Проектирование трехканальной цифровой системы сбора информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обзорная часть

2. Построение структурной схемы устройства

3. Выбор элементной базы

3.1 Выбор датчика и описание принципа работы

3.2 Выбор аналого-цифрового преобразователя

3.3 Описание микроконтроллера

3.4 Описание выходного интерфейса системы

4. Построение электрической принципиальной схемы

5. Расчетная часть

5.1 Конструкторский расчет печатной платы

5.2 Расчет печатной платы на виброустойчивость

5.3 Расчет теплового режима

5.4 Расчет надежности

5.5 Расчет потребляемой мощности

6. Технология изготовления печатной платы

7. Проектирование конструкции корпуса устройства

7.1 Выбор материала

7.2 Технический рисунок корпуса

8. Разработка алгоритма программы микроконтроллера

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Бурные темпы развития цифровых методов обработки информации влекут разработку и всеобщее внедрение в практику вычислений и управления производством микропроцессорных средств (персональных компьютеров и соответствующего периферийного оборудования) обработки информации. Их аппаратурная реализация, включающая микропроцессоры, контроллеры, системные платы, шины, накопители, системы вывода видео- и аудиоинформации, датчики и т.д., во многом обеспечивает заданные уровни вычислительной мощности и функциональных возможностей систем, использующих эти средства.

Простые в архитектурном исполнении микропроцессоры применяются для измерения временных интервалов, управления простейшими вычислительными операциями (в калькуляторах), работой кино-, фото-, радио- и телеаппаратуры. Они используются в системах охранной и звуковой сигнализации, приборах и устройствах бытового назначения. Бурно развивается производство электронных игр с использованием микропроцессоров. Они порождают не только интересные средства развлечения, но и дают возможность проверять и развивать приемы логических заключений, ловкость и скорость реакции.

Важной функцией МП является предварительная обработка информации с внешних устройств (ВУ), преобразования форматов данных, контроллеров электромеханических внешних устройств. В аппаратуре МП дает возможность производить контроль ошибок, кодирование - декодирование информации и управлять приемо-передающими устройствами. Их применение позволяет в несколько раз сократить необходимую ширину телевизионного и телефонного каналов, создать новое поколение оборудования связи.

Использование МП в контрольно-измерительных приборах и в качестве контрольных средств радиоэлектронных систем дает возможность проводить калибровку, испытание и поверку приборов, коррекцию и температурную компенсацию, контроль и управление измерительными комплексами, преобразование и обработку, индикацию и представление данных, диагностику и локализацию неисправностей.

С помощью микропроцессорных средств можно решать сложные технические задачи по разработке различных систем сбора и обработки информации, где общие функции сводятся к передаче множества сигналов в один центр для оценки и принятия решения.

Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически любые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большинство устройств не являются цифровыми. Более того, сигналы окружающего нас мира не всегда бывают электрическими. Для того, чтобы сложные интеллектуальные цифровые системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, необходимы интерфейсные устройства, преобразующие разнообразные физические величины в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и являются датчики. Другими словами, датчики -- это глаза, уши и органы обоняния кремниевых кристаллов.

Например, в бортовых системах летательных аппаратов за время полета накапливается большое количество информации от различных датчиков, требующих зачастую незамедлительной ее обработки. Это осуществляется централизованно с помощью вычислительной системы на основе бортовой МПС.

Разработкой аппаратурных средств занимаются множество фирм. Использование при разработке различных конструктивно-технологических принципов порождает большое разнообразие вариантов их построения для построения высокопроизводительных вычислительных систем (ВС), основу которых составляют микропроцессорные средства обработки информации (микропроцессорные системы - МПС).

В данной работе будет спроектирована трехканальная система аналогового датчика влажности на микроконтроллере pic16f620a c выходом на интерфейс USB.

1. ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Физический принцип работы ёмкостного датчика влажности

Конденсаторы с воздушным зазором могут использоваться как датчики относительной влажности, поскольку от количества водяных паров в атмосфере зависит диэлектрическая проницаемость воздуха:

где Т-- абсолютная температура (в Кельвинах), Р - давление влажного воздуха (в мм рт.ст.), Р - давление насыщенных водяных паров при температуре Т ( в мм рт.ст.), Н -- относительная влажность (в %). Из уравнения (1.1) видно, что диэлектрическая проницаемость влажного воздуха, а значит и его емкость, пропорциональны относительной влажности.

Пространство между пластинами конденсатора может быть заполнено не воздухом, а соответствующим диэлектрическим материалом, проницаемость которого сильно зависит от влажности окружающей среды. Например, существуют емкостные датчики, сформированные на основе гигроскопической полимерной пленки с нанесенными с двух сторон металлическими электродами.

1.2 Физический принцип работы резистивного датчика влажности

Сопротивление многих неметаллических проводников, в основном, зависит от содержания в них воды . На этом принципе реализуются ре-зистивные датчики влажности или гигристоры. В них используется материал, обладающий сравнительно низким удельным сопротивлением, которое сильно зависит от влажности окружающей среды. Слой такого материала довольно большой площади наносится сверху двух гребенчатых электродов. Когда он поглощает молекулы воды, сопротивление между электродами меняется, что регистрируется при помощи электронной схемы.

1.3 Физический принцип работы термисторного датчика влажности

Датчики, реализованные на основе термисторов, измеряют влажность по изменению теплопроводности газов. Такие датчики состоят из двух крошечных термисторов, закрепленных при помощи очень тонких проводов для снижения тепловых потерь за счет теплопроводности через корпус. Исследуемый газ через небольшие вентиляционные отверстия воздействует на левый термистор, при этом правый термистор размещается в герметичной камере с сухим воздухом. Оба термистора включены в мостовую схему, на которую подается напряжение +Е. При прохождении через термисторы тока их температура повышается до 170°С относительно температуры окружающей среды. Балансировка моста проводиться в условиях сухого воздуха, в уравновешенном состоянии выходное напряжение должно быть равно нулю. При отклонении абсолютной влажности воздуха от нулевого значения происходит постепенное повышение выходного напряжения. Однако при концентрации паров 150 г/м3 оно начинает падать, а при концентрации 345 г/м3 -- даже меняет свою полярность.

2. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Данный прибор (рисунок 2.1) представляет собой простую систему аналогового датчика влажности . Он принимает аналоговые сигналы от датчиков по трем каналам, в соответствии с вариантом задания. Приём этих сигналов осуществляет аналогово-цифровой преобразователь. Он осуществляет преобразование непрерывных во времени сигналов с датчика в дискретные сигналы, пригодные для оперирования микросхемами. Подключение одного из входных каналов к выходному происходит под действием управляющего слова с микроконтроллера. Далее дискретные сигналы с микроконтроллера идут на USB интерфейс.

Интерфейс USB соответствует спецификации 2.0. Он обеспечивает передачу данных на скорости до 12 Мбит/с. Интерфейс содержит встроенную систему защиты и истребует внешних элементов, однако изготовитель рекомендует устанавливать три внешних ограничивающих диода - супрессора на напряжение срабатывания - около 7 В, например SP0503BAHT (или аналог), для полной защиты входных цепей от электростатики и перенапряжений. Кроме того, реализованный интерфейс USB поддерживает «приостановленное состояние» (Suspend States), а включение / выключение этого состояния производится через одноименный вывод SUSPEND.

Рисунок 2.1

Размещено на http://www.allbest.ru/

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

3.1 Выбор датчика и описание принципа работы

Основой абсорбционных (впитывающих) датчиков относительной влажности воздуха производства компании HONEYWELL является емкостная структура, образуемая двумя плоскими платиновыми обкладками и диэлектрическим термореактивным полимером, заполняющим пространство между ними. В процессе работы водяной пар проникает через верхнюю пористую обкладку конденсатора и уравновешивается с воздухом в термореактивном полимере конденсатора. Одновременно, эта обкладка защищает электрические процессы, протекающие в термореактивном полимерном слое, от внешних электрических наводок. Слой термореактивного полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху, служит защитой конденсатора от пыли, грязи и масла. Такая мощная фильтрационная система обеспечивает надежную бесперебойную работу датчика в условиях сильной загрязненности окружающей среды, но в тоже время снижает время отклика прибора. Описанная конструкция размещается на кремниевой подложке. Вместе с этим, на подложке реализованы схемы преобразования и усиления сигнала. Выходной сигнал всех абсорбционных датчиков относительной влажности (емкостных, тонкопленочных, на основе объемного сопротивления и.т.д.) подвержен влиянию температуры. Поэтому для обеспечения высокой точности измерения в широком диапазоне температур необходимо применение внешних схем температурной компенсации характеристики преобразования. Специально для этой цели некоторые модели датчиков влажности производства компании HONEYWELL снабжены встроенным платиновым NTC терморезистором с номинальным значением сопротивления 1000 Ом, который расположен на обратной стороне подложки датчика. Датчики относительной влажности HONEYWELL имеют стандартный пропорциональный выход по напряжению. Выходное напряжение прибора линейно зависит от относительной влажности воздуха и напряжения питания, а также является функцией от окружающей температуры (паразитная зависимость). Наличие стандартного выхода по напряжению значительно упрощает схемотехнику проектируемого прибора, позволяя подключить датчик напрямую к АЦП микроконтроллера.

Я остановил свой выбор на датчике серии HIH-4010/4020 , его характеристики указаны в таблице 3.1, габаритные размеры - на Рисунке 3.1, а схема подключения - на рисунке 3.2.

Таблица 3.1 Характеристики датчиков влажности серии HIH-4010/4020:

Диапазон измерения RH, %	0...100
Точность, %	±3,5
Время отклика, с	5
Напряжение питания, В	4,0...5,8
Ток потребления, мкА	200
Рабочая температура, °C	-40...+85
Выходное напряжение при RH=0 %, В	0,958
Выходное напряжение при RH=75 %, В	3,268

Рисунок 3.1 - Габаритные размеры датчиков влажности серии HIH-4010/4020



Рисунок 3.2 - Схема подключения датчиков влажности серии HIH-4010/4020

3.2 Выбор аналого-цифрового преобразователя

Американская фирма Dallas Semiconductor в последние годы занимается не только развитием протокола цифровой связи по стандарту MicroLAN, но также непрерывно наращивает номенклатуру выпускаемых электронных приборов этого стандарта. Одним из таких оригинальных устройств, выпущенных фирмой, является 4-канальный 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения для линии MicroLAN DS 2450.

АЦП DS 2450 разрешает проблему обслуживание различных источников аналоговой информации (датчики, преобразующие в электрические сигналы такие физические величины, как давление, вес, тон, напряжение, температура и т. д.), существенно расширяя перспективы использования однопроводных сетей.

Описание прибора

АЦП DS 2450S выпускается в компактном, дешевом 8-выводном корпусе SOIC для поверхностного монтажа (рис. 3.3). Он представляет собой преобразователь аналогового сигнала в цифровой, работающий в режиме последовательного приближения, с аналоговым мультиплексором 4 в 1.

Рисунок 3.3 - Обозначение выводов DS2450S:

Блок-схема АЦП (рис. 3.4) показывает основные функциональные узлы прибора.

Таблица 3.2 - Основные параметры:

Особенности:

- Четырехканальный АЦП на одном последовательном порту

- Питание через вход Vcc или паразитное через линию передачи данных

- 8-битная точность, 16-битная разрешающая способность

- Два диапазона входных измерений: 0В-2.56В и 0В-5.12В

- Напряжение питания от 4.5B до 5.5В; рабочий диапазон температур от -40°С до +85°С

- Неиспользуемые аналоговые каналы могут быть сконфигурированы для работы в качестве ключа с открытым коллектором.

- Время преобразования - 80 мкс/бит (в худшем случае). Пример: 3 канала, разрешение 9 бит = 3х9х80мкс+160мкс инициализация=2.32мс=140 выборок по каждому каналу в секунду

- Уникальный серийный номер (ID) позволяет однозначно определить конкретный датчик в качестве источника измерений

- Возможность объединения нескольких устройств по однопроводной сети 1-Wire

- Передача данных по дешевому кабелю типа “витая пара”

3.3 Описание микроконтроллера

микропроцессорный интерфейс влажность датчик

Микроконтроллеры PIC16F620a имеет 8-разрядную, высокопроизводительную и полностью статическую RISC архитектуру.

PIC16F620a имеет 8-уровневый аппаратный стек и большое количество внутренних и внешних прерываний. В гарвардской архитектуре RISC ядра микроконтроллера разделены 14-разрядная память программ и 8-разрядная память данных. Такой подход позволяет выполнять все инструкции за один машинный цикл, кроме команд ветвления, которые выполняются за два машинных цикла. Ядро микроконтроллеров поддерживает 35 простых в изучении, но очень эффективных инструкций.

По сравнению с 8-разрядными микроконтроллерами этого класса, при использовании PIC16F620a выигрыш в эффективности использования памяти программ достигает 2:1, а в производительности 4:1.

Специальные особенности микроконтроллера PIC16F620a позволяет сократить число внешних компонентов, что в свою очередь снижает стоимость конечного устройства, повышает надежность системы и уменьшает энергопотребление. Дополнительную гибкость в разработках дает широкий выбор режимов работы тактового генератора: ER генератор, наиболее дешевое решение: LP генератор, минимизирует потребляемый ток: XT генератор, для подключения стандартного резонатора; INTRC внутренний RC генератор: HS генератор, для высокоскоростных режимов работы.

Энергосберегающий режим SLEEP, позволяет эффективно использовать микроконтроллеры в устройствах с питанием от батареек или аккумуляторов. Выход из режима SLEEP происходит при возникновении внешних, некоторых внутренних прерываниях и сбросе микроконтроллера. Высоконадежный сторожевой таймер WDT с собственным внутренним RC генератором предотвращает «зависание» программы.

Характеристика RISC ядра:

Тактовая частота от DC до 20МГц

Поддержка прерываний

8-уровневый аппаратный стек

Прямая, косвенная и относительная адресация

35 однословных команд

- все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд ветвления и условия с истинным результатом

Периферия:

16 каналов ввода/вывода с индивидуальными битами направления Сильноточные схемы портов сток/исток, допускающих непосредственное подключение светодиодов.

Модуль аналоговых компараторов:

- Два аналоговых компаратора

- Внутренний программируемый источник опорного напряжения

- Внутренний или внешний источник опорного напряжения

- Выходы компараторов могут быть подключены на выводы микроконтроллера

TMR0: 8-разрядный таймер/счетчик с программируемым предделителем

TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик с внешним генератором

TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик с программируемым предделителем и постделителем

CCP модуль:

- разрешение захвата 16 бит

- разрешение сравнения 16 бит

- 10-разрядный ШИМ

Адресуемый USART модуль

Особенности микроконтроллера:

Внешний и внутренний режимы тактового генератора

- Прецизионный внутренний генератор 4МГц,

нестабильность +/- 1%

- Энергосберегающий внутренний генератор 37кГц

- Режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора

Режим энергосбережения SLEEP

Программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB

Сторожевой таймер WDT с отдельным генератором

Режим низковольтного программирования

Программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)

Защита кода программы

Сброс по снижению напряжения питания BOR

Сброс по включению питания POR

Таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST

Широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В

Промышленный и расширенный температурный диапазон

Высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM

- 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ

- 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных

- Период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет

Схема расположения выводов:

Рисунок 3.5 - Обозначение выводов PIC16F620a

CMOS технология:

* Высокоскоростная, энергосберегающая CMOS FLASH технология (0.7 микрон)

* Полностью статическая архитектура

* Широкий диапазон напряжений питания:

- PIC16F627 от 3.0 до 5.5B

- PIC16LF627 от 2.0 до 5.5В

* Коммерческий, индустриальный и расширенный температурные диапазоны

* Малое энергопотребление:

<2мА@ 5.0В. 4.0МГц 15мкА @ 3.0В. 32кГц

< 1 мкА в режиме энергосбережения @ 3.0В

Характеристики пониженного энергопотребления:

Режим энергосбережения:

- 100нА @ 2.0В (тип.)

Режимы работы:

- 12мкА @ 32кГц, 2.0В (тип.)

- 120мкА @ 1МГц, 2.0В (тип.)

Генератор таймера TMR1:

- 1.2мкА, 32кГц, 2.0В (тип.)

Сторожевой таймер:

- 1мкА @ 2.0В (тип.)

Двухскоростной внутренний генератор:

- Выбор скорости старта 4МГц или 37кГц

- Время выхода из SLEEP режима 3мкс @ 3.0В

Рисунок 3.6 - Структурная схема микроконтроллера PIC16F620a

Таблица 3.4 Назначение выводов микроконтроллера PIC16F620a

3.4 Описание выходного интерфейса системы

В первых числах ноября 2004 года американская фирма Silicon Laboratories (SiLabs) начала промышленное производство новой интерфейсной микросхемы «интеллектуального» USB-UART моста - CP2102[1], которая является усовершенствованным вариантом микросхемы CP2101[2], производимой с августа 2003 года. Обе микросхемы являются программно-аппаратным продуктом, т.е. построены на базе серийно выпускаемого микроконтроллера С8051F321[3], оснащенного оригинальным микроконтроллерным программным обеспечением - Firmware.

Перечислим подробно основные характеристики изделия CP2102. Как уже было сказано выше, микросхема СР2102 производится в малогабаритном корпусе MLP28, таком же, как микроконтроллер C8051F321. Корпус имеет размеры всего 5x5 мм. Диапазон рабочих температур изделия: от -40 до +85 °С.

Микросхема CP2102 представляет собой преобразователь сигналов USB в сигналы UART, не требующий никаких внешних элементов, кроме трех фильтрующих конденсаторов питания, трех необязательных ограничительных диодов - супрессоров, и одного резистора в цепи сброса. Микросхема содержит следующие функциональные узлы: линейный регулятор напряжения, преобразующий входное напряжение с линии VBUS шины USB (от +4 В до +5,25 В) в напряжение примерно +3,3 В для питания ядра микроконтроллера и остальных встроенных периферийных узлов; прецизионный встроенный кварцевый генератор, работающий на частоте 48 МГц; USB приемопередатчик; собственно USB контроллер, состоящий из ядра микроконтроллера С8051F321 и оригинального программного обеспечения (Firmware), записанной в Flash- памяти программ; кроме этого, оригинальное Firmware обеспечивает доступ к 1 килобайту памяти программ, используемому для хранения идентификационных данных изделия, а также к двум буферам входных данных объемом в 576 байт и выходных данных

объемом 640 байт (оба буфера размещаются во встроенной оперативной памяти); и конечно имеется программно-аппаратный узел UART, имеющий полный комплект основных и вспомогательных сигналов. Особенно отметим, что микросхема CP2102 полностью совместима по выводам с микросхемой CP2101. Производитель не рекомендует закладывать в новые разработки предыдущий вариант микросхемы CP2101.

Рис.3.7. Структурная схема микросхемы CP2102:

Назначение выводов микросхемы CP2102 приведено в таблице 3.5.

Расположение выводов показано на рис.3.8.

Рис. 3.8 Расположение выводов:

Таблица 3.5 - Назначение выводов микросхемы CP2102:

Наименование вывода	Номер вывода	Тип вывода	Описание
VDD	6	Вход / выход питания	Вход питания 3,0 - 3,6 В или выход линейного регулятора напряжения.
GND	3	Общий провод питания («Земля»).
RST/	9	Цифровой вход / выход	Сброс микросхемы. Выход с открытым стоком внутренней цепи сброса или монитора питания. Внешний источник может инициировать системный сброс переводом входного уровня в низкое состояние на время как минимум 15 мкс.
REGIN	7	Вход питания	Вход встроенного линейного регулятора напряжения со входным диапазоном напряжений от +4 В до +5,25 В. При этом выходное напряжение на выводе VDD составляет +3,3 В.
VBUS	8	Цифровой вход	Цифровой вход VBUS. Этот вход должен быть соединен с сигнальной линией VBUS интерфейса USB. Напряжение сигнала около +5 В свидетельствует о подклю-чении микросхемы к интерфейсу USB.
D+	4	Цифровой вход / выход	Информационный вход / выход D+ интерфейса USB.
D-	5	Цифровой вход / выход	Информационный вход / выход D- интерфейса USB.
TXD	26	Цифровой выход	Асинхронный последовательный выход данных (Transmit)
RXD	25	Цифровой вход	Асинхронный последовательный вход данных (Receive)
CTS	23*	Цифровой вход	Вход управления «Очистка» (Clear To Send). Активный уровень - низкий.
RTS	24*	Цифровой выход	Вход управления «Готов к передаче» (Ready to Send). Активный уровень низкий.
DSR	27*	Цифровой вход	Вход управления «Данные установлены» (Data Set Ready). Активный уровень - низкий.
DTR	28*	Цифровой выход	Вход управления «Данные готовы» (Data Terminal Ready).Активный уровень низкий.
DCD	1*	Цифровой вход	Вход управления «Соединение обнару-жено» (Data Carrier Detect). Активный уровень - низкий.
Rl	2*	Цифровой вход	Вход управления «Индикатор звонка» (Ring Indicator). Активный уровень - низкий.
SUSPEND	12*	Цифровой выход	Прямой информационный выход сос-тояния интерфейса USB -«Заторможено». Активный уровень - высокий.
SUSPEND/	11*	Цифровой выход	Инверсный информационный выход состояния интерфейса USB - «Заторможено». Активный уровень - низкий.
NC	10, 13-22	Не использованы	Эти выходы должны оставаться свободными или могут быть подключены к напряжению питания (вывод VDD).

4. ПОСТРОЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Схема электрическая структурная приведена в приложении А, электрическая принципиальная - в приложении В, перечень элементов к ней - в приложении Е. Роль процессора играет микроконтроллер фирмы Microchip PIC16F620A.

Рассмотрим подробнее принцип работы данного устройства.

DD1 - шестнадцатиразрядный аналогово-цифровой преобразователь. На его входы AIN1, AIN2 и AIN3 через разъем XS1 заведены выходы трех аналоговых датчиков влажности. Каждый канал АЦП имеет собственный регистр, в котором устанавливается и хранится диапазон входного напряжения, разрешающая способность и значение сигнальных порогов, используемых для установки сигнальных флажков. Если входное напряжение с датчика выходит за указанный диапазон, флажки разрешают участие прибора в «условном поиске». На каждый канал устанавливается по два сигнальных флажка, которые без требования микроконтроллера просто указывают, было ли измеренное напряжение выше или ниже установленных порогов. Каждое преобразование АЦП инициализируется микроконтроллером. После включения флажка «сброс питания» микроконтроллеру сообщается о необходимости восстановить параметры настройки прибора для продолжения нормальной работы. В итоге получается восьмиразрядное слово, которое посылается на вход RA4 микроконтроллера.

Далее сигнал, преобразованный в последовательный дискретный код с микроконтроллера поступает на асинхронный последовательный вход данных микросхемы DD3, а вспомогательные порты этой микросхемы RTS, CTS, DSR, DTR, DCD и RI могут быть запрограммированы на различные режимы работы (контроля передачи с помощью вспомогательных сигналов), форматы передачи данных, а также для контроля четности.

Микроконтроллер управляет работой микросхемы USB с помощью связей своих портов (RA, RВ) и вспомогательных портов (RTS, CTS, DSR, DTR, DCD, RI) микросхемы DD3.

Микросхема содержит линейный регулятор напряжения, преобразующий входное напряжение с линии VBUS шины USB (от +4 В до +5,25 В) в напряжение примерно +3,3 В для питания ядра.

В конечном исходе, полученные данные от микроконтроллера, с микросхемы DD3 передаются по информационным входам / выходам D+ и D- на интерфейс USB, с которого соответственно данные будут передаваться на ПК.

5. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

5.1 Конструкторский расчет печатной платы

Чертёж печатной платы приведён в приложении В, сборочный чертёж - в приложении Г, спецификация - в приложении Д.

Печатные платы по плотности проводящего рисунка делятся на 3 класса. Первый класс характеризуется наименьшей плотностью проводящего рисунка; второй и третий класс характеризуется высокой и повышенной плотностями проводящего рисунка.

Таблица 5.1 Минимальные значения геометрических параметров печатных плат

Наименование параметра	Условное обозначение	Размеры проводящего рисунка, мм
Ширина проводника	T	0,25
Расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой	S	0,25
Расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки	bm	0,05
Отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы	J	0,400

Исходя из того, что минимальный диаметр вывода элемента, устанавливаемого на печатную плату, составляет 0,4 мм, следует, что с учетом допуска 0,2 мм минимальный диаметр отверстия на плате составит

0,6 мм. Следовательно, максимальная толщина платы будет равна

и составит 1,5 мм. Исходя из стандартного ряда и учитывая вышеприведенное соотношение, выберем толщину платы 1,25мм.

Минимальный диаметр контактной площадки выбирают исходя из условия сохранения целостности контактной площадки при сверлении платы.

Минимальный эффективный диаметр контактной площадки равен:

,

где dmax - максимальный диаметр просверленного отверстия,

отв - погрешность расположения отверстия (мм), определяется как отв = О + Б и учитывает неточности сверления станка и погрешности базирования платы на станке.

КП - смещение центра контактной площадки (мм), зависит от точности расположения рисунка на шаблоне, погрешности экспонирования, погрешности расположения базовых отверстий и находится так:

КП = Ш + Э + 0,5 ( П + З ) = 0,095 мм,

bm - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки.

В итоге получаем:

Минимальный диаметр контактных площадок для двусторонних печатных плат рассчитываем по формуле:

,

где hf - толщина наращенной гальванической меди (0,05 мм)

hnM - толщина предварительно осажденной меди (0,006 мм)

hp - толщина металлического резиста (0,02 мм)

Рассчитаем минимальную ширину проводника:

,

Подставляя в эту формулу значения, получим tmin = 0.404 мм.

Найдем минимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне:

Значения, полученные при hp = 0.02 мм указаны в таблице ниже.

Найдем максимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне при экспонировании:

Значения, полученные при =0,05 мм указаны в таблице ниже.

Найдем максимальные значения диаметров контактных площадок и ширины проводников на шаблоне при экспонировании:

Таблица 5.2 Значения, полученные при = 0,02 мм

dMотв , мм	Dl min , мм	Dmin , мм	DШmin , мм	DШmax , мм	Dmax , мм
0,6	1,95	2,054	2,034	2,074	2,084

Таблица 5.3 Предельные значения выбранных технологических параметров

Наименование коэффициента	Обозначение	Величина
Толщина предварительно осажденной меди, мм	hnM	0.006
Толщина металлического резиста, мм	hp	0.020
Погрешность расположения отверстия относительно координатной сетки, обусловленная точностью сверлильного станка, мм	О	0,060
Погрешность базирования плат на сверлильном станке, мм	Б	0,020
Погрешность расположения относительно координатной сетки на фотошаблоне:
Контактной площадки, мм	Ш	0,05
Проводника, мм	Шt	0,03
Погрешность расположения печатных элементов при экспонировании на слое, мм	Э	0,020
Погрешность расположения контактной площадки на слое из-за нестабильности его линейных размеров, % от толщины	М	0-0,100
Погрешность расположения базовых отверстий на заготовке, мм	З	0,020
Погрешность положения базовых отверстий фотошаблона, мм	П	0,030
Погрешность диаметра отверстия после сверления, мм		0,020
Погрешность изготовления окна фотошаблона, мм		0,050
Погрешность диаметра контактной площадки фотокопии при экспонировании рисунка, мм		0,020

5.2 Расчет печатной платы на виброустойчивость

Усталостные отказы чаще всего появляются в виде обрыва проводников, разрушения паяных соединений и нарушения контактов в разъемах. Эти усталостные отказы можно предотвратить, обеспечив разные частоты собственных колебаний для плат и шасси. Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействия вибраций, для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний платы удовлетворяла условию

Где Jmax вибрационные перегрузки в единицах g;

b - размер короткой стороны платы, мм;

г(f0) - безразмерная постоянная, числовое значение которой зависит от значения частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.

При ускорениях j = (3-10)g значения г(f0) следующее:

f0, Гц 50-100 100-400 400-700

г(f0) 17,5 25 35

Выражение получено из условия обеспечения значительной усталостной долговечности.

5.3 Расчет теплового режима

В качестве критерия оценки теплового режима работы устройства выберем плотность тока в проводниках печатной платы.

Для двусторонней печатной платы максимально допустимой считается плотность тока не более 20 А/мм2. Минимальное сечение проводника печатной платы составляет 0,06 мм2.

Найдем максимальный ток:

где Pmax - максимальная плотность тока

А

Таким образом, при токе нагрузке не более 1,2 А обеспечивается нормальный тепловой режим работы устройства и нет необходимости ставить дополнительные средства охлаждения для платы.

5.4 Расчет надежности

При проектировании устройства сопряжения я стремился создать конструкцию, удовлетворяющую оптимальным соотношениям между заданными техническими характеристиками изделия, надежностью в заданных условиях эксплуатации и технологичностью конструкции.

На этапе эскизного проектирования проводятся ориентировочные расчеты, учитывающие влияние на надежность только количества и типов применяемых ЭРИ. Расчет надежности заключается в определении показателей надежности ЭА по известным характеристикам надежности составляющих компонентов (ЭРИ, ПП, паяные соединения, соединитель) и условиям эксплуатации. Выполним расчет по внезапным отказам.

Исходные данные: Тср = 10000 ч -- заданная наработка на отказ. Система является нерезервированной.

Интенсивность отказа элементов с учетом условий эксплуатации ЭА



где -- номинальная интенсивность отказов;

-- поправочный коэффициент на условия эксплуатации;

и -- поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов, = 1,0; = 1,0 (условия эксплуатации -- лабораторная ЭА);

-- поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры, = 2 (для влажности 93 % при температуре

+25 °С);

-- поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха,

= 1 (нормальное давление). Тогда

Влияние температуры при расчете надежности учитывают, используя коэффициенты электрической нагрузки и температуру блока, полученную в результате теплового расчета. -- поправочный коэффициент в зависимости от температуры T° и коэффициента нагрузки . Температуру примем общей для всех ЭРИ: T=40°С. Режим электрической нагрузки учитывается коэффициентом нагрузки.

Средние значения коэффициентов нагрузки :

для резисторов -- 0,6;

для конденсаторов -- 0,7;

для стабисторов -- 0,5;

Тогда поправочный коэффициент равен:

для резисторов -- 1;

для конденсаторов -- 0,6;

для стабисторов -- 0,6;

Таблица 5.4 Интенсивность отказов по типам элементов

Элемент	Обозначение	Номинальная интенсивность отказа	Количество, шт.
Резистор: МЛТ 0,125		0,087	6
Кварцевый резонатор: 2С107А		0,2	1
Конденсаторы:		0,04	7
Печатная плата		0,7	1
Паяное соединение		0,01	97
Микросхемы: DS2450S PIC16F620a PC2102		0,45 0,2 0,3 0,4	1 1 1 1
Разъемы		0,01	4

Интенсивность отказа конденсаторов

Интенсивность отказа резисторов

Интенсивность отказа кварцевого резонатора

Интенсивность отказа ПП

Интенсивность отказа паяного соединения

Интенсивность отказа микросхем

Интенсивность отказа разъема

Интенсивность отказа системы

Среднее время наработки на отказ

ч

ч > ч

Надежность последовательных элементов в течение 10000 часов определяем по формуле:

Таким образом, расчетное среднее время наработки на отказ превышает заданное время наработки на отказ ячейки .

Вывод: расчетная надежность ячейки удовлетворяет требованиям ТЗ. В случае, если расчетное время наработки на отказ меньше заданного в ТЗ, необходимо провести корректировку электрической принципиальной схемы или заменить типы ЭРИ, так как в противном случае произойдет отказ ЭА.

На предприятиях широко применяется ПО расчета надежности ЭА. Основными трудностями являются: отсутствие в отечественных базах данных необходимых справочных данных для ЭРИ, выпускаемых зарубежными производителями, и наоборот; значительное отставание новой версии ПО от обновления справочных данных о надежности новых ЭРИ, как отечественного, так и зарубежного производства.

5.5 Расчет потребляемой мощности

Потребляемая мощность всей платы будет зависеть от потребляемой мощности отдельных элементов, и количества микросхем. Для расчета потребляемой мощности составим таблицу.

Таблица 5.1 Потребляемая мощность микросхем

Тип микросхемы	Количество корпусов	Мощность, потребляемая одним корпусом, Вт	Мощность, потребляемая всеми корпусами, Вт
DS2450S	1	0.0025	0.0025
PIC16F620A	1	0.01	0.01
CP2102	1	0.0936	0.0936
HIH40XX	3	0.00116	0.00348

где Pпотр - потребляемая мощность всей платы, P - мощность одной микросхемы, n - количество микросхем. В итоге:

Pпотр = 0.0025+0.01+0.0936+0,00348 = 0.10958Вт

Таким образом, потребляемая мощность платы составила всего 0.10958 Вт

6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Основные определения и характеристики печатных плат

Печатная плата (Рис 6.1) -- 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 в соответствии с электрической принципиальной схемой (рисунок 6.1).

Рисунок печатной платы -- конфигурация проводникового и (или) диэлектрического материала на печатной плате.

Рисунок - 6.1 Печатная плата:

1 -- крепежные отверстия; 2 -- концевые печатные контакты; 3 -- монтажное отверстие; 4 -- место маркировки ПП; 5 -- печатный проводник; 6 -- ориентирующий паз.

Печатный проводник (дорожка) -- одна проводящая полоска в проводящем рисунке.

Крепежные отверстия -- отверстия для крепления ПП в модулях более высокого конструктивного уровня (панелях, блоках).

Монтажные отверстия -- отверстия для установки и пайки ЭРИ. На внутреннюю поверхность металлизированных монтажных отверстий наносят медное покрытие толщиной не менее 25 мкм и покрытие для обеспечения паяемости, которые должны быть сплошными, без пор и включений, пластичными, с мелкокристаллической структурой, быть прочно сцепленными с диэлектриком, иметь определенное сопротивление, выдерживать токовую нагрузку 250 А/мм2 в течение 3 с при нагрузке на контакты 1... 1,5 Н и четыре (для многослойных ПП -- три) перепайки выводов ЭРИ без изменения внешнего вида и отслоений.

Концевые печатные контакты -- ряд печатных контактов, расположенных на краю ПП и предназначенных для сопряжения с соединителем прямого сочленения.

Ориентирующий паз -- паз на краю ПП, который используют для ее правильной установки и ориентации в ЭА.

Маркировка ПП -- совокупность знаков и символов на ПП, необходимая для ее идентификации и контроля.

Основание ПП -- элемент конструкции ПП, на поверхности или в объеме которого выполняется проводящий рисунок. Диэлектрическое основание ПП должно быть однородным по цвету, монолитным по структуре, не иметь посторонних включений, внутренних пузырей, раковин, сколов, расслоений и трещин.

Материал основания ПП -- материал (диэлектрик), на котором выполняют рисунок ПП.

Печатный монтаж -- способ монтажа, при котором электрическое соединение ЭРИ, экранов, функциональных узлов между собой выполнено с помощью элементов печатного рисунка: проводников, контактных площадок и т. п.

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. Вследствие большой трудоемкости их изготовления, сложности получения высокой точности рисунка и совмещения слоев, высокой стоимости и сложности технологического оборудования, контроля на всех операциях технологического процесса (ТП), низкой ремонтопригодности МПП применяют для уже отработанных конструкций электронно-вычислительной, авиационной и космической аппаратуры.

Ширина печатного проводника -- поперечный размер печатного проводника в любой его точке, видимый в плане.

Контактная площадка -- часть проводящего рисунка, используемая для соединения токопроводящего рисунка схемы (печатных проводников с металлизацией монтажных отверстий) и для установки и пайки (сварки) ЭРИ. Контактные площадки монтажных отверстий (рисунок 6.2) должны равномерно смачиваться припоем в течение 3...5 с и выдерживать не менее трех (для МПП -- двух) перепаек без расслоения диэлектрика, отслаивания и вздутий. Не допускаются разрывы контактных площадок, так как при этом уменьшаются токонесущая способность проводников и адгезия к диэлектрику.

Кластер -- группа контактных площадок для установки и пайки (сварки), например, микросхем.

Рисунок 6.2 - Печатные проводники и контактные площадки:

1 -- печатные проводники; 2 -- контактные площадки.

Способы изготовления печатных плат

Последовательность действий при изготовлении печатных плат указана на рисунке 6.3.

Метод металлизации сквозных отверстий применяют при изготовлении МПП. Заготовки из фольгированного диэлектрика отрезают с припуском 30 мм на сторону. После снятия заусенцев по периметру заготовок и в отверстиях, поверхность фольги защищают на крацевальном станке и обезжиривают химически соляной кислотой в ванне. Рисунок схемы внутренних слоёв выполняют при помощи сухого фоторезиста. При этом противоположная сторона платы должна не иметь механических повреждений и подтравливания фольги. Базовые отверстия получают высверливанием на универсальном станке с ЧПУ. Ориентируясь на метки совмещения, расположенные на технологическом поле. Полученные заготовки собирают в пакет. Перекладывая их складывающимися прокладками из стеклоткани, содержащими до 50% термореактивной эпоксидной смолы. Совмещение отдельных слоёв производится по базовым отверстиям. Прессование пакета осуществляется горячим способом. Приспособление с пакетами слоёв устанавливают на плиты пресса, подогретые до 120…130С. Первый цикл прессования осуществляют при давлении 0,5 Мпа и выдержке15…20 минут. Затем температуру повышают до 150…160С, а давление - до 4…6 Мпа. При этом давлении плата выдерживается из расчёта 10 минут на каждый миллиметр толщины платы. Охлаждение ведётся без снижения давления. Сверление отверстий производится на универсальных станках с ЧПУ СМ-600-Ф2. В процессе механической обработки платы загрязняются. Для устранения загрязнения отверстия подвергают гидроабразивному воздействию. При большом количестве отверстий целесообразно применять ультразвуковую очистку. После обезжиривания и очистки плату промывают в горячей и холодной воде. Затем выполняется химическую и гальваническую металлизации отверстий. После этого удаляют маску. Механическая обработка по контуру, получение конструктивных отверстий и Т.Д. осуществляют на универсальных, координатно-сверлильных станках (СМ-600-Ф2) совместимых с САПР. Выходной контроль осуществляется автоматизированным способом на специальном стенде, где происходит проверка работоспособности платы, т.е. её электрических параметров. Затем идет операция гальванического осаждения меди. Операция проводиться на авто операторной линии АГ-44. На тонкий слой осаждается медь до нужной толщины. После этого производится контроль на толщину меди и качество её нанесения. Далее производиться обработка по контуру ПП. Эта операция производиться на станке CМ-600-Ф2 с насадкой в виде дисковой фрезы по ГОСТ 20320-74. В этой операции удаляется ненужный стеклотекстолит по краям платы и подгонка до требуемого размера. Затем методом сеткографии производиться маркировка ПП. операция производиться на станке CДC-1, который требуемым штампом произведет оттиск на ПП маркировки. Весь цикл производства ПП заканчивается контролем платы. Здесь используется автоматизируемая проверка на специальных стендах.

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОРПУСА УСТРОЙСТВА

7.1 Выбор материала

Для изготовления корпуса моего устройства я выбираю ABS пластик. Этот материал недорогой и достаточно распространен. Ему можно придать практически любую форму, он прост в обработке. Устройство имеет возможность находиться на достаточно большом удалении от вычислительной системы, а также непосредственно в рабочей зоне датчиков влажности. Рабочей зоной возможно будет являться помещение с повышенной влажностью, поэтому корпус устройства нужно герметизировать. Для герметизации я использую резиновую влагоизоляционную прокладку под крышкой корпуса.

7.2 Технический рисунок корпуса

Технический рисунок корпуса представлен на рисунке 7,1 . Он включает в себя: четыре винта для закрепления печатной платы, крышку, внутреннюю влагоизоляционную прокладку и сам корпус.. Печатная плата располагается внутри, ориентирована радиоэлементами вверх. Место расположения печатной платы должно соответствовать её габаритам.

Рисунок 7.1

8. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы над курсовым проектом был спроектирован трехканальный датчик влажности на микроконтроллере PIC16F620A с выводом данных на USB-интерфейс.

Были произведены следующие работы: в первом разделе рассмотрены принципы работы ёмкостного, резистивного и термисторного датчиков влажности; во втором разделе спроектирована структурная схема моего устройства и описан принцип его работы; в третьем разделе выбран микроконтроллер и приведены его параметры, а также описаны другие используемые в схеме ИМС; в четвёртом разделе построена электрическая принципиальная схема устройства; в пятом произведены расчёты потребляемой мощности(она составила 0.10958Вт), надёжности (0,88 в течении 10000 часов), теплового режима (максимальная плотность тока не превышает норму), виброустойчивости и печатного монтажа; в шестом описаны способы изготовления печатных плат и основные определения по ним; в седьмом приведено схематичное изображение корпуса устройства и выбор материала, в восьмом представлен алгоритм программы микроконтроллера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Википедия [Электронный ресурс]- [М.], б.г.. - Режим доступа: http://wikipedia.ru/. - 01.05.10.

2 Москатов Е.А. Справочник по полупроводниковым приборам. Издание 2. -Таганрог, 219 с., ил.

3. Микрочип [Электронный ресурс]- [М.], б.г.. - Режим доступа: http:// microchip.ru/. - 01.05.10.

4 Пирогова Е.В. Проектирование и изготовление печатных плат. Учебник. -ИНФРА-М, 2005, 360 с., ил.

5 Ильин В.А. Технология изготовления печатных плат. Учебник. -Машиностроение, Ленингр. отд-ние,1984, 77с., ил.

6 Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы. Справочник. -М.: Радио и связь, 1984, 448с., ил.

Размещено на Allbest.ru