Выбор резисторов

При выборе резисторов, прежде всего, обращаем внимание на их габариты, стоимость и надежность, которая обусловлена наработкой на отказ. Исходя из того, что современные интегральные технологии далеко продвинулись вперед, по сравнению с прошлыми годами, мы имеем резисторы, которые характеризуются: высокой надежностью и низкой себестоимостью, компактными размерами и большой разновидностью.

В данной схеме резисторы выполняют функцию ограничителей тока, для защиты портов ввода / вывода микроконтроллера и индикатора от перегрузки.

Резистор - это линейный элемент, напрямую подчинённый закону Ома. Вообще, все электрические процессы, которые с ним связаны, описываются двумя основными физическими формулами:

,

30*30=900**150=0,125 Вт.

Сопротивление резисторов было выбрано 150 Ом, для обеспечения на портах микроконтроллера максимального тока 30 мА.

При данном токе мощность резисторов выбрана 0.125 Вт.

В конструкции датчика необходим подтягивающий резистор R1, который выполняет функцию помехозащищенности.

Номинал данного резистора рекомендуется фирмой DАLLAS в документации на датчик DS18B20, составляет 4,7 кОм, мощностью 0,125 Вт.

Уменьшение либо увеличение сопротивления подтягивающего резистора может привести к нестабильной работе датчика.

Сравним несколько типов резисторов.

Толстопленочные резисторы с допуском 5%.

Таблица 1.2 - Технические параметры.

Толстопленочные резисторы с допуском 1%.

Таблица 1.3 - Технические параметры.

Таблица 1.4 - Типоразмеры SMD резисторов.

Исходя из таблицы 1.2, и таблицы 1.3, в качестве сопротивлений R1 - R7 выбираем толстопленочные резисторы RC11, типоразмером корпуса 0805, сопротивлением - 150 Ом, мощностью 0.125 Вт.

R8 - выбирается исходя из документации на датчик DS18B20 - RC11, типоразмером корпуса 0805, сопротивлением - 4,7 кОм, мощностью 0.125 Вт.

L = 2.0 мм, W = 1.25 мм, T = 0.55 мм.

Выбор конденсаторов

При выборе конденсаторов, учитывая условия эксплуатации изделия, а также электрические параметры, будем руководствоваться тем, что для конденсаторов выдвигаются следующие требования:

наименьшая масса;

наименьшие размеры;

относительная дешевизна;

высокая стабильность;

высокая надежность;

В данной схеме конденсаторы выполняют роль ВЧ фильтров по питанию. Емкость конденсаторов выбирается исходя из типовой схемы включения стабилизатора. Производитель ST Microelectronics, рекомендует использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ.

Типовая схема включения стабилизатора 7805

Возьмем для рассмотрения несколько типов конденсаторов, и сделаем сравнение относительно класса диэлектрика в виде таблицы.

Таблица 1.7 - Технические параметры. SMD конденсаторы.

Таблица 1.9 - Типоразмер SMD конденсаторов.

Исходя из таблицы 1.7, в качестве SMD конденсаторов выбираем конденсаторы X7R с типоразмером корпуса 0805, емкостью 0.1мкФ.

l = 2.0 мм, В = 1.25 мм, s = 1.35 мм, k =0.13.

Выбор микроконтроллера

В качестве микроконтроллера будет использован ATtini2313 в корпусе 20-SOIC. Это 8 - ми разрядный AVR микроконтроллер фирмы Atmel. Выбор обоснован тем, что данный МК полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям, а именно:

наименьшие размеры;

высокая производительность;

высокая надежность;

достаточное количество портов ввода / вывода;

достаточное количество flash - памяти;

Обзор микроконтроллера ATtini2313

Характеристики ATtini 2313:

Память программ (FLASH) 2 Кбайт

Память данных (EEPROM) 128 байт

Память данных (ОЗУ) - 128 байт

Количество линий ввод/выв.18

Напряжение питания 1.8-5.5 В

Тактовая частота 0 - 20 МГц

ATtini 2313 является 8-ми разрядным CMOS микроконтроллером с низким энергопотреблением, основанным на усовершенствованной AVR RISC архитектуре. Благодаря выполнению высокопроизводительных инструкций за один период тактового сигнала, ATtini 2313 достигает производительности, приближающейся к уровню 1 MIPS на МГц, обеспечивая разработчику возможность оптимизировать уровень энергопотребления в соответствии с необходимой вычислительной производительностью.

Ядро AVR содержит мощный набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико - логическому устройству (АЛУ), что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной инструкции за один такт. В результате, данная архитектура имеет более высокую эффективность кода, при повышении пропускной способности, вплоть до 10 раз, по сравнению со стандартными микроконтроллерами CISC.

ATtini 2313 имеет: 2 Кбайт Flash - памяти с поддержкой внутрисистемного программирования, 128 байт EEPROM, 15 линий I/O общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, универсальные таймеры/ счетчики с режимами сравнения, внутренние и внешние прерывания, программируемый UART последовательного типа, программируемый следящий таймер с встроенным тактовым генератором и программируемый последовательный порт SPI для загрузки программ в Flash память, а также, два программно выбираемых режима экономии энергопотребления. Режим ожидания "Idle Mode" останавливает CPU, но позволяет функционировать SRAM, таймеру/ счетчикам, SPI порту и системе прерываний. Режим экономии энергопотребления "Power Down" сохраняет значения регистров, но останавливает тактовый генератор, отключая все остальные функции микроконтроллера, вплоть до следующего внешнего прерывания, или до аппаратной инициализации.

Устройство производится с применением технологи энергонезависимой памяти с высокой плотностью размещения, разработанной в корпорации Atmel. Встроенная Flash - память с поддержкой внутрисистемного программирования обеспечивает возможность перепрограммирования программного кода в составе системы, посредством SPI последовательного интерфейса, или с помощью стандартного программатора энергонезависимой памяти. Благодаря совмещению усовершенствованного 8-ми разрядного RISC CPU с Flash - памятью с поддержкой внутрисистемного программирования на одном кристалле получился высокопроизводительный микроконтроллер ATtini 2313, обеспечивающий гибкое и экономически - высокоэффективное решение для многих приложений встраиваемых систем управления.

AVR ATtini 2313 поддерживается полным набором программ и пакетов для разработки, включая: компиляторы С, макроассемблеры, отладчики/ симуляторы программ, внутрисхемные эмуляторы и наборы для макетирования

На рисунке 1.2 приведена внутренняя структура ATtini2313

Рисунок 1.2 - внутренняя структура ATtini2313.

Выбор цифрового датчика DS18B20:

В качестве датчика будет использована микросхема фирмы DАLLAS DS18B20 в корпусе ТО-92. DS18B20 - цифровой термометр с программируемым разрешением, обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микропроцессором. DS18B20 может питаться напряжением линии данных, при отсутствии внешнего источника напряжения.

Характеристики DS18B20:

Питание: 3,0.5,5V

Диапазон температур: - 55°C. +125°C

Точность: ±0.5°C (в диапазоне - 10°C. +85°C)

Разрешение: 9-12 бит (программируемое)

Корпус: TO-92

Быстродействие: 750mS (12 бит)

На рисунке 1.3 приведен цифровой термометр DS18B20.

Микросхема термодатчика DS18B20 имеет метрологический сертификат РФ и зарегистрирована в государственном реестре средств измерений. Считываемый с микросхемы цифровой код является результатом непосредственного прямого измерения температуры и не нуждается в дополнительных преобразованиях.

Программируемая пользователем разрешающая способность встроенного АЦП может быть изменена в диапазоне от 9 до 12 разрядов выходного кода. Абсолютная погрешность преобразования меньше 0,5°C в диапазоне контролируемых температур - 10°C до +85°C. Максимальное время полного 12-ти разрядного преобразования ~750 мс. Энергонезависимая память температурных установок микросхемы обеспечивает запись произвольных значений верхнего и нижнего контрольных порогов.

Кроме того, термометр содержит встроенный логический механизм приоритетной сигнализации в 1-Wire-линию о факте выхода контролируемой им температуры за один из выбранных порогов. Узел 1-Wire-интерфейса компонента организован таким образом, что существует теоретическая возможность адресации неограниченного количества подобных устройств на одной 1-Wire-линии.

Термометр имеет индивидуальный 64-разрядный регистрационный номер (групповой код 028Н) и обеспечивает возможность работы без внешнего источника энергии, только за счет паразитного питания 1-Wire-линии. Питание микросхемы через отдельный внешний вывод производится напряжением от 3,0 В до 5,5 В. Термометр размещается в транзисторном корпусе TO-92, или в 8-контактном корпусе SO для поверхностного монтажа (DS18B20Z).

Выбор стабилизатора

В качестве микросхемы стабилизатора напряжения использована микросхема 7805 в корпусе TO-220 фирмы STMicroelectronics, параметры которой приведены в таблице 1.17.

Выбор обоснован тем, что данный стабилизатор на выходе обеспечивает напряжение и ток, достаточный для питания устройства.

Таблица 1.17 - Технические параметры микросхемы интегрального стабилизатора.

Выбор индикатора

При выборе индикатора, учитывались следующие требования:

относительная дешевизна;

высокая стабильность;

высокая надежность;

высокая читабельность;

много разрядность;

В итоге был выбран семисегментный, четырехразрядный, светодиодный индикатор с общим анодом BQ-M51DRD фирмы BRIGHTLED.

Таблица 1.18 технические характеристики индикатора BQ-M51DRD.

Выбор клеммника

В качестве зажимов для подключения питания и датчика используется клеммник - KLS2-126-500.

Характеристики:

Рабочее напряжение - 300В

Рабочий ток (макс) - 8А/контакт

Сопротивление изоляции - 5000MОм (1000В)

Рабочая температура - 33°C. +120°C

2.3 Разработка сборочного чертежа. Расчёт площади печатной платы

Определяем стандартные размеры элементов, которые применяются в схеме, и сводим данные в таблицу.

1. Из таблицы получаем суммарную площадь S сум. = 581мм2

2. Определяем установочную площадь всех элементов на плате, если

Куст. =1,2; Куст - коэффициент установки.

Sуст. = Scум. *1,2

Sуст =581*1,2=697,2 мм2

3. Определяем площадь печатной платы, которая необходима для установки элементов с учетом расстояния между элементами и выводами, а установки элементов с учётом расстояния между элементами и выводами а также для обеспечения нормальных тепловых режимов работы по формуле

Sпов. = Sуст/Кисп,

где Кисп - коэффициент использования Кисп=0,9, Sпов= 775 мм2

4. Определяем площадь, необходимую для размещения элементов крепления. Принимаем, что плата устанавливается на четыре штифта. Площадь

Sшт. =17мм2*4=68мм2

5. Определяем общую площадь печатной платы

Sпл. общ. = Sуст + Sпов + Sшт =581+775+68=1424 мм2

6. Исходя из полученной площади, выбираем ширину платы В=66мм, то-гда длина платы

L= Sпл. общ /В=1424/66=22мм. Принимаем L=33мм.

Расчет параметров металлизированных отверстий

1. Исходя из диаметров выводов элементов, которые устанавливаются на плату (табл.) определяем диаметр металлизированных отверстий, если толщина металлизированного покрытия при металлизации гальваническим методом mпок. =0,005мм. Зазор между выводом и стенкой металлизированного покрытия К=0,2мм.

2. Элементы, которые устанавливают, имеют следующие диаметры выводов:

d1=0,6мм

d2=0,6мм

d3=0,56мм

d4=0,55мм

3. Диаметры металлизированных отверстий вычисляем по формуле

dотв 1= d1+2* mпок+2*К,

dотв 1=0,6+2*0,05+2*0,2=1,1мм

dотв 2=0,6+0,5=1,1мм;

dотв 3=0,56+0,5=1,06мм

dотв 4=0,55+0,5=1,05мм;

4. Определяем параметры контактных площадок вокруг металлизированных отверстий. Контактные площадки выполняются в виде контактного кольца с обеих сторон платы. Необходимая радиальная величина В=0,55мм, технологический коэффициент на ошибку С=0,1, тогда dкп1= dотв 1+2*В+С

dкп1=1,1+1,2=2,3мм;

dкп2=1,1+1,2=2,3мм

dкп3=1,6+1,2=2,26мм;

dкп4=1,05+1,2=2,25мм

5. Исходя из полученных размеров металлизированных отверстий и диаметров выводов элементов выбираем технологически обусловленные размеры металлизированных отверстий.

2.4 Программное обеспечение