Устройство сбора и регистрации информации

Введение

Современный этап развития радиоэлектронной аппаратуры характеризуется тем, что наряду с повышением надежности и уровня автоматизации, сохранением стоимости и сроков проектирования возросли требования к энергоемкости систем РЭА с одновременным сокращением их объема и массы.

Конструктор, стремясь сохранить быстродействие и надежность РЭА на проектном уровне, определяет технологические методы, обеспечивающие надежные электрические соединения, выбирает материалы, а также защиту от окружающей среды и механических воздействий с учетом технологических возможностей и ограничений.

Для получения оптимальных конструкторско-технологических решений недостаточно, однако, простого знания современного технологического арсенала. Необходимо также выявление противоречий, которые являются причиной рождения новых технологических методов и направлений. Только диалектический анализ этих противоречий и их причинной обусловленности позволяет выделить из новых направлений действительно прогрессивные и эффективные

Современная радиоэлектронная аппаратура вышла за рамки класса простейших радиоэлектронных устройств. Она представляет собой достаточно сложные устройства, которые содержат большое количество разнообразных функциональных узлов, выполняющие те или иные функции преобразования электрических сигналов.

В настоящее время делается уклон на автоматизацию производственного процесса. Широко применяются автоматические линии, роботизированные комплексы и конвейеры. Человеческий труд заменяется использованием различного технологического оборудования, используемого на различных стадиях технологического процесса. Таким образом, использование данного устройства для автоматизации операции контроля является целесообразным.

Задачей настоящего дипломного проекта является разработка конструкции устройства сбора и регистрации информации, предназначенного для счета и визуальной индикации количества предметов.

По заданию на дипломный проект в ходе его выполнения предстоит выполнить ряд расчетов конструкторского и технологического плана, являющихся неотъемлемой частью опытно-конструкторской разработки, а выполнение технико-экономического обоснования проекта покажет экономическую целесообразность (или не целесообразность) проведения данной работы. Кроме того необходимо будет разработать комплект технологической документации на процессы сборки печатной платы блока индикации.

При выполнении настоящего дипломного проекта будет широко использована вычислительная техника и пакеты систем автоматизированного проектирования (САПР) современного уровня. К таким пакетам относится PCAD 4.50 и AutoCAD 13.0 . При помощи их будут получены топология, разрабатываемой печатной платы и реализована графическая часть конструкторско-технологической документации.



1. Выбор и обоснование электрической структурной схемы устройства

Конструктивно система учета продукции состоит из трех функциональных блоков:

- фотоэлектронного датчика

- блока управления

- информационного табло

Блок управления и фотоэлектронный датчик пространственно разделены, однако совместно выполняют функцию регистрации движения объектов по конвейеру в заданном направлении и их подсчет.

Информационное табло предназначено для коллективного контроля количества продукции прошедшей по конвейеру.

Такое построение системы позволяет гибко изменять ее структуру в зависимости от конкретных характеристик продукции (вес, структура упаковки, габариты и т.д.), конфигурации конвейерного оборудования, а так же эргономических характеристик помещения (освещенность, дистанция и угол наблюдения).

Каждый из блоков может носить некоторые конструктивные особенности, обусловленные условиями эксплуатации, однако структурная схема устройства остается неизменной.

Наиболее важным узлом системы является фотоэлектронный датчик. Это вызвано тем, что неправильное решение о проходе предмета мимо датчика, приведет к ошибке в процессе счета. Поэтому при разработке системы были проанализированы различные типы датчиков, каждый из которых обладает своими и недостатками (1, 2, 3,4).

Механические датчики имеют малый ресурс, емкостные и индукционные - малую помехоустойчивость и нечувствительность к диэлектрическим объектам. Для фотоэлектронных датчиков необходимо применение мер защиты от внешней засветки. Однако фотоэлектронные датчики не имеют физических ограничений, в отличие от трех предыдущих, поэтому они и оказались наиболее подходящими для системы учета продукции.

Следует отметить, что для системы важным условием является наличие блокировки от преднамеренного ложного срабатывания. Такая блокировка возможна в случае применения 2-ух лучевого фотодатчика (5). Такой датчик регистрирует не только факт прохождения объекта но и его направление. Поэтому в случае реверсирования движения объектов по конвейеру сигнал счета не вырабатывается.

Исходя из этого для разрабатываемой системы и был применен такой вариант фотодатчика (рис.)

Рисунок 1.

С целью снижения себестоимости изделия и его габаритов в 2-ух лучевом фотодатчике возможно применение мультиплексного режима работы ИК излучателей и одного фотоприемника.

При движении мимо фотоприемника объект перекрывает в начале луч первого излучателя, затем - луч левого излучателя. При этом вырабатывается сигнал счета. При обратной последовательности пересечения лучей сигнал не вырабатывается.

Исходя из такого алгоритма работы была разработана структурная схема проектируемого устройства.

Блок фотодатчика состоит из четырех узлов. Двух ИК -передатчиков и одного ИК - приемника и формирователя. ИК - приемники работают в противофазном режиме, фотоприемник принимает отраженный сигнал, формирователь вырабатывает запускающие импульсы ИК -передатчиков и сравнивая их с принимаемыми сигналами, принимает решение о выработке счетного импульса.

Рисунок 2.

Счетные импульсы поступают в счетчик блока управления, где подсчитываются и сохраняются в случае кратковременного аварийного отключения энергии. Информация, хранящаяся в счетчике, выводится на индикацию. Для экономии энергопотребления в блоке применяется динамическая индикация (6). Реализуется она посредством пяти узлов:

- генератор

- счетчик знакомест

- дешифратор знакомест

- мультиплексор

- дешифратор символов.

При этом индикатор состоит из семи сегментных индикаторов, у которых сегменты соединены параллельно. Работает динамическая индикация следующим образом.

Двоично-десятичный код из счетчика параллельно поступает на мультиплексор. Количество входов у мультиплексора определяется разрядностью счетчика. На выход мультиплексора выдается код с того разряда счетчика, код которого выдает счетчик знакомест. С выхода мультиплексора код числа поступает на дешифратор символов, который выдает сигналы управления семи сегментным индикатором. Дешифратор знакомест обеспечивает преобразование двоичного кода счетчика знакомест в позиционный код, который необходим для включения только одного знакоместа в индикаторе.

Генератор вырабатывает импульсы с частотой приблизительно 400Гц, которые поступают на счетчик знакомест и обеспечивают поочередное включение всех символов в индикаторе. Формирователь сигнала “сброс” вырабатывает импульсы сброса счетчика при нажатии на кнопку “сброс”. Для защиты от случайного сброса формирователь содержит таймер на одну секунду. Поэтому для выработки сигнала “сброс” необходимо удерживать кнопку не менее 1-ой секунды, после чего нажать ее и отпустить вторично.

Блок питания вырабатывает необходимые питающие напряжения для всех узлов устройства.



2. Техническое задание

На выполнение опытно-конструкторской работы по теме "Информационное табло на ЖК индикаторах автоматизированной системе учета продукции».

1. Наименование и область применения

1.1 Блок управления автоматизированной системы учета продукции

1.2 Областью применения устройства является использование его в автоматизированных линиях для счета предметов

1.3 Использование устройство для экспорта не предусматривается.

2. Основания для разработки

2.1 Основанием для разработки устройства является задание на дипломное проектирование.

2.2 Тематическая карточка на разработку не предусматривается.

3. Цель и назначение разработки

3.1 Целью разработки является создание устройства предназначенного для счета предметов и визуальной индикации в десятичной системе исчисления количества предметов прошедших активную зону за контрольное время.

3.2 Дальнейшее развитие разработки должно выполняться путем создания модификаций базовой модели, отличающихся конфигурацией и изменениями функций на основе частных технических заданий.

3.4 Изделие предназначено для серийного изготовления.

4. Технические требования

4.1 Состав комплекта и требования к конструкции.

4.1.1 состав комплекта приведен в табл. 1



Таблица 1

Наименование	Кол-во	Назначение
1	2	3
Счетчик	1	Счет количества единиц продукции
Устройство индикации	1	Отображение количества единиц продукции.
Комплект ЗИП	1	Обеспечение эксплуатации и ремонта устройства.
Шнур соединительный	1	Обеспечивает коммутацию счетчика с устройством индикации.
Комплект эксплуатационной документации	1	Обеспечение правильной эксплуатации и обслуживания устройства.
Укладочный ящик	1	Хранение и транспортирование устройства.

Состав комплекта устройства, в том числе и состав ЗИП, уточняется на стадии разработки конструкторской документации

4.1.2 При конструировании устройства должны выполняться требования действующих в отрасли стандартов, нормативно-технических документов по стандартизации.

4.1.3 Конструкция устройство должна обеспечивать свободный отступ к составным элементам изделия при проведении наладочных и ремонтных работ.

4.1.4 Материалы и полуфабрикаты, комплектующие изделия, должны применятся по действующим стандартам и техническим условиям на них.

4.1.5Масса устройства не должна превышать 8 кг.

4.2 Требования к параметрам и характеристикам

4.2.1 Скорость счета, шт/ч, не более...................................... 100000

4.2.2 Максимальная емкость счета, не более............................99999

4.2.3 Погрешность счета, не более..........................................0,005%

4.2.4 Устройство питается от сети переменного тока ...220 В+/-10%

4.2.5 Яркость свечения, не менее.........................................1500мкКд

4.2.6 Цвет свечения ............................................................... красный

4.2.7 Угол обзора, не менее.................................................... +/- 20

4.3 Требования к надежности

4.3.1 Показатели надежности должны соответствовать заданным значениям при нормальных климатических условиях (температура окружающего воздуха (20 5) С, относительная влажность (60 5)% , атмосферное давление (от 630 до 800 мм. рт. ст.); с отклонениями питающего напряжения 220в от плюс 10% до минус 10% от минимального значения (ГОСТ 21552-84).

4.3.2 Среднее время наработки на отказ должно быть не

менее 15000 ч. по ГОСТ 21317-87. Количественное значение наработки на отказ уточняется по результатам контрольных испытаний на надежность опытных образцов.

4.3.3 Среднее время восстановления силами специального обслуживающего персонала должно быть не более 1.0 часа.

4.3.4 После восстановления работоспособности, по окончании ремонтно-восстановительных работ при ее отказе, должна сохранять показатели назначения, изложенные в настоящем документе.

4.4 Требования к технологическому и метрологическому обеспечению разработки, производства и эксплуатации

4.4.1 Показатели технологичности конструкции изделия должны соответствовать ГОСТ 14.201-73.

4.4.2 Конструкция изделия должна обеспечивать возможности выполнения монтажных работ с соблюдением требований ТУ на установку и пайку комплектующих изделий.

4.4.3 Конструкция изделия в целом и отдельных сложных узлов должна обеспечивать сборку при изготовлении без создания и применения специального оборудования. Допускается применение специальных приспособлений.

4.4.4 При изготовлении устройства должны применяться стандартные методы и универсальные средства измерений, серийное испытательное оборудование.

Допускается для проведения климатических проверок при технологическом прогоне применять специально изготовленную (в соответствии с габаритами) камеру или специально оборудованное помещение.

4.4.5 Конструкция изделия должна обеспечивать ее сборку и монтаж при подготовке к эксплуатации без применения специального оборудования, приспособлений и инструментов.

4.5 Требования к уровню унификации и стандартизации

4.5.1 В качестве комплектующих единиц и деталей (коммутационные, изделия электроники, крепежные, установочные) должны применяться серийно выпускаемые изделия.

4.5.2 Сборочные единицы типа монтажных плат, панелей, крепежных и установочных узлов должны быть унифицированными.

4.5.3 В конструкции устройства должны быть заимствованы сборочные единицы, узлы, детали из ранее разработанных изделий.

4.6 Требования безопасности и требования по охране природы

4.6.1 Устройство должна соответствовать требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.006-74.

4.6.2 Устройство по способу защиты человека от поражения электрическим током должна относиться к классу 0 согласно ГОСТ 12.2.007-75.

4.6.3 Конструкция устройства должна исключать возможность неправильного присоединения его сочленяемых токоведущих и составных частей.

4.6.4 Органы управления должны быть снабжены надписями соответствующими их принадлежности и назначению.

4.6.5 Присоединительные разъемы электрических цепей должны быть снабжены надписями соответствующими их принадлежности и назначению.

4.6.6 Конструкция устройства должна исключать возможность попадания внутрь посторонних предметов.

4.6.7 Требования по обеспечению охраны природы не предъявляются.

4.7 Эстетические и эргономические требования

4.7.1 Конструкция устройства по эргономическим показателям должна обеспечивать удобство работы оператора.

4.7.2 Органы управления и индикации должны быть расположены в местах с достаточным обзором и удобством обслуживания согласно ГОСТ 23000-78.

4.7.3 Устройство, предназначенное для выполнения работ сидя, эргономически должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.032-78 и ГОСТ 12.2.033-78.

4.8 Требования к патентной чистоте.

4.8 Патентная чистота устройство должна быть обеспечена в отношении РБ.

Требования к составным частям продукции, сырью, исходным эксплуатационным материалам

4.9.1 В конструкции устройства должны использоваться материалы, комплектующие изделия, разрешенные для применения при выпуске продукции народно-хозяйственного назначения.

4.9.3 Применение дефицитных материалов и сплавов, кроме комплектующих изделий электроники содержащих эти материалы, должно быть ограниченным, а при необходимости применения обоснованным.

4.10 Условия эксплуатации требования к техническому обслуживанию и ремонту

4.10.1 Устройство должно быть выполнено для климатического исполнения У согласно ГОСТ 15150-69 и нормально функционировать при следующих климатических условиях:

- верхнее значение температуры окружающего воздуха - +45 5о 0С;

- нижнее значение температуры окружающего воздуха - +10 5о 0С;

- среднее рабочее значение температуры окружающего воздуха -+20 5о 0С;

- относительная влажность воздуха - 65% при температуре +20 5о 0С;

4.10.2 Предельно допустимые условия эксплуатации изделия согласно ГОСТ 15150-69 должны соответствовать:

- верхнее значение температуры окружающего воздуха - +60 5о 0С;

- нижнее значение температуры окружающего воздуха - +5 5о 0С;

- относительная влажность воздуха - до 93% при +30 5о 0С;

- атмосферное давление от 84.0 до 107.0 кПа.

4.10.3 Рабочий режим в устройстве должен устанавливаться

не более чем через 5 мин после включения.

4.10.4 Время непрерывной работы устройство - 16часов.

4.10.5 Обслуживание должно быть установлено периодическим, не реже 1 раза в квартал.

4.10.6 Обслуживание устройства рекомендуется выполнять силами сменного дежурного наладчика.

Требования к маркировке и упаковке

4.11.1 Маркировка устройства должна соответствовать требованиям ГОСТ 21552-84.

4.11.2 Маркировка устройства должна содержать:

- торговый знак и (или) наименование предприятия изготовителя;

- месяц и год выпуска;

- отметку ОТК предприятия-изготовителя;

- розничную цену;

- номинальное напряжение, частоту источника питания и потребляемую мощность при номинальных условиях;

- предупредительные знаки по ГОСТ 12.2.006;

4.11.3 Место и способ нанесения маркировки устанавливаются в ТУ на устройство конкретного типа.

4.11.4 Потребительская маркировка индивидуальной тары или наклеиваемая на нее этикетка должны содержать:

- полное торговое наименование устройства по ГОСТ 26794-85;

- торговый знак и (или) наименование предприятия-изготовителя;

- месяц и год выпуска;

- отметку ОТК предприятия изготовителя;

- розничную цену;

- номинальное напряжение и частоту источника питания;

- гарантийный срок хранения;

- вид отделки и цвет корпуса устройства;

- массу устройства в упаковке;

- указание высоты штабелирования.

4.11.5 Маркировка транспортной тары должна соответствовать требованиям ГОСТ 14192-77 с нанесением манипуляционных знаков и указанием высоты штабелирования. Содержание транспортной маркировки указывают в ТУ на устройство.

4.11.6 Устройство должно быть упаковано в индивидуальную потребительскую) тару, обеспечивающую ее сохранность при транспортировании и хранении и изготовленную по рабочим чертежам на конкретный вид тары.

4.11.7 Упаковка изделия должно производиться согласно требованиям ГОСТ 21552-84.

4.11.8 В одной транспортной таре должно быть упаковано одно изделие.

4.12 Требования к транспортированию и хранению

4.12.1 Упакованные изделия транспортируют транспортом

всех видов в условиях группы 5 по ГОСТ 15150-69.

4.12.2 Транспортирование следует осуществлять в универсальных контейнерах или закрытых вагонах, закрытых автомашинах, трюмах судов, отапливаемых отсеках авиационного транспорта.

4.12.3 Размещение и крепление упакованных изделий в транспортных средствах должно обеспечивать их устойчивое положение, исключать возможность ударов друг о друга, а так же о стенки транспортных средств.

4.12.5 Упакованные устройство следует хранить в условиях для группы 1 по ГОСТ 15150-69.

4.12.6 Хранение изделия на земляном полу не допускается.

4.12.7 Расстояние между стенками, полом хранилища и изделием должно быть не менее 100 мм, а между отопительными устройствами хранилища и изделием - не менее 0.5 м.

4.12.8 Требования к обслуживанию во время хранения не предъявляются. Срок хранения не более 18 месяцев.

5. Экономические показатели

5.1 Предполагаемый годовой выпуск 100 шт.

5.2 Устройство по сравнению с аналогичными имеет следующие преимущества:

- высокая экономичность и надежность;

- стабильность параметров.

6. Стадии и этапы разработки

6.1Стадии разработки и этапы проведения работ в соответствии с ГОСТ 2.103-68 приведены в табл.2.1.

Таблица 2.2

Стадии работы	Этапы и их краткое содержание	Чем заканчивается работа
1	2	3
Техническое задание	Разработка технического проекта с присвоением документам литеры "Т"	ТЗ на ОКР. Изготовление и испытание макета
Рабочая конструкторская документация	Разработка конструкторской документации, предназначенной для изготовления и испытания опытного образца изделия, предназначенного для серийного производства опытного образца без присвоения литеры “О”	Номенклатура документов, разрабатываемых в соответствии со стандартом, устанавливающим комплектность этих документов в отрасли.
		Акт приемо-передачи опытного образца.
Изготовление и предварительное испытание опытного образца	Корректировка конструкторской документации по результатам изготовления и предварительных испытаний опытного образца с присвоением литеры "О"	Акт об испытании опытного образца.
Приемные испытания опытного образца	Корректировка конструкторской документации по результатам приемочных испытаний опытного образца с присвоением документам литеры "О"	Акт о завершении стадии.
б)серийного производства
Проведение приемочных испытаний	Изготовление и испытание установочной серии по документации с литерой "О"	Акт о завершении работ в целом по договору.
	Корректировка конструкторской документации по результатам изготовления и испытания установочной серии, а так же оснащение технологического процесса изготовления изделия, с присвоением конструкторской документации литеры "А"

6.2 Метрологическая аттестация (МА) опытного образца должна проводиться до начала работы приемной комиссии. Допускается совмещение МА с приемочными испытаниями.

6.3 На экспертизу предоставляется конструкторская и эксплуатационная документация в составе:

- сборочный чертеж;

- схемы электрические;

- спецификации;

- ведомость покупных изделий;

- паспорт;

- ведомость ЭД;

- ведомость ЗИП.

6.4 Экспертиза документации проводится во время приемочных испытаний.

6.5 Разработка новых или пересмотр действующих стандартов не требуется.

7. Требования к разрабатываемой документации

7.1 Конструкторская документация должна соответствовать ЕСКД.

7.2 Технологическая документация должна соответствовать ЕСКД.

7.3 Ремонтная документация должна соответствовать требованиям ГОСТ 2.601-68 в объеме для среднего ремонта. Ремонтная документация разрабатывается на стадии серийного производства по отдельному договору.

8. Порядок контроля и приемки

8.1 Приемка устройства должна осуществляться по ГОСТ 21194-87.

8.2 Испытания должны проводиться по программе и методике испытаний.

8.3 Для приемки представляются следующая документация:

- техническое задание;

- комплект конструкторской документации;

- ведомость покупных изделий;

- программа и методика испытаний;

- эксплуатационные документы;

- программа метрологической аттестации;

- методика проверки.

8.4 Согласованию подлежит техническое задание. Согласовывает только заказчик.

8.5 Паспорт на изделие разрабатывается совместно с инструкцией по эксплуатации и техническим описанием согласно ГОСТ 2.601-68.

8.6 Приемочные испытания проводит разработчик, приемосдаточные - изготовитель.

8.7 Приемочные испытания опытного образца проводятся в сроки, согласованные с заказчиком.

8.8 Подтверждение требований ТЗ на надежность осуществляется по результатам опытной эксплуатации.

8.9 Метрологическая аттестация предусматривается совместно с Белорусским центром стандартизации и метрологии. Аттестацию опытного образца проводит разработчик с участием заказчика, остальных образцов - изготовитель.

9. Требования по обеспечению скрытности и секретности проведения ОКР

При проведении работы принятия мер скрытности и секретности не требуется.



3. Выбор и обоснование элементной базы унифицированных узлов, материалов конструкции и установочных изделий

Выбор элементной базы унифицированных узлов необходимо производить исходя из условий эксплуатации устройства. Таким образом ко всем электрорадиоэлементам схемы, ко всем конструкционным материалам и изделиям предъявляются те же требования, что и ко всему устройству в целом.

Выбор ЭРЭ и материалов производится на основе требований к аппаратуре, в частности, кинематических, механических и других воздействий при анализе работы каждого ЭРЭ и каждого материала внутри блока, и условий работы каждого блока конструкции.

Выбор резисторов будем производить учитывая:

-эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей Среды, атмосферное давление и др.);

-значение электрических параметров и их допустимое отклонение в процессе эксплуатации (номинальное сопротивление, допуск, и др.)

-показатели надежности и долговечности;

-конструкцию резисторов, способ монтажа, массу.

В целях повышения надежности и долговечности резисторов (и других ЭРЭ), во всех возможных случаях следует использовать их при менее жестких нагрузках и в облегченных режимах по сравнению с допустимыми.

Исходя из схемы электрической принципиальной определяем, что постоянные резисторы должны обеспечивать номинальную мощность 0,125 Вт. При этом используются резисторы сопротивлением от 10 Ом до 100 кОм.

Учитывая все эти характеристики (требования по габаритам и массе, требования в области кинематических и механических воздействий), можно сделать вывод, что перечисленным требованиям удовлетворяют постоянные непроволочные резисторы общего назначения типа МПТ.

Резисторы этого типа имеют характеристики приведенные в таблице 1.

Таблица 3.1

Эксплуатационные характеристики резисторов типа МЛТ.

Характеристика	Значение
1	2
Диапазон номинальных сопротивлений при мощности 0,125 Вт	10 ...100000
Уровень собственных шумов , мкВ/В	1,5
Температура окружающей среды , оС	от -60 до +70
Относительная влажность воздуха при температуре +35 оС, %	до 98
Пониженное атмосферное давление, Па	до 133
Предельное рабочее напряжение постоянного и переменного тока. В	200
Минимальная наработка, ч	25000
Срок сохраняемости, лет	25

Кроме постоянных резисторов необходимо использовать и подстроечный резистор. Исходя из условий их эксплуатации и требований по габаритам и массе можно выбрать подстроечный резистор СП3-27г.

Характеристики этого типа резистора приведены в таблице 2.

Таблица 3.2

Характеристика	Значение
1	2
Температура окружающей среды, оС	от -45 до +70
Относительная влажность воздуха при температуре + 35 оС, %	до 98
Пониженное атмосферное давление, Па	до 53329
Предельно допустимое рабочее напряжение постоянного и переменного тока, В	250
Износоустойчивость, циклов	500
Угол поворота подвижной системы	255
Минимальная наработка, ч	15000
Срок сохранности. лет	10
Масса, г, не более	0,4
Диапазон номинальных сопротивлений, Ом	от 470 до 10 5

Эксплуатационная надежность конденсаторов так же как и резисторов, во многом определяется правильным выбором их типа и возможного использования их в режимах, не превышающих допустимые.

Для правильного выбора типа конденсаторов необходимо, с учетом требований к устройству, принимать во внимание следующие факторы:

- значение номинальных параметров и их допустимые изменения в процессе эксплуатации ( номинальная емкость, допуск и др.);

-эксплуатационные факторы;

-показатели надежности и долговечности;

-конструкцию конденсаторов, способы их монтажа, габариты и массу.

С учетом всех выше изложенных требований произведем выбор конденсаторов постоянной емкости.

В качестве таких конденсаторов выбираем конденсаторы типа КМ-6А.

Эксплуатационные характеристики конденсаторов этого типа приведены в таблице 3.

Таблица 3.3

Характеристика	Значение
1	2
Температура окружающей среды, оС	от -60 до +85
Относительная влажность воздуха , %	до 98
Атмосферное давление, мм.тр.ст	10-6 до 3атм.
Вибрационные нагрузки с ускорением в диапазоне 5 - 200 Гц	10g
Многократные удары с ускорением	до 35g
Линеные нагрузки с ускорением , не более	100g
Тангенс угла потерь , не более	0,0012
Минимальная наработка , ч	15000
Срок сохранения , лет	12

Схема электрическая принципиальная содержит также и полярные конденсаторы. С учетом всех требований предъявляемых к ним выберем электролитические конденсаторы типа К50-35.

Эксплуатационные характеристики конденсаторов этого типа приведены в таблице .4.



Таблица 3.4

Эксплуатационные характеристики конденсаторов типа К50-35

Характеристика	Значение
Температура окружающей среды, оС	от -20 до +70
Относительная влажность воздуха , %	до 98
Атмосферное давление, кПа	от 1,3 до 2942
Вибрационные нагрузки с ускорением в диапазоне 1 - 600 Гц	до 10 g
Многократные удары с ускорением	до 15 g
Линейные нагрузки с ускорением	до 100 g
Допустимые отклонения емкости , %	от -20 до +80
Минимальная наработка , ч	5000
Срок сохранения , лет	5

Приступим к выбору полупроводниковых элементов.

В данной схеме применялись диоды серии КД 522 А.

Характеристики диодов данного типа приведены в таблице 3.5

Таблица 3.5

Характеристика	Значение
Наибольший средний выпрямленный ток при температуре от -55 оС до +35 оС, мА	100
Наибольший импульсный прямой ток при температуре от -55 оС до +35 оС, мА	1500
Температура окружающей среды, оС	от +85 до -55
Относительная влажность воздуха , %	до 98
Атмосферное давление, кПа	27...350
Ускорение при вибрации в диапазоне частот 10 - 600 Гц, не более	10 g
Ускорение при многократных ударах	до 75g
Ускорение при линеных нагрузках	до 25g
Гарантийная наработка , ч	15000
Срок сохранения , лет	6

В данном устройстве используются и интегральные микросхемы. При выборе типов микросхем будем учитывать механические и климатические факторы, которые могут возникнуть при эксплуатации устройства. С учетом этих требований можно выбрать следующие серии интегральных микросхем: К561КП2, К561ИЕ14, К561ПН1, К561ПУ4, К561ИД1, К561ТМ2, КР514ИД2, КР142ЕН5А, К176ПЕ5 и К176ПА5.

Эксплуатационные параметры ИМС приведены в таблице 3.6

Таблица 3.6

Эксплуатационные параметры ИМС серий К561, КР514, КР142, К176.

Характеристика			Значение
	К561	КР514	КР142	К176
Диапазон рабочих температур, оС	-10 ...+85	-60...+70	-60...+125	-10...+70
Относительная влажность воздуха , %	до 98	до 98	до 98	до 98
Ускорение при вибрации в диапазоне частот 1 - 600 Гц	до 10g	до 15g	до 40g	до 5g
Ускорение при многократных ударах	до 75g	до 75g	до 150g	до 15g
Ускорение при линеных нагрузках	до 25g	до 100g	до 150g	до 25g
Гарантийная наработка , ч	10000	10000	10000	5000

Далее приступаем к выбору транзисторов. Их выбор также будем проводить с учетом климатических и механических факторов, а также исходя из схемы электрической принципиальной, Таким образом в устройстве применим транзисторы серии КТ209.

Эксплуатационные параметры транзисторов этого типа приведены в таблице.

Таблица 3.7

Эксплуатационные параметры транзисторов

Характеристика	Значение
Температура окружающей среды, оС	от -45 до +100
Относительная влажность воздуха , %	до 98
Ускорение при многократных ударах	до 75g
Ускорение при линеных нагрузках	до 25g
Ускорение при вибрации в диапазоне частот 10 - 600 Гц	до 10g

При выборе материалов конструкции, также как и при выборе элементной базы, необходимо руководствоваться комплексом взаимосвязанных физико-механических, электрических, технологических, экономических и других требований.

В первую очередь проведем выбор материала печатных плат.

Основными материалами, применяемыми для изготовления печатных плат, являются слоистые пластики, состоящие из связки и наполнителя. Основные параметры этих материалов приведены в таблице 3.8

Таблица 3.8

Основные параметры слоистых пластиков

Параметр		Значение
	Гетинакс	Текстолит	Стеклотекстолит
1	2	3	4
Относительная диэлектрическая проницаемость	4,5...6	4,5...6	5...6
Тангенс угла потерь (диэлектрических)	0,008...0,02	0,03...0,04	0,005...0,02
Объемное удельное сопротивление	10...1000	10...1000	1000...10000
Диапазон рабочих температур, оС	от-60 до +80	от-60 до +70	от-60 до +80
Коэфициент теплопроводности	0,25...0,3	0,23...0,3	0,34...0,74
ТКПР	22	22	8...9
Удельная прочность при растяжении	49	70	180
Удельная прочность при сжатии	-	105	42

Выбор материалов для производства печатной платы нашего устройства необходимо производить исходя из условий его эксплуатации и условий проведения испытаний на прочность.

Материал печатной платы должен обладать механической прочностью на изгиб и растяжение. Кроме этого материал печатной платы должен иметь диапазон рабочих температур не меньший, чем у всего устройства.

Учитывая эти и другие требования можно выбрать в качестве материала печатной платы стелкотекстолит марки СФ2-35-!,5 ГОСТ 10316-78.

При выборе материала корпуса необходимо учитывать, что корпус, изготавливаемый из листового проката более устойчив к воздействию ударных и вибрационных нагрузок, чем корпус изготовленный методом литья. Кроме этого материал корпуса должен обеспечивать защиту от внешних электромагнитных полей. Таким образом, это должен быть металл, но в то же время этот металл желательно выбирать с меньшей удельной плотностью для снижения массы конструкции. Кроме всего этот материал должен быть достаточно дешевым.

Выбор материала корпуса будем проводить из таблицы, где рассмотрены два наиболее приемлемых материала для изготовления корпусов, а также их свойства.

Таблица 3.9

Наиболее применяемые материалы для изготовления корпусов путем штамповки и гибки

Физические свойства	Материалы
	АД1 ГОСТ 4784 - 74	Ст 08КП ГОСТ 16523 - 89
Плотность , г/см3	2,71	7,85
Модуль упругости	1200	2060
Коэффициент Пуассона	0,31...0,33	0,27
Удельная теплоемкость , Дж	960	469
Коэффициент теплопроводности	200	79
Удельное электросопротивление	0,029	1,1

В качестве материала корпуса выберем Ст 08КП ГОСТ 16523 - 89 - сталь тонколистовая , углеродистая , холоднокатанная и горячекатанная . Данная сталь поставляется в листах. Этот материал еще можно сваривать.

Для наблюдения за индикаторами в передней панели необходимо выполнить окошко и закрыть его пластиной из прозрачного материала. Данная пластина будет служить защитным экраном для индикаторов.

Выберем для этой цели стекло органическое конструкционное марки СОЛ ГОСТ 15905-70. Характеристики этого материала приведены в таблице.

Таблица 3.10

Характеристики стекла органического конструкционного.

Характеристика	Значение
Плотность, г/см3	1,18...1,2
Пластичность, %	2,5...20
Твердость, НВ	6,3...10
Рабочий диапазон температур, оС	до +100

Вследствие того, что стекло необходимо приклеить к передней панели, необходимо выбрать тип клея. Он должен обладать хорошей адчезией к склеиваемым материалам. Кроме этого желательно, чтобы клей был недорогим, широкого применения. Этим требованиям удовлетворяет клей БФ-2 ГОСТ 12172-74. Он обладает хорошей адчезией к металлам, стеклу, керамике, к ряду пластмасс, стоек к маслу, бензину, большинству органических растворителей. Его характеристики приведены в таблице.

Таблица 3.11

Характеристика клея БФ-2

Характеристика	Значение
Диапазон рабочих температур, оС	от -60 до +200
Прочность соединения, МПа	до 15...18
Давление при склеивании, МПа	0,1

При выборе припоя следует учитывать, что припой должен быть легкоплавким, недорогим и технологичным. Кроме этого припой должен обладать хорошей адгезией к меди, а также иметь малое переходное сопротивление. Выберем наиболее распространенный оловяно-свинцовый припой марки ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Характеристики этого припоя приведены в таблице.

Таблица 3.12

Характеристика припоя марки ПОС-61.

Характеристика	Значение
Температура полного раплавления, оС	190
Электросопротивление, мкОм/м	0,12
Прочность паяемых соединений, МПа	30...40

Для электрических соединений между платой и другими элементами, а также между элементами устройства необходимо использовать провода. Они должны быть изолированными, для предотвращения коротких замыканий и коррозии. Выберем в качестве такового провод марки МГШВ, который является стойким к воздействию влаги и повышенной температуры . Провод необходимо выбрать с сечением жилы в 1 мм.



4. Выбор и обоснование компоновочной схемы, методов и принципов конструирования

Компоновка-размещение в пространстве или на плоскости различных элементов (радиодеталей, микросхем, блоков и приборов) РЭА-одна из важнейших задач при конструировании. Очень важно выполнить рациональную компоновку элементов на самых ранних стадиях разработки РЭА.

Методы компоновки элементов РЭА можно разбить на две группы: аналитические и модельные. К первым относятся численные и номографические, основой которых является представление геометрических и обобщенных геометрических параметров и операций с ними в виде чисел. Ко вторым относятся аппликационные, модельные, графические и натурные методы, основой которых является та или иная физическая модель элемента, например, в виде геометрически подобно го тела.

Основой для всех методов является рассмотрение аналитических зависимостей. При аналитической компоновке мы оперируем с численными значениями различных компоновочных характеристик: геометрическими размерами элементов, их объемом, весом, энергопотреблением и т. д. Зная соответствующие компоновочные характеристики элементов изделия и законы их суммирования, мы можем вычислить компоновочные характеристики всего изделия и его составных частей. Сложнее всего в этом случае вычислять значения объемов деталей, узлов и блоков сложной формы. Их приходится разбивать на ряд простых геометрических фигур, число которых может быть весьма большим.

Для простого узла или блока может потребоваться до 30...40 различных типоразмеров элементов. Если каждый из них при расчете приходится заменять тремя _ четырьмя простыми геометрическими фигурами, то общее число вычислений может достигнуть 100 и более. Поэтому для упрощения расчетов стараются заменить реальные сложные формы соответствующими им наиболее простыми, что позволяет значительно сократить объем вычислений.

Таким образом, чисто аналитические методы расчета оказываются малопригодными для конструкторской практики. Более целесообразно на стадиях предварительной оценки компоновочных параметров РЭА является использование данных по объемной массе и коэффициенту заполнения некоторых типов РЭА.

Компоновочная схема блока определяется количеством и видом составляющих элементов и их расположением.

Все компоновочные схемы можно разделить на две группы:

централизованная;

децентрализованная.

Децентрализованная компоновочная схема применяется для устройств, обладающих мощными выходными блоками, источниками помех и т.п. Тогда блок разносится по различным корпусам.

При разработке устройства сбора и регистрации информации будем использовать децентрализованную схему компоновки. Таким образом, наше устройство будет состоять из двух блоков: счетчика и устройства индикации (блока индикации). А каждый из этих блоков, в свою очередь, будет разрабатываться с использованием централизованной компоновочной схемы, т.е. все элементы этих блоков расположены каждый в своем корпусе.

В дальнейшем будем рассматривать только блок индикации.

На компоновочные схемы блоков значительное влияние оказывают вспомогательные элементы. К ним относятся разнообразные индикаторы, ручки управления, переключатели, разъемы и т.п. В зависимости от их количества и габаритных размеров необходимо выбирать порядок размещения их в корпусе, что оказывает влияние на форму блока.

В блоке индикации на лицевой панели размещены индикаторы. С правой боковой стороны блока расположен переключатель, обеспечивающий или предотвращающий подачу электроэнергии в блок, т.е. сетевой выключатель. Рядом с ним расположена кнопка “Сброс”.

В нижней боковой стенке корпуса блока расположен разъем для коммутации данного блока со счетчиком.

В настоящее время радиоэлектронная аппаратура, как правило, компонуется из субблоков вида печатных плат.

В нашем случае данное устройство является одноплатным, т.е. устройство выполнено на одной печатной плате. Эта плата устанавливается параллельно передней (лицевой) панели блока индикации. В нижней части корпуса (под печатной платой) располагается трансформатор силовой.

Несущие элементы блоков могут быть сварными, клепаными, штампованными, со сборкой на винтах, литыми или прессованными. Для повышения прочности несущих элементов используют отбортовки, вытяжки, гнутые профили, ребра жесткости. При наличии разъемных соединений, контакты разъемов должны быть свободны от механических усилий.

5. Конструкторские расчеты

Опытно-конструкторская разработка любого устройства предполагает проведение различного рода расчета конструкторского плана, озволяющие оценить соответствие параметров заданным в техническом задании. К таким расчетам можно отнести:

расчет элементов печатного монтажа;

расчет помехоустойчивости;

расчет вибропрочности устройства;

тепловой расчет;

расчет надежности устройства.

Предварительно должен быть выполнен расчет массы информационного табло, так как она входит в исходные данные к расчетам, а также должна указываться на чертежах.

Расчет массы изделия

Таблица 1

Масса электрорадиоэлементов

Тип элемента	Кол -во, шт	Масса 1 изделия, г	Общая масса, г
Микросхемы:
КР142ЕН5А	1	1.3	1.3
К561ЛН1	2	0.8	1.6
К561ИР9	4	0.8	3.2
К561ИД1	2	0.8	1.6
К561ЛА7	1	0.8	0.8
К561КП2	4	0.8	3.2
К561ПУ4	1	0.8	0.8
К561ИЕ14	5	1.2	6.0
К561ТМ2	1	0.8	0.8
КР1533ИЕ7	2	0.8	1.6
КР1533ТЛ2	1	0.8	0.8
КР1533ИР23	2	1.3	2.6
К155РЕ23	1	0.8	0.8
К155РЕ24	1	0.8	0.8
Резисторы:
МЛТ-0,125	8	0,2	1.6
СП3-24	1	0.4	0.4
Конденсаторы:
КД-1	1	0.4	0.4
К50-35	4	3.0	12.0
КМ-6А	3	0.8	2.4
Трансформатор	1	280	280
Разъем СНП-30	1	15	15
Транзистор КТ814Б	1	1.8	1.8
ИТОГО			660

Масса ЭРЭ, применяемых в конструкции информационного табло табл. 0-1

Массу печатной платы можно определить зная плотность материала из которого она изготавливается и ее размеры.

М_ПП = r h A B,(6.1)

где r - плотность материала печатной платы, для стеклотекстолита 1.6 г/см3;

A, B, h - соответственно длина, ширина и толщина печатной платы, см.

М_ПП = 1.6 0.15 15 15 = 54 г.

Однако, помимо массы электрорадиоэлементов необходимо учесть массу устанавливаемых радиаторов, экранов и других деталей конструкции: корпуса, индикаторов, лампы, источника питания, проводов. Она составляет около 3370 г. Таким образом масса разработанного нами устройства составляет

М_У = М_ПП + М_ДЕТ + М_ЭРЭ = 54 + 3370 + 66 = 3490 г.



Расчет элементов печатного монтажа

Выбирая конструкцию печатной платы, рассчитывая параметры линий связи и подготавливая технологическое оборудование для изготовления печатных плат, мы должны определить такие параметры печатной платы, как ширина и шаг трассировки печатных проводников; диаметр контактных площадок; число проводников, которое можно провести между двумя соседними отверстиями; диаметр отверстий в плате до и после металлизации.

При расчете печатной платы необходимо учитывать и особенности производства, допуски на всевозможные отклонения параметров элементов печатного монтажа, установочные характеристики корпусов электрорадиоэлементов. Точности выполнения элементов конструкции проектируемая печатная плата относится к 1-му классу точности. Для печатных плат этого класса точности характерны следующие минимальные значения основных параметров:

ширина печатного проводника t_n=0.5 мм;

расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка S=0.5 мм;

Сопрягаемые размеры контура печатной платы должны иметь предельные отклонения по 14 квалитету ГОСТ 25347_82. Толщина печатной платы составляет 1,5 мм.

Рассмотрим расчет элементов проводящего рисунка с учетом технологии изготовления печатной платы. Диаметры монтажных и переходных отверстий металлизированных и неметаллизированных должны соответствовать ГОСТ 10317_79. Предпочтительные размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0.7, 0.8, 0.9, 1.1, 1.3, 1.5, 1.8, 2.0 мм, а переходных отверстий _ из ряда 0.7, 0.9, 1.1 мм.

Номинальное значение диаметра отверстия:

d = d_Э + r + d_Н,(6.2)



где d_Э - максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, устанавливаемого на печатную плату;

r - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента, r=0,2 мм;

d_Н - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия, d_Н=(-0.1) мм.

В силу того, что на печатной плате разрабатываемого устройства устанавливаются элементы с различным диаметром выводов, нам необходимо произвести расчет номинального значения диаметра отверстия для таких выводов. Так, для микросхем, транзисторов резиторов, конденсаторов, диодов и стабилитронов, устанавливаемых на плате максимальный диаметр выводов составляет 0.9 мм; для подстроечных резисторов - 1.1 мм.

Подставив данные о диаметрах выводов элементов в формулу (6.2) получим,

d_a = 0.9 + 0.2 + 0.1 = 1.2 мм,

d_b = 1.1 + 0.2 + 0.1 = 1.4 мм.

Из ряда выбираем d_a=1.3 мм, d_b=1.5 мм.

Номинальное значение ширины проводника t_НОМ в миллиметрах рассчитывается по формуле:

t_ном = t + ¦t_н¦, (6.3)

где t - минимально допустимая ширина проводника;

t_н - нижнее предельное отклонение ширины проводника, из [5] t_н = (-0.1).

Подставив данные в формулу (6.3) получим:

t_ном = 0.5 + 0.1 = 0.6 мм.

Номинальное расстояние между соседними элементами проводящего рисунка S_ном в миллиметрах определяют по формуле:

S_ном = S + t_в,(6.4)

где S - минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка;

t_в - верхнее предельное отклонение ширины проводника, из [5] t_в = 0.1 мм.

В результате подстановки данных в формулу (6.4), получим:

Sном = 0.5 + 0.1 = 0.6 мм.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения Х_L=0,03 мм.

Центры монтажных и переходных отверстий на печатной плате располагают в соответствии с ГОСТ 10317_79.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки X_d по [5] X_d =0,08 мм.

Предельное отклонение значения номинального расстояния между центрами двух отверстий печатной платы определяется как полусумма позиционных допусков расположения этих отверстий.

Диаметральное значение позиционного допуска X_p расположения контактных площадок относительно его номинального положения по [5] X_p=0,20 мм.

Расчет минимального диаметра контактной площадки производится по формуле:



D = (d+d_в) + 2b + t_в + (X_d2 + X_p2 + t_н2),(6.5)

где d_в - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;

b - гарантийный поясок наружного слоя. Принимается равным 0.1 мм.

В результате подстановки данных в формулу (6.5), получим:

Da = (1.3+0.1) + 2*0.1 + 0.1 + (0.082+0.202+0.12) = 1.94 мм;

Db = (1.5+0.1) + 2*0.1 + 0.1 + (0.082+0.202+0.12) = 2.14 мм.

Расчет минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметрами D1 и D2 производят по формуле:

L_a = 0.5(D₁+D₂) +t_номn + S_ном(n+1) + Х_L,(6.6)

где n - количество проводников;

Х_L - допуск, учитываемый при n > 0.

Подставив данные в формулу (6.6), получим:

L = 0.5(1.94+1.94) + 0.61 + 0.032 = 2.6 мм.

Диаметр монтажных отверстий после металлизации, мм, приближенно можно оценить по формуле:

d_М = dЭ + (0.14...0.3),(6.7)

d_М(a) = 0.9 + 0.14 = 1.04 мм;

d_M(b) = 1.0 + 0.14 = 1.14 мм.

при этом диаметр сверления отверстия под металлизацию, мм:



d_СВ = d_М + (0.1...0.15),(6.8)

d_СВ(a) = 1.04 + 0.1 = 1.14 мм;

d_СВ(b) = 1.14 + 0.1 = 1.24 мм.

Расчет эффективности экранирования

При экранировании ЖК-табло материал и толщину стенок экрана выбираем так, чтобы не было излишнего увеличения массы, ухудшения теплового режима, усложнения обслуживания.

Определим эффективность экранирования для замкнутого экрана из алюминия Д16.

Исходные данные для расчета:

частота, на которой ослабляется магнитная составляющая поля, f = 50 Гц;

объем экрана

V = 0.5650.2150.19 = 0.023 м³;

толщина материала d = 1.00 мм.

относительная магнитная проницаемость материала m =550;

удельное сопротивление r =2.810-8 Ом.м.

Эффективность экранирования экрана определяется следующим образом:

для электрической составляющей поля

Э_Е = K(d)k_п*k_m*Э_Е,(6.9)

где K(d) - учетный коэффициент для стальных экранов. Определяется по формуле

K(d) = k(d)*mr^-O.25,(6.10)

где mr - относительная магнитная проницаемость материала;

kп - множитель, учитывающий перфорацию. Определяется по формуле

k_п = ,(6.11)

где L - длина отверстия перфорации, мм;

a - расстояние между центрами отверстий, мм;

k_П - множитель, учитывающий электрическую негерметичность экрана. Определяется по номограммам. Ориентировочно можно принять 0,75...0,95;

Э_Е - эффективность экранирования электрической составляющей поля для медной фольги.

В нашем случае k_П=1; для магнитной составляющей поля

Э_м = n K(d) k_п k_m Э_Е ,(6.12)

где n - показатель эффективности экранирования магнитной составляющей поля. Определяется аналитически или по графикам /11/.

Определяем внутренний эквивалентный радиус экрана,

R_Э = 0.63Vэ,(6.13)

где Vэ - объем экрана, м3;

R_э = 0.6328110^-3 = 0.63 0.28 = 0.1764 м.

По номограммам в соответствии с ходом решения, приведенным в поле номограммы, по заданным значениям R_э, d и f определяем эффективность экранирования электрической составляющей поля для медной фольги:

Э_Е = 4.2810⁵ (96 дБ).

По удельному электрическому сопротивлению алюминия

r = 2.8*10 (-8) Ом*м

по графикам при mr = 1 определяется значение коэффициента K_d = 0.065.

Таким образом, зная все составляющие формуле (6.9) определим эффективность экранирования экраном электрической составляющей поля: