Миниатюрный вольтметр на микроконтроллере

1. Теоретическая часть.

1.1 Сферы применения вольтметров.

Цифровой вольтметр предназначен для измерения постоянного напряжения от 0 до 100 вольт, в одной полярности.

Цифровой вольтметр может использоваться для контроля напряжения бортовой сети автомобиля или мотоцикла, а также, для контроля напряжения в различных устройствах и приборах.

Область применения вольтметра:

— контроль напряжения в зарядных устройствах для Li-Ion, NiCd, Ni-MH, гелевых, щелочных и кислотных аккумуляторов;

— контроль напряжения в лабораторных блоках питания, а также в различных самодельных устройствах и приборах;

— контроль напряжения на аккумуляторе во время зарядки.

1.2 Анализ аналоговых схем.

Рис. 1. Миниатюрный, встраиваемый электронный вольтметр с анимированным светодиодным индикатором модель MP503.

Главная особенность этого миниатюрного вольтметра — это использование для индикации измеряемого напряжения всего одной светодиодной матрицы 5×7. Измеренное напряжение (три разряда с разделительной точкой) выводится в виде бегущей строки. При этом, одновременно видны только два символа и десятичная запятая. Пример индикации напряжения 7,24 В показан на рис. 2. Значение выплывает с правой стороны индикатора с частотой примерно 1,2 секунды. Такой способ индикации не вызывает затруднений при ее считывании.

Устройство собрано на микроконтроллере PIC18F2520. Его выбор обусловлен наличием достаточного числа портов ввода-вывода для управления светодиодной матрицей LED1 без применения дополнительных микросхем, наличием встроенных десятиразрядного АЦП и источника образцового напряжения. Для снижения потребляемого тока и упрощения схемы микроконтроллер тактируется внутренним генератором.

Напряжение питания постоянное, В… +7…24.

Измеряемое напряжение… 0,01…99,9.

Ток потребления не более, мА… 55.

Матрица 5Х7… TA07−11SRWA.

Диаметр элемента в светодиодной матрице, мм… 2.

Микроконтроллер… PIC18F2520.

Габаритные размеры, ДхШ, мм… 38×25.

Входная цепь вольтметра состоит из резисторов R14-R17 и конденсатора С2 и образует автоматический делитель напряжения с изменяемым коэффициентом передачи. Его изменение осуществляется подключением дополнительного резистора R17 с помощью порта RA2. Т. е. пока измеряемое напряжение ниже 10 В, порт RA2 находится в неактивном состоянии. Когда же напряжение на входе вольтметра превысит 10 В, на выходе RA2 выставляется логический 0 и резистор R17 подключается параллельно R16, увеличивая коэффициент входного делителя.

С выхода делителя напряжение, пропорциональное входному, поступает на линию RA0 (вывод 2) микроконтроллера D1.

Использование последовательного соединения двух резисторов R14-R15 мощностью 0,5 Вт обусловлено необходимостью обеспечить надежную работу, поскольку их максимальное рабочее напряжение составляет 250 В. На разъемы Х1-Х2 подается измеряемое напряжение. На Х3-Х4 — напряжение питания. В качестве блока питания можно использовать любой блок с выходным напряжением от 7 до 24 вольт. Разъем X5 предназначен для внутрисхемного программирования микроконтроллера PIC18F2520.

Вольтметр смонтирован на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Применены резисторы для поверхностного монтажа размеров 0805 R1-R13, R16-R17 и 1206 R14, R15. Конденсаторы — размеров 0805.

Наиболее интересное применение модуля — это вольтметры для лабораторного блока питания или, благодаря оригинальному способу индикации — в качестве элемента дизайна в моддинговых корпусах для PC. В этом случае, если будет использоваться несколько индикаторов, можно попробовать на некоторых из них поменять светодиодную матрицу на матрицу желтого или зеленого свечения. Также вольтметр можно рекомендовать автолюбителям, для индикации бортового напряжения в автомобиле.

Этот прибор комплекса предназначен для измерения переменных напряжений частотой от 30 Гц до 30…100 кГц.

Контроллер CH-c3200 предназначен для индикации и контроля напряжения постоянного тока в диапазоне (рекомендуемый) от 0,01 до 99.9 вольт. Он позволяет работать в трех режимах: индикатор, контроль выхода напряжения за допустимый диапазон, контроль наличия напряжения в установленном диапазоне. Контроллер позволяет ввести задержку на включения функции автоконтроля с момента подачи напряжения.

Рис. 2. Микровольтметр ch-c3200.

Контроллер имеет функцию калибровки, которая позволяет при применении входного делителя изменить диапазон измерений, а также при необходимости отключить индикацию десятичной точки (для индикации в диапазоне 0 — 999).

Контроллер возможно использовать для индикации переменного напряжения, для этого на вход подключается выпрямитель и калибруется по эталонному прибору. Индикации можно расширить до 999 вольт (отключается десятичная точка, устанавливается внешний делитель и калибруется).

Контроллер выпускается в бескорпусном исполнении. Для питания контроллера может быть использовано переменное напряжение от 8 до 12 (16) вольт или постоянное 12 (24) вольта. Ток нагрузки выходного ключа не должен превышать 100 мА.

Питание подается на контакты 1,2 соединителя, контакты 3,4 используются для подключения индикатора или исполнительного устройства. Подается контролируемое напряжение на контакт 9. Контролируемое напряжение не должно превышать 100 вольт. Для измерения напряжения будем использовать вход AN0. При помощи перемычек R20 и R18 сконфигурируем входную цепь. В качестве делителя входного напряжения будем использовать резисторы R1 и R2. Соотношение 20/1 позволит нам измерять постоянные напряжения до 100 вольт. В качестве опорного напряжения будем использовать напряжение стабилизатора питания контроллера.

В выбранных нами контроллерах встроен десятиразрядный АЦП, это значит, что выбранный нами диапазон опорного напряжения 5.0 вольт он «разделит» на 1024 значения. Т. е. если на вход контроллера AN0 подавать напряжение от 0 до 5 вольт, то с регистров АЦП ADRESH и ADRESL сможем сосчитать значение от 0 до 1023.

Как измерить напряжения выше 5 вольт? Для этого используется входной делитель на резисторах R1 и R2. Выберем R2=10 кОм, потому что входные цепи АЦП требуют, что бы источник имел сопротивление не ниже 10 кОм. А в целях уменьшения входного тока, возьмём максимальное значение. R1 выберем равное = 200 кОм для обеспечения необходимого диапазона входного напряжения.

Коэффициент деления 20. Это значит, что напряжение, поступающее на вход делителя, будет уменьшено на его выходе в 20 раз. При максимальном входном напряжении на входе контроллера 5 вольт мы сможем измерять напряжения 5*20=100 вольт, (или для нашего случая 99,9 вольта). Такой диапазон достаточен для многих устройств, включая и автомобильную технику.

Для индикации минимального значения 0,1 вольт, диапазон индицируемых значений составит от 0,1 до 99,9 вольт.

Для измерения переменного напряжения необходимо на вход добавить выпрямительный диод и изменить входной делитель.

Рис. 3. Миниатюрный вольтметр на микроконтроллере ATmega8L.

Основой устройства является микроконтроллер ATmega8L. Его выбор обусловлен наличием достаточного числа портов ввода-вывода для управления светодиодной матрицей HG1 без применения дополнительных микросхем, наличием встроенных десятиразрядного АЦП и источника образцового напряжения (2,56 В). Преобразование входного напряжения в цифровой код выполняет АЦП, а измеренное значение (три разряда) выводится в виде бегущей строки на светодиодную матрицу HG1. При этом одновременно видны только два символа. Как показала практика, такой способ вывода информации не вызывает затруднений при ее считывании. Поскольку в устройстве не требуется с большой точностью выдерживать временные интервалы, то с целью снижения потребляемого тока и упрощения схемы работа микроконтроллера DDI тактируется встроенным RC-генератором с частотой 1 МГц.

Программа для микроконтроллера написана на языке ассемблера, отлажена и откомпилирована в среде AVR Studio 4.14. В первой строке директивой. include имеется ссылка на файл m8def.inc. Он содержит описания предопределенных имен регистров и констант микроконтроллера и входит в состав среды AVR Studio 4.14. После включения питающего напряжения линии РВО-РВ4 (выводы 14−18) микроконтроллера DD1 конфигурируются как выходы для управления строками, а линии PDO — PD6 (выводы 2−6, 11,12) — столбцами матрицы HG1. Сигналы на линиях РС4, PC5 (выводы 27, 28) управляют излучающими диодами оптопары U1. резисторы R12, R13 — токоограничивающие. Линии ADC2 и ADC3 (выводы 25 и 26) сконфигурированы как входы встроенного АЦП.

Переключателем SA2 осуществляют изменение режимов работы устройства: измерение постоянного напряжения с автоматическим выбором предела измерения; измерение переменного напряжения на пределе 700 В; измерение переменного напряжения на пределе 70 В.

Входная цепь вольтметра состоит из резисторов R1-R7, R9, R10, диода VD1 и оптопары U1 и образует делитель напряжения с изменяемым коэффициентом передачи.

Его изменение осуществляется подключением резисторов R9, R10 через полевые транзисторы оптопары U1. Когда они отключены, установлен предел измерения 9,99 В. При подключении резистора R10 будет установлен предел 99,9 В, а резистора R9 — 999 В. С выхода делителя напряжение, пропорциональное входному, поступает на линию ADC3 (вывод 26) микроконтроллера DD1. Выбор указанной оптопары обусловлен ее способностью работать при низком управляющем напряжении (1,1… 1,6 В), кроме того, как показала практика, сопротивление открытого ключа уже при токе 0,5 мА через управляющий светодиод составляет около 10 Ом и практически не изменяется при дальнейшем повышении тока до номинального значения 5 мА. Использование последовательного соединения четырех резисторов R1-R4 мощностью 0,5 Вт обусловлено необходимостью обеспечить надежную работу, поскольку их максимальное рабочее напряжение составляет 250 В. Напряжение минусовой полярности на входе микроконтроллера DD1 не должно превышать 0,5 В Диод VD1 ограничивает напряжение этой полярности до 0.5…0.6 В. Поскольку на вход АЦП микроконтроллера это напряжение поступает через делитель напряжения R5-R7, оно не превысит 0,25…0,3 В на любом из пределов. Кроме того, при измерении переменного напряжения диод VD1 выполняет функции выпрямителя. Защитный диод VD2 ограничивает значение напряжения на входе АЦП микроконтроллера до 3,1…3,2 В, что снижает вероятность его выхода из строя при нарушении работы управляемого делителя напряжения. Дроссель L1 и конденсатор СЗ образуют фильтр питания аналоговых узлов микроконтроллера DDI. Конденсатор С4 снижает уровень помех на встроенном источнике образцового напряжения 2.56 В. Резисторы R11, R8 образуют делитель напряжения источника питания, с его выхода напряжение поступает на второй вход АЦП (вывод 25) микроконтроллера DD1. Необходимость использования резистивного делителя обусловлена тем, что напряжение на входе АЦП не должно превышать 2,56 В. [14].

Таблица 1. Сравнительный анализ микровольтметров.

Вывод: в ходе сравнительного анализа был сделан взвод о том, что схема на Рис. 3 является наиболее предпочтительной.

1.3 Системы автоматизированного проектирования (САПР).

САПР — автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.

Мы опишем следующие виды систем автоматизированного проектирования:

1. AutoCAD.

AutoCAD — это Система Автоматического Проектирования (САПР). Она относится к классу программ CAD (Computer Aided Design), которые предназначены, в первую очередь, для разработки конструкторской документации: чертежей, моделей объектов, схем и т. д.

Программа позволяет строить 2D и 3D чертежи любых назначения и сложности с максимальной точностью.

Для промышленного двухмерного проектирования, данная программа предлагает самые эффективные инструменты. Специализированные, мощные графические пакеты, которые создаются на базе данной программы, отлично подходят для архитекторов и строителей.

Отличительной особенностью данной программы является весьма удобный интерфейс, который позволяет приближать или отдалять изображение на экране компьютера, используя функции панорамирования.

Отличной возможностью для работы в программе «AutoCAD», является возможность вывода на печать нескольких чертежей.

Последние версии данной программы эффективно используют возможности трехмерного проектирования, и позволяет просматривать модели из любой точки, проверять интерференцию и экспортировать модель для создания анимация, а также извлекать производственные данные и производить технический анализ.

Для сохранения различных чертежей в программе «AutoCAD» используются два формата файлов, которые созданы исключительно для программы «AutoCAD». Так — это форматы *.DXF и *.DWG. При использовании программы «AutoCAD» Вы легко и просто можете создавать чертежи в различных слоях и делать видимыми или невидимыми данные слои.

2. DipTrace.

САПР для проектирования печатных плат (PCB). в пакет включено четыре программы: DipTrace — проектирование плат с возможностью ручной и автоматической трассировки, количество слоев и компонентов не ограничено; Schematic — создание принципиальных схем, в том числе и многолистовых, возможность перевода их в печатные платы; ComEdit — редактор корпусов, создание корпусов элементов на основе шаблонов или свободное, и объединение их в библиотеки корпусов для PCB; SchemEdit — редактор компонентов, создание символов, привязка их к корпусам и объединение в библиотеки компонентов для cхемотехники и PCB. Имеется большое количество библиотек корпусов и компонентов, последние содержат более 10 тыс. компонентов наиболее известных фирм. Поддерживается экспорт в форматы Gerber и N/C Drill, в Gerber также возможна разметка отверстий (Drill Symbols).

DipTrace содержит следующие функции:

Интуитивно-понятный пользовательский интерфейс.

Многоуровневая иерархия и поддержка многолистовых схем позволяют быстро и эффективно разрабатывать сложные принципиальные схемы. Преобразование схемы в плату, обновление проекта из измененной схемы и обратная аннотация производятся одним кликом. Все объекты подсвечиваются при работе. Учебник содержит пошаговые рекомендации и проведет Вас через все этапы создания платы.

Удобное ручное и автоматическое позиционирование Функции «Упорядочивание», «Позиционирование по списку» и «Автоматическая расстановка компонентов» помогут Вам легко и быстро оптимизировать расположение компонентов и размеры платы Эффективные возможности трассировки.

Cовременный бессеточный автотрассировщик способен качественно и быстро разводить как сложные многослойные платы с разными типами компонентов, так и простые двухслойные проекты. Сеточный трассировщик может использоваться на простых однослойных платах c перемычками. Поддержка Specctra DSN/SES позволяет использовать внешние трассировщики. Развитые средства ручной трассировки дают возможность быстро и эффективно проектировать нестандартные платы. Размеры плат неограничены.

Всесторонняя проверка проекта Широкие возможности проверки проекта на различных этапах создания позволяют выявить ошибки до отправки файлов производителю. Проверка включает следующие этапы: автоматизированная проверка новых компонентов в библиотеках, выявляющая возможные признаки ошибок и минимизирующая «человеческий фактор»; проверка допустимости соединений в схеме (ERC); проверка зазоров, размерностей и различных признаков ошибок на плате (DRC); проверка целостности соединений на плате; сравнение со схемой. Ошибки выводятся в виде списка и отображаются в проекте, возможно их исправление «на лету» с перезапуском проверки.

3D предпросмотр платы Функция трехмерного предпросмотра моделирует внешний вид конечного изделия, дает возможность выявить недостатки компоновки до передачи в производство. Благодаря аппаратному ускорению графики возможно поворачивать и масштабировать модель устройства в реальном времени. С программой поставляются более 2.5 тыс 3D-моделей корпусов.

Моделирование схемы Экспорт принципиальной схемы в формате Spice-нетлист (.cir) даст возможность промоделировать Ваше устройство в программе LT Spice или любом другом внешнем симуляторе.

Импорт / Экспорт Функции импорта и экспорта позволяют Вам работать с принципиальными схемами, платами и библиотеками в форматах других EDA и CAD-приложений: DXF, P-CAD, PADS, OrCAD и Eagle, а также работать с нетлистами: Accel, Allegro, Mentor, PADS, P-CAD, OrCAD, Protel 2.0 и Tango.

Создание файлов для производства В DipTrace Вы можете получить все необходимые для производства файлы (Gerber RS-274X, Excellon N/C Drill, DXF). Векторизация позволяет экспортировать в Gerber-формат TrueType шрифты и растровые изображения.

Создание собственных библиотек Удобные средства разработки компонентов и корпусов с автоматическим расположением и нумерацией выводов по заданным правилам позволяют за считанные минуты создавать компоненты любых размеров и сложности.

3. Electric VLSI Design System.

Electric VLSI Design System — САПР, используемая для разработки электрических схем и проектирования топологии печатных плат. Помимо прочего, это удобный инструмент для использования языков описания аппаратуры, таких как VHDL и Verilog.

Electric являлся open-source проектом в течение многих лет, и сейчас он легко доступен через FSF (Free Software Foundation).

Electric VLSI — система автоматизированного проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС). При помощи Electric можно разрабатывать интегральные МОП и биполярные схемы, печатные платы или схемы любого типа.

Electric имеет множество стилей редактирования, включающих планирование, схематику, иллюстрации, архитектурное проектирование. Electric может взаимодействовать с различными спецификациями и форматами файлов как VHDL, CIF, GDS II. Наиболее ценная встроенная в Electric возможность — это система привязок, которая даёт возможность осуществлять проектирование сверху вниз с соблюдением целостности всех соединений.

Инструменты и технологии Electric объединяет в себе множество различных синтетических тестов и анализирующих инструментов:

Design rule checking включает два встроенных инструмента контроля и два интерфейса к ним.

Electrical Rule Checking инструмент для контроля карманов / подложки и проверки с помощью Antenna-rules.

Simulation два встроенных симулятора и интерфейса для более чем дюжины промышленных инструментов (Spice, Verilog, и т. д.).

Routing пять различных трассировщиков для широкого круга задач.

Generators генератор ПЛМ, генератор ячеек, генераторы структурной подложки и генератор ПЗУ.

Logical Effort инструмент для анализа схемы и изменения её компонентов с учётом метода логического усилия.

LVS (layout vs. schematic) приспособление для сравнения двух некоторых выбранных эквивалентов схем.

Чтение / Запись способность считывать и записывать описание схемы в множество форматов, включающих CIF, GDS, EDIF, DXF, и VHDL. Это также позволяет осуществить взаимосвязь с другими системами, такими как Eagle, Pads, ECAD, и Sue.

Electric поддерживает множество различных технологий проектирования, например:

КМОП.

N-МОП Биполярная Схемотехника Иллюстрирование.

1.4 Промышленные форматы.

Формат DXF.

DXF-файл представляет собой текстовый файл специального формата, в котором содержится информация о графических объектах чертежа: имена слоев, геометрические типы объектов и описания самих объектов.

Кроме того, с каждым графическим объектом может быть связано строковое значение. Это значение можно рассматривать как значение поля таблицы, связанной с объектами данного типа.

Таким образом, DXF-файл может содержать не только пространственную, но и некоторую табличную информацию.

DXF-файл состоит из множества групп. Каждая группа идентифицируется кодом, который представляет собой положительное ненулевое целое число. Большая часть значений кодов групп зарезервированы для обозначения системных объектов или характеристик, а коды 3, 4 и 5 — для «…других текстовых или именованных значений», то есть для обозначения каких-либо пользовательских характеристик объекта. Причем группы 3 и 4 могут содержать строки или десятичные числа, группа 5 — только шестнадцатеричные числа. При импорте одна из этих групп может содержать табличную информацию, связанную с графическими объектами.

Формат Gerber.

Gerber — файловый формат, представляющий собой способ описания проекта печатной платы для изготовления фотошаблонов на самом разнообразном оборудовании. Практически все современные системы автоматизации проектных работ позволяют генерировать выходные файлы в формате Gerber. С другой стороны почти всё современное оборудование позволяет считывать данные в этом формате.

Gerber файл представляет собой текстовое описание последовательности команд, направленных на прорисовку различных элементов топологии (контактных площадок, переходных отверстий, линий, дуг, текстовых надписей) с помощью графопостроителя. Данные в формате Gerber представляют собой программный код, управляющий выбором инструмента рисования, перемещением его в точку с заданными координатами и выполнением самой операции рисования. При изготовлении фотошаблонов, рисование на светочувствительной плёнке производится световым пятном заданной формы — апертурой.

Обычный формат Gerber является подмножеством форматов семейства EIA Standard RS-274D. Расширенный формат Gerber, иначе называемый RS-274X, включает в себя ряд дополнительных возможностей, таких как заливка полигонов, комбинирование негативных и позитивных изображений, задание пользовательских апертур.

Кроме того, файл в формате RS-274X содержит в своём заголовке список используемых апертур, что даёт пользователям возможность обмениваться данными без необходимости отдельного описания используемых инструментов.

Формат RS-274X является надмножеством формата EIA Standard RS-274D. Он поддерживает как коды параметрических данных (G-коды) и коды апертур (D-коды), так и массивы параметров. Массивы параметров представляют собой наборы данных, описывающих или проект целиком, или его части, называемые слоями, что значительно расширяет возможности стандартного формата Gerber. Отметим также, что формат RS-274X был изначально разработан корпорацией Gerber Systems, признанным производителем CAD/CAM систем, устройств широкоформатной печати и оборудования прецизионной резки.

Типы данных Файл в формате RS-274X может содержать типы данных, располагающихся в следующем порядке:

Параметрические коды RS-274X. Также называются массивами параметров, включение их в стандартный код RS-274D превращает его в расширенный Gerber формат.

Стандартные RS-274D коды. Можно назвать командо-адресным форматом, состоящим из:

Односимвольных функциональных кодов, таких как G-коды, D-коды, М-коды и т. д. В старой терминологии функциональные коды назывались командами и описывали способ интерпретации координатных данных (например, способ интерполяции дуг) или функционирование устройства рисования (например, включение или выключение лампы при перемещении).

Координатных данных, определяющих точки, в которые устройство рисования должно перемещаться. В старой терминологии координатные данные назывались адресом и описывали линейные координаты точек на топологии в формате (X, Y) и дуги в формате (I, J).

1.5 Составление структурной схемы.

Рис. 4. Структурная схема Включаем прибор. С источника питания поступает напряжение 220V на вход устройства, а затем на делитель напряжения и оптопары. Делитель напряжения с изменяемым коэффициентом передачи состоит из резисторов R1-R7, R10, диода VD1 и оптопары U1. Его изменение осуществляется подключением резисторов R9, R10 через полевые транзисторы оптопары U1. С выхода делителя напряжения пропорциональное входному поступает на линию ADC 3 микроконтроллера. Напряжение с микроконтроллера подается на строки и столбцы светодиодной матрицы после чего изображаются 2 цифры.

1.6 Описание схемы электрической принципиальной.

Рис. 5. Схема электрическая принципиальная Основой устройства является микроконтроллер ATmega8L. Его выбор обусловлен наличием достаточного числа портов ввода-вывода для управления светодиодной матрицей HG1 без применения дополнительных микросхем, наличием встроенных десятиразрядного АЦП и источника образцового напряжения (2,56 В). Преобразование входного напряжения в цифровой код выполняет АЦП, а измеренное значение (три разряда) выводится в виде бегущей строки на светодиодную матрицу HG1. При этом одновременно видны только два символа. Как показала практика, такой способ вывода информации не вызывает затруднений при ее считывании. Поскольку в устройстве не требуется с большой точностью выдерживать временные интервалы, то с целью снижения потребляемого тока и упрощения схемы работа микроконтроллера DDI тактируется встроенным RC-генератором с частотой 1 МГц. Программа для микроконтроллера написана на языке ассемблера, отлажена и откомпилирована в среде AVR Studio 4.14. В первой строке директивой. include имеется ссылка на файл m8def.inc. Он содержит описания предопределенных имен регистров и констант микроконтроллера и входит в состав среды AVR Studio 4.14.

После включения питающего напряжения линии РВО-РВ4 (выводы 14−18) микроконтроллера DD1 конфигурируются как выходы для управления строками, а линии PDO — PD6 (выводы 2−6, 11,12) — столбцами матрицы HG1. Сигналы на линиях РС4, PC5 (выводы 27, 28) управляют излучающими диодами оптопары U1. резисторы R12, R13 — токоограничивающие. Линии ADC2 и ADC3 (выводы 25 и 26) сконфигурированы как входы встроенного АЦП.

Переключателем SA2 осуществляют изменение режимов работы устройства: измерение постоянного напряжения с автоматическим выбором предела; измерения; измерение переменного напряжения на пределе 700 В; измерение переменного напряжения на пределе 70 В.

Входная цепь вольтметра состоит из резисторов R1-R7, R9. R10, диода VD1 и оптопары U1 и образует делитель напряжения с изменяемым коэффициентом передачи.

Его изменение осуществляется подключением резисторов R9. R10 через полевые транзисторы оптопары U1. Когда они отключены, установлен предел измерения 9,99 В. при подключении резистора R10 будет установлен предел 99,9 В, а резистора R9 — 999 В. С выхода делителя напряжение, пропорциональное входному, поступает на линию ADC3 (вывод 26) микроконтроллера DD1. Выбор указанной оптопары обусловлен ее способностью работать при низком управляющем напряжении (1,1…1,6 В), кроме того, как показала практика, сопротивление открытого ключа уже при токе 0,5 мА через управляющий светодиод составляет около 10 Ом и практически не изменяется при дальнейшем повышении тока до номинального значения 5 мА. Использование последовательного соединения четырех резисторов R1-R4 мощностью 0,5 Вт обусловлено необходимостью обеспечить надежную работу, поскольку их максимальное рабочее напряжение составляет 250 В. Напряжение минусовой полярности на входе микроконтроллера DD1 не должно превышать 0,5 В Диод VD1 ограничивает напряжение этой полярности до 0.5…0.6 В. Поскольку на вход АЦП микроконтроллера это напряжение поступает через делитель напряжения R5 R7, оно не превысит 0,25…0,3 В на любом из пределов. Кроме того, при измерении переменного напряжения диод VD1 выполняет функции выпрямителя. Защитный диод VD2 ограничивает значение напряжения на входе АЦП микроконтроллера до 3,1…3,2 В. что снижает вероятность его выхода из строя при нарушении работы управляемого делителя напряжения. Дроссель L1 и конденсатор СЗ образуют фильтр питания аналоговых узлов микроконтроллера DDI. Конденсатор С4 снижает уровень помех на встроенном источнике образцового напряжения 2.56 В. Резисторы R11, R8 образуют делитель напряжения источника питания, с его выхода напряжение поступает на второй вход АЦП (вывод 25) микроконтроллера DD1. Необходимость использования резистивного делителя обусловлена тем, что напряжение на входе АЦП не должно превышать 2,56 В.

Конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые К50−35, предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего токов и в импульсном режиме.

Конденсаторы К10−17 керамические постоянной ёмкости предназначены для работы в качестве встроенных элементов внутреннего монтажа аппаратуры, цепях постоянного переменного пульсирующего и импульсного тока.

Основные параметры.

2. Расчетная часть.

2.1 Расчет надежности ФУ на ПП.

Основные понятия теории надежности Надежность — одно из важнейших свойств изделий, в том числе электронных устройств, которое определяет их эксплуатационную пригодность. Показатели надежности являются техническими параметрами изделия наряду с точностью, коэффициентом полезного действия, массо-габаритными характеристиками и пр.

Техническое задание на разработку любого изделия должно содержать раздел (подраздел) с требованиями по надежности.

Признаки, по которым оценивается надежность изделия, называются критериями. Основными критериями надежности являются безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Только все перечисленные критерии в совокупности могут дать полное представление о надежности изделия. Количественные характеристики определяются количественными значениями критериев надежности и называются показателями (см. таблицу 4.1).

Таблица 4.1. Критерии и показатели надежности.

На надежность изделия влияют многочисленные факторы, имеющие место на этапах его проектирования, производства и эксплуатации.

Соответственно различают расчетную, производственную и эксплуатационную надежности. В идеальном случае значения расчетной, производственной и эксплуатационной надежности должны совпадать.

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности ЭА по известным характеристикам надежности составляющих компонентов (ЭРИ, ПП, паяные соединения, соединитель) и условиям эксплуатации.

T_ср = 10 000 ч — заданная наработка на отказ.

Интенсивность отказа элементов с учетом условий эксплуатации ЭА Где л_0i — номинальная интенсивность отказов;

К_н=К₁ К₂ К₃ К₄ — поправочный коэффициент на условия эксплуатации; К₁ и К_2 — поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов, К₁=1,0; К₂=1,0 (условия эксплуатации — лабораторная ЭА); К₃ — поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры, К₃ = 2,5 (для влажности 94% при температуре +30^оС) К₄ — поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха К₄=1 (нормальное давление).

К_н =1,0*1,0*2,5*1=2,5.

— поправочный коэффициент в зависимости от температуры Т^о и коэффициента нагрузки К_н.

Температуру примем общей для всех ЭРИ: Т=30.

Режим электрической нагрузки учитывается коэффициентом загрузки.

Средние значения коэффициентов нагрузки. К_н:

Для резисторов — 0,4.

Для диодов:

Германиевый — 0,6;

Кремневый — 0,6.

Для дросселя — 0,6.

Для элемента гальванического — 0,80.

Для конденсатора:

Оксидный — 0,4;

Электролитический — 0,5.

Для переключателя движкового — 1;

Для гнезд — 1;

Для светодиодной матрицы — 0,6;

Для интегральной микросхемы — 0,6;

Для оптопары — 0.8;

Для ПП ;

Тогда поправочный коэффициент равен:

Для резисторов — 0,51.

Для диодов:

Германиевый — 1,40;

Кремневый — 1,22.

Для дросселя — 2,0.

Для элемента гальванического — 1,0.

Для конденсатора:

Оксидный — 1,60;

Электролитический — 0,64.

Для переключателя движкового — 1;

Для гнезд — 1;

Для светодиодной матрицы — 1,4;

Для интегральной микросхемы — 1;

Для оптопары — 4.5;

Для ПП ;

Значения для используемых ЭРИ приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 Интенсивность отказов по типам элементов.

Интенсивность отказа конденсаторов:

Интенсивность отказа элемента гальванического:

Интенсивность отказа дроселя:

Интенсивность отказа резисторов:

Интенсивность отказов диодов:

Интенсивность отказа гнёзд:

Интенсивность отказа переключателя движкового:

Интенсивность отказа светодиодной матрицы:

Интенсивность отказа оптопары:

Интенсивность отказа ПП:

Интенсивность отказа системы:

Среднее время наработки на отказ:

График безотказной работы:

Вывод: расчетная надежность удовлетворяет требованиям ТЗ.

В случае, если расчётное время наработки на отказ меньше заданного в ТЗ, необходимо провести корректировку схемы электрической принципиальной или заменить типы ЭРИ, так как в противном случае произойдёт отказ ЭА. [3; 6].

3. Технологическая часть.

3.1 Сравнение промышленных форматов.

В ходе сравнительного анализа программ автоматизированного проектирования печатных плат была выбрана программа dip trace версия 2.3.1.0.

Данная программа поддерживает следующие промышленные форматы DipTrace ASCII: Данный формат содержит всю иформацию о проекте (компоненты, трассы, связи, слои, граница платы и т. д.). Он разработан с целью дальнейшей интеграции DipTrace с другими программами в будущем DXF открытый формат файлов для обмена графической информацией между приложениями САПР. Поддерживается практически всеми CAD-системами на платформе PC.

Gerber: файловый формат, представляющий собой способ описания проекта печатной платы для изготовления фотошаблонов на самом разнообразном оборудовании. Практически все современные системы автоматизации проектных работ позволяют генерировать выходные файлы в формате Gerber. С другой стороны почти всё современное оборудование позволяет считывать данные в этом формате.

По сути Gerber файл представляет собой текстовое описание последовательности команд, направленных на прорисовку различных элементов топологии (контактных площадок, переходных отверстий, линий, дуг, текстовых надписей) с помощью графопостроителя. Данные в формате Gerber представляют собой программный код, управляющий выбором инструмента рисования, перемещением его в точку с заданными координатами и выполнением самой операции рисования. При изготовлении фотошаблонов, рисование на светочувствительной плёнке производится световым пятном заданной формы — апертурой.

Excellon N/C Drill: представляет собой текстовое описание координат отверстий сверловки по двум осям, а также команды на смену инструмента при переходе к обработке отверстий другого диаметра.

Mach 2/3 Drill: этот формат который позволяет экспортировать файл в G-код. [23].

Autorouter DSN: Данный формат позволяет осуществлять автоматическую разводку печатных плат с помощью высокопроизводительных и эффективных авторутеров Electra и Specctra.

Ниже более подробно будут рассмотрены 3 наиболее распространенных промышленных формата: DXF, Gerber, Excellon N/C Drill.

3.2 Формат DXF.

Можно использовать опцию экспорта в формат DXF для передачи нашего проекта во многие другие CAD, CAM программы, поддерживающие импорт DXF файлов.

Кроме того функция экспорта в DXF позволяет автоматически создавать границы для фрезерных станков, которые могут быть легко конвертированы из DXF в G-code, для этого можно использовать ACE Converter.

Выберите «Файл / Экспорт / DXF» в главном меню. Нажмите «Выделить все» в диалоговом окне «Экспорт DXF» — все слои Вашего проекта будут выделены. Обратим внимание, что «Обводка_Верхний» и «Обводка_Нижний» не являются слоями нашего проекта. Их можно выбрать, удерживая клавишу «Ctrl», но сейчас мы все равно эти слои использовать не будем. В правой части диалогового окна можем выбирать / отменять различные поля для передачи объектов в DXF, а также для зеркального отражения проекта и текста. Теперь нажимаем «Экспорт» и сохраним наш файл.

Полученный таким путем DXF файл можно открыть в AutoCad или другой программе,.

3.3 Формат Gerber.

Выберем «Файл / Экспорт / Gerber» в главном меню. В диалоговом окне выберем слои и объекты для экспорта, и нажмем кнопку «Предпросмотр», чтобы увидеть слой в том виде, в котором он будет экспортирован.

Все слои нужно настроить (выбрать один слой, указать настройки и объекты для него и просмотреть результат, затем другой слой и т. д.), а потом экспортировать каждый из них по отдельности, или экспортировать все за один раз. Большинство слоев настроены автоматически, нам лишь необходимо их проверить.

Мы экспортируем следующие слои:

1. Верхняя графика — это слой с дополнительной информацией, он включает все фигуры / текст, расположенные в слое «Верхняя графика» и объекты, указанные в подменю «Вид / Слой графики». Если запустить предварительный просмотр для нашей платы, то этот слой будет пустой (при условии, что настройки «Вид / Слой графики» установлены по умолчанию).

2. Верхняя маркировка — этот слой включает шелкографию корпусов (фигуры, текст) и прочие фигуры и текст в слое Верхняя маркировка. Не меняя настроек, перейдите в предпросмотр. Если Вы используете TrueType шрифты и не видите текст или видите его с искажениями (в зависимости от шрифта и его размера), нужно немного уменьшить параметр «Точность распознавания» (но не делайте его слишком малым).

3. Верхняя маска — это слой защитной маски. Он создается автоматически на основании размеров контактных площадок, их настроек и параметра «Припуск защитной маски» в окне экспорта Gerber. Слой также включает фигуры, установленные в слое Верхняя маска. Если Вы хотите, чтобы переходные отверстия были покрыты защитной маской, снимите выделение напротив переходов. Если для некоторых контактных площадок нужно, чтобы защитная маска отличалась от стандартной, щелкните по выводу правой кнопкой и выберите в подменю «Свойства маски и припоя».

4. Верхняя п. маска — слой паяльной пасты. Он нужен для автоматической пайки элементов на плату. Обычно используется только для поверхностных площадок, поэтому выберите опцию «Паяльная маска только для SMT».

5. Сигнальные слои (Верхний, Нижний и т. д.) — это слои медных проводников, убедитесь, что переходы выделены для данных слоев. Если Вы собираетесь сверлить отверстия вручную, Вы можете включить «Отверстия», но если Вы планируете изготавливать платы промышленным способом, «Отверстия» следует отключить. Если «Отверстия» включены, Gerber файл будет иметь два слоя: один содержит основную часть графики, второй слой содержит вырезы в местах расположения отверстий.

6. Нижняя п. маска — Нижняя графика-то же, что и для верхних слоев. По умолчанию, текстовые объекты на нижней стороне отражаются, см. опцию «Вид/Отразить текст автоматически» в главном меню, однако если эта опция отключена, Вы можете отразить текст вручную (опция «Отразить текст»).

7. Границы платы включают контур платы и вырезы в плате с заданной толщиной линии. Слой Плата — это залитый полигон, в отличии от границ платы.

Выберите «Нижний» слой и щелкните «Предпросмотр» чтобы проверить его:

Смещение начала координат при экспорте DXF, Gerber, N/C drill и «Pick and Place» это положение вашей платы относительно нулевой точки. Также Вы можете использовать начало координат проекта, установив это в соответствующем поле в окне импорта.

Заметьте, что DipTrace позволяет экспортировать любой текст с любыми шрифтами (даже с китайскими иероглифами) или растровые черно-белые изображения (например логотип) в Gerber, но мы должны задать «Точность распознавания» для таких объектов (например, по умолчанию установлено значение 4mil). Мы можем использовать точность до 0,5 mil.

Закроем Предпросмотр и нажмем кнопку «Экспорт все». Если апертуры еще не заданы, программа предложит установить их автоматически. Сохраним Gerber файлы один за одним. Расширение файлов может быть задано в диалоговом окне экспорта или при сохранении каждого файла индивидуально. DipTrace автоматически экспортирует каждый слой в отдельный файл. Название файла совпадает с названием слоя.

Во избежание ошибок, просмотрим Gerber файлы с помощью стороннего просмотрщика перед отправкой производителям печатных плат.

Наилучшим выбором при просмотре будет та программа, которой пользуется производитель, т.к. некоторые программы могут по разному трактовать спецификацию на формат RS-274X.

Мы постарались учесть особенности различных CAM продуктов при разработке экспорта Gerber, но в любом случае, проверка файлов не повредит.

Если мы не знаем, какой программой пользуется производитель плат, используем Pentalogix Viewmate, т.к. этот просмотрщик полностью соответствует формату RS-274X.

3.4 Excellon N/C Drill Экспорт.

Для экспорта текущего проекта в формат N/C Drill выберем «Файл / Экспорт/ N/C Drill» в главном меню. Затем нажмите кнопку «Авто» для автоматического задания инструмента и нажмите «Экспорт». Файлы должны иметь правильное разрешение (например «drill.txt» или «drill.drl»). Для того чтобы экспортировать сквозные отверстия платы нужно выбрать все слои и нажать кнопку «Экспорт». Для сохранения несквозных и глухих отверстий нужно выбрать верхний и нижний слой в котором присутствуют отверстия данного стиля и нажать «Экспорт». При этом нужно помнить много данных, например, количество и настройки стилей переходов. Если выбрать все слои платы и нажать «Экспортировать. Все» — Dip Trace автоматически создаст отдельные файлы для каждого типа отверстий. Заметим, что имя каждого N/C Drill файла состоит из названий пары слоев, в которых присутствует отверстие данного типа.

В нашем случае плата имеет только два сигнальных слоя.

Мы закончили разработку простого проекта печатной платы в программе DipTrace. сохраним нашу схему и плату.

Надо отменить опцию «Использовать приоритетные направления по слоям» в настройках авто-трассировщика, если мы планируем разводить платы с двумя и более слоями.

4. Экономическая часть.

Таблица 1. Исходные данные.

Расчет стоимости основных фондов цеха Стоимость оборудования определяется исходя из его количества и средней оптовой цены за единицу по формуле:

; (1).

Стоимость основных фондов цеха:

; (2).

; (3).

Стоимость здания Стоимость транспортных средств:

(4).

Стоимость инструмента и приспособлений:

; (5).

Стоимость производственного и хозяйственного инвентаря.

; (6).

Стоимость всех видов основных фондов цеха заносится в форму № 1.

Стоимость основных фондов цеха.

— объем валовой продукцииго вида работ — разряда:

; (7).

где: — коэффициент, учитывающий изменение незавершенного производства: — трудоемкостьго изделия пому виду работ иму разряду (берется из п. задания).

Расчет полного фонда заработной платы производственных рабочих начинают с определения тарифного фонда :

(8).

где: — среднечасовая тарифная ставка работ в цехе.

Часовые тарифные ставки (в рублях) приводятся в табл. 2.

Таблица 2.

Среднечасовая тарифная ставка работ по цеху определяется по следующей формуле:

;

Основной фонд заработной платы:

; (9).

где; - премии, учитываемые в фонде зарплаты (за выполнение и перевыполнение месячного задания, сдачу продукции высшего качества). Размер этих премий ориентировочно равен от тарифного фонда зарплаты — доплаты до основного фонда за проработанное время (за руководство бригадой, за обучение учеников, за работу в ночное время и т. п.) берутся в размере от тарифного фонда зарплаты. Полный фонд зарплаты определяется как:

; (10).

где: — дополнительная заработная плата за непроработанное на производстве время (оплата очередных и дополнительных отпусков, времени выполнения государственных обязанностей, льготных часов подростков и кормящих матерей и т. п.) берется в размере от тарифного фонда Количество и фонд заработной платы основных производственных рабочих.

Цеховая себестоимость единицы i-го изделия (машиноили приборокомплекта) является суммой затрат по каждой из вышеуказанных статей калькуляции и определяется по формуле С_Кi= Р_МКi +Р_{(ПФ, ГИ) Кi}+ Р_з.о.кi + Р_з.д.кi + Р_с кi + Р_сэ.кi +Р_ц.кi, (11).

где С_Кi — цеховая себестоимость единицы i-того изделия, Р_МКi — стоимость основных материалов на комплект i-того изделия;

Р_{(ПФ, ГИ) Кi} — стоимость покупных полуфабрикатов и готовых изделий на комплект i-того изделия;

Р_з.о.кi — сумма основной заработной платы производственных рабочих на комплект i-того изделия;

Р_з.д.кi — сумма дополнительной заработной платы производственных рабочих на комплект i-того изделия;

Р_с кi — отчисления на социальное страхование с заработной платы производственных рабочих на комплект i-того изделия;

Р_сэ.кi — сумма расходов на содержание и эксплуатацию оборудования на комплект i-того изделия;

Р_ц.кi — сумма цеховых расходов на комплект i-того изделия;

Ниже приводится методика расчета себестоимости машиноили приборокомплекта по статьям калькуляции.

Статьи 1 и 2. Затраты на основные материалы, покупные полуфабрикаты и готовые изделия (Р_Мкi и Р_{(ПФ, ГИ) Кi}) устанавливаются по оптовым ценам поставщиков и спецификациям на калькулируемые изделия.

В работе стоимость основных материалов, покупных полуфабрикатов и готовых изделий на машиноили приборокомплект указывается в таблице 3.

Таблица 3. Стоимость комплектующих изделий.

Статья 3. Основная заработная плата рабочих на один комплект определяется по формуле Р_з.о.кi = Р_{тар кi} +П_Кi+D_пр кi, (12).

где Р_{тар кi} — тарифная заработная плата производственных рабочих на комплект;

Р_{тар кi}=r_ср кi*t_издi, (13).

где r_ср кi — среднечасовая тарифная ставка работ по i-му комплекту.

(14).

где t_издij1,2 — суммарная трудоемкость i-го изделияго разряда станочных j₁ и j₂ нестаночных работ;

r_j1,2 — часовые тарифные ставки — разряда j₁-станочных, j₂-нестаночных работ;

П_Кi и D_пр кi — премии из фонда зарплаты и за отработанное время на комплект i-того изделия; берутся в том же размере, что и при расчете фондов заработанной платы производственных рабочих Статья 4. Дополнительная заработанная плата на комплект (доплаты за непроработанное время) Р_з д кi=D_{непр кi}=10% от Р_{тар кi,}.

где Р_з д кi — дополнительная заработная плата на комплект;

Статья 5. Отчисление на социальное страхование производится в размере 30% от основной и дополнительной заработанной платы производственных рабочих на комплект, включая премии из фонда материального поощрения:

Р_скi=0,30 (Р_з.о.кi + Р_з д кi +П_{ФМП кi}), (15).

где П_ФМПкi — премии из фонда материального поощрения на комплект, берутся в размере 5% от основной и дополнительной платы на комплект:

П _фмп=0,05 (Р_з о кi + Р_з д кi).

Статья 6 и 7. Затраты учитываемые по статьям калькуляции «Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования» и «Цеховые расходы», относятся к категории косвенных.

Амортизация основных фондов рассчитывается по формуле.

(16).

Таблица 4. Расчет амортизации основных фондов.