Охранная сигнализация для фермера

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры (КИПР) Охранная сигнализация для фермера Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Основы проектирования РЭС»

Студент Романов И.О.

Руководитель: А. К. Кондаков

РЕФЕРАТ Курсовой проект 14 с., 4 табл., 5 источника, 5 л. графич. материала.

ОХРАННАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ ДЛЯ ФЕРМЕРА, ТИПОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ, РАЗРАБОТКА, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, НАДЕЖНОСТЬ

Объектом исследования является устройство охранной сигнализации для фермера, разработанной на основе унифицированного блока РЭА.

Блок охранной сигнализации для фермера оформлен в виде оригинальной конструкции отдельного конструктивно законченного блока.

Срок службы изделия 10 000 ч. Время непрерывной работы 300 ч.

Проверка устойчивости элементной базы исходной схемы на соответствие заданным в ТЗ атмосферным и механическим воздействиям показала, что все элементы данной схемы не требуют замены.

Схема электрическая принципиальная была разбита на следующие ФУ: панель передняя, плата охранной сигнализации для фермера, панель задняя.

В результате работы были получены следующие результаты: масса конструкции; центр масс конструкции; собственная частота колебаний печатного узла; надежность.

Курсовой проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2003, в графических редактор SolidWorks.

1 Введение

2 Анализ схемы электрической принципиальной и требований ТЗ

3 Описание и обоснование конструкции

4 Расчёты

4.1 Расчёт массы конструкции

4.2 Расчет центра масс конструкции

4.3 Расчет собственной частоты колебания печатного узла

4.4 Расчет надежности

5 Заключение

Список использованных источников

1 Введение Целью данного курсового проекта является разработка конструкции устройства охранной сигнализации для фермера, в составе системы несущих конструкций УТК-II.

Устройство применяется в составе комплекса возимой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Жёсткость условий эксплуатации накладывает отпечаток на конструкцию прибора: он выполняется в виде типового элемента конструкции, устанавливаемого в блочный каркас РЭА.

Проектирование конструкции базируется на анализе технических требований на курсовой проект, и сопровождается оценкой элементной базы, разработкой сборочных и детальных чертежей, выбором материалов и покрытий, а также расчетами, проводимыми при конструировании.

2 Анализ схемы электрической принципиальной и требований ТЗ Принцип работы блока охраны основан на контроле уровня напряжения при протекании небольшого тока через охранный шлейф (от сработавших датчиков он изменяется).

Схема собрана на легко доступных элементах и состоит из источника сетевого питания на трансформаторе Т1 и диодах VD3… VD6, стабилизатора напряжения на микросхеме D5 (КР142ЕН8Б или 142ЕН8Б), схемы контроля уровня напряжения на охранном шлейфе (VT2…VT6) и формирователя временных интервалов на микросхемах D1… D4.

Схема формирователя временных интервалов по принципу работы аналогична с приведенной на рис. 3.10 и имеет незначительные отличия, связанные с применением реле К1 для включения мощной нагрузки (звонка или сирены, света), а также светодиодной индикацией типа сработавшего датчика. охранный сигнализация конструкция При включении блока охраны (включателем SA1) схема обеспечивает задержку установки режима ОХРАНА на 12 секунд для того, чтобы хозяин успел покинуть помещение.

При входе в дом сработает датчик F5, и в течение 6 секунд необходимо успеть отключить сигнализацию до момента появления звукового оповещения.

Вся схема в режиме ОХРАНА потребляет по цепи +25 В ток не более 10 мА, и при безошибочной сборке настройка ее заключается в установке резистором R12 (многооборотный, типа СП5−2) лог. «1» на коллекторе VT4, а при срабатывании датчиков F2 или F3 должен появиться лог. «О» .

Реле К2 должно срабатывать только при коротком замыкании охранного шлейфа (сработал датчик F4).

Таблица 2.1 Настройка схемы

Для удобства настройки схемы приведена таблица 1, которая позволяет понять логику работы схемы и индикации сработавшего датчика.

При изготовлении схемы применены конденсаторы С1, СЗ, С4, С6 типа К10−17а; С2, С5 — К50−35А на 50 В. Вместо транзисторов VT3, VT5, VT6 можно использовать транзисторную матрицу 1НТ251. Реле К1 типа РЭН34 ХП4.500.000−01; К2 — РЭС55А РС4.569.602 (или РС4.569.607) или РЭС55Б РС4.569.627 (РС4.569.632) на рабочее напряжение 12 В.

Трансформатор Т1 можно использовать любой с напряжением во вторичной обмотке 18…25 В. Такое напряжение есть во многих трансформаторах от бытовой радиоаппаратуры. Так, например, подойдут многие из унифицированных трансформаторов типа: ТПП221… ТПП226, ТПП231… ТПП236, ТПП245… ТПП248, ТПП251… ТПП262 и другие. Они имеют много вторичных обмоток с разными напряжениями, и последовательное их включение позволит получить нужное.

В качестве датчиков F1… F5 лучше использовать герконовые контакты совместно с магнитами, так как они герметичны и не боятся атмосферных воздействий.

Применение включателя SA2 не является обязательным, но его наличие делает удобным (бесшумным) проверку работы блока охраны при эксплуатации.

Из Таблицы 2.2 видно, что все элементы выдерживают требования приведенные в ТЗ.

Таблица 2.2 — Анализ соответствия элементов требованиям условий эксплуатации изделия

3 Описание и обоснование конструкции Охранная сигнализация для фермера выполнена в виде отдельного конструктивно законченного блока и состоит из трех частей: задней панели и передней панели. Передняя и задняя панели выполнены из поликарбоната и крепятся с помощью креплений.

К задней панели, посредством винтов М2Х5 в четырех точках крепятся печатный узел (ПУ) охранной сигнализации для фермера. В качестве материала основания печатных плат был выбран стеклотекстолит СФ-2−50Г-2.

Светодиоды индикации короткого замыкания и разрыва цепи, а так же лампочка индикации подачи питающего напряжения закреплены на переднее панели, посредством клея К400.

Электомонтаж охранной сигнализации для фермера выполнен гибкими проводами, связанными в жгуты нитками.

4 Расчёты

4.1 Расчёт массы конструкции Масса конструкции будет равна сумме масс составных частей этой конструкции:

М = Мпу + Мпп + Мр + Мзп + Мки + МВ, (4.1)

где Мпу — масса печатного узла;

Мпп — масса передней панели;

Мр — масса рамки;

Мзп — масса задней панели;

Мки — масса крепежных изделий;

МВ — масса вилки (17,7 г);

Определим массу печатного узла. Массы элементов приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1 — Массы ЭРЭ

Масса печатного узла рассчитывается по формуле:

(4.2)

где ni — количество i-х элементов;

mi — масса i-го элемента;

Мп — масса платы.

Количество и массу элементов печатной платы (ПП) возьмём из таблицы 4.1.

Расчёт массы платы произведём по формуле:

(4.3)

где — плотность материала, г/см3;

V — объём, см3.

Материалом основания платы является стеклотекстолит марки СФ — 2−50Г-2, плотность которого равна 2,5 г/см3. Размер платы 0,152 015 см.

Тогда Мп = 2,50,152 015 = 112,5 г.

Мпу = 2,4+9+3,5+14,5+2,4+20+490+0,3+112,5 = 654,6 г.

Мпп = 2.73 · 220 · 258 · 2 · 10−3 + 12 -9· 3,14·2·2,73·10−3 = 343,7 г.

где плотность алюминия АМц ГОСТ 618– — 73 равна 2.73 г/см3.

Мр = 2.66 · (V рамки — V отверстий) = (V рамки — 84 · 2 · р · 3 2) = 80.5 г.

где плотность алюминия АЛ9 ГОСТ 2685– — 75 равна 2.66 г/см3

Мзп = 2.73 · 2 · 214 · 228 · 10−3 — 2613,522,7310−3 = 207,8 г.

Мки = 30 г.

Массу конструкции находим по формуле (4.1)

М = 654,6 + 343,7+ 80.5 + 207,8 + 30 + 17,7 = 1334,3 г.

Таким образом, масса всей конструкции составляет 1334,3 г.

4.2 Расчет центра масс конструкции Для решения этой задачи необходимо выбрать систему координат и определить координаты центров масс элементов, которые входят в состав конструкции. Расчет производится по формуле 4.4

(4.4)

где ац — координаты центра масс тела;

аi — координаты центра масс i — го элемента;

mi — масса i — го элемента;

m — масса всего тела.

Данные о координатах центров масс занесены в таблице 4.2

Таблица 4.2 — Координаты центров масс элементов

По формуле (4.4) рассчитаем координаты центра масс ацх = (239 · 164,6 + 292 · 343,7+ 15 · 207,8+ 154 · 80.5 + 308 · 12 + 132 490) / /1334 = 138,2 мм ацy = (79 · 118,14 + 90 · 415,4 + 79 · 95,5 + 79 · 80.5 + 44 · 12 + 79 2950) / 1334 = = 74,5 мм ацz = (10 · 118,14 + 60 · 415,4 + 57 · 95,5 + 10 · 80.5 + 10 · 12 + 62 2950) / 1334 = 53,7 мм Таким образом, получили, что центр масс конструкции расположен в точке с координатами (139, 75, 54) мм.

4.3 Расчет собственной частоты колебания печатного узла Целью расчета является определение действующих на элементы изделия перегрузок при действии вибрации и ударов, а также максимальных перемещений. При необходимости производится выбор и расчет системы амортизации.

Периодическая вибрация характеризуется спектром, то есть суммой гармонических составляющих.

Для оценки виброустойчивости необходимо сделать расчёт собственной частоты платы с элементами. Собственная частота платы не должна попадать в диапазон частот, при которых эксплуатируется устройство. В этом случая наступает резонанс и может произойти разрушение платы. В нашем случае этот диапазон имеет значение от 1 до 80 Гц.

Собственная частота колебаний печатного узла, закрепленного в 4-х точках, рассчитывается по формуле [1, страница 388]:

(4.1)

где, А = 1 / а2 = 1 / 200 2 = 2,5 · 10 -5, 1 / мм 2 = 25 1/м2;

а — длина печатного узла, 200 мм;

b — ширина печатного узла, 150 мм;

D — жесткость платы .

D = 0.09 · Е · h 3 = 0.09 · 3.02 · 10 10 · (1.5 · 10 -3) 3 = 9.173 Н · м Е — модуль упругости материала платы (3.02 · 10 10 Па)

h — толщина платы (1.5 мм)

m" - распределенная по площади масса

m" = G / a · b · g = 118,4· 10 -3/ 200 · 10 -3 · 150 · 10 -310 = 0,987

По формуле (4.5) рассчитываем собственную частоту колебаний печатного узла

Гц Таким образом, исходя из рассчитанной частоты собственных колебаний, можно сделать вывод, что данная конструкция под действием вибрационных нагрузок не войдет в резонанс, так как собственная частота колебаний печатного узла больше максимальной частоты синусоидальных воздействий, заданных в техническом задании (1 — 80 Гц). Поэтому данный вариант конструкции ПП можно считать вполне приемлемым по вибропрочности.

4.4 Расчет надежности Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации.

По обслуживанию и ремонтопригодности РЭА делится на 3 класса [4]:

— невосстанавливаемая РЭА, которая не может быть отремонтирована, если отказ произойдет в течение заданного времени работы;

— восстанавливаемая РЭА ответственного назначения, которая в течении некоторого времени может работать и ремонтироваться, а далее работать исправно и ее восстановление в это время не допускается;

— невосстанавливаемая РЭА неответственного назначения, предназначена для длительного времени работы, в течении которого она может ремонтироваться.

Данная конструкция относится к восстанавливаемой РЭС неответственного назначения, предназначенная для длительного времени работы, в течение которого она может ремонтироваться.

Для наглядности анализа надежности РЭС интенсивность отказов определяем как сумму интенсивностей отказов составных частей РЭС, по формуле:

(4.2)

где лi — интенсивность отказов i — ой части РЭС, 1/ч;

N — число составных частей РЭС;

Kл1 — Kл5 — поправочные коэффициенты, определяемые по таблицам [4, таблицы 1 — 3 ] в зависимости от объекта установки РЭС (Kл1 = 1.46), влажности окружающей среды (Kл2 = 2), высоты размещения РЭС (Kл3 = 1).

(4.3)

где лio — интенсивность отказов ЭРЭ j-го типа при нормальных условиях эксплуатации и коэффициенте нагрузки, равном 1, определяем по таблицам [4, таблицы 4 — 6], 1/ч;

аj — поправочный коэффициент, учитывающий коэффициент нагрузки ЭРЭ и его температуру в рабочем режиме, определяем по таблицам [4, таблицы 4 — 6];

nj — число ЭРЭ j — го типа.

Расчет интенсивности отказов ЭРЭ приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 — Расчет интенсивности отказов ЭРЭ

По результатам таблицы 4.3 и формуле (4.6) рассчитаем интенсивность отказов лс = 24,22 · 10 -6 · 1.46 · 2 · 1 = 46,7 · 10 -6 1/ч

Определяем среднее время наработки до первого отказа по формуле:

tср = 1/лс = 1/ 46,7 · 10 -6 = 2,37 · 10 4 ч (4.8)

t в.ср. — среднее время восстановления работоспособности РЭС, ч., определяется экспертным путем. Т. к. на печатной плате расположено небольшое количество элементов, то для восстановления работоспособности потребуется 10 часов

Вероятность безотказной работы определяем по коэффициенту готовности Кг, по формуле:

Р (t) = Кг = tср/(tср + t в.ср.) = 2,37 · 10 4 / (2,42 · 10 4 + 10) = 0.989 (4.9)

Из этого следует, что устройство будет стабильно работать в течение указанного в техническом задании срока, то есть тысячи часов, с большой вероятностью.

5 Заключение В результате проделанной работы была разработана конструкция устройства охранной сигнализации для фермера. Результаты расчета надежности говорят о том, что разработанная конструкция удовлетворяет требованиям надежности, и устройство будет работать безотказно в течение заданного количества часов эксплуатации. Расчет на механические воздействия показал, что данный печатный узел будет стабильно работать в заданном интервале вибрационных нагрузок, без наступления резонанса.

Разработанная конструкция по своим параметрам соответствует требованиям технического задания и имеет массу 1335 г.

После соответствующей доработки устройство можно применять в быту и хозяйстве.

Список использованных источников

1 Варламов Р. Г. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования — М.: Сов. Радио, 1980. — 480 с.

2 Романычева Т. Э. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. — М.: Радио и связь, 1984. — 256 с.

3 ОС ТАСУР 6.1−97 Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления.

4 Майер А. К. Разработка оригинальной конструкции РЭА: Методические указания, — Томск: Ротапринт ТАСУР, 1991 — 45c .

5. Кобрин Ю. П., Кондаков А. К., Козлов В. Г. Основы проектирования электронных средств. Мет. указания по курс. проектированию. Томск. ТУСУР. 2006.