Автомат для кормления аквариумных рыб

Министерство образования и науки ГОУ СПО «Сахалинский промышленно-экономический техникум»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по учебной дисциплине: «КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ»

Тема: «АВТОМАТ ДЛЯ КОРМЛЕНИЯ АКВАРИУМНЫХ РЫБ»

Проектировал студент гр. ОВ-0901 Ходырев А.А.

Руководитель проекта преподаватель Сохатюк Ю.В.

Южно-Сахалинск, 2013

• Введение
• 1. Наименование разработки
• 2. Техническое предложение
• 2.1 Анализ технического задания
• 2.2 Описание объекта управления
• 2.3 Принципиальная возможность реализации технического задания
• 2.4 Выбор комплектующих изделий
• 3. Описание конструкции
• 3.1 Выбор типа печатной платы
• 4. Расчётная часть
• 4.1 Расчёт конструктивных параметров
• 4.2 Расчёт вибропрочности
• 4.3 Расчёт ударопрочности
• 4.4 Расчет надёжности схемы
• 5. Выбор технологического процесса изготовления
• 6. Разработка технологического процесса изготовления
• 6.1 Маршрутный технологический процесс изготовления печатного узла
• 6.2 Маршрутный технологический процесс изготовления печатной платы
• 7. Автоматизация проектирования
• Заключение
• Список литературы
• Приложения

Автомат для кормления аквариумных рыб — устройство предназначенное для автоматического сброса корма для рыб в аквариум.

Цель курсового проекта — разработка конструкции и технологии изготовления автомата кормления аквариумных рыб (АКАР).

Исходные данные для разработки: задание на курсовое проектирование, принципиальная схема и перечень элементов, разработанные при выполнении курсового проекта по теме «Автомат кормления аквариумных рыб» выполненной студентом группы ОВ-0901 Ходыревым Антоном по учебной дисциплине «Конструирование производство эксплуатация средств вычислительной техники» .

Задачами курсового проекта являются:

Разработка конструкции печатного узла;

Разработка технологического процесса изготовления печатного узла;

Выполнение расчетов конструктивных элементов печатного монтажа, надежности, и расчета на воздействие вибрационных и ударных нагрузок;

В ходе выполнения курсового проекта были разработаны сборочный чертеж печатного узла блока управления температурой аквариума, рабочий чертеж печатной платы детали.

Были проведены расчеты:

конструктивных элементов печатного монтажа

расчет надежности системы

расчет на действие вибрации

расчет на действие удара

Проектирование печатной платы было выполнено двумя методами:

1. традиционным (без использования систем автоматизированного проектирования);

— разработан сборочный чертеж (формат А3);

— чертеж печатной платы детали (формат А3)

2. с использованием системы автоматизированного проектирования печатных плат P_CAD 2006, DipTrace 2011

Важность разработки устройства автомата для кормления аквариумных рыб состоит в том, чтобы обеспечить своевременное кормление аквариумных рыб. Главный плюс этого устройства в том, что поддержание жизнеобеспечения рыб будет требовать меньше внимания. Для этого необходимо автоматизировать этот процесс с помощь автоматического устройства управления.

Микропроцессорная система — частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации). МС является цифровой системой, поэтому входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде. Ядром любой микропроцессорной системы является микропроцессор или просто процессор. Mикропроцессор - это тот узел, блок, который производит всю обработку информации внутри микропроцессорной системы. Он выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т. д.), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т. д.), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое. Количество таких элементарных операций, выполняемых процессором, может достигать нескольких сотен.

Повышение технического уровня и эффективности электронного оборудования на основе новейших достижений электроники — одна из важнейших задач развития общества. Создание микропроцессоров обусловлено достижениями в области технологии производства больших интегральных схем (БИС). Микропроцессоры позволяют на единой технологической схемотехнической базе за счет программирования создавать различные типы приборов. Микропроцессоры и микропроцессорные системы являются в настоящее время наиболее массовыми средствами вычислительной и коммуникационной техники. БИС, на которых построены современные МПС, сочетают в себе высокую степень интеграции, обеспечивающую большие функциональные возможности, с универсальностью по применению. Универсальность достигается тем, что в микропроцессорных БИС реализованы сложные устройства, позволяющие выполнять над исходными данными логические и арифметические операции, при этом управление ходом вычисления позволяется вести программно. Универсальность МС делает её более спрашиваемой. Разнообразие микропроцессорных БИС в их различной базовой технологии, архитектуре, технических характеристиках.

автомат аквариум корм чертеж

1. Наименование разработки

Основанием для разработки является задание по курсовому проекту на тему:

Автомат кормления аквариумных рыб на базе однокристального

микроконтроллера.

Настоящее техническое задание устанавливает технические требования, порядок разработки и приемки опытных образцов автомата для кормления аквариумных рыб.

Основание для разработки

Основанием для разработки является задание по курсовому проекту по учебной дисциплине «Конструирование производство эксплуатация средств вычислительной техники» на тему: «Разработка автомата для кормления аквариумных рыб» .

Назначение разработки

Разрабатываемое устройство предназначено для автоматизации процесса сброса в аквариум корма для рыб.

Требования к разработке. Требования к функциональным характеристикам.

Система автоматического кормления аквариумных рыб (АКАР) должна обеспечивать работу в трех режимах:

1 Режим начальной инициализации системы;

2 Основной режим;

3 Режим ошибки

Система АКАР должна выполнять следующие функции:

— Обеспечивать автоматический вброс корма;

— Вбросы должны осуществляться через определенные промежутки времени;

— При механическом сбое система должна оповестить об ошибке с помощью светодиода.

Режим начальной инициализации системы

В процессе начальной инициализации системы производится подготовка устройства к основному режиму работы, а именно:

— начальная установка системных переменных:

— таймер;

— инициализация всех исполнительных устройств:

— светодиодов.

После окончания режима инициализации устройство переходит в основной режим работы.

Основной режим

При основном режиме работы АКАР работает по следующему алгоритму:

— Включение привода;

— Трехсекундное ожидание механического переключения режима работы привода (производится вброс корма);

— Осуществляется нажатие кнопки переключения режима работы привода;

— Привод вращается в обратном направлении;

— Механическое переключение режима работы привода (привод обесточен);

— Включение таймера;

— Ожидание нужной позиции таймера.

Режим ошибки

Режим ошибки является предупредительным сигналом при механическом (заклинило привод) или программном сбое:

— Мигающий светодиод.

Общие технические требования

Напряжение питания 5 В от сети постоянного тока.

Для управления системой должна использоваться кнопка включения.

Устойчивость к среде с повышенной влажностью.

Требования к надежности

Надежность системы управления — свойство системы правильно функционировать при определенных условиях эксплуатации в течение заданного времени. АКАР отличается относительной надежностью и простотой эксплуатации. Конструкция АКАР, предусматривает гарантийный срок хранения 5 лет, гарантийный срок эксплуатации 24 месяцев, средний срок службы более 3 — 5 лет.

Требования к условиям эксплуатации

Допускают эксплуатация при температурах окружающей среды от минус 283,15 К (минус 10 градусов С) до минус 248 К (плюс 25 градусов С), относительной влажности 45% -80% и атмосферном давлении 84−107 кПа. АКАР устойчив к повышенной влажности, солнечному излучению, коррозионно-активным агентам.

Требования к составу и параметрам технических средств

В состав разрабатываемого устройства должны входить следующие элементы:

— Микроконтроллер;

— Светодиод;

— Корпус;

— Кнопки;

— Реле;

— Управляющие транзисторы;

— Нагрузка;

— Электропривод;

— Конденсаторы;

— Диоды;

— Кварцевый резонатор

— Источник питания;

— Требуется предусмотреть совместимость элементов по уровням электрических сигналов.

Требования к программной и информационной совместимости

Программа проектируемого устройства должна быть написана на языке Ассемблера в соответствии с системой команд микроконтроллера. Состояние контролирующих элементов кодируется двоичными сигналами:

— «0» — состояние требует корректировки;

— «1» — нормальное состояние.

Управляющим сигналом для исполнительных устройств является «1», т. е. включить исполнительный элемент — «1», выключить — «0». Работа устройства основана на измерении периодов времени, по истечению которых необходимо включать или выключать исполнительные устройства.

Порядок испытаний и приемки опытных образцов

Для проверки качества изделия опытный образец должен подвергаться приемо-сдаточным, типовым и заводским (приемочным) испытаниям.

Приемочные испытания проводятся по специальной программе и методике испытаний.

Результаты испытаний оформляются актом и утверждаются в установленном порядке.

Этапы и стадии проектирования

Таблица 1. Этапы и стадии проектирования

2. Техническое предложение

2.1 Анализ технического задания

В результате анализа технического задания будут выявлены функции, которые должен выполнять автомат для кормления аквариумных рыб, и сформулированы требования, предъявляемые к программной и аппаратной его части.

Функции и требования АКАР. Основная функция АКАР обеспечить автоматический вброс корма в аквариум, в соответствии с представленным алгоритмом, а основными требованиями является обеспечение работы АКАР в основном режиме и задать условия эксплуатации.

2.2 Описание объекта управления

Объектом управления является подвижный лоток с кормом, который, с помощью аппаратных и программных средств приводится в движение в заданный момент времени, для подачи корма. Устройство устанавливается непосредственно на аквариуме.

2.3 Принципиальная возможность реализации технического задания

Автомат для кормления аквариумных рыб принципиально может быть реализован различными способами. В курсовом проекте рассмотрим два возможных способа реализации.

Первый способ — на основе микросхем малой и средней степени интеграции, т. е. «на жёсткой логике». Грамотно спроектированная специализированная система, не имеет аппаратной избыточности, а так же обеспечивает максимальное быстродействие т.к. скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. Работа логических элементов микросхем достаточно проста, однако для конструирования поставленной задачи потребуется весьма приличное количество элементов. В результате размеры устройства будут иметь большие размеры. Так как элементов много, то и цена их достаточно велика. Для того чтобы реализовать новую задачу, требуется проектировать и изготавливать систему заново — это есть самый главный недостаток этой системы.

Системы на «жёсткой логике» используются на той логике, где решаемая задача длительное время не меняется, быстродействие не требуется, алгоритмы обработки информации просты.

Второй способ — на основе микропроцессора с высокой степенью интеграции. Существенное преимущество этой системы состоит в том, что все изменения алгоритма выполняются с помощью управляющей программы работы системы и немало важным преимуществом является малые габариты проекта. Что существенно упрощает задачу проектирования по сравнению с системой «на жёсткой логике». Микропроцессорная система применяется там, где не очень важно высокое быстродействие, алгоритмы обработки информации сложные.

В последнее время быстродействие микропроцессорных систем сильно возросло, стоимость резко упала, поэтому системы «на жёсткой логике» постепенно вытисняются микропроцессорными системами.

Так как цель курсового проекта является разработать систему управления на основе микропроцессора, выбирать не приходится, но выбор микропроцессорной системы мной был бы однозначным т.к. эта система более удобная и подходящая для решения поставленной задачи.

2.4 Выбор комплектующих изделий

Микроконтроллер PIC16F84A, см. Рис. 1.

Резисторы постоянные углеродные С1−4 (R1. R14 0.125Bт, R15 0.25 Вт) см. Рис. 2.

Кварцевый резонатор HC-49SM/HC-49S см. Рис. 3.

Транзистор ТО-106 см. Рис. 4.

Кнопки TSS см. Рис. 5.

Конденсаторы К10−17 см. Рис. 6.

Светодиод L-1344 см. Рис. 7.

Гериконовые Реле RP78602 см. Рис.8

Выбор исполнительных устройств

Одним из основных устройств в конструкции является электропривод. В представленной схеме использован привод М1. Использование именно этой модели не принципиально, можно использовать любой привод подходящий по параметрам.

Двигатель М1 входит в комплект моторедуктора, предназначенного для блокировки замков дверей автомобиля, в составе охранной сигнализации.

Двигатель моторедуктора хорошо работает при напряжении питания 4 В, что подходит для АКАР.

С целью упрощения, функцию электромагнита выполняет несколько переделанное реле РЭН-18 которое срабатывает при напряжении 4 В и обеспечивает достаточное усилие для управления дозатором.

3. Описание конструкции

3.1 Выбор типа печатной платы

Печатная плата (ПП) — изделие, состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями, пазами, вырезами и системой токопроводящих полосок металла (проводников), которое используют для установки и коммутации электрорадиоизделия (ЭРИ) и функциональных узлов.

По ГОСТ 23 751–86 предусмотрены следующие основные типы печатных плат.

Односторонняя печатная плата (ОПП) — ПП, на одной стороне которой выполнены элементы проводящего рисунка. Они просты по конструкции и экономичны в изготовлении. Их применяют для монтажа бытовой радиоаппаратуры, блоков питания и устройств техники связи.

Двусторонняя печатная плата (ДПП) — ПП, на обеих сторонах которой выполнены элементы проводящего рисунка и все требуемые соединения, в соответствии с электрической принципиальной схемой. Электрическая связь между сторонами осуществляется с помощью металлизированных отверстий. Размещать ЭРИ можно как на одной, так и на двух сторонах ПП. Двусторонние ПП используются в измерительной технике, системах управления, автоматического регулирования и др.

Многослойная печатная плата (МПП) — ПП, состоящая из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения. Электрическая связь между проводящими слоями может быть выполнена специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией отверстий. Многослойные ПП характеризуются повышенной надежностью и плотностью монтажа, устойчивостью к климатическим и механическим воздействиям, уменьшенными размерами и меньшим числом контактов.

ГОСТ 23 751–86 ПП устанавливает пять классов точности выполнения элементов конструкции (проводников, контактных площадок, отверстий и пр.) и предельных отклонений, наименьшие номинальные размеры которых для узкого места представлены в табл.3.

Таблица 2 Наименьшие номинальные значения основных параметров для классов точности ПП

Примечание, t — наименьшая номинальная ширина проводника; S — наименьшее номинальное расстояние между проводниками; b — минимально допустимая ширина контактной площадки; d — номинальное значение диаметра наименьшего металлизированного отверстия; Н — толщина ПП; At — предельное отклонение ширины печатного проводника, контактной площадки, концевого печатного контакта и др.; T_l — позиционный допуск расположения печатного проводника относительно соседнего элемента проводящего рисунка

Первый и второй классы ПП применяют в случае малой насыщенности поверхности ПП дискретными элементами и микросхемами малой степени интеграции;

Третий класс ПП — для микросхем со штыревыми и планарными выводами при средней и высокой насыщенности поверхности ПП элементами; Четвертый и пятый классы точности используют при высокой и очень высокой насыщенности поверхности ПП элементами с выводами и без них.

На основании вышеизложенного материала мы остановим свой выбор на двухсторонней печатной плате (материал фольгированный стеклотекстолит, 3-й класс точности), шаг координатной сетки 2,5 мм, соотношение сторон 1:2. Плата будет изготовлена методом химического травления (наиболее доступный и дешевый метод).

Схема конструкции двухслойной печатной платы

t — ширина проводника;

b — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (поясок);

d — диаметр отверстия;

D — диаметр контактной площадки;

S — расстояние между проводниками;

Q — расстояние от края печатной платы, выреза, паза до элементов проводящего рисунка;

H_п — толщина ПП;

H_м — толщина материала основания ПП;

H_{п. с. -} суммарная толщина ПП с химическим или гальваническим покрытием

4. Расчётная часть

4.1 Расчёт конструктивных параметров

Выбор типоразмера печатной платы:

Расчет площади элементов производится с учётом минимального расстояния между элементами (+1мм к ширине элемента), длинна некоторых элементов взята с учётом шага координатной сетки печатной платы (2,54 мм), все данные сведены в таблицу 1.

Таблица 3 (типоразмер печатной платы)

На основании таблицы 1.3 [1 стр.29] выбираем длинны сторон B= 75, A= 75.

Расчет диаметра монтажных отверстий:

Для автоматизации выполнения данного расчета была создана электронная таблица Microsoft Exel, формулы и справочные материалы взяты из [1 стр.108−109], данные сведены в таблицу 4

Расчет диаметра монтажных отверстий. см. Рис 9

Таблица 4 (диаметр монтажных отверстий)

Расчёт диаметра контактных площадок Формула для расчёта взята из [1 стр.114], для упрощения расчёта были разработаны электронные таблицы Microsoft Exel.

Таблица 5 (диаметр контактных площадок)

Расчет расстояния Q2 от края паза, выреза до элементов проводящего рисунка Расчётная формула приведена в [1 стр.110].

= 0,6 (2)

где:

q= 0,35 ширина ореола, скола в зависимости от толщины материала основания и класса точности ПП [1 таблица 3.18 стр 110].

k= 0,15 наименьшее расстояние от ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка (не менее 0,3 мм для 1−2 го класса точности, 0,15 для 3−4 го класса точности и 0,1 мм для 5 го класса точности)

TD = 0,15 позиционный допуск расположения центров контактных площадок [1 таблица 3.19 стр.111].

Td = 0,08 позиционный допуск расположения осей отверстий в зависимости от размеров и класса точности ПП [1 таблица 3.20 стр.111].

tв. о. = 0,05 верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции [1 таблица 1.1 стр.26].

Расчёт ширины печатных проводников:

Ширина печатного проводника зависит от электрических, конструктивных и технологических требований.

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t, мм, рассчитывают по следующей формуле [1 стр.111]:

(3)

где:

t_minD - минимально допустимая ширина проводника;

Дt_{н. о. -} нижнее предельное отклонение размеров отклонения размеров ширины печатного проводника.

См. Рис. 10 (фрагмент эл. таблицы) Минимальная ширина проводника по току равна 0,07 мм, но для повышения надёжности целесообразно выбрать ширину 0,25 мм (минимальная ширина для 3-го класса точности).

4.2 Расчёт вибропрочности

Под вибрацией понимают механические колебания элементов конструкции или конструкции в целом. Вибрация характеризуется виброперемещением, виброскоростью и виброускорением. Проводя проработку компоновки ячейки ЭА, конструктор должен обеспечить вибропрочность, виброустойчивость и отсутствие резонанса ЭРИ в рабочем диапазоне частот.

Вибропрочность — способность конструкции выполнять функции и сохранять значения параметров в заданных пределах после воздействия вибраций.

Виброустойчивость — способность конструкции выполнять функции и сохранять значения параметров в заданных пределах во время воздействия вибраций.

Целью расчета является определение действующих на ЭРИ и ПП перегрузок при действии вибраций, а также максимальных перегрузок и проверка этих ЭРИ и ПП на вибропрочность.

В нашем случае диапазон вибраций будет взят из условий ТЗ Гц, виброускорение

Формулы используемые при расчётах взяты из [1 стр 512−516].

Определим частоту собственных колебаний:

3963 Гц (4)

где:

б = 75 мм — длина пластины

b = 75 мм — ширина пластины

D = 8, 926 — цилиндрическая жесткость

Ка=28,91 — коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон пластины

М = 0, 19 075 кг — масса пп с эри

К_а = 28,91 коэффициент зависящий от закрепления сторон пп

Цилиндрическая жесткость:

Таблица 6 Определение цилиндрической жесткости

где:

E= 3,02*10¹⁰ H/м^{2 -} модуль упругости для материала платы

h= 1,5 мм — толщина платы

v= 0,22 — коэффициент Пуассона

Масса печатной платы с ЭРИ (данные сведены в таблицу 3):

М= М_пп + М_эри=0, 208 кг (5)

Мпп= p*hab = 2,05*10³*1,5*10^-3*90*10^-3*75*10^-3= 0,0207 кг (6)

Где p=2,05*10³ кг/м^{3 -} плотность материала платы

Таблица 7 Масса ПП с ЭРИ

Таблица 8 Масса ЭРИ:

Где: к = 22,37, 0,19 — коэффициенты закрепления сторон Определим коэффициент динамичности:

(8)

Где = 0,01 — коэффициент затухания для стеклотекстолита

n — коэффициент расстройки n= f_max/f₀ = 200/668 = 0,30 (9)

Амплитуда вибросмещения основания

1,241*10^-5 м (10)

Определение виброускорения и вибросмещения эри

(11)

Где x и y координаты элемента.

Коэффициент передачи по ускорению:

(12)

Где K₁ (x) = 1,29; K₁ (y) = 1,28 — коэффициенты формы колебаний Определим виброускорение:

a_в (x, y) =a_о (x, y) (x, y), a_в (x, y) =19,6 · 1,2 = 23,5 м/с=23,5 /9,81=8,4g (13)

Определим виброперемещение:

S_в (x, y) =E_0* (x, y) =1,241· 10^-5·0,48 = 5,3· 10^-5м (14)

Определение максимального прогиба ПП:

= |1,5· 10^-5 — 1,241· 10^-5| = 0,26· 10^-5м (15)

Допустимый прогиб ПП определяется по формуле

(16)

Где b сторона параллельно которой установлены эри Допустимый прогиб равен:

S_{В. доп} = 0,003*75*10^-3=0,225=2,25*10^{-4 (}17)

Условие выполнения вибропрочности:

д=0,26· 10^-5м<2,25*10^{-4 (}18)

Максимальный прогиб меньше допустимого, условие выполнено.

4.3 Расчёт ударопрочности

Ударопрочность — способность конструкции выполнять функции и сохранять значения параметров в заданных пределах после воздействия ударов.

Конструкция ЭА выполняет требования к ударопрочности, если перемещение и ускорение при ударе не превышает допустимых значений.

Исходные данные: масса пп, геометрические размеры пп, характеристики материала пп (плотность материала пп, коэффициент Пуассона), длительность удара ф =5…10 мс, ускорение a = 100 м/с², частота ударов v = 40.120 мин^-1.

Определение условной частоты ударного импульса:

Определяем условную частоту ударного импульса для наихудшего случая (ф = 5 мс).

щ = р/ ф = 3,14/0,005 = 628,319 с^{-1 (}19)

Определение коэффициента передачи при ударе

=0,3/0,935=0,32 (20)

Где v== 0,149 (21)

f₀ = 668 Гц. Определение ударного ускорения

Ударное ускорение рассчитывается по следующей формуле:

а_у= а*К_у =100*0,32=32 м/с²=3,2g (22)

Определение максимального относительного перемещения

Максимальное относительное перемещение определяется так:

=1,8*10^{-6 (}23)

где:

K_у — коэффициент передачи при ударе

a — амплитуда ускорения ударного импульса

f_{0 -} частота собственных колебаний;

Проверка выполнения условий ударопрочность для ЭРИ.

Минимально допустимая ударная перегрузка для ЭРИ

a_доп = 20g (24)

a_доп = 20g> а_у=3,2g

Проверка выполнения условий ударопрочность для ПП с ЭРИ

Zmax<0,003b (25)

1,8*10^-6<2,25*10^-4

Оба условия выполнены.

4.4 Расчет надёжности схемы

Данные расчетов сведены в таблицу 4

Интенсивность отказов элементов: _ika_{i (}26)

где:

_i — номинальная интенсивность отказа I элемента

k — поправочный коэффициент на условия эксплуатации

a_{i -} поправочный коэффициент нагрузки

Среднее время наработки на отказ

(27)

Таблица 9 Расчёт надёжности

5. Выбор технологического процесса изготовления

Для изготовления элементов проводящего рисунка ПП применяются две технологии: субтрактивная и аддитивная. Субтрактивный процесс — получение проводящих рисунков путем избирательного травления участков фольги с пробельных мест. Аддитивный процесс — получение проводящего рисунка путем избирательного осаждения проводникового материала на нефольгированный материал основания.

Двусторонние печатные платы (ДПП) применяют практически во всех видах ЭА. ДПП 1-, 2 — и 3-го классов точности изготавливают в мелкосерийном, серийном и крупносерийном производстве, 4 — и 5-го — в серийном, прецизионные — мелкосерийном производстве. Максимальные габариты ДПП 500×600 мм, минимальный диаметр отверстий — 0,4 мм. Для прецизионных ДПП применяют материалы с толщиной фольги 5 мкм или нефольгированные диэлектрики. Гибкие ДПП выполняют на гибком тонком фольгированном или нефольгированном основании.

При изготовлении ДПП на нефольгированном основании применяют методы, позволяющие получить ПП по 4-му и 5-му классам точности: электрохимический (полуаддитивный), аддитивный, фотоформирование, тентинг-метод, с использованием активирующих паст и др.

Рост степени интеграции микросхем ведет к увеличению выделяемой ими теплоты. Отвод теплоты от таких микросхем в процессе эксплуатации — сложная конструкторско-технологическая задача. Решить ее можно использованием ПП на металлическом основании. В качестве основания применяют металлические листы из алюминия, стали, титана или меди толщиной 0,1.3,0 мм. Токопроводящие участки ПП получают электрохимическим или аддитивным методами. Основным при этом является необходимость обеспечения надежной электрической изоляции печатных проводников от металлического основания.

К преимуществам этого метода изготовления МПП относятся надежность межслойных соединений, большое число слоев, к недостаткам — длительный технологический цикл, невозможность использования элементов со штыревыми выводами, высокая стоимость изготовления.

Так как в данном проекте используется двухслойная печатная плата, то для изготовления элементов проводящего рисунка будет применяться метод химического травления — получение проводящего рисунка путем стравливания проводникового материала на фольгированный материал основания.

6. Разработка технологического процесса изготовления

Исходными данными для разработки технологических процессов являются:

конструкторская документация на изделие (сборочные чертежи, рабочие чертежи, электрические схемы, монтажные схемы);

технические требования на изделие, где указываются дополнительные требования к изделию. Например, необходимость защиты, виды испытаний;

спецификация на входящие в изделие компоненты;

объем выпуска продукции (N)

сроки выпуска (еженедельно, ежемесячно, ежеквартально);

наличие технологического оборудования, оснастки;

справочная, нормативная литература, программы.

Правила разработки техпроцессов определены в рекомендациях Р50−54−93−88. В соответствии с этими правилами разработка ТП состоит из последовательности этапов, набор и характер которых зависит от типа запускаемого в производство изделия, вида ТП, типа производства.

6.1 Маршрутный технологический процесс изготовления печатного узла

Таблица 10 Порядок операций изготовления печатного узла

6.2 Маршрутный технологический процесс изготовления печатной платы

Таблица 11 Порядок операций изготовления печатной платы

7. Автоматизация проектирования

Система автоматизированного проектирования ПП представляет собой сложный комплекс программ, применяемый для автоматизации проектирования и подготовки производства ПП, начиная с прорисовки электрической принципиальной схемы, размещения ЭРИ, ПМК и других этапов, трассировки соединений и заканчивая выводом на печать конструкторской и технологической документации на ПП и разработкой управляющих файлов для сверлильно-фрезерных станков, фотоплоттеров, фотокоординатографов. Таким образом, САПР ПП представляют собой сквозные системы проектирования.

Общие сведения о DIPTrace

Это современная система сквозного проектирования, которая включает в себя:

— Редактор плат — проектирование плат с помощью мощного автотрассировщика, удобной ручной трассировки и системы позиционирования компонентов.

— Редактор схем — проектирование схем с поддержкой иерархии и неограниченного количества листов. Экспорт в редактор плат, список сетей (netlist) или симулятор.

— Редакторы компонентов и корпусов — позволяют создавать свои библиотеки.

— Стандартные библиотеки — содержат более 100 000 компонентов.

— 3D предпросмотр — позволяет просматривать трехмерную модель платы. С программой поставляются более 2.5 тыс. 3D-моделей корпусов.

— Импорт/Экспорт — система может импортировать схемы, платы и библиотеки из P-CAD, PADS и других популярных программ. Экспорт в P-CAD, Gerber и другие форматы позволит подготовить платы для любого производства.

— Русский интерфейс, справка, учебник и форматки — позволят быстро изучить и эффективно пользоваться программой.

DipTrace 2011 содержит следующие функции:

— Интуитивно-понятный пользовательский интерфейс

— Многоуровневая иерархия и поддержка многолистовых схем позволяет 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.

— Функции «Упорядочивание», «Позиционирование по списку» и «Автоматическая расстановка компонентов» помогут Вам легко и быстро оптимизировать расположение компонентов и размеры платы.

— Эффективные возможности трассировки

— Современный 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 не ограничены.

— 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.

Общие сведения о системе проектирования P-CAD:

P-CAD 2006 — сквозная система разработки электронных устройств на базе печатных плат.

P-CAD, позволяет провести сквозной цикл проектирования, включая:

— Ввод проекта в виде многостраничных принципиальных схем;

— Верификацию принципиальных схем и задание правил проектирования;

— Цифро-аналоговое моделирование;

— Расстановку компонентов в интерактивном режиме;

— Трассировку печатных проводников в интерактивном и автоматическом режимах;

— Верификацию топологии и анализ целостности сигналов;

— Предпроизводственную подготовку печатных плат.

Принципиальная схема может содержать неограниченное количество страниц, иерархическая организация принципиальной схемы может упростить использование повторяющихся фрагментов схемы.

Принципиальную схему можно проверить на соблюдение более чем 50 правил, разбитых на 9 групп. Ошибки помечаются на принципиальной схеме специальными маркерами, что значительно упрощает верификацию схемы.

Модуль цифро-аналогового моделирования Mixed-mode Circuit Simulator выполняет следующие типы анализов цепей проекта: по переменному и постоянному токам (до двух источников одновременно), анализ переходных процессов, шумовой, с вариациями параметров (до двух одновременно), температур и многое другое.

Интерактивная трассировка выполняется с учетом заложенных правил проектирования, что позволяет «огибать препятствия», а при необходимости «расталкивать» ранее проложенные проводники с возможностью перемещения переходных отверстий.

Автоматическая разводка выполняется в топологическом трассировщике Situs, который поставляется как часть DXP Bonus Technologies. Situs позволяет создавать собственные стратегии трассировки за счет формирования последовательности выполняемых этапов, а также указания степени минимизации количества переходных отверстий. При желании, можно передать информацию во внешний автотрассировщик SPECCTRA, где предусмотрен встроенный двунаправленный интерфейс с возможностью формирования DO — файла с помощью специального «мастера» .

Верификация топологии выполняется с контролем более 50 правил, сгруппированных в 14 разделов, что позволяет четко проконтролировать их соблюдение. Модуль Signal Integrity служит для проверки спроектированной топологии на наличие перекрестных искажений и отображения результатов в удобном графическом виде. В этом модуле можно рассчитать параметры печатных проводников и провести моделирование отражений от несогласованных нагрузок и, при необходимости, подобрать нужную цепь согласования.

В комплект поставки P-CAD входит CAM-система CAMtastic, поставляемая как часть DXP Bonus Technologies, которая позволяет провести предпроизводственную подготовку печатной платы: проверить топологию на технологичность (18 различных анализов с возможностью исправления), подготовить многоместные шаблоны и передать информацию на производство в виде управляющих файлов для фотоплоттеров, сверлильных и фрезерных станков.

Кроме того, можно передать информацию в системы трехмерного проектирования для разработки корпуса устройства или компоновки нескольких печатных плат. Для этого можно использовать универсальный IDF-формат, а использование DXF-формата позволяет передавать информацию в «чертежные» системы AutoCAD.

Результат работы:

В ходе работы с редакторами входящих в состав P-CAD были использованы библиотеки элементов созданные специально для этого проекта. На их основе был разработан чертеж печатной платы.

Заключение

Результатом разработки является комплект инструкторской документации АКАР, Средняя наработка на отказ около 4.44 года, что удовлетворяет требованиям технического задания.

Для данной системы составлен список всех комплектующих элементов, проведены все необходимые расчёты надёжности и выбран необходимый материал для изготовления печатной платы.

К курсовому проекту прилагается комплекс чертежей выполненных на бумажном формате, так же скриншоты схем разработанных в системе автоматизированного проектирования AutoCAD и DIPTrace.

Так же прилагается диск с исходными данными теории, библиотекой элементов и схемами.

Были изучены способы реализации АКАР, в результате чего было выяснено, что микропроцессоры имеют преимущество по сравнению с системами «на жёсткой логике», и упрощают работу по разработке системы.

Разработанное устройство работает по программе и выполняет команды, предоставляя возможность автоматического кормления рыб в аквариуме. Микросхемы, которые применяются в данном проекте, имеют широкое распространение, выпускаются промышленностью в настоящее время и имеют не слишком высокую стоимость. Кроме того, система обладает такими достоинствами PIC-микроконтроллеров как: лёгкое освоение, низкое энергопотребление, высокое быстродействие и высокая надежность.

1. ГОСТ 2.104−2006 ЕСКД. Основные надписи

2. ГОСТ 2.105−95 ЕСКД. Общие требования к текстовому документу

3. ГОСТ 2.106−96 ЕСКД. Текстовый документ

4. ГОСТ 2.708−81 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники

5. Техническая документация на микроконтроллеры PIC16F84А компании Microchip Technology Incorporated. ООО «Микро-Чип», Москва, 2002. — 184 с;

6. Е. В. Пирогова «Проектирование и технология печатных плат»

7. Лекционный материал по КПЭВТ

8. Г. С. Гендин «Всё о резисторах»

9. http://www.platan.ru — магазин радиоэлементов

10. ГОСТ 15 150–69 машины, приборы и другие технические изделия

11. Тупик В. А. «Технология и организация производства РЭА»

Приложения

Приложение А

Рис. 1 Микроконтроллер PIC-16F84

Рис. 2 Транзистор Рис. 3 Кварцевый резонатор Рис. 4 Транзистор TO-220

Рис. 5 Кнопка TSS

Рис. 6 Конденсатор

Рис. 7 Светодиод Рис. 8 Гериконовое реле Количество контактов5

Сопротивление изолятора, Мом0

Материал контактов Cu

Сопротивление контактов, мОм 150

Предельный ток, А 10

Предельное напряжение не менее, В 100

Рабочая температура, оС — 55…+125