояния нажатия кнопок. Блок 4 представляет собой цикл с предусловием, в котором проверяется, нажата ли кнопка SB6. Если условии цикла выполняется, то далее идет переход к блоку 5, в котором происходит сброс МК в начальное состояние, затем к блоку 6. Если условие цикла не выполняется, то сразу происходит переход к блоку 6. Блок 6 представляет собой цикл «for», который осуществляется по идущему далее циклу с предусловием (блок 7). По циклу «for» в блоке 7 осуществляется проверка нажатия кнопок SB1-SB5. Если какая-либо из кнопок нажата, то осуществляется вызов соответствующей подпрограммы обработки (блок 8). После цикла «for» осуществляется переход к циклу «do … while» (блок 9). В этом цикле осуществляется чтение показаний с датчиков и микросхемы часов реального времени (блок 10) и поочередный вывод показаний на дисплей с интервалом ожидания 5 секунд (блоки 11 и 12). Цикл «do … while» (блок 9) представляет из себя основной режим работы прибора. Выход из этого цикла осуществляется по нажатию какой-либо из кнопок.

3. Расчетная часть

3.1 Расчет конструктивных параметров печатного узла При конструировании печатной платы многоканального микропроцессорного таймера для управления световыми приборами необходимо руководствоваться ГОСТ 10 317–84, ГОСТ 23 731–86. Наиболее предпочтительной является прямоугольная форма печатной платы. Предварительные геометрические размеры ПП определяются исходя из количества ИС и ЭРЭ, размещаемых на плате, шага их установки и габаритных размеров разрабатываемого блока. Шаг установки ИС определяется требуемой плотностью их компоновки, температурным режимом их работы, сложностью электрической схемы и габаритными размерами корпусов ИС.

Согласно ГОСТ 10 317–84 размеры каждой стороны ПП должны быть кратными:

· 2,5 мм — при длине ПП до 100 мм;

· 5,0 мм — при длине до 350 мм;

· 10,0 мм — при длине более 350 мм.

Соотношение линейных размеров стороны ПП должно быть не более 4:1.

Поле ПП можно разделить на два участка: основной — для монтажа ИС и других ЭРЭ; вспомогательный — для монтажа электрических соединителей, конструктивных элементов и маркировки платы. Вспомогательный участок делиться на участки a1, a2, b1, b2.

Данные об установочных площадях ЭРЭ, ИС сведены в таблице 3.1.

Суммарная площадь S зоны установки ИС и ЭРЭ на ПП, определяется по формуле:

(3.1)

где Syi — установочная площадь i-го ИС, ЭРЭ и т. д.;

KS — коэффициент учитывающий шаг установки ЭРЭ и ИС на ПП;

n — количество элементов на ПП.

Таблица 3.1- Конструктивные параметры элементов схемы

Примем значение коэффициента Ks=1,5, учитывая требования помехозащищенности и соблюдения теплового режима.

Подставляя данные таблицы 3.1 в формулу 3.1, получается:

(мм²)

На подучастках a1, a2, b1, b2 размещается маркировка и клеймо ПП. Размер этих участков должен быть не менее 2,5 мм и не более 10 мм. Выбираем la1 = la1 = lb1 = lb =5 мм. Так же размеры платы желательно выбирать из условия того, что в дальнейшем она будет устанавливаться в унифицированные разъемы основного блока.

Средний коэффициент Kз заполнения печатной платы можно определить по формуле:

(3.2)

где Kз=10,5 — в зависимости от условий эксплуатации изделия.

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 — Геометрические размеры платы

Коэффициент заполнения 0,5<0,8, это свидетельствует о том, что габаритные размеры выбраны верно. 5]

3.2 Расчет параметров электрических соединений элементов печатного монтажа Целью расчета параметров печатного монтажа является проверка возможности изготовления платы с определенным классом точности и плотности и производства ее соответствующим методом по параметрам печатного монтажа.

Основными конструктивно-технологическими параметрами ПП являются: геометрическая форма, габаритные размеры, шаг координатной сетки, минимальная ширина печатных проводников, минимальное расстояние между печатными проводниками, минимальный диаметр переходных и контактных отверстий, минимальное расстояние между контактными площадками и др. Эти параметры зависят от используемого метода получения печатного рисунка.

Такими наиболее распространенными методами в настоящее время являются химический, электрохимический, комбинированный.

Химический метод применяется для изготовления односторонних печатных плат и по способам нанесения защитного покрытия подразделяется на фотохимический, сеткохимический, офсетнохимический.

Электрохимический метод применяется для изготовления двусторонних ПП 3-го класса плотности, по способам получения защитного рисунка различают следующие его варианты: фотоэлектрохимический, сеточноэлектрохимический.

Комбинированный метод печатного монтажа заключается в получении проводников путем травления фольгированного диэлектрика и металлизации отверстий химико-гальваническим способом (комбинация двух предыдущих методов).

Выбор метода изготовления печатной платы определяет не только их конструктивно-технологические параметры, но и электрические характеристики проводящего рисунка.

При расчете параметров проводников печатного монтажа следует учитывать плотность монтажа ПП в соответствии со следующими классами, приведенными в таблице 3.3.

Таблица 3.3 — Классы плотности печатных плат

Использованная методика расчета параметров печатного рисунка соответствует комбинированному позитивному методу получения двусторонних печатных плат.

Исходные данные для расчета:

— шаг координатной сетки 0,625 мм ;

— материал платы стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-35

— толщина материала диэлектрика с фольгой — 1,5 мм;

— толщина фольги 35 мкм;

— метод изготовления — комбинированный позитивный;

— класс точности — 3.

Данные для расчета параметров печатного монтажа приведены в таблице 3.4 из соответствующих таблиц источника.

Таблица 3.4 — Данные для расчета параметров печатного монтажа

3.2.1 Расчет минимального диаметра металлизированного отверстия

Минимальный диаметр металлизированного отверстия определяется по формуле:

dmin=H · (33)

где H — толщина печатной платы.

dmin =2 · 0,3 = 0,6 (мм).

3.2.2 Расчет диаметра контактных площадок

В устройстве присутствуют элементы с диаметром ножек 0,5 мм и 0,7 мм. Сначала произведем расчет диаметра отверстия 0,7 мм.

Для двусторонних печатных плат, (рисунок 3.1) изготавливаемых комбинированным позитивным методом, при фотохимическом способе получения рисунка минимальный диаметр контактных площадок вычисляется по формуле:

Dmin = D1min+1,5 (hф+hпм) + hр, (34)

где D1min — минимальный эффективный диаметр контактной площадки

hф — толщина фольги, hф = 0,035 мм;

hпм — толщина предварительно осажденной меди, hпм = 0,005 мм;

hртолщина металлического резиста, hр= 0,02 мм.

Рисунок 3.1 — Расположение контактной площадки на двухсторонней печатной плате

D1min = 2 · (bм + dmax / 2 + отв. + кп), (3.5)

где dmax — максимальный диаметр просверленного отверстия:

отв — погрешность расположения отверстий;

кп — погрешность расположения контактной площадки.

Максимальный диаметр просверленного отверстия находится по формуле:

dmax =dсв.+ d, (3.6)

где dсв. — диаметр сверла, мм;

d — погрешность диаметра отверстия.

С учетом толщины металлизации в отверстии и усадки диэлектрического материала принимается:

dсв.=dм.отв.+0,1, (3.7)

где dм. отв — диаметр металлизированного отверстия (0,7 мм).

dсв.= 0.7 + 0.1 = 0,8 (мм);

Рассчитанные значения dсв сводятся к предпочтительному ряду отверстий: 0,7; 0,9; 1,1;1,3; 1,5. Выбирается dсв.=0,9 мм.

dmax=0,9 + 0,01 = 0,91 (мм).

Погрешность расположения отверстий отв на печатной плате определяется следующей суммой:

отв.= о +; (3.8)

отв.= 0,05 + 0,02 = 0,07 (мм).

Погрешность расположения контактной площадки кп при изготовлении ДПП определяется по формуле:

кп = ш + э + (п+з)/2; (3.9)

кп = 0,02 + 0,01 + 0,04 / 2 = 0,05 (мм).

Подставляя численные значения в формулы 3.4 и 3.5 получим:

Dmin=1,2 + 1,5 · (0,035+ 0,005) + 0,02= 1,28 (мм);

D1min =2 · (0,025 + 0,91 / 2 + 0,07 + 0,05) = 1,2 (мм).

Минимальный диаметр окна фотошаблона для контактной площадки определяется по формуле:

Dш min= Dmin-hр; (3.10)

Dш min= Dmin-hр = 1,28 — 0,02 = 1,26 (мм).

Максимальный диаметр окна фотошаблона для контактной площадки определяется по формуле:

Dш max= Dш min+Dш; (3.11)

Dш max=1,26 + 0,02 = 1,28 (мм).

Максимальный диаметр контактной площадки ПП определяется по формуле:

Dmax= Dш max + ДЭ + hр; (3.12)

Dmax= 1,28 + 0,01 + 0,02 = 1,31 (мм).

После завершения расчета металлизированных отверстий для элементов с ножками диаметром 0,7 мм, проводится аналогичный расчет для металлизированных отверстий диаметром 0,5 мм.

Диаметр сверла находится по формуле 3.7:

dсв.= 0,5 + 0,1 = 0,6 (мм).

Рассчитанные значения dсв сводят к предпочтительному ряду отверстий: 0,7; 0,9; 1,1;1,3; 1,5.

Наиболее близкое значение dсв.=0,7 мм.

Максимальный диаметр просверленного отверстия находится по формуле 3.6:

dmax = 0,7 + 0,01 = 0,71 (мм).

Погрешность расположения отверстий отв на печатной плате определяется формулой 3.8:

отв. = 0,05 + 0,02 = 0,07 (мм).

Погрешность расположения контактной площадки кп определяется по формуле 3.9:

кп=0,02 + 0,01 + 0,04 / 2 = 0,05 (мм).

Минимальный эффективный диаметр контактной площадки определяется по выражению 3.5:

D1min=2 · (0,025 + 0,71 / 2 + 0,07 + 0,05) = 1 (мм).

Минимальный диаметр контактных площадок вычисляется по формуле 3.4:

Dmin=1 + 1,5 · (0,035+ 0,005) + 0,02= 1,08 (мм).

Минимальный и максимальный диаметры окна фотошаблона для контактной площадки соответственно определяются по формулам 3.10 и 3.11:

Dш min = 1,08 — 0,02 = 1,06 (мм);

Dш max =1,06 + 0,02 = 1,08 (мм).

Максимальный диаметр контактной площадки для ДПП определяется в соответствии с выражением 3.12:

Dmax= 1,08 +0,01 + 0,02 = 1,11 (мм).

Результаты расчета основных параметров металлизированных отверстий сведены в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 — Основные параметры металлизированных отверстий

3.2.3 Расчет ширины печатных проводников Минимальную ширину проводников определяют из условия достаточного сцепления (без отслаивания) проводника с диэлектриком и она зависит от адгезионных свойств материала основания и гальваностойкой фольги.

Расчет минимальной ширины проводника для двухсторонней печатной платы (рисунок 3.2), изготавливаемой комбинированным позитивным методом при фотохимическом способе получения рисунка проводится по формуле:

tn min=tn1 min+1,5 · (hф+ hпм) + hр, (3.13)

где tn1 min — минимальная эффективная ширина проводника, для ПП третьего класса принимают равным 0,25 мм;

Рисунок 3.2 — Расположение проводников на двухсторонней печатной плате

tn min =0,25 + 1,5 · (0,035+ 0,005)+ 0,02 = 0,33 (мм).

Минимальная и максимальная ширина линии на фотошаблоне определяется соответственно выражениями:

tш min=tn min-hр; (3.14)

tш max=tш min+tш, (3.15)

где tш =0,03 — погрешность изготовления линий фотошаблона

tш min = 0,33 — 0,02 = 0,31 (мм);

tш max = 0,31 + 0,03 = 0,34(мм).

Максимальная ширина проводника определяется по формуле:

tn max = tш max + hр + ДЭ; (3.16)

tn max = 0,34 + 0,02 + 0,01 = 0,37 (мм).

3.2.4 Расчет расстояний между элементами печатного рисунка Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой определяется по формуле:

S1 min = L0 — [(Dmax/2 + кп) + (tn max/2 + шt)], (3.17)

где L0 — расстояние между центрами рассматриваемых элементов (1,27 мм);

шt — погрешность расположения проводника на фотошаблоне относительно координатной сетки.

S1 min =1,27 — [(1,31 / 2 + 0,05) + (0,37 / 2 + 0,03)] = 0,35 (мм).

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками определяется по формуле:

S2 min =L0 — (Dmax + 2 · кп); (3.18)

S2 min = 2,54 — (1,31 + 2 · 0,05) = 1,13 (мм).

Минимальное расстояние между двумя планарными выводами определяется по формуле:

S2 min =L0 — (Dmax + 2 · кп); (3.18)

S2 min = 0,65 — (0,30 + 2 · 0,05) = 0,25 (мм).

Минимальное расстояние между двумя проводниками определяется по формуле:

S3 min = L0 — (tn max + 2•шt); (3.19)

S3 min = 1,27 — (0,37 + 2 · 0,03) = 0,84 (мм).

Минимальное расстояние между двумя проводниками для планарных выводов равно:

S3 min = 0,65 — (0,34 + 2 · 0,03) = 0,25 (мм).

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой на фотошаблоне определяется по формуле:

S4 min = L0 — [(Dmax / 2 + кп)+ (tш max/2+шt)]; (3.20)

S4 min = 1,27 — [(1,31 / 2 + 0,05) + (0,34 / 2 + 0,03)] = 0,365 (мм).

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками на фотошаблоне определяется по формуле:

S5 min = L0 — (Dшmax + 2•кп); (3.21)

S5 min = 2,54-(1,31+2•0,05)=1,13 (мм).

Минимальное расстояние между двумя проводниками на фотошаблоне определяется выражением:

S6 min = L0 — (tш max+2•шt); (3.22)

S6 min = 1,27 — (0,34 + 2 · 0,03) = 0,87 (мм).

Минимальное расстояние между двумя проводниками, соединяющими планарные выводы, определяется выражением:

S6 min = 0,65 — (0,34 + 2 · 0,03) = 0,25 (мм).

3.2.5 Расчет минимального расстояния между элементами проводящего рисунка с n-м количеством проводников

Минимальное расстояние для прокладки проводников между двумя контактными площадками металлизированных отверстий определяется по формуле:

L1min =[(D1max+D2max)/2 + 2кп] + (tn max + 2 · шt) nn + Smin (nn+1), (3.23)

где D1max, D2max — максимальные диаметры контактных площадок металлизированных отверстий;

nn — количество проводников;

Smin — расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой, проводником и металлизированным отверстием (0,345 мм).

L1min=[(1,31 + 1,11) / 2 + 2 · 0,05] + (0,37 + 2 · 0,03) · 1+0,345 · (1+1)= 2,43 (мм).

Минимальное расстояние для прокладки проводников между двумя металлизированными отверстиями определяется по формуле:

L2min = [(d1max+d2max)/2 + 2•отв.] + (tn max + 2•шt)nn +Smin (nn — 1) +2a, (3.24)

где d1max, d2max — максимальные диаметры металлизированных отверстий;

а=1,5 мм — расстояние от края платы до элемента печатного монтажа.

L2min = [(0,91+0,91) / 2+2· 0,07]+(0,37+2 · 0,03) · 1+0,345 · (3−1)+2· 1,5=5,17 (мм).

Минимальное расстояние для прокладки проводников между контактной площадкой металлизированного отверстия и краем платы определяется по формуле:

L4min = (Dmax / 2 + кп)+(tn max + 2•шt) · nn + Smin · nn + a; (3.25)

L4min = (1,31 / 2 + 0,05)+(0,37+2 · 0,03) · 1+0,345 · 1+1,5 = 2,98 (мм).

3.3 Расчет массы печатного узла Масса печатного узла определяется суммой массы печатной платы и суммарной массой всех установленных на ней элементов:

(3.26)

Масса печатной платы определяется по формуле:

(3.27)

где с — плотность стеклотекстолита, равная 1,8 г/см3 [10];

V — объем печатной платы, равный 10,24 см³.

mп=1,8 · 10,24 = 18,43 (г).

В таблице 3.6 приведены массы установленных электрорадиоэлементов:

Таблица 3.6 — Расчет массы электрорадиоэлементов

Отсюда масса печатного узла составляет:

m=18,43 + 51.15 = 69.58 (г).

3.4 Расчет потребляемой мощности

При разработке устройства необходимо учитывать его конкурентоспособность на рынке. Одним из важных показателей конкурентоспособности (после цены) является потребляемая мощность. Этот расчет необходим также для конструкторских целей — выбора источника питания, расчета выделяемого тепла устройством.

Расчет производится в следующей последовательности:

Мощность, потребляемая всеми микросхемами, определяется по выражению:

(3.28)

где PMi — мощность, потребляемая i-ой микросхемой (таблица 3.7).

Таблица 3.7 — Мощность, потребляемая ИМС

Подставив исходные данные в формулу (3.28), получается:

PМ=0,0035 + 0,018 + 0,004 + 0,006 = 0,0261 Вт.

Мощность, потребляемая электрорадиоэлементами, определяется по формуле:

(3.29)

где Pэi — мощность, потребляемая i-ым электрорадиоэлементом (таблица 3.8)

Таблица 3.8 — Расчет потребляемой мощности электрорадиоэлементов

Потребляемая устройством мощность рассчитывается при допущении, что мощность, потребляемая микросхемами, учитывает их обвязку.

Подставив исходные данные в формулу (3.29), получается:

Рэ =0,469 (Вт).

Мощность, потребляемая элементом, рассчитывается по формуле:

(3.30)

где Iпот — потребляемый ток, А;

Uпит — напряжение питания, В.

Мощность, потребляемая транзисторами, определяется по формуле:

(3.31)

где Iном — ток протекающий через i-й транзистор в открытом состоянии;

U — падение напряжения на переходе коллектор эмиттер в открытом состоянии iого транзистора;

Мощность, потребляемая всем устройством, определяется по выражению:

(3.32)

Подставив значения в формулу 3.34, получается:

P = 0,0263 + 0,469 = 0,5005 (Вт).

Таким образом, мощность, потребляемая разработанным устройством составляет 0,5005 Вт, что соответствует потреблению тока около 0,1 А. 5,6,9]

3.5 Расчет надежности изделия

Расчет надежности многоканального микропроцессорного таймера для управления световыми приборами заключается в определении показателей надежности по известным характеристикам надежности ЭРЭ, ИС и др., составляющих конструкцию блока с учетом условий эксплуатации.

Надежность электронной аппаратуры зависит от ее сложности и режимов эксплуатации. Поэтому одним из условий надежной работы ЭВС является правильность выбора режимов работы множества ЭРЭ и деталей, из которых состоит блок, качество изготовления, а также условия эксплуатации.

Вероятность безотказной работы за заданное время определяется по формуле:

(3.33)

где е — основание натуральных логарифмов;

— интенсивность отказов.

Интенсивность отказов изделия, состоящего из n комплектующих элементов, определяется по формуле:

(3.34)

где лi — интенсивность отказа i-го элемента.

Среднее время наработки до отказа изделия определяется по формуле:

(3.35)

Расчет л проводится на основании л0 — интенсивности отказов радиоэлементов при нормальных условиях эксплуатации и номинальных режимах, с учётом поправочных коэффициентов:

(3.36)

где лi0 — номинальная интенсивность отказов i-ого элемента (справочные данные);

— поправочные коэффициенты, которые зависят от механических воздействий;

— поправочные коэффициенты, которые зависят от температуры и уровня влажности окружающей среды;

— коэффициент нагрузки;

t? — температура окружающей среды (25є С);

ai — поправочные коэффициенты, которые зависят от температуры поверхности i-ого элемента и коэффициента нагрузки.

Поправочные коэффициенты принимаются равными единице.

Коэффициент электрической нагрузки конденсаторов определяется по формуле:

(3.37)

где Uрабочее напряжение на конденсаторе, В;

UН — номинальное напряжение (справочные данные), В.

Для конденсаторов К10−17:

Рабочее напряжение на конденсаторе — 5 В.

Номинальное напряжение (справочные данные) — 12 В.

Для конденсаторов К50−35:

Рабочее напряжение на конденсаторе — 5 В.

Номинальное напряжение (справочные данные) — 12 В.

Для конденсаторов CTC 05−40RA:

Рабочее напряжение на конденсаторе — 5 В.

Номинальное напряжение (справочные данные) — 20 В.

Для резисторов:

(3.38)

где Р — максимальная рабочая мощность, рассеиваемая в схеме на резисторе, Вт;

РН — номинальная рассеиваемая мощность резистора, Вт.

Для резисторов C2−23−0.125:

Для резисторов C2−23−2:

Для резисторов Bourns 3296:

Для диодов:

(3.39)

где I — фактический выпрямленный ток;